Деловые письма. Великий русский физик о насущном - Пётр Леонидович Капица

Здесь были сперва следующие трудности. Турбинами я никогда не занимался, знал их теоретически по книгам, поэтому я не чувствовал уверенности в себе и было бы неприятно, если бы одна из моих первых работ в Союзе была бы неудачной, поэтому я начал эту работу, не включая ее в официальный план работ института. Второе: хотя нашему институту и нужна была машина для получения жидкого воздуха, так как он является исходным продуктом для ожижения гелия и водорода, а наша промышленность нас снабжает жидким воздухом очень плохо (часты перебои, да и стоит он нам очень дорого – 60 000–70 000 рублей в год), но строить турбинный ожижитель для института было сопряжено со следующими затруднениями. Известно, что всякая турбина только тогда экономична, когда она работает с большим количеством газа. Происходит это оттого, что мощность турбины возрастает пропорционально ее объему, а большинство потерь увеличивается, как поверхность рабочих частей. Очевидно, что чем больше турбина, тем меньше отношение поверхности к объему и, следовательно, меньше относительные потери. Нашему же институту [нужна], сравнительно с промышленными масштабами, очень малая производительность, и, следовательно, турбина должна быть маленькой. Показать же на маленькой турбине справедливость моих идей еще труднее, и [это] заставило меня быть еще осторожнее.

Вот в чем заключалась моя идея, она исключительно проста. При конструировании прежних турбин, которые делали французы, немцы и Гипрогаз, в основу были положены принципы конструкции паровых турбин, и, по-моему, это было неправильно. Дело в том, что турбодетандер должен работать при −186 градусов [по Цельсию], а при этой температуре воздух становится тяжелее и его плотность во много раз превышает плотность пара. Поэтому гораздо правильнее положить в основу конструкции турбины те принципы, на которых работает водяная турбина, т. е. использовать силы, возникающие при движении более тяжелой среды, поэтому при работе турбины не только использовать реакционные силы потока газа, но и кориолисовы силы[190]. На практике это достигается тем, что вместо аксиального пуска газа он делается радиальным. Можно показать теоретически, что такую турбину представляется возможным заставить работать с двойным перепадом давления и, по сравнению с прежними турбинами, при тех же потерях получать двойную мощность.

Два года тому назад мы взялись за эту работу, и, как всегда в исследовательской работе, затруднения пришли не с той стороны, откуда их ждали. Оказалось, что турбина при вращении в такой плотной среде, как воздух у точки ожижения, теряла свою устойчивость. Пришлось искать теоретические основания этой устойчивости. В библии современного турбостроения, [в] книге Стодолы (стр. 928, 6-е издание, 1924 г.)[191] говорится «что теория этих явлений чрезвычайно запутана и не разрешена…». Но, не имея теории, нельзя было найти пути для того, чтобы добиться устойчивости. Строя модели и экспериментируя, после 8–9 месяцев работы нам удалось найти теорию этого явления. Тогда все стало просто и легко, и, [когда мы] сделали соответствующие приспособления, турбина стала устойчива. Насколько наша турбина устойчива, видно из следующего: край ротора делает более 200 метров в секунду, т. е. скорость полета дроби из двустволки, а зазор между ротором и кожухом при этом немногим больше 1/10 миллиметра. Между прочим, эти методы стабилизации роторов, возможно, окажут влияние и на большие паровые турбины, там тоже полезно иметь большую устойчивость вращения ротора, чтобы уменьшить зазор между лопатками и кожухом, так как это повысит коэффициент полезного действия.

Было еще следующее затруднение. Для нужной нам производительности наша турбина получается очень маленькая – ротор ее свободно помещается на ладони и весит всего 300 граммов, хотя, чтобы снабжать се воздухом, нужен компрессор, который весит 4 тонны. (Это, между прочим, рисует соотношение габаритов поршневых и турбинных механизмов.) Наш ротор делает 46 000 оборотов в минуту. Вначале все подшипники у нас быстро разбалтывались. Изучая причину этого, мы нашли, что это происходит благодаря тому, что оси инерции турбины было невозможно достаточно точно центрировать; тогда был изобретен новый метод подвешивания ротора к оси. Сцепление ротора с осью осуществляется на трении, и поэтому ротор становится самоцентрирующим. Возможно, что и этот метод крепления роторов найдет себе более широкое применение в [таких] быстро вращающихся механизмах, как центрифуги, гирокомпасы и пр.

[Когда мы] преодолели все эти трудности, после двух лет работы, третья по счету построенная турбина полностью подтвердила правильность основных идей, заложенных в ней. Несмотря на ее малый размер, коэффициент полезного действия ее больше 0,7, а при некоторых режимах доходит до 0,75–0,80, тогда как прежние турбодетандеры, по литературным данным, не имели коэффициента [полезного действия] заметно больше 0,6–0,65, несмотря на то, что они гораздо больше по размерам, чем наша [турбина].

Специальной охладительной установкой, снабженной такой турбиной, мы теперь ожижаем воздух при давлении в 3–4 атмосферы вместо прежних 200 и этим осуществили поставленную задачу.

Вот еще некоторые цифры, характеризующие то, что мы достигли. Если сравнить нашу установку с прежними установками, равными по производительности, то для нашей установки стандартный компрессор низкого давления стоит по советским ценам 20 000 рублей, [а] для обычного ожижителя – 100 000 рублей. Далее, у нас отсутствует необходимость очищения воздуха от влаги и углекислоты: очистительные приспособления в прежних установках достигали размеров, больших, чем вся наша установка. Даже включая все расходы по двухлетнему экспериментированию, вся наша установка нам обошлась не более 100 000 р., в то время как эквивалентная ей стандартная установка завода ВАТ[192], честная копия немецкой, стоит 200 000 р.

Все это, конечно, неплохо, так как, по-видимому, получать жидкий воздух таким путем, как мы, еще никому не удавалось, но все же это еще решает только ту часть проблемы по ректификации воздуха, которая связана с получением холода. Остается вопрос, как приложить этот метод получения холода для ректификации воздуха. Этот вопрос, мне кажется, тоже имеет решение, но заранее трудно точно сказать, что из этого получится. <…>

Но если я так подробно описал Вам нашу работу с турбиной, [то] это потому, что я считаю, что то, что нами уже достигнуто, имеет ценность для хозяйства нашей страны и это следует использовать. Это видно уже из данных испытания установки для ожижения воздуха, которая установлена у нас для нужд института, хотя она только сейчас поступает в опытную эксплуатацию. При продолжительной работе, конечно, возникнет необходимость ряда конструктивных улучшений, но принцип работы и его преимущество, мне кажется, можно считать доказанными.

Оставляя в стороне все дальнейшие улучшения и взяв установку как она есть,