Революция на транспорте

Огромное значение имело появление железных дорог. Первый паровоз был построен в 1804 году Ричардом Тревитиком. В последующие годы многие инженеры пытались создавать паровозы, но самым удачливым из них оказался Георг Стефенсон, который в 1812–1829 гг. предложил несколько удачных конструкций паровозов. Его паровоз был использован на первой в мире железной дороге общественного пользования, связывавшей Дарлингтон с Стоктоном, открытой в 1825 г. После 1830 г. в Великобритании началось масштабное строительство железных дорог.

Увеличение числа машин вызвало повышенную потребность в металле, что потребовало развития металлургии. Главным достижением этой эпохи в металлургии была замена древесного угля, использовавшегося средневековыми кузнецами, на каменноугольный кокс. Его ввел в употребление в XVII в. Клемент Клерк и его мастера кузнечных дел и литья.

С 1709 г. в местечке Коулбрукдэйл Абрахам Дарби, основатель целой династии металлургов и кузнецов, использовал кокс для получения чугуна из руды в доменной печи. Из него поначалу делали лишь кухонную утварь, которая отличалась от работы конкурентов лишь тем, что ее стенки были тоньше, а вес меньше. В 1750х годах сын Дарби построил еще несколько домен, и к этому времени его изделия были еще и дешевле, чем изготовленные на древесном угле. В 1778 г. внук Дарби, Абрахам Дарби III, из своего литья построил в Шропшире знаменитый Железный мост, первый мост в Европе, полностью состоящий из металлических конструкций.

Для дальнейшего улучшения качества чугуна в 1784 г. Генри Корт разработал процесс пудлингования. Рост производства и улучшение качества английского металла к концу XVIII в. позволило Великобритании полностью отказаться от импорта шведского и русского железа. Развернулось сооружение каналов, позволявших перевозить уголь и металлы.

В 1864 г. французский артиллерист Пьер Мартен разработал способ получения литой стали в плазменной регенеративной печи. Полученные в мартеновских печах болванки прокатывались затем в листы и профильные полосы. Этот способ обеспечил промышленность недорогим строительным материалом, более прочным, чем железо.

Еще одним достижением промышленной революции стало уличное освещение. Его появление в британских городах стало возможным благодаря шотландскому инженеру Уильяму Мердоку. Он изобрел процесс получения светильного газа путем пиролиза каменного угля, а также способы его накопления, транспортировки и использования в газовых фонарях. Светильный газ – смесь водорода (50 %), метана (34 %), окиси углерода (угарный газ – 8 %) и других горючих газов, получаемая при пиролизе каменного угля или нефти. Первые газовые светильники были установлены в Лондоне в 1812–1820 гг. Вскоре большая часть угля, добываемого в Великобритании, шла на нужды освещения, так как оно не только повышало комфорт и безопасность на городских улицах, но и способствовало удлинению рабочего дня на фабриках и заводах. Ранее заводы освещались дорогостоящими свечами и масляными лампами.

Промышленная революция сделала возможным промышленное производство некоторых наиболее востребованных на рынке химикатов, чем было положено начало развитию химической промышленности.

Важнейшим социально-политическим событием, наложившим печать на общественную и на интеллектуальную жизнь Европы первой половины XIX в., была Великая Французская буржуазная революция 1789 г. Она послужила мощным толчком для философского естественнонаучного мышления XIX в. Во время революции в 1794 г. были организованы высшие учебные заведения нового типа – Политехническая и Нормальная школы. Средневековые университеты в ходе промышленной революции изменились, а их образовательные стандарты приблизились к современным. Кроме того, появились новые высшие учебные заведения, в частности, политехнические и специализированные институты и академии. Во Франции, да и в других странах, важную роль в подготовке ученых в XVIII в. играли военные, военно-инженерные, морские школы, математические программы которых нередко превосходили по содержанию и объему университетские курсы.

Что касается развития науки в XVIII веке, то надо отметить, что ее достижения практически не находили приложения в бурно развивающемся машиностроении, не говоря уже о других отраслей промышленности. Это объясняется тем, что громоздкие и тихоходные машины не нуждались пока еще в проведении расчетов на прочность. Развитие физики также пока еще не имеет связи с производством, а такие науки как теплотехника, электромагнитная теория и др. находятся еще в зачаточном состоянии и не могут помочь развитию машиностроения. Из наук в этот период развиваются, прежде всего, механика и математика, к концу его появляется химия, электромагнетизм и др.

Развитие математического анализа в XVIII веке.

Одной из характерных черт развития математического анализа в XVIII веке, было разветвление на несколько наук: дифференциального и интегрального исчисления, теории дифференциальных уравнений, в свою очередь расчленившейся на учение об обыкновенных дифференциальных уравнениях и об уравнениях в частных производных, вариационного исчисления, теории специальных функций, начал теории функций комплексного переменного. Выделяется также учение о бесконечных рядах. В рамках дифференциального и интегрального исчисления в качестве нового отдела вырастает анализ функций многих переменных.

Ниже приведен вклад в развитие математики четырех самых выдающихся ученых XVIII столетия.

Даниил Берну́лли (1700–1782), швейцарский физик-универсал и математик, один из создателей кинетической теории газов, гидродинамики и математической физики, сын Иоганна Бернулли. Академик и иностранный почетный член (1733) Петербургской академии наук, член Академий: Болонской (1724), Берлинской (1747), Парижской (1748), Лондонского Королевского общества (1750). Более всего Даниил Бернулли прославился трудами в области математической физики и теории дифференциальных уравнений — его считают, наряду с д’Аламбером и Эйлером, основателем математической физики. утверждением, что причиной давления газа является тепловое движение молекул. В своей классической «Гидродинамике» он вывел уравнение стационарного течения несжимаемой жидкости (уравнение Бернулли), лежащее в основе динамики жидкостей и газов. С точки зрения молекулярной теории он объяснил закон Бойля – Мариотта.

Д. Бернулли принадлежит одна из первых формулировок закона сохранения энергии (живой силы, как тогда говорили), а также (одновременно с Эйлером) первая формулировка закона сохранения момента количества движения (1746). Он много лет изучал и математически моделировал упругие колебания, ввел понятие гармонического колебания, дал принцип суперпозиции колебаний.

В математике опубликовал ряд исследований по теории вероятностей, теории рядов, численным методам и дифференциальным уравнениям. Он первый применил математический анализ к задачам теории вероятностей (1768), до этого использовались только комбинаторный подход. Бернулли продвинул также математическую статистику, рассмотрев с применением вероятностных методов ряд практически важных задач.

Первое место в разработке дифференциального и интегрального исчисления, как и всего анализа в целом, принадлежало в течение почти пятидесяти лет рассматриваемой эпохи Леонарду Эйлеру (1707–1783) – математику, механику, физику и астроному, академику Петербургской АН (1726–1741 гг. и с 1766 г.), с Эйлер 1741 по 1766 гг. работал в Берлинской АН. Он обладал феноменальной трудоспособностью, его научные интересы относились ко всем областям естествознания. В 1736 г. вышел трактат Эйлера по механике, в котором он впервые изложил динамику точки с помощью математического анализа и ввел силы инерции. Он является одним из основоположников дифференциального и интегрального исчисления, а также вариационного исчисления. В книге «Корабельная наука» (1749) заложил основы теории колебаний и теории устойчивости. Эйлер является автором около 850 научных трудов.

Жан Лерон д’Аламбер (1717–1783) – французский ученый-энцикло­педист. Широко известен как философ, математик и механик. Член Парижской академии наук (1740), Французской Академии (1754), Петербургской (1764) и других академий. В 1743 г. вышел «Трактат о динамике», где сформулирован фундаментальный «Принцип д’Аламбера», сводящий динамику несвободной системы к статике. Здесь он впервые сформулировал общие правила составления дифференциальных уравнений движения любых материальных систем.

Основные математические исследования д’Аламбера относятся к теории дифференциальных уравнений, где он дал метод решения дифференциального уравнения 2-го порядка в частных производных, описывающего поперечные колебания струны (волнового уравнения).

Выдающийся вклад д’Аламбер внес также в небесную механику. Он обосновал теорию возмущения планет и первым строго объяснил теорию предварения равноденствий и нутации.

Одной из основных проблем, которую разрешали крупнейшие математики XVIII в., была теория движения Луны. Ее разработка имела глубокое теоретическое значение и была важна для практики. Практическое значение этой теории было связано с созданием метода достаточно точного определения географической долготы мест. В основном теория движения Луны была создана в середине века Л. Эйлером, Алексисом Клодом Клеро (1713–1765) и д’Аламбером. В ряде мемуаров 1747–1756 гг. д’Аламбер независимо от своих двух великих современников дал теорию движения Луны с тщательно вычисленными таблицами, которые он постепенно уточнял и улучшал. В трактате, вышедшем в свет в 1749 г., д’Аламбер показал, что не только явление прецессии, ранее математически исследованное Ньютоном, но и явление нутации, незадолго до этого обнаруженное Брадлеем, обусловлены гравитационным воздействием Луны.

Жозеф Луи Лагранж (1736–1813). Великий математик и механик. Родился в Турине, окончил Туринский университет и в 17 лет начал преподавать в Артиллерийской школе в Турине, а в 19 лет стал ее профессором. В 1766 году перебирается в Берлин и становится президентом Берлинской АН вместо вернувшегося в Петербург Эйлера. Берлинский период был самым плодотворным в творчестве Лагранжа. Там он подготовил свою знаменитую «Аналитическую механику», которая была опубликована 1788 году уже после того, как автор перебрался в Париж. Во Франции Лагранж ведет активную преподавательскую работу, а также решает и практические задачи.

История развития сопротивления материалов и теории упругости

Еще в глубокой древности при сооружении грандиозных монументов, храмов, пирамид строителям понадобились сведения о сопротивлении материалов, на основе которых можно было бы назначать надежные размеры частей сооружений. Уже египтянам были известны некоторые правила подобного рода.

Крупный вклад в развитие строительного искусства внесли греки. Они разработали статику, в основе которой лежала механика материалов. Архимед математически строго вывел условия равновесия рычага, ввел понятие центра тяжести и указал способы его отыскания. Он применил свою теорию для конструирования различных механизмов.

У римлян строительство приобрело особо широкий размах. До нашего времени сохранились некоторые из римских сооружений, среди которых не только памятники и храмы, но и мосты, дороги и фортификационные сооружения. Об используемых римлянами строительных приемах и правилах мы можем узнать из книги знаменитого архитектора эпохи императора Августа – Витрувия. В ней приведены также сведения о некоторых типах сооружений и строительных материалах, а также о подъемных механизмах.

Опыт, накопленный греками и римлянами, был частично утрачен в средние века, но в эпоху возрождения искусство строительства было поднято на прежнюю высоту. Наиболее выдающимся ученым и инженером этой эпохи был Леонардо да Винчи. Его интересовала механика, в которой он видел «рай для математической науки». Леонардо пользуется правилом моментов и получает правильные решения для задач, приведенных на рис. Он применяет золотое правило механики (впоследствии оно выросло в принцип виртуальных перемещений) для расчетов различных систем блоков и рычагов.

Рис. 1

Начало изучению сопротивления материалов положил Галилей. Он впервые обосновал необходимость применения аналитических методов расчета взамен эмпирических правил. Галилей рассмотрел задачу об изгибе консольной балки и ввел понятие напряжений. При этом великий ученый делает одну ошибку, полагая, что нейтральная линия находится на внутренней поверхности деформированной балки. Он также разрабатывал методику проведения опытов по абсолютному сопротивлению разрыву.

Другой важнейшей вехой в исследованиях деформаций было установление в 1660 г. Р. Гуком их пропорциональности при растяжении – сжатии действующей силе. В 1680 г. французский физик и механик, основатель Французской АН Эдм Мариотт независимо от Гука открыл этот закон и распространил его на случай изгиба. Мариотт исправил ошибку Галилея, приняв другой закон распределения напряжений при изгибе, и поместил нулевую точку в середине высоты сечения, признав тем самым наличие сжатых волокон. Однако из-за допущенной ошибки он посчитал, что на момент сопротивления балки это влияния не оказывает. В 1702 г. Пьер Вариньон получил формулы Галилея и Мариотта как частные случаи своей теории, поместив при этом нейтральную линию также на вогнутой стороне балки. Яков Бернулли в 1705 г., хотя и признал наличие сжатых волокон на вогнутой стороне, повторил ошибку Мариотта, с работами которого, похоже, не был знаком. На основании своего ошибочного расчета он даже вывел неверную теорему о том, что положение нейтральной линии не оказывает никакого влияния на сопротивление изгибу и благодаря своему колоссальному авторитету, тем самым задержал на целое столетие развитие учения об изгибе.

Первое правильное решение задачи о прочности балки при изгибе дал французский военный инженер Антуан Паран в 1713 г., однако его работа осталась незамеченной современниками. Это решение в 1729 г. подтвердил петербургский академик Георг Бернгард Бильфингер, но и его работа на эту тему, первая работа в России по строительной механике, также прошла незамеченной. Только в 1773 г., через 60 лет после Парана, Ш. Кулон, незнакомый с его работами, повторил решение задачи об изгибе балки, но еще долго заблуждения продолжали повторяться. Наконец, окончательно правильное решение в 1824 г. получил Навье, который и опубликовал его в 1826 г. Таким образом, решение данной задачи заняло 188 лет, если считать от первой работы Галилея, что убедительно демонстрирует, как сложно развивалась наука в XVII – XVIII веках.

Если Галилей и Мариотт исследовали прочность балки, то в 1703 г. швейцарский математик Я. Бернулли поставил задачу о вычислении прогибов. Он применил к исследованию упругой линии изогнутой полосы (он называл брус полосой) исчисление бесконечно малых и получил уравнение изгиба стержня

, (1.20)

где K – коэффициент пропорциональности (жесткость на изгиб), ρ – радиус кривизны изогнутой оси, M – изгибающий момент. При этом, как уже упоминалось, жесткость балки на изгиб он определяет неверно.

Уравнения теории упругости содержат производные от смещений, т.е. определяют деформации тел. Условия совместности деформаций получены Барре де Сен-Венаном в 1860 г. Он также предложил полуобратный метод решения задач теории упругости и ввел принцип в соответствии с которым уравновешенная система сил, приложенная к некоторой части сплошного тела, вызывает в нем напряжения, быстро убывающие по мере удаления от этой части (принцип Сен-Венана).

Условия совместности для напряжений получены итальянским математиком Эудженио Бельтрами в 1892 г. и в более общей форме австралийским математиком и механиком Джоном Генри Мичеллом в 1899 г.

Важный вопрос о единственности решения задачи теории упругости исследован Г. Р. Кирхгофом в 1858 г., а вопрос о его существовании позже, в XX веке. Первыми применили общие уравнения равновесия упругих тел к реальным задачам Г. Ламе и Э. Клапейрон в 1827–1828 гг. В мемуаре «О внутреннем равновесии однородных твердых тел» они рассмотрели задачи о растяжении бесконечной призмы, кручении бесконечного кругового цилиндра, равновесии шара под действием взаимного притяжения его частиц, равновесии полого кругового цилиндра и шара под действием внутреннего и внешнего давления. В 1828 г. Коши и Пуассон применили общие уравнения для оценки пригодности элементарной теории изгиба тонких стержней, а в 1829 г. Коши вывел приближенные формулы для кручения тонких прямоугольных стержней. Эти исследования дали толчок для развития Сен-Венаном общей теории изгиба и кручения призматических стержней – крупнейшего практического достижения теории упругости середины XIX в. Его работами открывается эпоха инженерных приложений теории упругости.

В начале XIX в. самой передовой в Европе была французская математическая школа. Именно ее представители А. Навье, О. Коши, Д. Пуассон, Г. Ламе и Э. Клапейрон в 20–30-е гг. заложили основы теории упругости. В 1821 г. Навье представил Парижской академии наук «Мемуар о законах равновесия и движения упругих твердых тел», в котором были получены уравнения равновесия упругого тела. Введя инерционные члены, Навье получил также и уравнения колебаний твердого тела. Именно от этого мемуара ведет свою историю механика твердого деформируемого тела. В следующем, 1822 г. французский математик Огюстен Луи Коши в работе «Исследование равновесия и внутреннего движения твердых тел и жидкостей, упругих и неупругих» развил общий континуальный подход в механике сплошной среды. Он, с помощью предложенного Л. Эйлером метода выделения элементарного объема и рассмотрения действующих на него сил, получил общие уравнения равновесия сплошной среды в напряжениях и установил свойства взаимности напряжений. В результате им получены классические уравнения динамики изотропного упругого тела.

Основоположником отечественной школы теории упругости является Александр Николаевич Динник (1876–1950). Его работы относятся к различным вопросам теории упругости: устойчивость элементов сооружений, в частности стержней и арок постоянного и переменного сечения; устойчивость и колебания плит, пластин, мембран; применение теории упругости к вопросам горного давления; прочность шахтных канатов и др. Он также одним из первых занимался задачами колебаний континуальных систем. Динник систематически проводил консультации с работниками производства; был выдающимся педагогом.

Тема: История развития теплотехники

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Разработка теоретических основ теплотехники необходима для установления наиболее рациональных способов тепловой энергии, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов.

Теплота используется во всех областях деятельности человека. Наиболее древнее применение силы пара приписывается Архимеду, который, по словам Леонардо да Винчи изобрел паровую пушку.

Следующее по времени использование тепловой энергии принадлежит величайшему изобретателю всех времен и народов Герону Александрийскому, жившему в I веке нашей эры.

Г

Рис. 1. Геронов шар

Но вклад Герона в развитие теплотехники не ограничивается эолипилом, на его счету есть и различные автоматические устройства, работающие под действием давления горячего воздуха или пара. Так устройство для автоматического открывания дверей храма по существу является прообразом паровых насосов Сэвери.

Приспособление Герона для автоматического открывания дверей храма. Огонь, зажженный в бронзовом жертвеннике, вызывает расширение воздуха в объеме υ, в результате вытесненная вода по сифону переливается в бак ξ. Он становится тяжелее, опускается и поворачивает двери на петлях. После остывания жертвенника воздух в сосуде υ разрежается, и вода перетекает в него обратно, а двери храма закрываются.

Рис. 2. Устройство для автоматического открывания дверей храма

Однако все изобретения Герона Александрийского, основанные на использовании энергии тепла остались почти невостребованными. Низкий уровень науки и техники и отсутствие потребности в тепловом двигателе у рабовладельческого общества остановили разработку тепловых машин более чем на полтора тысячелетия.

Но в конце XVII века, когда началось бурное развитие горнодобывающей, металлургической, металлообрабатывающей, станкостроительной и других отраслей производства возникла острая потребность в значительно более мощных источниках механической энергии, чем мускульная сила людей и животных, энергия воды и ветра. Внимание изобретателей обратилось к движущей силе пара или огня.

В сочинении французского архитектора Соломона де Ко (1615 г.) говорится о возможности подъема воды посредством действия огня.

В

Рис. 3. Турбина Дж. Бранка

Применение паровых турбин являлось очень заманчивым, так как в них сразу получается равномерное вращательное движение ротора, и нет необходимости в механизмах, преобразующих поступательное движение поршня во вращательное вала, как это происходит в паровых машинах и ДВС. Однако изготовление паровой турбины возможно только при высоком уровне технологии, наличии специальных материалов и методов очень точной обработки металлов. Кроме того, создание паровой турбины требует знания свойств пара и законов его истечения. Без всего перечисленного КПД паровых турбин находился на чрезвычайно низком уровне, и они могли играть только роль занимательных игрушек.

По этим причинам изобретатели занялись созданием более простой в изготовлении поршневой паровой машины. Открытие атмосферного давления и научно поставленные опыты Э. Торричелли, Б. Паскаля и О. фон Герике побудили использовать его в качестве движущей силы. Для этого необходимо было создать в цилиндре, снабженном поршнем разрежение. Поршень в этот момент должен находиться в крайнем положении и совершить ход под давлением воздуха. Это и легло в основу создания атмосферных машин.

Первые предложения таких машин принадлежат аббату Готфейлю (1678 – 1681 гг.) и Х. Гюйгенсу (1681). Они предложили для создания разрежения использовать не пар, а взрывы пороха внутри рабочего цилиндра и считаются пионерами, выдвинувшими идею ДВС.

Дени Папен (1647 – 1712), работавший у Гюйгенса ассистентом, убедился в опасности и неудобстве использования пороха и предложил осуществлять разрежение с помощью водяного пара. В 1690 году в Марбурге он создал паровой двигатель, который совершал полезную работу за счет нагревания и конденсации пара. Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх. Через специальный клапан пар выталкивал воздух, а при конденсации пара создавалось разреженное пространство и наружное давление двигало поршень вниз. Опускаясь, поршень тянул за собой веревку с грузом. Двигатель Папена не мог осуществить непрерывное действие. Чтобы заставить поршень поднимать груз, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой. Недостатком машины Папена было также объединение в цилиндре функций котла, цилиндра и конденсатора. Заслугой Папена является изобретение парового котла, снабженного предохранительным клапаном, позволяющим регулировать давление пара.

Из многих изобретателей первым успеха добился английский механик и изобретатель. Томас Севери (1650 – 1715). В 1698 году он изобрел работающий без поршня паровой насос «друг рудокопов» для откачки воды из шахт.

Рис. 4. Схема работы парового насоса Томаса Севери

Паровой насос Томаса Севери состоял из парового котла и рабочего цилиндра. Таким образом Севери отделил котел от сосуда, где производилась конденсация. У машины было два рабочих цикла: цикл всасывания и цикл выталкивания.

Всасывание воды происходило путем конденсации пара и создания разреженного пространства над уровнем воды в сосуде. Для этого кран во всасывающей трубе открывают, а кран подачи пара и кран в напорной трубе закрывают. Затем рабочий цилиндр обливают холодной водой, и пар, находящийся в нем, начинает конденсироваться. В рабочем цилиндре создается разрежение, и в него из шахты под действием атмосферного давления поступает вода.

На цикле выталкивания рабочий обслуживающий насос открывает кран в напорной трубе и закрывает кран в подающей трубе, после чего открывает паровой кран. Вода выталкивается из рабочего цилиндра под давлением пара. Высота подъема воды зависит от давления пара, и фактически ограничивается механической прочностью всех систем. Обычно она не превышала 30 м, поэтому в глубоких шахтах приходилось ставить одну машину над другой.

Несмотря на то, что эта паровая машина стоила дорого, угрожала взрывом и обладала низкой экономичностью, она нашла широкое применение.

Впоследствии паровая машина Севери была значительно усовершенствована Джоном Теофилом Дезагюлье (1683 – 1744). Он предложил для конденсации пара впрыскивать воду внутрь цилиндра. Это позволяло значительно сократить время на конденсацию пара, и машина Севери стала работать значительно быстрее. Кроме того Дезагюлье внедрил предохранительный клапан и двухходовой распределительный кран. Машины, усовершенствованные Дезагюлье, строились до начала XIX века.

Наиболее острой была тогда проблема откачки воды из все углублявшихся шахт. Более радикально эту проблему решил Томас Ньюкомен (1663 – 1729). Машина, созданная им в 1707, представляет собой искусную комбинацию идей Севери и Папена. В ней пар приготавливался в отдельном котле, а поршневой двигатель был отделен от откачивающего воду поршневого насоса. Система клапанов регулировала поступление пара и воды в цилиндры. Эти машины широко применялись, и последняя из них была демонтирована в Англии в 1934 г.

Однако промышленность все более остро нуждалась в универсальном двигателе, не зависящем, как водяные колеса, от места или, как ветряные, от погоды. И в 1763 г. русский инженер И. И. Ползунов предложил, а к 1766 г. построил такую машину. Она работала на угле, холостой ход исключался с помощью двух цилиндров, работавших на общий вал, парораспределение было автоматическим, правда, машина оставалась пароатмосферной. Изобретатель умер до пуска машины, которая после небольшой неполадки была остановлена и забыта.

В результате слава создания первого универсального паропоршневого двигателя досталась англичанину Дж. Уатту. В 1769 г. он получил патент на усовершенствования ньюкоменовской водоподъемной машины: отделение конденсатора от цилиндра и использование в качестве движущей силы вместо атмосферного давления упругости пара, подаваемого сверху поршня. В 1782 г. Уатт ввел двойное действие (пар поочередно поступал сверху и снизу поршня), золотниковое парораспределение, преобразование поступательно-возвратного движения во вращательное, а в 1788 г. — и центробежный регулятор оборотов. Схема установки стала почти современной.

Число изобретений различных типов двигателей быстро растет, предлагается немало «вечных двигателей», и в 1775 г., за 70 лет до установления закона сохранения энергии и за 90 лет до открытия второго начала термодинамики, Парижская Академия наук первой в мире принимает решение их больше не рассматривать.

Далее путь человеческой мысли ведет в созданию тепловых двигателей с газообразным рабочим телом – газовых двигателей.

В 1801 г. француз Ф. Лебон патентует поршневой двигатель, работающий на горючих газах от сухой перегонки древесины с зажиганием их электрической искрой и сгоранием внутри цилиндра. В 1805 г. швейцарец И. Риваз предлагает двигатель на водороде.

В 1816 г. английский священник Р. Стирлинг получает патент на универсальную тепловую машину, состоящую из цилиндра с двумя по-разному движущимися поршнями и регенератора-теплообменника и способную работать на разных топливах как двигатель внешнего сгорания, как холодильник и как тепловой насос (отопитель). Низкий уровень науки и техники не позволил тогда создать высокоэффективные «стирлинги», однако в наше время у этой машины хорошие]перспективы.

В 1824 г. основоположник термодинамики С. Карно предсказывает рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), соответствующий четырем ходам поршня: 1-й – всасывание воздуха; 2-й – сжатие его, в конце которого подача и сгорание топлива; 3-й – рабочий ход – расширение газообразных продуктов сгорания; 4-й — выпуск их.

В 1860 г. французский механик Ж. Ленуар начинает строить и продавать ДВС, работающие на светильном газе, с зажиганием от электрической искры, но без предварительного сжатия воздуха, что ограничило их КПД 3–6 % (как и у паровых машин).

И только в 1877 г. немецкий изобретатель-коммерсант Н. Отто создает, наконец, четырехтактный ДВС с искровым зажиганием и КПД 16 – 20 %. В 1892–1897 гг. немецкий инженер Р. Дизель разрабатывает компрессорный с воспламенением от предварительно сильно сжатого в цилиндре воздуха ДВС, оказавшийся самым экономичным. В 1904 г. в России Г. В. Тринклер создает менее громоздкий и еще более экономичный бескомпрессорный дизель.

Так постепенно ДВС превосходят паровые двигатели и по компактности и по экономичности. Поиски новых конструкций двигателей возвращают изобретателей к турбинам, которые из-за отсутствия жаростойких материалов, малой точности обработки деталей и по другим причинам не разрабатывались до XIX в. Попытки создать турбинный двигатель предпринимаются во многих промышленно развитых странах. Так, за первые две трети XIX века было сделано свыше 200 предложений на постройку паровых турбин.

В 1884 г. англичанин Ч. Парсонс патентует паровую реактивную многоступенчатую турбину. В 1889 г. шведский инженер Г. Лаваль получает в Англии патент на расширяющееся сопло, которое позволяет в отличие от суживающегося превращать в кинетическую энергию потока высокие перепады давления пара. В 1891 г. паротурбинный двигатель (ПТД) снабжается конденсатором, что делает его более экономичным, чем поршневой, при сохранении превосходства над последним и в удельной мощности, ПТД стал основным двигателем электростанций.

Первый газотурбинный двигатель (ГТД) с процессом горения при постоянном давлении спроектировал и построил русский инженер П. Д. Кузьминский в 1897 г. В 1906 г. В. В. Караводин разработал, а в 1908 г. построил и испытал более экономичный ГТД — с пульсирующим процессом (горением при постоянном объеме).

Паротурбинные двигатели постепенно вытесняют все прочие в электроэнергетике. Их единичная мощность и экономичность быстро растут. В последние годы заводы серийно выпускают блоки котел — турбина мощностью 100, 150,200,300,500 и 800 МВт с КПД до 40–42 %. При этом обнаруживается, что дальнейшие затраты на увеличение единичной мощности уже почти не окупаются экономией материалов и горючего. Единичная мощность и экономичность ГТД все еще ниже, чем ПТД, поэтому их применяют для покрытия пиковых нагрузок и в особых случаях. Строятся парогазотурбинные двигатели.

На транспорте применяются все типы тепловых двигателей: на судах – паро- и газотурбинные, ДВС; в авиации – турбореактивные и реактивные; на автотранспорте, на строительных, дорожных и сельскохозяйственных машинах (включая тракторы) — ДВС.

Теоретические основы теплотехники.

Первый фундаментальный труд по теории теплотехники «Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу» издал в 1824 г. французский инженер Сади Карно (1796—1832). Он предсказал, что тепловым машинам «суждено совершить большой переворот в цивилизованном мире», и задался целью определить причины их несовершенства. В своем труде Карно заложил основы термодинамики, поскольку там содержались (хотя и полученные с помощью теории «теплорода») и оба начала термодинамики, и ее основные понятия, и идеальный цикл тепловых машин, и другие важные положения.

Работа Карно прошла почти незамеченной. И лишь через 10 лет, после издания «Мемуара о движущей силе теплоты» Б. Клапейрона, она стала почти сенсацией. Клапейрон «перевел» ее на математический язык, вскрыв великое содержание этого труда, и первым применил графический метод исследования работы тепловых машин – метод циклов.

В 1845–1847 гг. трудами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца окончательно формулируется закон сохранения и превращения энергии. «Теперь было доказано, – писал позже Ф. Энгельс, – что все бесчисленные действующие в природе причины, которые до сих пор вели какое-то таинственное, не поддававшееся объяснению существование в виде так называемых сил... являются особыми... формами... энергии...». Недоверие к новому закону, названному первым началом термодинамики, быстро рассеивалось благодаря трудам В. Томсона (лорда Кельвина), Р. Клаузиуса, У. Ренкина и др.

В 1853 г. В. Томсон дает первое точное определение энергии. Клаузиус формулирует уже на основе механической теории тепла два начала термодинамики и получает знаменитое выражение к. п. д. идеального цикла Карно при наличии двух источников тепла разной температуры. Одновременно публикует свой труд, посвященный термодинамике паров и газов, У. Ренкин. Он тоже доказывает, что в холодильник отводится часть тепла, полученного от нагревателя, другая же – пропорциональная работе – «исчезает».

В 1855–1865 гг. вводятся понятия обратимых и необратимых процессов и энтропии (Клаузиусом) – величины, рост которой в необратимых процессах характеризует ту часть энергии тел, которая не может быть превращена в работу, а рассеивается в виде теплоты. Поскольку все реальные процессы вследствие трения, теплопроводности и конечности времени их протекания необратимы, энтропия изолированных систем всегда возрастает. Эту формулировку второго начала термодинамики Клаузиус без должных оснований распространил на Вселенную, объявив о неизбежности ее «тепловой смерти». Последнее означало, что когда-то вся энергия, имеющаяся на Земле и в других частях Вселенной, превратится в тепло, а равномерное распределение последнего между телами земной природы и Вселенной приведет к выравниванию температуры и к полному прекращению превращений энергии. Эта теория не учитывала бесконечности Вселенной, где процессы рассеивания и концентрации энергии должны чередоваться во времени и пространстве, — иначе как объяснить наличие запасов энергии на Земле и в Солнечной системе? Кроме того, австрийский физик Л. Больцман, один из творцов молекулярно-кинетической теории газов, доказал, что закон возрастания энтропии неприменим к Вселенной еще и потому, что он справедлив лишь для статистических систем, состоящих из большого числа хаотически движущихся частиц, поведение которых подчиняется законам теории вероятностей. Для них возрастание энтропии лишь наиболее вероятно, но с необходимостью должно наступать и маловероятное событие (флуктуация) – ее уменьшение. Во Вселенной же действуют динамические законы.

В те же годы независимо от Больцмана создает законченную систему статистической термодинамики скромный преподаватель колледжа США Д. У. Гиббс. По цельности, глубине и охвату она превосходит теорию Больцмана, но утверждает в принципе те же идеи. В отличие от классической термодинамики, решающей задачи на основе опытных зависимостей между макроскопическими параметрами системы (температура, давление и т. п.), статистическая термодинамика позволяет вычислять макроскопические характеристики и устанавливать зависимости между ними по данным о состоянии микрочастиц систем — их расположении, скоростях, энергии. Д. У. Гиббс внес немалый вклад и в классическую термодинамику, разработав метод потенциалов, установив правило фаз и др.

Так был заложен фундамент термодинамического метода и началась разработка его приложений, прежде всего к теории тепловых машин.

В конце XIX в. Ж. Гюи и А. Стόдола ввели понятие работоспособности, или максимальной технической работы, которую может совершить система, имеющая температуру, отличающуюся от атмосферной при обратимом переходе в состояние равновесия с атмосферой. В 1956 г. Р. Рант дал этой величине название «эксергия». В отличие от энтропии, которая в реальных, необратимых процессах всегда возрастает сама по себе не определяет работоспособности системы, в отличие от энергии, которая, строго говоря, не может «расходоваться» и «теряться» (по закону сохранения ее), эксергия — запас работоспособности системы — по мере совершения ею работы уменьшается, т. е. расходуется. Это сделало эксергетические расчеты очень популярными.

Другая ветвь теории теплотехники – теория тепломассообмена уходит своими корнями в труды Г. Галилея и И. Ньютона. Последний еще в 1701 г. установил закон конвективного теплообмена. В 1822 г. Ж-Б. Фурье издает «Аналитическую теорию теплопроводности», считая, что он привел теорию теплообмена в такое же состояние, в какое была приведена механика трудами И. Ньютона... Однако для этого потребовалось еще более 100 лет. И только современные ученые развили теорию теплообмена до законченной системы.

Быстрый и мощный скачок в разработке теории поменял ее местами с практикой – теория стала освещать путь практике, служить указателем направлений и пределов совершенствования энерготехники. В результате на основе достижений НТР масштабы и темпы развития энергетики и потребления энергоресурсов достигли столь высоких значений, что в отдельных направлениях уже близки к предельным.

В России до революции энергетика была развита слабо. В 1913 г. мощность всех электростанций составляла порядка 1 млн. кВт, а выработка электроэнергии – до 2 млрд. кВт-ч. Интересно отметить, что 70 % своей потребности в энергии Россия удовлетворяла за счет ветряных мельниц, перемалывая на них почти все свое зерно.

Роль энергетики в России впервые была должным образом оценена В. И. Лениным в «Наброске плана научно-технических работ» и в разработанном по его инициативе плане электрификации России (ГОЭЛРО). Этим планом намечалось за 15 лет построить 20 тепловых и 10 гидравлических электростанций, доведя их мощность до 1,75 млн. кВт, а выработку электроэнергии – до 8,8 млрд. кВт-ч. План ГОЭЛРО был выполнен за 10 лет, а уже в 1940 г. выработка электроэнергии превысила дореволюционную в 25 раз. СССР вышел по этому показателю на второе место в мире после США.

Энергетическое хозяйство СССР достигло уровня, для которого характерны: резко возрастающая концентрация производства энергоресурсов и электроэнергии со все большей централизацией их распределения; широкие технические возможности и экономическая целесообразность взаимозаменяемости полезных видов энергии, энергетических установок и энергоресурсов. На этой основе образовались большие системы энергетики, управляемые автоматически и включающие электроэнергетические (и входящие в них теплоснабжающие), нефтеснабжающие, газоснабжающие и углеснабжающие системы, среди которых формируется и система ядерной энергетики.

В связи с необходимостью экономить нефть и газ, запасы которых быстро истощаются, а новые месторождения требуют больших затрат для их разработок, центр тяжести переносится на использование низкокалорийных углей, ядерных топлив и гидроэнергии, пригодных лишь для электростанций. Для транспортной энергетики в будущем предполагается перерабатывать твердые органические горючие в жидкие и получать водород. Последний выгоднее, так как сжигается без загрязнения окружающей среды, потери энергии на его транспортировку ниже, чем для электроэнергии, и т. д., но его широкое применение требует дорогостоящей и длительной подготовки. В резерве остаются электрохимические аккумуляторы, которые пока не позволяют увеличить однозарядный пробег электромобиля свыше 100 км и тоже требуют немало средств для подготовки к их широкому применению. Для технологических нужд промышленности и отопления помимо водорода предполагается использовать ядерную энергию, что требует налаживания промышленного производства высокотемпературных (900— 1100° С) реакторов, которые пока имеются в единичных исследовательских экземплярах.

Николя́ Леона́р Сади́ Карно́ (1796 – 1832) – французский физик и математик. В 1824 году вышла первая и единственная работа Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» –основополагающая работа в термодинамике. В ней был произведен анализ существующих в то время паровых машин, и были выведены условия, при которых КПД достигает максимального значения (в паровых машинах того времени КПД не превышал 2 %). Помимо этого там же были введены основные понятия термодинамики: идеальная тепловая машина, идеальный цикл, обратимость и необратимость термодинамических процессов.

Появление паровых, а впоследствии и газовых турбин значительно расширило спектр задач прикладной механики. Турбины – один из основных двигателей, применяемых на электростанциях, а также в морском и воздуш­ном транспорте. Турбина представляет собой уникальное произведение инженерной мысли и является богатейшим источником научных проблем. Это не только задачи, связанные с тепловыми процессами, но и задачи теории упругости, теории пластичности и ползучести, теории автомати­ческого регулирования, а также теории колебаний. Развитие прикладной механики и турбостроения взаимосвязанные процессы. Именно турбома­шины являлись на протяжении всего XX века одним из основных объектов для этой отрасли науки. Динамические процессы определяют прочность, надежность и долговечность турбомашин.

В России, а позже в СССР, несмотря на высокий уровень развития прикладной математики и механики, вопросам динамики и прочности в турбостроении внимания совершенно не уделялось. Это было связано с тем, что в Российской империи строительство паровых турбин стало развиваться лишь в начале ХХ века. При этом строились турбины только по лицензиям западных фирм. На Металлическом заводе в Петербурге – стационарные системы Рато, а судовые для линейных кораблей и линейных крейсеров системы Парсонса Балтийским, Франко-русским и Николаевским судостроительными заводами, а для эскадренных миноносцев и легких крейсеров по типу Всеобщей компании электричества Металлическим заводом, заводом Беккер в Риге и Судостроительным в Ревеле (Таллин).

В годы Гражданской войны производство турбин в СССР полностью прекратилось. Возрождение началось в 1923 г., когда в Ленинграде на Металлическом заводе им. Сталина была построена турбина мощностью в 2000 кВт. До начала первой пятилетки (1928 г.) производство турбин было полностью восстановлено, даже с некоторыми улучшениями. В 1931 г. Металлический завод начал производство турбин мощностью 50 000 кВт при 1 500 об/мин. Кроме того, на Кировском (бывший Путиловский) заводе выпускались турбины ограниченной мощности (до 12 000 кВт).

Кроме ленинградских заводов крупное турбостроение было начато в Харькове, который за годы индустриализации стал одним из важнейших центров машиностроения. В городе был построен Харьковский турбогенераторный завод (ХТГЗ) (ныне ОАО «Турбоатом»). Решением СНК СССР от 24 января 1934 г. первая очередь завода была зачислена в строй действующих. Это был величайший в мире завод турбогенераторостроения, он строился по проекту американской фирмы «Дженерал Электрик» и был предназначен для выпуска сверхмощных турбогенераторов в 50, 100 и 200 тысяч киловатт.

Поскольку на первом этапе развития паротурбиностроения в СССР выпускались уже отлаженные турбины по лицензиям иностранных фирм, основными задачами стали вопросы прочности фундаментов под турбоагрегаты. Именно эти задачи стали первыми для видного украинского ученого, выпускника ХТИ А. П. Филиппова. Уже в 1932 году впервые в стране он создает инструкцию по расчету фундаментов под турбоагрегаты. В 1940–1941 гг. под его руководством в Харьковском отделении Теплоэлектропроекта была создана инструкция по расчету на колебания строительных конструкций главных корпусов теплоэлектроцентралей, которая до 1956 года была единственным нормативным документом в этой области. Работы А. П. Филиппова с самого начала его научной деятельности отличаются широким использованием математических методов и высоким научным уровнем. В довоенный период вышли в свет четыре монографии Анатолия Петровича, посвященные колебаниям перекрытий и рамных каркасов, в том числе и предназначенных под турбоагрегаты.

К концу 1930-х гг. важнейшее практическое значение приобрела также задача о колебаниях лопаток паровых турбин. Густота спектра возбуждающих сил и частот собственных колебаний, многообразие форм колебательных процессов заставляет опытным путем определять ряд величин, необходимых для вибрационного расчета. Важным для турбостроения того времени вопросом стал учет затухания при вынужденных поперечных колебаниях стержней. Одной из первых работ в этом направлении стала статья А. П. Филиппова.

Именно с паровыми турбинами связаны первые появления задач о поперечных колебаниях вращающегося вала, так называемые критические угловые скорости, задач прохождения через резонанс, колебаний с учетом рассеяния энергии в материале, связанных изгибно-крутильных колебаний закрученного стержня и многих других задач.

Наиболее ответственными деталями турбин являются рабочие лопатки и диски. Они подвержены значительным динамическим воздействиям парового потока, неравномерность которого является причиной колебаний дисков и лопаток.

Стремление к созданию мощных турбомашин минимального веса порождает сложные взаимосвязанные колебания различных узлов и конструктивных элементов, выдвигает на первый план ряд проблем их динамической прочности. Переход в турбостроении к более высоким рабочим температурам, давлениям и окружным скоростям потребовал всестороннего развития теоретических и экспериментальных вибрационных явлений в дисках и лопатках турбомашин.

В годы Великой Отечественной войны оккупанты разрушили все промышленные предприятия, энергетика Украины практически перестала существовать. За время войны из всех отраслей промышленности наибольший ущерб был нанесен турбостроению. Основные заводы, выпускавшие турбины в Ленинграде, Харькове и Таганроге, были эвакуированы на Восток, где они в основном были заняты производством вооружения. Турбинное производство там составляло лишь 10 процентов довоенной мощности, что не могло обеспечить острые потребности страны в энергетических машинах и запасных частях к ним.

На освобожденной от фашистов территории энергетическое хозяйство было полностью разрушено. Для восстановления электростанций срочно нужны были не только запасные части, но и новые турбины, и генераторы. Не дожидаясь окончания войны, правительство УССР принимает меры по восстановлению народного хозяйства, и в первую очередь энергетики.

Несмотря на нехватку квалифицированных рабочих и инженерных кадров уже в 1944 г. в Харькове на ХТГЗ началась активная работа по восстановлению технологических циклов производства. Это имело колоссальное значение для восстановления энергетики всей страны. Для города Харькова на ХТГЗ было восстановлено и укомплектовано четыре турбины общей мощностью 68 тыс. киловатт; две турбины мощностью 22 тыс. киловатт для Киева, а также смонтированы турбины для Севастополя, Калуги и Штеровской ГРЭС. Выдающимся достижением коллектива завода в 1945 году был выпуск по заданию Государственного Комитета Обороны для Зуевской электростанции турбин мощностью 50 и 100 тыс. киловатт. 100-тысячная турбина была изготовлена за короткий срок — 8 месяцев. В середине 1946 года на Зуевской электростанции в Донбассе была сдана в эксплуатацию еще одна изготовленная коллективом завода турбина мощностью 100 тыс. киловатт. Длина этой турбины 12 метров, высота 8,5 метров, ширина 8 метров, общий вес ее 485 тонн, потребность пара 450 тонн в час. Для этого нужно сжигать в сутки 70 вагонов угля. В мире было лишь несколько таких исполинских турбин. Но самое главное в том, что эта турбина была изготовлена быстрее менее мощных турбин, выпускавшихся ранее.

С 1948 года турбостроители переходили на производство турбин высокого давления мощностью 50 в 100 тыс. киловатт. Новые конструкции машин по своей экономичности и надежности были на уровне современного турбостроения и предопределяли линию технического развития завода на ближайшие 10–12 лет. Уже в первом полугодии 1948 г. на ХТГЗ была выпущена турбина высокого давления ВР-25 мощностью 25 тыс. кВт, а в сентябре турбина АК-50 (50 тыс. кВт).

Для научного обеспечения восстановления и развития турбостроения в системе Академии наук УССР были созданы целевые научные организации. Среди них Лаборатория проблем быстроходных машин и механизмов, которая начала свою деятельность как самостоятельное научно-исследовательское учреждение с 1 октября 1944 г. в Киеве на основании Постановления Совета Министров УССР № 810 от 17 июля 1944 г. Руководил Лабораторией академик Г. Ф. Проскура. В ее составе был организован сектор динамики частей машин и механизмов, которым с 1946 г. руководит А. П. Филиппов, избранный в 1945 г. членом-корреспондентом АН УССР.

По ходатайству Президиума АН УССР Совет Министров УССР своим постановлением № 613 от 19 апреля 1948 года разрешил Академии наук УССР перевести Лабораторию проблем быстроходных машин и механизмов из Киева в Харьков и объединить с ней Харьковский филиал Института теплоэнергетики АН УССР. По новому штатному расписанию в состав Лабо­ратории входил отдел динамики и прочности деталей турбомашин.

Переезд Лаборатории в Харьков активизировал ее сотрудничество с ведущим турбостроительным заводом СССР – ХТГЗ. Об этом свидетель­ствует тематика научно-исследовательских работ лаборатории, в том числе и в области динамики и прочности машин.

С переездом Лаборатории в Харьков также началось и ее сотрудничество с ХММИ. С 28 сентября 1948 г. руководитель отдела динамики и прочности деталей турбомашин А. П. Филиппов по совместительству становится заведующим кафедрой динамики и прочности машин. В 1948–1950 и 1955–1960-е гг. он работал заведующим кафедрой по совместительству, а в 1950–1955 гг. состоял в штате института. Затем он до 1967 г. работал профес­сором кафедры ДПМ по совместительству. С приходом Анатолия Петровича научная тематика кафедры в основном стала направляться на изучение проблем турбостроения.

Именно потребностями турбостроения продиктована тема кандидатской диссертации А. В. Бурлакова, посвященная исследованию напряженно-деформированного состояния элементов паропровода в условиях ползучести материала. Анатолий Васильевич впоследствии стал крупным ученым в области теории упругости, пластичности и ползучести, доктором технических наук, профессором кафедры динамики и прочности машин ХПИ.

Другой ученик А. П. Филиппова – С. И. Богомолов в своей работе рассмотрел изгибные колебания диска постоянной толщины совместно с лопатками, центр кручения и центр тяжести поперечного сечения которых совпадают. Проблема совместных колебаний рабочих лопаток и дисков является одной из важнейших проблем динамической прочности роторов турбомашин. Начав с простой частной задачи, Сергей Иванович продолжил исследования в этом направлении и в 1969 г. защитил докторскую диссертацию на тему: «Колебания дисков турбомашин».

В этой работе С. И. Богомолов показал, что достаточно полное теоретическое представление о динамических свойствах системы диск-лопатки можно получить на основе совместного решения дифференциальных уравнений, описывающих изгибные колебания дисков и изгибно-крутильные колебания рабочих лопаток. Такой подход позволяет определить динамические свойства облопаченных дисков в широком диапазоне частот, выявить особенности взаимодействия рабочих лопаток и диска при совместных колебаниях. Однако такая достаточно общая постановка задачи наталкивается при реализации на ряд серьезных трудностей, которые не всегда могут быть преодолены даже с помощью ЭВМ. Конструктивные особенности рабочих колес турбомашин не позволяли применить существовавшие методы численного решения дифференциальных уравнений. Богомоловым был разработан свой метод исследования свободных колебаний дисков паровых и газовых турбин и компрессоров авиационных газотурбинных двигателей.

Научная работа на Инженерно-физическом факультете еще более активизировалась, когда в 1957 г. под руководством Филиппова в ХПИ была создана проблемная лаборатория по исследованию динамической прочности деталей машин. С самого начала Анатолий Петрович является научным руководителем этой лаборатории. Под его руководством там выполняется важнейшая научно-исследовательская тематика по исследованию прочности деталей машин в условиях высоких температур и больших оборотов. Под руководством Филиппова проблемная лаборатория стала крупным научным коллективом института, объединяющий преподавателей и научных работников четырех кафедр института.

Большой вклад в исследование динамических процессов роторов турбогенераторов внес А. В. Дабагян. Работая над докторской диссертацией, Арег Вагаршакович бывал на крупных заводах Харькова, участвовал в правительственных комиссиях, анализировал причины аварий на гидравлических и тепловых электростанциях.

Докторская диссертация на тему «Некоторые колебательные процессы в роторах турбо- и гидрогенераторных установок при несимметричных и асинхронных режимах работы генератора», подготовленная в 1959 г. и защищенная в январе 1961 г. До этого изучение переходных и установившихся процессов рассматривалось отдельно в первичном двигателе (турбине), в электрической машине (генераторе) и, наконец, в высоко­вольтной цепи. При этом прочностные расчеты, механических элементов, в том числе и связанные с наступлением резонансных режимов, производились по приближенной схеме и не связывались с электрическими режимами. Однако аварии лопаток турбин могут быть вызваны электрическими процессами в генераторе или в электрической цепи. Поэтому Дабагян в своей работе рассматривает энергетическую установку как единый преобразователь различных видов энергии.

В результате им разработана приближенная методика расчета колебаний ротора и установленного на нем лопаточного аппарата при различных электрических режимах: несимметричная нагрузка, асинхронный ход, мгновенный сброс. Исследованы причины аварии одной из систем, где обратный удар вызвал повреждение агрегата.

В довоенный период валы турбин строились в основном жесткими с небольшим превышением (~15 %) числа оборотов над критическими. Устранение опасности от колебаний изгиба для таких роторов требует, главным образом, хорошей балансировки. Однако стремление облегчить конструкцию привело к применению в паровых турбинах "гибких" роторов, рабочие обороты которых выше первых критических скоростей и турбина во время пуска или остановки проходит резонанс. Но амплитуды колебаний при этом меньше, чем на установившемся резонансном режиме, так как они не успевают развиться. Следовательно, простой расчет вынужденных резо­нансных колебаний даст завышенное значение амплитуд. Поэтому актуаль­ной задачей для таких систем является изучение нестационарных колебаний, т.е. переходного процесса. Эти вопросы были подробно рассмотрены ака­демиком АН УССР А. П. Филипповым и его учеником Е. Г. Голоскоковым. Результаты исследований были ими опубликованы в нескольких моно­графиях.

С появлением и широким использования электронной вычислительной техники исследование динамики в турбинах выходит на совершенно новый уровень. А. П. Филиппов был одним из пионеров и в этом деле, что нашло отражение в его монографии «Расчеты на колебания с использованием электронно-вычислительной техники» опубликованной в 1971 г. совместно с Ю. С. Воробьевым.

Юрий Сергеевич под руководством А. П. Филиппова в 1978 г. защитил докторскую диссертацию на тему «Исследование колебаний рабочего лопаточного аппарата турбомашин». Он стал преемником Анатолия Петровича на посту руководителя отдела нестационарных механических процессов ИПМаш, которым до своей кончины в 1978 г. руководил Филиппов. Ю. С. Воробьев является автором нескольких монографий, в которых рассматриваются вопросы колебаний в турбинах. Его работы имеют большое прикладное значение, в них развиты уточненные математические модели лопаточного аппарата турбомашин, в том числе и трехмерные модели лопаток с охлаждающими полостями, установлены области применимости различных математических моделей лопаточного аппарата; создан комплекс эффективных методов расчета на колебания системы диск – лопатки – межлопаточные связи с учетом воздействия потока рабочего тела; предложен метод оптимального синтеза параметров облопачивания турбомашин с заданными вибрационными свойствами при конструктивных и технологических ограничениях. Под руководством Ю. С. Воробьева исследо­ваны колебания многопролетных роторов турбомашин и системы турбо­агрегат – фундамент – основание.