Наукові проблеми корабельної енергетики

І.Г. Захаров, доктор технічних наук, професор, контр-адмірал; Я.Д. Ареф'єв, доктор технічних наук, професор, контр-адмірал; Н.А. Воронович, кандидат технічних наук, капітан 1 рангу; О.Ю. Лейкин, кандидат технічних наук, капітан 1 рангу

Досягнення вітчизняної фундаментальної науки і розвиток техніки дозволяли в різні періоди ставити перед виробниками машинобудівної продукції цілий ряд принципово нових, відповідних часу завдань, вирішення яких істотно підвищувало бойові та експлуатаційні можливості кораблів Військово-Морського Флоту.

Основні наукові проблеми, цілеспрямовано вирішувалися на користь вітчизняного флоту в минулому і поточному століттях стосовно корабельної енергетиці, пов'язані зі створенням спочатку корабельних паросилових, потім, послідовно, дизельних, газотурбінних і атомних енергетичних установок.

Перші досягнення науки і техніки в галузі транспортної енергетики були реалізовані на початку XIX ст. в паросилових установках, які удосконалювалися протягом близько двох століть. Наукове забезпечення створення корабельних дизельних установок почалося майже через століття, на початку ХХ ст., І розвиток їх триває дотепер. До наукових досліджень і розробок зі створення корабельних газотурбінних установок приступили лише в 20-х роках ХХ ст. В даний час їх вдосконалення також триває в Відповідно до сучасної програмою кораблебудування.

І, нарешті, наукові розробки і створення корабельних атомних енергетичних установок, які внесли найбільш важливий внесок у розвиток не тільки корабельної енергетики, але і кораблебудування в цілому, було розпочато на початку 50-х років цього століття. Розвиток установок такого типу, що вимагає максимально напруженого наукової праці та значних економічних зусиль, незважаючи на певні труднощі, продовжується. Однак темпи цього розвитку не відповідають тим величезним можливостям, які є в науковому доробку по цього напрямку енергетики.

Корабельні Паросилові енергетичні установки

На початку XIX ст. вітчизняна наука і техніка в галузі енергетики досягла рівня, який забезпечив можливість проектування і виготовлення паросилових суднових енергетичних установок. Виконані теоретичні та експериментальні дослідження в галузі спалювання твердого палива, паротворення, реалізації теплового циклу шляхом генерації пари в паровому котлі і використання його енергії у парової машини, що приводить в обертання гребний вал, дозволили поставити питання про будівництво першого в Росії "пароплава".

Можливість створення паросилова енергетики вдало поєднувалася з потребами флоту мати кораблі і судна, рух і маневрування яких не залежали б від "капризів природи ", а їх швидкості і водотоннажність могли б бути значно збільшені. Поставлена в цьому плані завдання на початку XIX ст. була успішно вирішена, і перший вітчизняний пароплав з паросилова установкою був побудований в 1815р. В якості генераторів парової енергії для перших установок використовувалися огнетрубние котли, які мали робочий тиск пари близько 1кгс/см2 (0,1 МПа). До початку ХХ ст. були розроблені і знайшли широке застосування більш прогресивні ВОДОТРУБНИЙ котли з вугільним опалюванням. Для військових кораблів використовувалися два типи таких котлів: горизонтального та вертикального виконання. Найбільш Найпоширенішою конструкцією першого типу були котли Бельвю. Компонувальна схема вертикальних котлів передбачала парової і два водяних колектора, з'єднані трубами (котли трикутного типу). Вертикальні ВОДОТРУБНИЙ котли мали значно меншу масу і забезпечували більш високу маневреність установки. Вперше такі котли були встановлені в 1890р. на ескадрених міноносці "Роченсальм". Робочий тиск пари в котлах цього корабля було 13кгс/см2 (1,3 МПа).

Як двигуна використовувалися парові машини, конструкцію яких визначали умови їх розміщення на суднах. Перші двигуни були балансирні типу, подібно стаціонарним прототипам. На зміну їм прийшли горизонтальні машини, а в подальшому вертикально-перекинутого типу. Розвиток парових поршневих машин йшло по шляху збільшення ступеня розширення пара, що призвело до створення двоциліндрових подвійного розширення машин-компаунд, а потім і трьохциліндрових машин потрійного розширення. Можливості збільшення потужності парових машин були обмежені діаметром циліндра низького тиску, який не міг перевищувати 2-2,5 м по конструктивних і технологічних причин. Гранична потужність судновий парової машини становила не більше 20000л.с.

Період будівництва військових кораблів з 1907р. до першої світової війни характеризується значним збільшенням їх водотоннажності і швидкості, для чого потрібні були парові котли великої паропродуктивності із значно меншою питомою масою. Цим вимогам могли задовольняти тільки вертикально-ВОДОТРУБНИЙ котли, але їх вдосконалення стримувало вугільне опалення. Кам'яне вугілля -- паливо з низькою калорійністю. Ручна подача його в топку вимагає великої фізичної праці. Внаслідок цього парові котли з вугільним опалюванням НЕ могли забезпечити паропродуктивність більше 15т/год і до того ж були недостатньо маневреними. Крім того, недосконалість процесу горіння приводило до великої димності, а, отже, демаскувати бойовий корабель. Важливим чинником є значна трудомісткість вантажних робіт і незручність зберігання кам'яного вугілля.

Для великих військових кораблів були потрібні і більш потужні парові двигуни. На зміну паровим поршневим машинам прийшли парові турбіни, які мали більш високий ККД і менші масогабаритні характеристики. Для застосування парових турбін на кораблях треба було виконати великий обсяг теоретичних і експериментальних досліджень термодинамічних процесів перетворення теплової енергії пари в механічну роботу, а також побудувати досвідчені машини і відчувати їх. Вперше парові турбіни прямодействующіе реактивного типу були встановлені на лінійних кораблях типу "Севастополь", роботу яких забезпечували 25 ВОДОТРУБНИЙ котлів трикутного типу зі змішаним вугільно-нафтовим опаленням. Тиск пари в котлах становило 17кгс/см2. В енергетичній установці цих кораблів був здійснений замкнутий цикл пар-конденсат з генерацією тепла відпрацьованої пари в водопідігрівачів. Незважаючи на те, що створена установка відповідала рівню розвитку науки і техніки того часу, вона все ж мала недолік. Змішаний опалення парових котлів обмежувало можливість збільшення їх паропродуктивності, тому що при спалюванні вугілля і нафти в топці одночасно були потрібні різні способи подачі повітря в топку. Цей недолік був усунутий у 1910р. впровадженням нафтового опалення котлів на ескадрених міноносцях типу "Новик".

Таким чином, до 1910р. були реалізовані основні науково-технічні рішення, що забезпечують значне збільшення паропродуктивності котлів, що дозволило нарощувати потужність установки з паровими турбінами при одночасному зниженні її маси і габаритів.

Разом з тим Паросилові установки по своїх теплових процесів залишалися ще далеко не досконалі. Вони мали низьку економічність і великі масогабаритні характеристики. Недостатньо були і маневрові характеристики, такі як час приготування до дії і час реверсу. Установки володіли низькою живучістю через лінійного розташування головних механізмів.

Черговий етап розвитку вітчизняних котлотурбінного установок почався в середині 20-х років. У їхній розробці брали активну участь В. А. Вінтер, Н. В. Висоцький, М. І. Яновський, В. П. Мадіса, О. В. Акімов, В. Л. Сурвілло, П. І. Заикин, Я. С. Солдатов, Н. И. Кюн, П. Ф. Лавров, А. В. Голинського, Г. О. Ляхов, О. І. Димов, Н. Р. Лукашевскі, В. Е. Долголенко, Н. І. Васильєв, Р. Р. Грундман, А. А. Ігнатьєв та інші відомі фахівці та вчені-енергетики. Було прийнято за доцільне створювати котлотурбінного енергетичні установки з паровими котлами з нафтовим опаленням і робочим тиском пари 20кгс/см2, температурою 313 ° С, а також з високооборотним турбінами з зубчастої передачею.

Відповідно з цією концепцією до 1941р. в нашій країні були розроблені та створені парові котли та головні турбозубчатие агрегати для більшості проектів кораблів.

Напрямок по створення корабельних парових котлів послідовно очолювали Е. Е. Папмель, М. І. Шулінскій, Г. А. Гасанов. Ними був спроектований паровий котел для сторожового корабля "Ураган" проекту 39. У процесі його створення був розгорнутий комплекс науково-дослідних та експериментальних робіт з теорії горіння і внутрікотлових процесів. У січні 1930р. після стендових випробувань декількох варіантів комісією був прийнятий до серійного виробництва паровий котел для цього корабля. У цьому ж році на Північній суднобудівної верфі на чолі з В. О. Бжезинським було організовано ЦКБС-1, до складу якого входили і турбіністи, очолювані Б. С. Фрумкин. Колективом Турбініст був створений перший вітчизняний турбозубчатий агрегат, що складається з високооборотних турбін високого та низького тиску і зубчастого редуктора (максимальна частота обертання гребного валу становила 630об/мін). Ротори турбін випробовувалися окремо на балансувань верстатах, а на стенді визначалися теплова деформація корпусів, центровка, якість роботи підшипників і масляної системи. Не дивлячись на ретельність випробувань, в період експлуатації були виявлені серйозні зауваження по роботі обладнання. До найбільших з них відносяться: поломка робочих лопаток турбін високого тиску, відсутність запасу по паропродуктивності парових котлів і їх малий ресурс до зміни трубок, порівняно висока питома маса механічної установки, недостатня її потужність.

З урахуванням досвіду проектування і експлуатації протягом 30-х років вітчизняної промисловістю були спроектовані і побудовані декілька котлотурбінного енергетично установок великої потужності для лідерів ескадрених міноносців. У ряді випадків при випробуваннях, а також у період експлуатації ви з'явилися окремі недоліки і прорахунки при проектуванні. Особливо багато їх було виявлено у енергетичної установки для лідер ескадрених міноносців "Ленінград" проекту 1. Так, уже на стенді виявилися неполадки з циркуляцією води в головному котлі, які призводили до розриву трубок. Крім того, був: відмічені серйозні несправності в роботі редукторів, турбін високого тиску, головних конденсаторів та окремих допоміжних механізмів. Проектування і постачання обладнання енергетичних установок для деяких проектів надводних кораблів велися за участю іноземних фірм ( "Ансальдо", "Метрополітен-Віккерс", "Парсонс" та ін.)

Наприкінці 30-х років, у міру накопичення досвіду проектування, завершення теоретичних експериментальних робіт і вдосконалення технології виготовлення корабельного устаткування, вітчизняна суднобудівна промисловість самостійно приступила до будівництва енергетичних установок легких крейсерів типу "Чапаєв" проекту 68 і важкого крейсера "Кронштадт" проекту 69.

Паралельно з проектуванням проводилися глибокі теоретичні дослідження шляхів поліпшення технічних характеристик корабельного устаткування. Їх вели відомі вчені: М. А. Стиріковіч, Д. Ф. Петерсон К. А. Блінов, В. Н. Дешкін. Великі заслуги в області турбобудування М. І. Яновського. Ним був виконані глибокі теоретичні дослідження за методами теплового та конструктивного розрахунку корабельних турбін і конденсаційних установок. Активну участь у проектуванні енергетичних установок брали Е. А. Ярынич, Л. А. Коршунов, Л. В. Гаст, Е. М. Антонов, Г. А. Абагянц, П. І. Вишневський, О. М. Дорофєєв, І. В. Семенов, Г. Ф. Абрамович, С. С. Єгоров, І. М. звужує і інші фахівці ВМФ.

Особлива роль належить флотським інженерам-механікам Б. Я. Красикова, І. А. Щенсновічу, М. В. Корольову, Т. П. норов, Г. А. ВУЦК, А. Я. Андрєєву та іншим, які вдосконалювали експлуатацію енергетичного обладнання на флоті.

Досвід другу світової війни показав, що котлотурбінного енергетичні установки більшості класів кораблів мають недостатню паливну економічність, маневреність, довговічність котелень трубок, а також великі масогабаритні показники. Для вирішення цих проблем необхідно було відновити спеціалізовані підприємства і конструкторські бюро. Так у 1946 р. було створено спеціальне КБ котлобудування, яке очолив Г. А. Гасанов. Основу колективу склали досвідчені фахівці Н. С. Бєлоусов, П. Д. Дегтярьов, А. Е. Хавкин, А. І. Булікова. У 1946-1952гг. на Північній суднобудівної верфі було організовано СКБТ, яке очолив досвідчений інженер Г. А. Оглобін. До складу КБ входили відділи парових турбін і газових турбін.

У своїй роботі конструктори використали результати досліджень вчених Н. Н. Семенова, Я. Б. Зельдовича, Д.А.Франк-Кам'янецького, Г. Ф. Кнорре, Л. А. Вулісом, Г. А. Абагянца, Н. М. Кузнецова. Велися наукові роботи, які вирішували одну з найважливіших проблем з організації смесеобразовательних процесів підігріву і випаровування крапель палива, вдосконалення аеродинамічній основи організації процесів в топці. До виконання ряду робіт були підключені фахівці Військово-морський академії та військово-морських училищ. Загалом роботи були направлені головним чином на створення високоекономічних автоматизованих парових котлів з ККД 85-86% і подачею повітря в топку.

Проведення нових досліджень співпало з початком проектування котлотурбінного енергетичних установок для кораблів: СКР "Горностай" проекту 50, ЕМ "Безстрашний" проекту 41, ЕМ "ВЕСКО" проекту 56.

Для СКР "Горностай" проекту 50 був створений не має аналогів турбозубчатий агрегат ТБ-9, що складається з однокорпусному високооборотний турбіни реактивного типу, двоступінчастого редуктора з роздвоєнням потужності і конденсатора з самопроточной циркуляцією. Для створення однокорпусному турбіни потрібно було провести ряд складних теоретичних та експериментальних досліджень з розробці нового режиму реактивних лопаток, які були виконані конструкторами Кіровського заводу, ЦНДІ ім. академіка А. Н. Крилова, Ленінградського політехнічного інституту. Центрального котлотурбінного інституту ім. И. И. Ползунова. В результаті цих робіт було створено каталог профілів лопаток парових турбін, який використовується і в даний час. При випробуваннях кораблів було виявлено явище резонансу лопаток останніх ступенів турбін, що послужив причиною декількох аварій. Знадобилося чимало часу для вивчення цього явища та пошуку шляхів його усунення.

Для підвищення економічності установки, починаючи з ЕМ "Безстрашний" проекту 41, в його головних котлах, КВ-76, були збільшені початкові параметри пари до тиску 64кгс/см2 і температури перегріву до 470 ° С. З метою збільшення теплонапругу топкового обсягу в котлах були застосовані подача повітря в топку з тиском 900-1100мм.в.ст. і двухфронтовое опалення. Для цих кораблів також розроблений високооборотний двокорпусний агрегат, ТБ-8, великої потужності, з гнучкими зв'язками рухомих решт турбін з фундаментом. Для цих установок був створений і принципово новий автоматизований насосний турбоагрегат, що включає три насоса: поживний, конденсатний і бустерний з єдиним високооборотним турборедукторним приводом. Вперше були використані підшипники на водяній мастило.

У результаті комплексу цих робіт була розроблена нова методологія компонування енергетичного обладнання, що дозволяє розмістити в одному енергетичному відсіку парові й турбозубчатий агрегат з обслуговуючим їх обладнанням, що спростило конденсатні-живильну систему, підвищило економічність і поліпшило масогабаритні характеристики установки. Без істотних змін ця установка застосовувалася на великій серії ЕМ "ВЕСКО" проекту 56 та ВПК "Гримлячий" проекту 57.

При будівлі кораблів в період 60-70-х років треба було створення більш економічною і компактної котлотурбінного установки великої потужності. Виконані в СКБК, ЦНДІ ім. академіка А. Н. Крилова, 1-м ЦНІІМО дослідження показали можливість поліпшення характеристик котельної установки на основі компресорного Надува повітря в топку котла з використанням тепла відхідних газів в турбонаддувочном агрегаті. Одночасно колективом Кіровського заводу під керівництвом головного конструктора В. Е. Берга був розроблений турбозубчатий агрегат ТВ-12 потужністю 45000л.с., Який став основною базовою моделлю для надводних кораблів. Використовуючи накопичений досвід проектування і досягнення науки 50-60-х років, конструкторам вдалося (в порівнянні з попереднім турбоагрегатів для кораблів проекту 56) підвищити потужність агрегату на 25% при одночасному зниженні на 35% його маси і збільшенні ККД на 3-4%. В цей же час в СКБК під керівництвом Г. А. Гасанова був спроектований і побудований високонапірні паровий котел КВН 95/64 з високими параметрами пари, в якій вперше було застосовано розроблене співробітником 1-го ЦНІІМО Ю. А. Убранцевим газоохлаждающее пристрій ежекційні типу, що дозволило знизити температуру вихідних газів до 100 ° С, що забезпечило значне зменшення теплового поля корабля. Всі ці нововведення були закладені в котлотурбінного енергетичну установку ракетного крейсера "Грозний" проекту 58. Ставши базової, надалі вона пройшла ряд етапів удосконалення конструкцій головних і допоміжних механізмів, автоматизованого управління, водного режиму, поліпшення характеристик та ін Потужність ГТЗА-674 була збільшена до 50000л.с.

Для кораблів споруди 70-80-х років (ЕМ "Сучасний" проекту 956, "Адмірал Флоту Радянського Союзу Кузнєцов "проекту 1143.5) були створені високонапірні котли КВГ-З і КВГ-4, а для резервної котельної установки корабля "Адмірал Нахімов" проекту 1144 - котел КВГ-2.

Велика заслуга у розробці корабельних паросилових установок в цілому належить фахівцям ЦК - проектантам кораблів: А. А. Терентьєву, Г. А. Бобченок, Ю. К. Шахту, В. І. Павликова, Е. В. Петрову, В. Л. Менаховскому, а також співробітникам 1-го ЦНІІМО М. М. Чарнецького, М. С. Воробйову, П. Є. Букін, П. Г. Грищенко, С. Г. Замаховскому, Е. А. Ошерова, В. С. Князеву, В. З. Цілевічу. Г. В. Перлов, І. С. Пушкін і П. А. Сорокін були удостоєні Державної Премії.

Таким чином, в результаті великого обсягу виконаних НДР та ДКР в післявоєнний період була створена уніфікована автоматизована котлотурбінного енергетична установка з високонапірні котлами, яка є найпотужнішою серед установок на органічному паливі і широко застосовується на сучасних великих надводних кораблях.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.navy.ru/