Возникновение водяных колес и ветряных мельниц, использующих живую силу потока и ветра, относится к глубочайшей древности. Уже на ранних ступенях развития народного хозяйства делались попытки овладеть потоком воды для наиболее выгодного использования ее энергии. В современных водяных турбинах, являющихся все теми же водяными колесами, сила и направление потока всецело находятся под контролем человека и регулирование работы турбины производится в весьма широких пределах.
Творческая фантазия человека не раз посягала на живую силу ветра, но вид мельницы, осаждаемой заказчиками и стоящей недвижно от безветрия, скорее мог внушить мысль о применении искусственного ветра для приведения в движение этого двигателя.
Таким искусственным ветром является водяной пар который даже при самом невысоком давлении имеет чрезвычайно большую скорость при истечении его из сосуда, в котором он заключен. Уже при пяти атмосферах первоначального давления он вытекает в воздух со скоростью в 500 метров в секунду, то есть со скоростью, значительно превышающей скорость распространения звука, в то время как сила ветра даже при урагане не превышает сорока метров в секунду.
Идея использования ветровой силы водяного пар для получения вращательного движения возникла так же в глубокой древности. Во всяком случае уже в древнейшем из дошедших до нас трудов, затрагивающем вопросы механики, а именно в труде Герона Старшего из Александрии, жившего около 120 года до нашего летоисчисления, описан прибор, называемый «эолипилом». Он представляет собой полый шар с двумя трубками, из которых находящаяся вверху загнута вперед, а находящаяся внизу загнута назад. Осью, на которой вращается этот шар, служат также полые трубки соединенные с сосудом, в котором находится кипящая вода. По этим осевым трубкам пар наполняет шар и, вытекая в воздух из другой пары загнутых трубок, приводит шар в движение. Шар вращается благодаря так называемой реактивной или противодействующей силе выходящего наружу пара.
Этот прибор является прототипом простейшей реактивной паровой турбины.
Другая машина, использующая ветровую силу пара для своего движения, известная по имени ее изобретателя Джованни Бранка как «машина Бранка», описана в труде Бранка, вышедшем в Риме в 1629 году. Она состоит из парового котла, крышкой которого служит бюст человека с тонкой трубкой во рту: из этой трубки вытекает пар на лопасти горизонтального колеса с ячейками, которое от этой активной силы пара вращается с значительной быстротою и силою, так что этот двигатель употреблялся даже для приведения в движение маленького толчейного стана.
Машина Бранка представляет собой по существу прототип простейшей активной паровой турбины.
Хотя мысль об использовании активной и реактивной силы пара для получения двигателя с непосредственным вращательным движением никогда не покидала изобретателей, все предлагавшиеся ими машины были лишь измененными типами эолипила и никакого практического применения они не имели. И только в конце девятнадцатого века, когда перед техникой стал вопрос о создании экономического двигателя и когда теоретические знания о свойствах пара и законах его истечения стояли достаточно высоко, изобретатели снова возвратились к мысли о создании мощной, экономичной паровой турбины, и разрешили вопрос.
Необходимость технического изобретения вырастает из потребностей своего века. Так, паровая турбина была создана одновременно, но совершенно независимо друг от друга и различными способами в 1884 году в Швеции потомком французского эмигранта Карлом Патриком Густавом де Лавалем и в Англии сыном лорда Росса Чарльзом Альджероном Парсонсом[2]. Первый сконструировал активную паровую турбину и второй, идя от аналогии с водяной турбиной, разработал тип реактивной паровой турбины.
Густав де Лаваль
Хотя турбины Лаваля и не получили широкого распространения, отдельными частями своей конструкции они необычайно способствовали дальнейшему развитию паротурбостроения.
Турбины же Парсонса, благодаря исключительной энергии изобретателя, непрестанно совершенствуясь, развивались очень быстро и в самом начале своего развития были отнесены лордом Кельвином, выдающимся физиком девятнадцатого столетия, к «величайшим изобретениям в области паровых машин со времени Уатта».
Чарльз Парсонс
Паровые турбины, движущей силой которых являлся пар, так же, как и паровые машины, хотя и более экономично, потребляли все тот же уголь, основной энергетический источник, и нашли себе распространение в странах, располагавших этим видом топлива.
Однако вопрос об использовании второго главного источника энергии — нефти — продолжал стоять очень остро перед странами, богатыми нефтяными месторождениями.
Поэтому, в то время как часть изобретателей, невольно поддерживая интересы углепромышленности, трудилась над усовершенствованием паровых турбин, другая часть их продолжала стремиться к непосредственному использованию нефти или хотя бы вырабатывавшихся из нее бензина и керосина в двигателях внутреннего сгорания.
Почти одновременно были построены керосиновые двигатели: в Германии — Шпилем и в Англии — Пристманом. Это были принципиально все те же двигатели Отто. Они имели насосы для впрыскивания керосина. У Шпиля он впрыскивался через раскаленную трубку, где обращался в газ, после чего всасывался в цилиндр, смешиваясь с воздухом. У Пристмана керосин впрыскивался в особую коробку, нагревавшуюся отходящими газами, в которой и превращался в газообразное состояние.
Вслед затем англичанин Джемс Харгревс в 1888 г. построил двигатель, использовав указание того же Бо-де-Роша на принцип самовоспламенения топлива. Это был первый прототип двигателя тяжелого топлива. Он заключал в себе все признаки так называемого двигателя с запальным шаром и даже имел форсунку в виде впрыскивающего сопла с иглой и охлаждение камеры сгорания водой.
Одновременно Эмиль Капитан, даровитый немецкий конструктор, сделал ряд предложений для разрешения проблемы двигателя внутреннего сгорания, работающего на тяжелом топливе. Самой выдающейся его работой явилось предложение впрыскивать в камеру сгорания из двух противоположных сопел две струи жидкого топлива таким образом, чтобы их живая сила при столкновении взаимно уничтожалась и обусловливала мелкое распыление горючего. Воспламенение нефти, мазута или масла должно было происходить при помощи вспомогательного зажигания.
Ни один из проектов двигателей тяжелого топлива Капитана не был доведен до конца. Многие объясняли это отсутствием средств, некоторые — увлечением все новыми и новыми идеями. Вернее всего, дело заключалось в том, что сам Капитан не обладал достаточной стойкостью в те моменты, когда его постигали неудачи.
В 1884 г. Зейнлейном был предложен способ вдувания топлива сжатым воздухом. Вскоре им был взят патент на керосиновый двигатель с подачей керосина посредством сжатого воздуха и зажигания электрической искрой. Через два года Свидерский в Лейпциге построил двигатель с компрессором, т. е. прибором для распыливания горючего сжатым воздухом. Но еще за несколько лет до этих попыток практического решения задачи кельнский преподаватель Келлер в своей книге «Теория газовых двигателей» сделал прямое предложение сконструировать двигатель тяжелого топлива с применением самовоспламенения топлива, постепенного введения его в камеру сгорания.
Наконец, уже в 1891 г. англичанин Герберт Акройд Стюарт предложил ранний впрыск топлива на раскаленную поверхность и построил так называемый калоризаторный двигатель тяжелого топлива, получивший потом при распространении название «нефтянки». Калоризаторный двигатель все еще шел по пути четырехтактного цикла Отто: он работал на малых степенях сжатия. Горючее же в нем поступало в предварительно раскаленный извне паяльной лампой калоризатор, и на запальный шар, где оно и вспыхивало без зажигания.
Нефтянки имели все шансы на распространение, так как были экономичнее паровых машин и значительно удобнее их для мелких предприятий.
2
История развития паровых турбин и биографии изобретателей изложены в моей книге «Творцы турбины», Гос. изд-во научно-популярной литературы, М., 1935.