Юный техник, 2000 № 11

ВСЕГО СТАКАН ВОДЫ. Нехватка воды в большинстве городов Китая заставляет местных умельцев проявлять чудеса изобретательности. Здешние изобретатели разработали устройство, которое может очистить унитаз стаканом воды. При каждом нажатии на кнопку аппарат под большим давлением распыляет 200 граммов жидкости. Изобретение позволит каждый раз экономить 12 литров воды, которые содержит стандартный китайский бачок.

С ПОЛКИ АРХИВАРИУСА Воронка, изменившая мир, или что скрывается за простотой…

Изобретения, которые сделал шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль, сегодня, наверное, не помнит никто, кроме историков. Однако любой инженер несомненно помнит Лаваля, как создателя паровой турбины, и очень важной ее детали — трубки, или сопла для истечения пара. От обычных трубок сопло Лаваля отличается тем, что внутренний диаметр его вначале уменьшается, а затем плавно растет. Кому-то покажется все пустяком. А между тем именно эта деталь впервые сделала турбину работоспособной. Впервые… за две тысячи лет!

Рисунок профессора Г.И.Покровского.

Первая паровая турбина была создана в I веке до н. э. Героном Александрийским. Она работала за счет силы реакции пара, вытекавшего из трубок. Есть легенда о том, что на ее основе Герон построил действующую установку для подъема дров на вершину Фаросского маяка. Однако после гибели античной цивилизации турбину Герона (эолипил) долгое время рассматривали лишь как умозрительную игрушку.

В эпоху Возрождения потребность в энергии стала расти, что открыло путь к поискам ее новых источников. Появляются первые идеи о возможности использовать силу пара. В XVII веке паровую турбину, похожую на водяную мельницу, предложил итальянец Джованни Бранка (рис. 1).

Рис. 1

Судя по деталям рисунка, где изображена передача, снижающая скорость вращения в 100–125 раз, можно полагать, что какие-то опыты с ней проводились.

Но на первых порах технически проще оказалось заставить работать пар в поршневых машинах. И несмотря на большой успех, их чрезмерная сложность вскоре заставила изобретателей обратиться к турбине.

На одном из американских лесопильных заводов начала прошлого века поставили реактивную турбину, подобную эолипилу Герона. Поскольку даровое топливо (древесные опилки) имелось в изобилии, да к тому же рядом, установка проработала немало лет. Но в большинстве случаев применение паровых турбин не представлялось возможным. Расход топлива у них был в десятки раз выше, чем у паровых машин. И причина транжирства долгое время была загадкой.

А заключалась она в том, что конструкторы первых паровых турбин пытались использовать опыт турбин водяных. Поскольку плотность пара в сотни раз меньше плотности воды, струе, бьющей на лопатки, старались сообщить большую скорость. А вот делали тем же способом, что и с водой. Пропускали поток пара через сужающееся сопло. Для жидкостей это верно. Их скорость легко достигала предела, обусловленного почти полным переходом потенциальной энергии в кинетическую. Но скорость пара росла лишь до некоторого значения. И ничто — ни повышение давления, ни температуры — ее существенно не увеличивало.

Измерения показывали, что при этом в кинетическую энергию превращалась лишь ничтожная часть энергии. Турбинное же колесо — не что иное, как устройство, перехватывающее кинетическую энергию потока пара. При таких условиях КПД турбины мог быть лишь очень низким.

Чтобы справиться с задачей, необходимо было понять, что же происходит при истечении пара.

В отличие от воды, которая практически не сжимаема, пар при прохождении через сужающееся сопло, значительно увеличивает свою плотность. Образно можно сказать, что пар как бы имеет возможность выбирать: увеличивать ли ему свою кинетическую энергию или потенциальную. В сужающемся сопле он явно отдает предпочтение последнему. За счет этого темпы роста скорости убывают. Когда скорость потока достигает скорости звука, дальнейший ее рост прекращается.

Пар, покидающий устье сопла, в дальнейшем расширяется и тем самым дополнительно совершает механическую работу. Но движется он при этом в разные стороны. Как же уловить всю его энергию?

Выход из положения — позволить газу продолжать течение в условиях, когда плотность его может уменьшаться. Для этого вслед за сужением надо бы установить расширяющийся раструб.