Паровые турбины и судовые дизеля (стр. 3 из 6)
В мае 1804 г после заключения академика Французской академии наук Латобре (Latrobe's) о бесперспективности паровой навигации Р. Фултон приезжает в Англию, заказывает М. Болтону и Дж. Уатту паровой двигателем (диаметр цилиндра 2 фута (~600 мм), ход поршня 4 фута (~1200 мм), мощность 24 л.с.). Здесь он пытается увлечь английское правительство проектом своей подводной лодки и одновременно следит за изготовлением паровой машины фирмой Болтон & Уатт. Первые удачные опыты со взрывам судов не столько воодушевили, сколько привели в замешательство Британское адмиралтейство, по инициативе которого Фултону была предложена пожизненная пенсия с условием - забыть про свое изобретение.
Между тем, Ливингстон настойчиво зовет Фултона в Америку. Его шурин и конкурент Стивенс начинает в 1806 году постройку парохода "Феникс", надеясь, что получит привилегию на маршрут Нью-Йорк-Олбани, срок которой у Ливингстона истекал в 1807 году. Надо было спешить со строительством своего парохода. В конце 1806 г. в Нью-Йорк прибывает заказанный двигатель, и Фултон немедленно заказывает корпус на верфи Чарлза Брауна. Машинная часть парохода состояла из котла в форме сундука длиной 6 м при высоте и ширине несколько более 2 м и вертикального парового цилиндра. Весной 1807 первый пароход, получивший имя "Клермонт" ("Clermont", водоизмещение ~100 т, длина 133 фт./~40 м, ширина 18 фт./~5 м, высота 9 фт./~2,5 м), был спущен на воду.
В августе 1807 г. двигатель был установлен на судно и испытан в работе, во время рейса Нью-Йорк - Олбани (Albany). Расстояние до Олбани составляло 150 миль (241 км), рейс длился 32 часа, возврат по течению реки занял 30 часов. Паруса не использовались на всем пути. Пароход имел бортовой колесный привод. Это был первый безостановочный транспортный рейс длительностью более одних суток, выполненный паровым судном.
"Клермонт" держал эту линию в течение нескольких лет сразу столкнувшись с крайне враждебным отношением владельцев парусных и гребных судов на Гудзоне, увидевших в пароходе грозного конкурента. Они то и дело подстраивали столкновения пароходов с шаландами и баркасами или устраивали на их пути заторы. В 1811 году в США был принят специальный закон, грозивший строгим наказанием за сознательный вред, принесенный пароходам.
Пароход Фултона ничем особенным не отличался от своих более ранних предшественников, однако именно ему суждено было открыть новую эру в истории судоходства, так как только за первый год эксплуатации "Клермонт" дал выручку 16 тысяч долларов, предъявив всему миру очевидное доказательство рентабельности парового флота. Небольшое относительно пароходов Дж.Фитча увеличение тоннажа судна и мощности машины положило конец эпохе энтузиастов парового движения и стало фактором экономического развития страны.
Хотя сам Фултон неоднократно подчеркивал, что идея парохода принадлежит не ему, именно он впервые удачно воплотил ее в жизнь, и именно с его легкой руки пароходство начало бурно развиваться сначала в Америке, а потом и во всем мире.
От парового двигателя к паровой турбине.
 Паровая машина с тройным расширением пара |
К концу XIX века трансатлантическую линию Европа – США обслуживали пароходы длиной от 350 до 450 фт. (~100-140 м) с паровыми машинами мощностью 3000-4000 л.с. Линейные пароходы пересекали Атлантику за 10 - 11 дней и расходовали от 70 до 100 тонн угля в день.
Низкий к.п.д. паровых двигателей существенно уменьшал полезную грузоподъемность паровых судов и настоятельно требовал поиска более эффективных методов топливоиспользования.
Верхом совершенства в изготовлении судовых паровых машин стали двигатели с тройным расширением пара линейных судов серии "Oceanic", которые строились на Ирландских верфях с 1870 г.
В 1877 г. пароходы "Германик" ("Germanic") и "Британик" ("Britannic") поставили рекорд скорости пересечения Атлантики на дистанции 2,830 миль: Германик - 7 дней 11 часов 37 минут, Британик - 7 дней 10 часов и 53 минуты.
Рекорд скорости строительства судна и количества судов в серии принадлежит военно-транспортным пароходам проекта EC2, получившего наименование "Liberty" (Либерти). В период с 1941 по 1947 гг. было построено 2751 судов этого типа. Первый пароход серии "Патрик Генри" (SS Patrick Henry) был заложен 27 сентября 1941 г. и строился 70 дней. Спустя несколько лет сборка парохода "Роберт Е. Пери" (SS Robert E. Peary) заняла четыре с половиной дня, а через семь дней после закладки киля судно прошло швартовые испытания и, приняв груз, вышло в рейс.
 Военно-транспортный пароход проекта "Liberty" (10000 т, 2500 л.с., 11 узлов) |
Строительство "Либерти" было организовано по конвеерному принципу, при котором все 250000 деталей, входящих в спецификацию судна, собирались в стандартизованных 250-тонных секциях, перемещаемых между заводами в соответствии с технологией монтажа судового оборудования. После комплектации секции доставлялись на верфи, где и происходила окончательная сборка судна. Строительная стоимость парохода составляла $ 2,000,000.
Характеристики парохода: длина - 441 ft (134 м), ширина 56 ft (17 м), средняя скорость - 11 узлов. В 5 трюмах пароход перевозил до 9000 тонн груза, а на палубе - самолеты, танки или локомотивы.
В состав энергетической установки входил паровой двигатель мощностью 2500 л.с. с тройным расширением пара (трехцилиндровый) и два паровых котла, работающие на жидком топливе (топочном мазуте).
За время Второй мировой войны "Либерти" перевезли 2840 самолетов, 440 танков и 230 миллионов ящиков боеприпасов. В команду парохода входили 44 члена экипажа и от 12 до 25 военных моряков сопровождения и охраны судна. После войны ВМС США продали почти все суда данной серии, а последние "Либерти" эксплуатировались до начала 70-х годов, т.е. в течение 25 лет после окончания войны.
Однако кардинальное повышение эффективности судовых энергетических установок было связано не с совершенствованием паровых двигателей, а с изобретением турбин, позволивших не только поднять к.п.д. СЭУ, но и на порядок уменьшить массогабаритные характеристики судового двигателя.
Термин турбина происходит от французкого слова - turbine, пришедшего из латинского turbo — вихрь, вращение с большой скоростью, впервые использованного Героном Александрийским при описании принципа реактивного движения "Элоопила" (~130 г до н.э.).
 "Элоопил", 130 г. до.н.э. |
Однако вплоть до начала промышленного использования паровых машин подогреваемый огнем шар с водой, вращающийся под действием струи пара, был не более чем игрушкой. Только успехи в применении паровых машин заставили обратить внимание на свойства колеса, вращающегося под напором струи пара.
Первое упоминание о паровой турбине в Европе связано с именем итальянского инженера Джованни Бранка (Giovanni Branca), предложившего в 1629 г. использовать рабочее колесо турбины для размельчения угля и серы при производстве пороха (см. лекцию 1).
В 1837 г. в Англии и США было сделано несколько паровых колес, например колесо Авери (Avery at Syracuse, New York) имело диаметр 5 фт (~1,5 м), однако низкая эффективность одноступенчатой турбины с атмосферным противодавлением не могла составить конкуренцию паровому двигателю.
Для создания промышленной паровой турбины было необходимо завершить формулировку законов термодинамики и найти новые инженерные решения для производства работы с использованием тепловых свойств воды и водяного пара.
Хронология формирования теории тепловых машин - термодинамики.
1798: Выдвижение идеи о взаимосвязи температуры и энергии, Коунт Рамфорд (Count Rumford);
1824: Формирование теории тепловых машин, Сади Карно (Sadi Carnot);
1827: Открытие Бруоновского движения молекул воды, Роберт Броун
1834: Формулировка второго закона термодинамики, Клайперон (Benoit-Pierre Clapeyron);
1843: Экспериментальное определение механического эквивалента тепла, Джеймс Джоуль (James Joule);
1848: Определение абсолютного нуля температуры, Лорд Кельвин, (Lord Kelvin);
1852: Определение взаимосвязи объема температуры (расширяющийся газ охлаждается), Джеймс Джоуль и Лорд Кельвин (James Joule, Lord Kelvin);
1859: Закон распределения молекулярных скоростей, Джеймс Клерк Максвелл, (James Clerk Maxwell);
1874: Второй закон термодинамики, Лорд Келвин, (Lord Kelvin);
1876 - 1878: Формирование законов и понятий химической термодинамики, Иосиф Гиббс (Josiah Gibbs);
Начиная с 1879 г. термодинамика ориентируется на углубление знаний о природе тепловых процессов и перестает быть прикладной наукой для инженеров.
1879: Понятие излучения черного тела, Иозеф Стефан (Josef Stefan);
1906: Третий закон термодинамики, Вальтер Нернст (Walther Nernst);
1916: Кинетическая теория газов, Сидней Чапмен и Дэвид Енски (Sydney Chapman and David Enskog);
1957: Комптоновское распределение для уравнения Фоккера-Планка, A.S. Kompaneets. .....
 Колесо Авери, 1837 |
Создание термодинамики, т.е. теоретической базы для расчета тепловых машин, поставило перед практикой задачу разработки энергетической установки на базе паровой турбины с вакуумным конденсатором. Патент на первый паротурбинный двигатель получил американский морской инженер, адмирал Бенжамин Франклин Изервуд (Benjamin Franklin Isherwood, 1822-1915) в 1857 г.