Тем не менее, прошли многие десятилетия исследований и поисков конструктивных решений, прежде чем были созданы работоспособные ГТД, в воплощении которых был опыт создания гидравлических и паровых турбин. В середине XVIII в. Янош Сегнер во время опыта обнаружил, что при вытекании жидкости возникает реактивная сила. Принцип Сегнерова колеса в дальнейшем нашел широкое применение во многих устройствах, в частности в фильтрах центробежной очистки масла.
В середине XIX в. первые использовавшиеся на практике гидравлические турбины создал Бено Фоурнейрон. Несколько позже Джеймс Френсис построил гидравлические турбины с поворотными направляющими лопатками, положив начало применению регулируемого соплового аппарата.
В 1894 г. английский инженер Чарльз Алджернон Парсонс сконструировал многоступенчатую осевую паровую турбину. В дальнейшем турбины Парсонса широко применялись и в качестве стационарных, и в качестве судовых силовых агрегатов.
Турбина Парсонса относилась к типу реактивных: давление рабочего тела (пара) в них уменьшалось по длине проточной части, поэтому ротор турбины испытывал осевые нагрузки. Позже в активной турбине шведского инженера Карла Густава Патрика де Лаваля давление пара по длине проточной части не менялось.
Первый проект многоступенчатой радиальной газовой турбины Павла Демьяновича Кузьминского (рис. 59) был разработан в 1892 г., за два года до появления турбины Парсонса.
Рис. 59. Газовая турбина Кузьминского
В начале нашего века Вальтер Нернст создал газовую турбину (рис. 60) по типу Сегнерова реактивного колеса без предварительного сжатия смеси. Смесь подсасывалась автоматически в результате охлаждения продуктов сгорания после вспышки воспламенения (вспомним конденсацию паров под поршнем машины Папена).
Рис. 60. Газовая турбина Нернста
Лопаточный ГТД русского инженера В. В. Караводина (1908 г.) работал без предварительного сжатия смеси. Камера сгорания его двигателя (рис. 61) оснащалась автоматическим клапаном 1, смесь воспламенялась от искры. По данным испытаний, частота вспышек воспламенения достигала 6...7 в 1 с (достаточно много). Такая частая смена заряда объясняется не только охлаждением продуктов сгорания, но и отсасывающим эффектом вращающегося турбинного колеса. Однако удельный эффективный расход топлива превышал, пожалуй, все рекорды поршневых двигателей -более 4000 г/(кВт·ч).
Рис. 61. ГТД Караводина: 1 - автоматический клапан; 2 - камера сгорания; 3 - свеча; 4 - сопло; 5 - часть колеса турбины
В те же годы Ганс Хольцварт построил газовую турбину. Турбина (рис. 62) имеет горизонтально расположенное лопаточное колесо 6 и несколько камер сгорания 7, расположенных в корпусе под ним. Камеры сгорания окружены наружным кожухом-сборником 2, куда компрессором подаются сжатые воздух и газ. Давление сжатия невысокое - 0,12...0,13 МПа. При использовании жидкого топлива в камеру сгорания вводилась форсунка с распыливающим топливо воздухом. Давление воздуха не превышало 0,6...0,8 МПа. Турбина имела достаточно сложный механизм газораспределения: клапан 5, перекрывающий выход из камеры сгорания на лопатки колеса, и впускные клапаны 3, последовательно открывающие вход в камеры сгорания для продувочного воздуха и газа. Клапаны управлялись гидравлическим механизмом. Частота вспышек воспламенения обеспечивалась электрическими искровыми свечами и достигала 30 в 1 с.
Рис. 62. Газовая турбина Хольцварта: 1 - камера сгорания; 2 - сборник продувочного воздуха; 3 - впускные клапаны; 4 - сборник рабочей смеси; 5 - клапан выпуска продуктов сгорания на колесо турбины; 6 - колесо турбины
При падении давления гидравлический механизм начинал медленно закрывать выпускной клапан так, что в это время уже открывался клапан продувки воздухом. Своеобразное перекрытие клапанов позволяло полностью очистить камеру от продуктов сгорания предыдущего цикла. Только после этого вдувался газ или впрыскивалось топливо. При частоте вращения ротора в 2...3 тыс. мин⁻¹ турбина развивала мощность около 740 кВт (без учета затрат мощности на привод компрессоров).
Импульсные турбины типа турбин Караводина или Хольцварта назывались турбинами быстрого сгорания. Однако уже в- те годы специалисты подчеркивали, что перспективными могут быть только турбины с непрерывным током рабочего тела или, как тогда называли, турбины медленного сгорания. Одна из таких турбин была создана в 1909...1910 гг. инженером Марселем Арменго, схема ее показана на рис. 63. Рабочее колесо турбины соединялось с двумя компрессорами - для сжатия воздуха и откачивания продуктов сгорания из теплообменника. Давление, создаваемое компрессором, достигало 0,5 МПа, сжатый воздух служил и для распыливания керосинового топлива, которое испарялось, попадая на раскаленную карборундовую футеровку. Для снижения температуры продуктов сгорания в камеру впрыскивалась вода. Частота вращения вала 4...4,5 тыс. мин⁻¹. По данным испытаний Ауреля Стодолы, эффективная мощность турбины составляла всего 22 кВт при затратах мощности на привод компрессоров около 300 кВт. Удельный эффективный расход топлива оказался в два раза больше, чем у импульсной турбины Караводина - более 8000 г/(кВт·ч).
Рис. 63. Газовая турбина Арменго: 1 - форсунка; 2 - свеча зажигания; 3 - камера сгорания; 4 - рабочее колесо
Одновременно с опытами по созданию ГТД в качестве самостоятельных силовых агрегатов в первые десятилетия XX в. появились и первые образцы комбинированных ДВС и поршневых двигателей с наддувом. В 1902 г. С. А. Мосс (США) исследовал работу газовой турбины на отработавших газах поршневого двигателя. Француз А. Рамо в 1917 г. впервые применил турбонагнетатель для наддува авиационного бензинового двигателя.
Несмотря на первые неудачи продолжали поиски решений и энтузиасты газовых турбин. В 30...40 гг. начали исследовать ГТД Владимир Васильевич Уваров, Владимир Матвеевич Маковский, Френк Уитл. Появился ряд интереснейших конструктивных решений. В ГТД В. В. Уварова был применен радиальный компрессор, на выходе из колеса которого находился подвижный диффузор-турбина, позволявший вернуть часть затраченной энергии на вал компрессора. В ГТД В. М. Маковского эффективной мощностью 400 кВт вал, диск и лопатки турбины охлаждались водой. В 1937 г. известный советский конструктор авиационных двигателей Архип Михайлович Люлька предложил схему двухконтурного ГТД, которая в дальнейшем получила широчайшее распространение. Но бурное развитие ГТД началось только в конце 40-х гг., когда авиационные конструкторы поняли, что поршневой двигатель в авиации исчерпал свои возможности.