Паровые турбины и судовые дизеля (стр. 4 из 6)

После проведения в 1870 г. инженерных разработок несколько паротурбинных установок (ПТУ) были установлены на военные фрегаты серии USS "Wampanoag". Новый двигатель позволил обеспечить относительно высокую скорость (17,75 узла/33 км.час), но ПТУ на базе одноступенчатой турбины оказались слишком сложными в изготовлении, но не более эффективными, чем паровые машины (к.п.д. 6-8%), вследствие чего нашли применение лишь в качестве двигателей судов береговой охраны (USGS), предназначенных для перехвата контрабандистов.

Массовое применение паротурбинных установок на флоте связано с созданием многоступенчатых паровых турбин, позволивших поднять КПД паровых машин с 4-5% до 15-18%., что было незамедлительно использовано в промышленной и морской энергетике. Создание современных паровых турбин связано с именами выдающихся инженеров XIX века: шведом К. Лавалем и англичанином Ч. Парсоном.

В 1878 г. шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль (Carl Gustav Patric de Laval, 1845 -1913) изобрел центробежный сепаратор, принцип работы которого был позже применен для изготовления стеклянных бутылок.

В 1882 г. Лаваль создал первую импульсную паровую турбину, в 1883 г. построил и использовал морскую реверсивную турбину, запатентованную в 1883 г., частота вращения которой достигала 42 000 оборотов в минуту.

Первая морская турбина Парсонса, 1894
[ увеличить ]

В 1896 г. Лаваль разработал паровую турбину для электростанции, работа которой требовала создания давления в 3400 фунтов на кв. дюйм (239 бар/кг.кв.см), что было не достижимо для технологий конца XIX века.

Главная заслуга Лаваля в разработке паровых турбин заключалась в том, что конструкция его сопла позволила примерно в 5 раз увеличить возможность использования потенциальной энергии струи пара, повысив скорость его истечения c 800 ft/с (244 м/c) до 4000 ft/c (1220 м/c), но несмотря на это, одноступенчатые паровые турбины не позволяли дать однозначного заключения об их приемуществе перед паровыми машинами.

Промышленное использование паровых турбин стало возможным лишь после того, как сэр Чалз А. Парсонс (Sir Charles Algernon Parsons, 1854-1931) создал в 1884 первую мнгогоступенчатую паровую турбину мощностью 10 л.с. (18 000 об/мин). Турбины Парсонса использовались для привода электрогенераторов, мощность которых на первом этапе развития электроэнергетики составляла от 1 до 75 кВт.

Многоступенчатый паротурбогенератор

Основное значение паровых турбин в истории техники заключается в том, что они обеспечили экономическую рентабельность использования паровой энергии не только для промышленности, но и для бытового обслуживания населения. В частности, первое в истории уличное освещение было установлено в Кэмбридже в 1895 г., для чего использовались четыре 100 кВт генератора с турбинами Парсонса.

Современные турбины представляют многоступенчатые агрегаты, собираемые в блоки, включающие последовательность из нескольких турбин высокого, среднего и низкого давления. Такая компоновка позволяет достигнуть высокой эффективности использования тепловой энергии пара (свыше 40 %), что сопоставимо с эффективностью современных мощных малооборотных дизелей.

Эти показатели в сочетании с относительной дешевизной топлива для ТЭЦ и АЭС делают паровую турбину основным элементом современных электростанций. Мощность современных паровых турбин достигает 1000 мегаватт.

В 1899 г. на ходовых испытаниях корабли легко показали скорость свыше 30 узлов, однако их судьба оказалась печальной. В том же году "Гадюка" разбилась, наскочив на мель в Ла Манше, а месяцем позже "Кобра" взорвалась на рейде Тейна ("Tyne"). Несмотря на то, что по результатам расследования аварии Адмиралтейство полностью реабилитировало фирму Чарльза Парсонса, трагедия, унесшая жизнь 77 человек, включая его сотрудников, очень серьезно сказалась на его здоровье и привела к почти двухлетнему отказу от активной производственной деятельности.

В 1902 г. Британское Адмиралтейство модернизировало энергетическую установку 15-летнего эсминца "Velox" и по итогам годовой эксплуатации ПТУ приняло решение о том, что с 1905 г. все новые корабли Великобритании должны оснащаться только паротурбинными двигателями.

В 1905 - 1906 гг. Адмиралтейство ввело в строй корабли нового поколения, оснащенные паротурбинными установками, обеспечившими техническую базу для качественного скачка в строительстве военного флота: крейсер HMS Amethist (110 м, 3000 т, ПТУ - 14000 л.с., 23-33 узла) и линейный корабль HMS Dreadnought.

Характеристики линкора "Дредноут": L/B/D: 160.3x25x8.8 м, водоизмещение - 21845 т., экипаж: 657-773 чел.; вооружение 10 x 12". Бронирование: броневой пояс - 11", палуба - 4"; машина: ПТУ - 23000 л.с., винтов - 4 , скорость - 21 узел.

С точки зрения развития СЭУ линкор "Дредноут" открыл новою эпоху в военном судостроении, закончившуюся созданием в 1941 г. четырехвинтовых линейных кораблей Yamato ("Ямато") и Musashi (“Мусаси”) водоизмещением 72 809 т и мощностью ПТУ - 150 000 л.с.

Yamato ("Ямато"), линкор класса Yamato. L/B/D: 263х38.9х10.4 м, водоизмещение - 72809 т, корпус - сталь, экипаж - 2500 чел., вооружение - 9x18.4", 12x6.2", 12x5.1", 24x25мм. Бронирование: броневой пояс - 16.4", палуба - 9.2". Скорость 27 узлов. Линкор был потоплен в конце Второй мировой войны (6 апреля 1945 г.) в результате атаки более 400 самолетов морской авиции США при сражении за Окинаву. 10 авиационных торпед и 58 бомб поставили точку на пяти столетиях артиллерийских морских сражений.

В 1943 г. военно-морские силы США начали принимать на вооружение линкоры класса Iowa ("Айова") водоизмещением 55 250 т, мощностью ПТУ - 212 000 л.с., скоростью 33 узла, но на военном флоте дальнейшее развитие СЭУ уже не было связано с линейными кораблями.

Первым пассажирским турбоходом стал построенный в 1901 г. "King Edward" ("Король Эдуард", 76 м., 650 т., 8500 л.с., 20-48 уз.). В 1905 г. началась регулярная трансатлантическая навигация паротурбинных пассажирских судов "Victorian" ("Викторианец") и "Virginian" ("Виржинец"), а с 1907 г. на линию выходят самые большие четырехвинтовые пассажирские суда с ПТУ мощностью 73000 л.с. - "Mauretania" ("Мавритания") и "Luisitania" ("Лузитания"), построенные для перевозки эмигрантов в США.

Оба судна способны были развивать скорость от 25 до 26 узлов (42 км/час), что до их создания считалось невозможным для таких больших судов: длина - 240.8 м , ширина - 26.8 м, водоизмещение - 31938 т. В каютах первого класса размещались 563 пассажира, второго - 464, третьего - 1138, экипаж судна - 812 чел.

"Мавритания" в течение 20 лет была самым быстрым лайнером и семь раз била свой рекорд на скорость пересечения Атлантики. В 1921 г. котлы, работающие на угле, были переведены на жидкое топливо, а последний рекорд был поставлен 20-25 августа 1924 г. Дистанцию от Амброуза (Ambrose) до Шербура (Cherbourg) теплоход прошел за 5 дней, 1 час и 49 минут со средней скоростью - 26.25 узла.

"Мавритания" (32 000 т) и "Турбиния"(44 т), 1908 г.

Дизельные энергетические установки

Поиск способов использования тепловой энергии был неразрывно связан с прогрессом в развитии тепловых машин. Паровые машины, равно как и турбины, требовали наличия для двигателей внешнего сгорания двух элементов, обеспечивающих движение судна: парового котла и двигателя.

Стремление избавиться от парового котла и связанных с ним технических и технологических проблем привело к появлению двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных ЭУ.

Создание ДВС в его настоящем виде стало возможным только после создания в 1824 С. Карно (Nicolas Leonard Sadi Carnot, 1796 - 1832) теории тепловых машин. Именно тогда Карно установил, что температура воздуха, сжатого в отношении 15 к 1, будет достаточной для самовоспламенения сухой древесины (572°F / 300°C / 573 °K), что и было впоследствии реализовано Р. Дизелем в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с воспламенением топлива от сжатия.

После того, как Сади Карно сформировал теорию тепловых машин, особое внимание инженеров XIX века было направлено на техническую реализацию теоретического цикла тепловой машины, что привело к появлению двух классов тепловых двигателей, работающих по циклам Отто и Дизеля, объединение которых в цикле Тринклера положено в основу современных ДВС.

Высокая экономическая эффективность судовых двигателей внутреннего сгорания обусловила их массовое внедрение в качестве главных двигателей СЭУ, но главный результат их изобретения связан с созданием нового класса военных кораблей - подводных лодок, представляющих серьезную опасность для всех без исключения типов надводных судов.

История подводных лодок начинается с древнейших времен. Первые упоминания о попытках сделать судно, способное двигаться под водой, встречаются у Герадота (Herodotus, 460 B.C.), Аристотеля (Aristotle, 332 B.C.) и Плиния старшего (Pliny, the elder, 77 A.C). Однако все, даже успешные попытки строительства подводных аппаратов упирались в проблему источника движения, которая была решена лишь после появления достаточно компактных и надежных двигателей внутреннего сгорания, электродвигателей и аккумуляторных батарей.

Подводный флот обеспечивал до середины XX века ускоренные темпы развития технологической базы двигателестроения, т.к. военные моряки ставили перед машиностроением такие задачи совершенствования основных массогабаритных и технических характеристик СДВС, которые не являлись критическими или первоочередными для транспортных судов.