Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления

Капица Петр Леонидович

Здесь имеет место полная аналогия с тем, что происходит при росте мощности теплоэлектроцентралей. Если бы сейчас современные мощные ТЭЦ стали оборудовать уаттовскими поршневыми машинами, которые изредка еще встречаются на старых волжских пароходах или на маленьких электростанциях, то эти машины должны были бы приобрести такие размеры, которые можно считать неосуществимыми. Как хорошо известно, решение проблемы увеличения мощности осуществляется паровой турбиной, изобретенной Лавалем и Парсонсом, которая замечательна тем, что может дать на единицу веса во много раз большую мощность, чем поршневая паровая машина. Поэтому теперь крупные электростанции строят только на турбинах.

Первоначально ожижение воздуха производилось методом, в котором использовался

так называемый эффект Джоуля—Томпсона. Это явление заключается в том, что при свободном расширении газа он охлаждается тем больше, чем выше давление сжатого газа. Обычно оно было около 200 атмосфер. В дальнейшем во Франции Клод, а в Германии Гейланд охлаждение производили тем, что сжатый компрессором воздух заставляли расширяться в специальной поршневой машине, называемой детандером, которая действует весьма похоже на паровую. Как известно, паровая машина работает за счет расширения горячего пара, который, после того, как совершит работу, покидает машину в значительно более холодном состоянии. Сходство заключается в том, что сжатый воздух при расширении также будет производить работу и охлаждаться. Этим и пользуются в холодильной поршневой машине, которую называют детандером. Сжатый воздух, поступив в ее цилиндр, расширяясь, производит работу и охлаждается. Расчеты показали, что, переходя к получению жидкого воздуха в больших масштабах, чтобы из него разгонкой отделять кислород, следует, как и при получении больших мощностей, отказаться от поршневых компрессоров и детандеров и перейти к турбинам.

Возможность применения холодильных турбин была высказана учеными еще давно. По-видимому, первым был известный английский физик Рэлей. Еще 40 лет тому назад он предложил применять турбину при ожижении воздуха. Обоснование этого предложения было несколько иное, не связанное с необходимостью ожижать воздух в больших масштабах. Оно было вызвано трудностями смазки поршневых детандеров. При низких температурах все смазочные жидкости замерзают. Турбина же при работе не требует смазки. С тех пор был сделан ряд попыток применить турбины как детандеры, но добиться значительного успеха не удавалось.

Тут мне придется рассказать и о наших работах в этой области, поскольку как раз в нашем институте, применяя в качестве детандера турбину, удалось впервые получить жидкий воздух и при этом с достаточно хорошими показателями. Та новая идея, которой мы руководствовались, настолько проста, что даже не понятно, почему до сих пор на нее не обратили внимания.

Общий ход рассуждений (конечно, схематизируя) до наших работ был следующим: для того, чтобы получать холод, строили поршневые детандеры и, чтобы поднять их к.п.д., прибегали к высоким давлениям точно так же, как в энергетике стремились пользоваться поршневыми машинами высокого давления пара. Потом, для получения еще больших мощностей, в энергетике стали поршневые машины заменять турбинами. Следовательно, для получения жидкого воздуха в больших количествах нужно сделать то же самое. И. следуя этой аналогии, инженеры стали применять для холодильной техники в качестве детандеров общепринятые типы паровых турбин. На практике оказалось, что холод они, конечно, давали, но с плохим к.п.д.

Этот случай лишний раз показывает нам, как осторожно надо пользоваться аналогией. Инженеры, загипнотизированные аналогией тепловых процессов в холодильных и паровых машинах, просмотрели очень важный фактор. Они упустили то, что воздух, благодаря своей большой сжимаемости при низких температурах, становится настолько плотным, что по своим физическим свойствам гораздо больше напоминает воду, чем пар. Это приводит к тому, что холодильные турбины надо строить не по образцу паровых, а по образцу водяных, т. е. применяя несколько измененные, хорошо всем известные реактивные турбины типа Жонваля. Когда я обратил внимание конструкторов наших кислородных установок, что они применяют не тот тип турбины, мое замечание не было серьезно воспринято. Мне ответили примерно так: все за границей идут по пути паровых

турбин; то, что вы предлагаете, идет в противоречие с тем, что делают там фирмы. Это отвлеченная теория ученого.

Тогда было решено сконструировать и построить у нас в институте холодильную турбину, подобную гидротурбине, и проверить на опыте, будет ли она иметь такой же высокий к.п.д., какой характерен для водяных турбин. Эти работы заняли 2—3 года и окончились успешно. Теперь наша турбина уже получила общее признание как у нас, так и за рубежом, и была в конечном итоге отмечена правительством премией.

Этот пример является хорошей иллюстрацией того, как люди не обращают внимание на совершенно очевидное — при понижении температуры воздух приобретает новое качество, присущее жидкости, хотя и остается при этом газообразным телом. Загипнотизированные общепринятым решением проблемы конструкторы с трудом воспринимают новое, даже когда решение проблемы является более простым.

Когда при конструировании турбины эта особенность воздуха при низких температурах была учтена, открылась возможность получения кислорода в больших масштабах. В военное время не рекомендуется широко распространять цифровые данные. Но я могу вам сказать, что есть завод, который успешно работает на наших турбинах уже в продолжение нескольких тысяч часов. Третья часть всего кислорода в Москве делается сейчас таким путем. (Один из первых экспериментальных образцов ротора радиального турбодетантера изображен на рисунке.)

Это направление в получении кислорода сейчас расширяется. Но в жизни при развитии всего нового неизбежны трудности. Хотя сама по себе идея и проста, но при ее выполнении встречается ряд новых технических трудностей. Например, при осуществлении высокооборотной турбины, работающей в плотной среде холодного газа, возникает неустойчивость ротора. Пришлось разработать новый тип стабилизаторов. Приходится преодолевать и трудности психологической природы. Как всегда в отношении к новому, люди тяжелы на подъем, и в нашей промышленности немало консерватизма. Преодолев эти обычные жизненные явления, мы начинаем в области техники глубокого холода и применения кислорода опережать Запад. И здесь начинает выявляться одна очень интересная особенность, связанная с решением в народном хозяйстве такого рода проблем.

Оказывается, что в некотором отношении комплексные нововведения большого масштаба у нас в стране проходят легче, чем в капиталистических странах. Какое-нибудь маленькое изобретение у нас часто бывает продвинуть в жизнь труднее, но большое новое направление в технике, которое влечет за собой крупный сдвиг в ряде областей промышленности, у нас оказывается осуществить легче. Причина этого, по-видимому, в следующем. Чтобы быть конкретным, разберу пример, близкий к действительности.

Предположим, что для осуществления большого нововведения нужно участие двух — трех отраслей промышленности. Например, использование горения отходящих газов мартеновского производства при использовании кислорода обещает быть рентабельным для энергетического хозяйства. У нас в этом заинтересованы три наркомата: Наркомат электростанций, который может воспользоваться отходящим газом для теплоэлектроцентралей, Наркомат черной металлургии, который подымает производительность мартеновских печей при переводе плавки на кислород, и Главкислород, который должен обеспечить мартены кислородом. Все три наркомата являются органами единого социалистического хозяйства, в то время как при капиталистическом хозяйстве эти области промышленности обычно принадлежат не зависимым друг от друга в финансовом отношении фирмам. Одна из них может получить от этой комбинации большую прибыль, другая меньшую, а третья может даже понести убыток.