Авиационная паровая турбина Хютнера

Парообразователь и турбина вместе с конденсатором здесь были объединены в один вращающийся агрегат, имеющий общий корпус. Хютнер замечает (Archiv fur Warmewirtschaft und Dampfkesselwesen, Bd 17, №10, s. 269, 1936): «Двигатель Хютнера представляет силовую установку, отличительная характерная особенность которой состоит в том, что вращающийся генератор пара образует одно конструктивное и эксплоатационное целое с вращающейся в противоположном направлении турбиной и конденсатором».

Основной частью турбины является вращающийся котел, образованный из целого ряда V-образных трубок, причем одно колено этих трубок соединено с коллектором для питательной воды, другое — с паросборником. Котел показан на фиг. 143.

Трубки расположены (Der termische Wirkungsgrad des Huttner Motors. L`Aerophile, №7, p. 151, 1936) радиально вокруг оси и вращаются со скоростью в 3000—5000 об/мин. Поступающая в трубки вода устремляется под действием центробежной силы в левые ветви V-образных трубок, правое колено которых выполняет роль генератора пара. Левое колено трубок имеет ребра, нагреваемые пламенем от форсунок. Вода, проходя мимо этих ребер, превращается в пар, причем под действием центробежных сил, возникающих при вращении котла, происходит повышение давления пара. Давление регулируется автоматически. Разность плотностей в обеих ветвях трубок (пар и вода) дает переменную разность уровней, являющуюся функцией центробежной силы, а следовательно, и скорости вращения. Схема такого агрегата показана на фиг. 144. В левой части агрегата расположена одноступенчатая турбина с присоединенным конденсатором.

Ребра справа представляют нагревательное устройство. На фиг. 145 показан разрез многоступенчатой турбины с отдельным конденсатором.

Особенностью конструкции котла является расположение трубок, при котором во время вращения создается разрежение в камере сгорания, и таким образом котел выполняет как бы роль всасывающего вентилятора. Питание котла водой происходит автоматически вследствие разрежения, получаемого при работе у входа в холодное колено трубки.

Хютнер, выступая на собрании инженеров в Берлине в 1934 г. по поводу регулирования работы турбинной установки, говорил (Luftwissen, №4, 1934): «Органы регулирования здесь не нужны. Нет даже герметических камер давления. Роль запорного приспособления выполняет вода, находящаяся под действием центробежной силы, и она предупреждает сверхдавление. Это обстоятельство и автоматическая подача питательной воды являются достижениями, обеспечивающими большую надежность работы».

Принцип работы турбины следующий. Пар из сопел попадает на рабочее колесо турбины и приводит его во вращение. Турбина вращается в сторону, противоположную вращению котла, и достигает скорости в 15 000—20 000 об/мин.

Отработанный пар попадает во вращающийся струйный конденсатор, имеющий наружные ребра, содействующие охлаждению. Из конденсатора вода попадает вновь в левое колено котла, и процесс начинается сначала. Только небольшой излишек воды, необходимый для полной конденсации пара, охлаждается в обычном радиаторе. Вес воды, благодаря короткой циркуляции, очень незначителен. Таким образом, как утверждает (Arch. f. Warmewirtsch., №7, s. 270, 1936) Хютнер, «вращением котла обусловливаются одновременно и питание его, и движение горячих: газов, и движение охлаждающей воды».

Весьма важным обстоятельством, как указывает Хютнер, является также возможность осушать пар во всех ступенях турбины. Как мы видели, эта возможность вытекает из факта действия центробежной силы, отбрасывающей частицы воды к периферии и, таким образом, осушающей пар после каждой ступени. Конденсат в этом случае используется в виде питательной воды. Хютнер получает в своем котле насыщенный пар.

Во время доклада на собрании инженеров в Берлине Хютнеру было указано на возможность применить перегретый пар. На это он ответил: «Я вполне согласен со сделанным здесь замечанием, что перегретый пар обеспечивает лучший коэфициент полезного действия, чем насыщенный пар. Но это верно только для определенного, одинакового в обоих случаях, давления свежего пара. Я бы мог без особых затруднений поставить перегреватель, но не поставил его совершенно сознательно. Условия здесь совершенно другие, чем в обычных установках, так как высокая температура перегревателя снижает его прочность и тем самым ограничивает число оборотов. Достижимое давление пара, зависящее от числа оборотов, будет, следовательно, ниже, чем в турбине, работающей насыщенным паром. Таким образом компенсируется падение термического коэ-фициента полезного действия. Все эти соображения являются новостью, так как они не имеют никакого значения для обычных установок. В последних такого рода мероприятие будет даже неверным, так как повышение давления без перегрева очень увеличивает опасность разъедания лопаток влажным паром. Но эта опасность у нас не существует, так как корпус турбины представляет собой центрофугу. Проходя через турбину, пар длительно испытывает действие центробежной силы. Еще больше подвержены ее действию образующиеся при расширении пара капельки воды. Возникает сила, направленная под углом к потоку пара, которая выбрасывает водяные капли в тех местах, где скорость потока незначительна, т. е. позади дисков турбины. Таким образом совершенно устранена опасность разъедания лопаток водой и тем самым дана широкая возможность перехода к использованию насыщенного пара.

Так как выделившаяся вода возвращается автоматически и без тепловых потерь в питательную воду, то благодаря этому достигается без применения дополнительных устройств регенеративный подогрев питательной воды, что в обычных установках требует сложной и неудобной аппаратуры» (Luftwissen, №4, 1934).

Одним из преимуществ установки Хютнера является ее незначительный вес и небольшие размеры. В турбине отсутствуют всевозможные трубопроводы, она проста в обращении и легко регулируема. Пуск турбины в ход (Arch. f. Warmewirtsch., №10, s. 269-272, 1936) требует всего 30 сек. Хютнер рассчитывал получить к.п.д. котла 88% и к.п.д. турбины 80%. Правда, Мюнцингер резонно указывает, что в такой турбине крутящий момент обеих вращающихся в различные стороны половин турбины не будет равным, что будет снижать к.п.д. установки. Турбина и котел нуждаются для запуска в пусковых моторах.

Во время развернувшейся дискуссии Вагнер высказал сомнение в надежности котла Хютнера. Он говорил: «В особенности я имею в виду V-образные трубки, подвергающиеся одновременно действию центробежной силы, внутреннего давления и нагрева. Нагрузка не может быть здесь точно рассчитана, и надежность эксплоатации становится сомнительной. Для самолетов же, в особенности трансокеанских, надежность эксплоатации является самым главным условием. Другим недостатком является возможность во время различных маневров самолета сохранить давление пара и уровень жидкости в V-образных трубках постоянным» (Luftwissen, №4, 1934).

Но Вагнер собственно не подчеркнул основного недостатка турбины Хютнера. Дело в том, что, как пишет Хютнер: «в двигателе Хютнера каждая ступень начинается на линии насыщенного пара». При этом Хютнер считает, что цикл с ненасыщенным паром только один приближается к циклу Карно и в условиях быстрого вращения турбины отделение конденсата от пара становится возможным. Но мы знаем, что осушение пара (эрозия) в 100% пока еще недостижимо для современной техники, а весь расчет Хютнера базируется именно на этом. До сих пор удалось в стационарных турбинах добиться осушения максимум в 20—25%. Условия температурного режима при отсутствии необходимых материалов также не позволяют пока осуществить такие машины промышленного типа.

Вот почему проф. Якуб в беседе с нами по поводу этой установки высказал свое мнение о том, что он не считает этот агрегат имеющим какие-либо перспективы. В то же время неверно было бы думать, что осуществить турбину с вращающимся котлом для нужд авиации невозможно. Проведенные эксперименты позволяют надеяться, что такая турбина весом в 0,5 кг/л.с. будет в конце концов построена.

Можно также согласиться с проф. Мюнцингером в том, что недостатки «нисколько не умаляют основного значения турбины Хютнера, в которой впервые была последовательно проведена до конца идея объединения котла, турбины и конденсатора в одно органически неразделимое целое».

На спорные вопросы в конечном счете могла ответить только практика. Хютнеру удалось построить несколько моделей своей паровой турбины. Одна из первых его моделей имела диаметр 25 см и мощность 1/5 л.с. Как утверждали в печати, пуск в ход отнимал всего 10 секунд. При весе воды в 35 г получался часовой съем пара 25 кг, к. п. д. котла был получен равным 80%.

На фиг. 146 показана одна из последующих моделей турбины Хютнера мощностью в 20 л.с.

На основе опытных данных был составлен проект большой машины, предназначавшейся для бомбардировщика. Сам Хютнер по этому поводу говорил: «Я хотел бы еще отметить, что проекты наших машин больших размеров основаны не на приближенных вычислениях, но на очень точных результатах замеров, произведенных на опытных машинах… В заключение можно сказать, что далеко превзойдены возлагавшиеся на эту турбину надежды. Дальнейшие опыты продолжаются» (Grundsatzliches uber Dampftriebwerke fur Luftfahrzeuge. Luftwach-Luftwissen, s. 95-96, 15 апреля 1934).

В 1934 г. в печати промелькнуло сообщение (Berliner Tageblatt, 15 апреля 1934) о разработке проекта большого самолета в Германии, оборудованного турбиной с вращающимся котлом.

Во французской печати два года спустя утверждали, что в условиях большой засекреченности военным ведомством в Германии построен специальный самолет. Для него сконструирована паросиловая установка системы Хютнера мощностью в 2500 л.с. Длина самолета 22 м, размах крыльев 32 м, полетный вес (приблизительный) 14 т, абсолютный потолок самолета 14 000 м, скорость полета на высоте в 10 000 м 420 км/час, подъем на высоту 10 км 30 минут. Инженер Прекуль приближенно считал вес винтомоторной установки этого самолета около 1 кг/л.с., удельный же расход топлива около 225 г/л.с.ч. на высоте в 10 000 м.

Весьма возможно, что эти сообщения в печати значительно преувеличены, но несомненно, что германские конструкторы работают над этой проблемой, и предстоящая война может здесь принести неожиданные сюрпризы.