Научные проблеми корабельної енергетики

Научные проблеми корабельної энергетики

И.Г. Захаров, доктора 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. Лейкін, кандидата технічних наук, капітан 1 ранга Достижения вітчизняної фундаментальної науку й розвиток техніки дозволяли у різні періоди ставити перед виробниками машинобудівної продукції низку принципово нових, суголосних часові завдань, рішення яких істотно підвищувало бойові і експлуатаційні можливості кораблів військово-морського флоту.

Основные наукових проблем, цілеспрямовано які вирішувались у інтересах вітчизняного флоту у минулому і поточному століттях стосовно корабельної енергетиці, пов’язані зі створенням спочатку корабельних паросиловых, потім, послідовно, дизельних, газотурбінних і атомних енергетичних установок.

Первые досягнення науку й техніки у сфері транспортної енергетики були реалізовані на початку XIXв. в паросиловых установках, які вдосконалювалися протягом майже двох століть. Наукове забезпечення створення корабельних дизельних установок почалося майже через століття, на початку XXв., та розвитку їх триває до нашого часу. До наукових досліджень і розробкам зі створення корабельних газотурбінних установок приступили лише в 20-х роках XXв. Нині їх вдосконалення також триває в відповідність до сучасної програмою кораблебудування.

И, нарешті, наукові розробки та створення корабельних атомних енергетичних установок, які зробили найважливіший внесок у розвиток як корабельної енергетики, а й кораблебудування загалом, розпочався початку 50-х років нинішнього століття. Розвиток установок подібного типу, яка потребує максимально напруженого наукової праці і великих економічних зусиль, попри певні труднощі, триває. Проте темпи цього розвитку відповідають тим величезним можливостям, які у науковому задумах по цьому напрямку енергетики.

Корабельные паросиловые енергетичні установки

В початку XIXв. вітчизняна наука і у сфері енергетики досягла рівня, який забезпечив можливість проектування й виготовлення паросиловых суднових енергетичних установок. Вжиті теоретичні і експериментальні дослідження у сфері спалювання твердих палив, парообразования, реалізації теплового циклу шляхом генерації пара в паровому казані і видів використання його енергії в паровий машині, яка призводить у обертання гребний вал, дозволили б поставити питання про будівництво першого Росії «парохода».

Возможность створення паросиловой енергетики вдало поєдналася до потреб флоту мати кораблі та суду, рух і маневрування яких немає залежали від «примх природи», які швидкості і тоннажність можуть бути значно збільшено. Поставлене у плані завдання на початку XIXв. була успішно вирішена, і перший у вітчизняний пароплав з паросиловой установкою було побудовано 1815 г. Як генераторів паровий енергії для перших установок використовувалися огнетрубные казани, які мали робочий тиск пара близько 1кгс/см2 (0,1МПа). На початку XXв. розроблено й знайшли широке застосування прогресивніші водотрубные казани з вугільним опаленням. Для військових кораблів використовувалися два типу таких котлів: горизонтального і вертикального виконання. Найбільш поширеної конструкцією першого типу були казани Бельвия. Компоновочная схема вертикальних котлів передбачала паровий і двоє водяних колектора, з'єднані трубами (казани трикутного типу). Вертикальні водотрубные казани мали значно меншу масу чуток і забезпечували вищу маневреність установки. Вперше такі казани було встановлено в 1890 г. на эскадренном миноносце «Роченсальм». Робоча тиск пара в казанах цього корабля було 13кгс/см2 (1,3МПа).

В ролі двигуна використовувалися парові машини, конструкцію яких визначали умови розміщення на судах. Перші двигуни були балансирного типу, подібно стаціонарним прототипам. На зміну їм прийшли горизонтальні машини, а подальшому вертикально-опрокинутого типу. Розвиток парових поршневих машин йшло шляхом збільшення рівня розширення пара, що призвело до створення двухцилиндровых подвійного розширення машин-компаунд, та був і трехцилиндровых машин потрійного розширення. Можливості збільшення потужностей парових машин були обмежені діаметром циліндра низький тиск, який міг перевищувати 2−2,5 м по конструктивним і технологічним причин. Гранична потужність судновий паровий машини становила трохи більше 20 000л.с.

Период будівництва військових кораблів з 1907 г. до першої Першої світової характеризується значним збільшенням їх водотоннажності і швидкості, навіщо знадобилися парові казани великий паропроизводительности з значно нижчою удільної масою. Цим вимогам могли задовольняти лише вертикально-водотрубные казани, та їх вдосконалення стримувало вугільне опалення. Камінний вугілля — пальне з низькою калорійністю. Ручне подача їх у топку потребує великої фізичного праці. У результаті парові казани з вугільним опаленням не могли забезпечити паропроизводительность більш 15т/ч і при цьому були недостатньо маневреними. З іншого боку, недосконалість процесу горіння зумовлювало великий дымности, отже, демаскувало бойової корабель. Важливими чинниками були значна трудомісткість навантажувальних робіт і незручність зберігання кам’яного угля.

Для великих військових кораблів були потрібні і більше потужні парові двигуни. На зміну паровим поршневим машинам прийшли парові турбіни, які мали вищий ККД і менші массогабаритные характеристики. Для застосування парових турбін на кораблях знадобилося виконати великий обсяг теоретичних і експериментальних досліджень термодинамічних процесів перетворення теплової енергії пара в механічну роботу, і навіть побудувати досвідчені машини та відчувати їх. Вперше парові прямодействующие турбіни реактивного типу були встановлено на лінійних кораблях типу «Севастополь», які забезпечували 25 водотрубных котлів трикутного типу зі змішаним угольно-нефтяным опаленням. Тиск пара в казанах становила 17кгс/см2. У енергетичної установці цих кораблів було здійснено замкнутий цикл пар-конденсат з генерацією тепла відпрацьованого пара в водоподогревателях. Попри те що, що установка відповідала рівню розвитку науку й техніки на той час, вона все-таки мала недолік. Змішане опалення парових котлів обмежувало можливість збільшення їх паропроизводительности, т.к. при спалюванні вугілля й нафти на топці одночасно були потрібні різні способи подачі повітря на топку. Цей недолік був усунутий в 1910 г. впровадженням нафтового опалення котлів на ескадрених міноносцях типу «Новик».

Таким чином, до 1910 г. були реалізовані основні науково-технічні рішення, щоб забезпечити значне збільшення паропроизводительности котлів, що дозволило нарощувати потужність установки з паровими турбінами за одночасного зниження її є і габаритов.

Вместе про те паросиловые установки за своїми тепловим процесам залишалося ще недосконалі. Вони мали низьку економічність і покладають великі массогабаритные характеристики. Недостатні були й маневрені характеристики, такі як час підготовка до дії та палестинці час реверсу. Установки мали низькою живучістю через лінійного розташування головних механизмов.

Очередной етап розвитку вітчизняних казаннотурбінних установок розпочалося середині 20-их років. У тому розробці брали активну В. А. Винтер, Н. В. Высоцкий, М. И. Яновский, В. П. Мадисов, А. В. Акимов, В. Л. Сурвилло, П. И. Заикин, Я. С. Солдатов, Н. И. Кюн, П. Ф. Лавров, А. В. Голынский, Г. А. Ляхов, А. И. Дымов, Н. Р. Лукашевский, В. Е. Долголенко, Н. И. Васильев, Р. Р. Грундман, А. А. Игнатьев й інші найвідоміші фахівці і ученые-энергетики. Було ухвалено доцільним створювати котлотурбинные енергетичні установки з паровими казанами з нафтовим опаленням і робочим тиском пара 20кгс/см2, температурою 313 °C, а і з высокооборотными турбінами з звичайною зубчастою передачей.

В відповідність з цим концепцією до 1941р. нашій країні розроблено й створено парові казани і головні турбозубчатые агрегати більшість проектів кораблей.

Направление по створенню корабельних парових котлів послідовно очолювали Э. Э. Папмель, М. И. Шулинский, Г. А. Гасанов. Ними спроектували паровий казан для сторожового корабля «Ураган» проекту 39. У процесі її створення було розгорнуто комплекс проведення науково-дослідницьких і експериментальних робіт з теорії горіння і внутрикотловых процесів. У 1930 г. після стендових випробувань кількох варіантів комісією було прийнято до серійного виробництва паровий казан при цьому корабля. У цьому року на Північної суднобудівної верфі на чолі з В. А. Бжезинским було організовано ЦКБС-1, до складу якої входили і турбинисты, очолювані Б. С. Фрумкиным. Колектив турбинистов створили перший вітчизняний турбозубчатый агрегат, що з высокооборотных турбін високої професійності і низький тиск і зубчастого редуктора (максимальна частота обертання гребного валу становила 630об/мин). Ротори турбін випробовувалися окремо на балансировочных верстатах, але в стенді визначалися теплова деформація корпусів, центровка, якість роботи підшипників і олійною системи. Попри ретельність випробувань, під час експлуатації виявлено серйозні зауваження до роботі устаткування. До великим їх ставляться: поломка робочих лопаток турбін високого тиску, відсутність запасу по паропроизводительности парових котлів та його малий ресурс дні до зміни трубок, порівняно висока питома маса механічної установки, недостатня її мощность.

С урахуванням досвіду проектування й експлуатацію у протягом 1930;х вітчизняної промисловістю були спроектовані і побудовано кілька казаннотурбінних енергетично установок великої потужності перед лідерами ескадрених міноносців. У деяких випадках при випробуваннях, соціальній та період циклу експлуатації ви з’явилися окремі вади суспільства і прорахунки під час проектування. Особливо багато було знайдено у енергетичної установки для лідер ескадрених міноносців «Ленінград» проекту 1. Так, вже в стенді було виявлено проблеми з циркуляцією води у головному казані, які призводили до розриву трубок. З іншого боку, був: відзначені серйозні несправності у роботі редукторів, турбін високого тиску, головних конденсаторів і окремих допоміжних механізмів. Проектування і постачання устаткування енергетичних установок декому проектів надводних кораблів велися при участі іноземних фірм («Ансальдо», «Метрополитен-Виккерс», «Парсонс» і др.).

В кінці 1930;х, із накопиченням досвіду проектування, завершення теоретичних експериментальних робіт й удосконаленні технології виготовлення корабельного устаткування, вітчизняна суднобудівна промисловість самостійно розпочала будівництві енергетичних установок легких крейсерів типу «Чапаєв» проекту 68 і важкого крейсера «Кронштадт» проекту 69.

Параллельно з проектуванням проводилися глибокі теоретичні дослідження шляхів поліпшення технічних характеристик корабельного устаткування. Їх вели відомі вчені: М. А. Стырикович, Д. Ф. Петерсон К.А.Блинов, В. Н. Дешкин. Великі заслуги у сфері турбостроения М. И. Яновского. Їм був виконані глибокі теоретичні дослідження з методам теплового і конструктивного розрахунку корабельних турбін і конденсаційних установок. Активну участь у проектуванні енергетичних установок приймали Е. А. Ярынич, Л. А. Коршунов, Л. В. Гастев, Е. М. Антонов, Г. А. Абагянц, П. И. Вишневский, А. Н. Дорофеев, И. В. Семенов, Г. Ф. Абрамович, С. С. Егоров, И. М. Сужан та інші фахівці ВМФ.

Особая роль належить флотським инженерам-механикам Б. Я. Красикову, И. А. Щенсновичу, М. В. Королеву, Т. П. Норову, Г. А. Вуцкому, А. Я. Андрееву та інших, які вдосконалювали експлуатацію енергетичного устаткування флоте.

Опыт другий Першої світової показав, що котлотурбинные енергетичні установки більшості класів кораблів мають недостатню паливну економічність, маневреність, довговічність котельних трубок, і навіть великі массогабаритные показники. Для розв’язання цих проблем потрібно було відновити спеціалізовані підприємства міста і конструкторські бюро. Так було в 1946 р. було створено спеціальний КБ котлостроения, що його очолив Г. А. Гасанов. Основу колективу склали досвідчені фахівці Н. С. Белоусов, П. Д. Дегтярев, А. Е. Хавкин, А. И. Буликова. У 1946;1952гг. на Північної суднобудівної верфі було організовано СКБТ, яке очолив досвідчений інженер Г. А. Оглобин. До складу КБ входили відділи парових турбін і газових турбин.

В свою роботу конструктори використовували результати досліджень учених Н. Н. Семенова, Я. Б. Зельдовича, Д.А.Франк-Каменецкого, Г. Ф. Кнорре, Л. А. Вулиса, Г. А. Абагянца, Н. М. Кузнецова. Велися наукові праці, які вирішували одне з найважливіших проблем з організації смесеобразовательных процесів підігріву і випаровування крапель палива, вдосконаленню аеродинамічній основи організації процесів в топці. До виконання низки робіт було залучено фахівці Військово-морський академії і військово-морських училищ. Загалом роботи було спрямовані головним чином створення высокоэкономичных автоматизованих парових котлів із ККД 85—86% і подачею повітря на топку.

Проведение нових досліджень збіглося з початком проектування казаннотурбінних енергетичних установок для кораблів: СКР «Горностай» проекту 50, ЕМ «Безстрашна» проекту 41, ЕМ «Вагомий» проекту 56.

Для СКР «Горностай» проекту 50 створили яка має аналогів турбозубчатый агрегат ТВ-9, що з однокорпусной высокооборотной турбіни реактивного типу, двухступенчатого редуктора з роздвоєнням потужності і конденсатора з самопроточной циркуляцією. До сформування однокорпусной турбіни знадобилося проведення цілої низки складних теоретичних і експериментальних досліджень з розробці нового профілю реактивних лопаток, хто був виконані конструкторами Кіровського заводу, ЦНДІ їм. академіка А. Н. Крылова, Ленінградського політехнічного інституту. Центрального котлотурбінного інституту їм. И. И. Ползунова. У цих робіт створили каталог профілів лопаток парових турбін, що використовується й у час. При випробуваннях кораблів було знайдено явище резонансу лопаток останніх щаблів турбін, яке спричинилося до кількох аварій. Знадобилося багато часу з вивчення цього явища й пошуку шляхів його устранения.

Для підвищення економічності установки, починаючи з ЕМ «Безстрашна» проекту 41, у його головних казанах, КВ-76, було збільшено початкові параметри пара до тиску 64кгс/см2 і температури перегріву до 470 °C. З метою збільшення теплонапряжения топкового обсягу казанах було застосовано подача повітря на топку із тиском 900−1100мм.в.ст. і двухфронтовое опалення. Для цих кораблів також розроблений высокооборотный двухкорпусной агрегат, ТВ-8, великої потужності, з гнучкими зв’язками рухливих кінців турбін з фундаментом. Для цих установок створений і принципово новий автоматизований помповий турбоагрегат, до складу якого три насоса: поживний, конденсатный і бустерний із высокооборотным турборедукторным приводом. Вперше було використано підшипники на водяний смазке.

В результаті комплексу цих робіт розробили нова методологія компонування енергетичного устаткування, що дозволяє в одному енергетичному відсіку парові казани і турбозубчатый агрегат з обслуговуючим їх устаткуванням, що спростило конденсатно-питательную систему, підвищило економічність і поліпшило массогабаритные характеристики установки. Без докорінних змін ця установка застосовувалася великий серії ЕМ «Вагомий» проекту 56 і ВПК «Гримлячий» проекту 57.

При будівництві кораблів на період 60−70 років знадобилося створення економічнішої і компактній котлотурбинной установки великої потужності. Вжиті в СКБК, ЦНДІ їм. академіка А. Н. Крылова, 1-му ЦНИИМО засвідчили можливість поліпшення характеристик котельної установки з урахуванням компресорного надува повітря на топку казана з допомогою тепла що йдуть газів у турбонаддувочном агрегаті. Одночасно колективом Кіровського заводу під керуванням головного конструктора В. Э. Берга розробили турбозубчатый агрегат ТВ-12 потужністю 45 000л.с., який стало основною базової моделлю для надводних кораблів. Використовуючи накопичений досвід проектування й досягнення науки 50−60-х років, конструкторам вдалося (проти попереднім турбоагрегатом для кораблів проекту 56) підвищити потужність агрегату на 25% за одночасного зниження на 35% його є і збільшенні ККД на 3−4%. У цей час у СКБК під керівництвом Г. А. Гасанова спроектували й побудований высоконапорный паровий казан КВН 95/64 з високими параметрами пара, у якому було вперше застосована розроблене співробітником 1-го ЦНИИМО Ю. А. Убранцевым газоохлаждающее пристрій эжекционного типу, що дозволило знизити температуру що йдуть газів до 100 °C, що забезпечило значне зменшення теплового поля корабля. Всі ці нововведення було закладено в котлотурбинную енергетичну установку ракетного крейсера «Грозний» проекту 58. Ставши базової, надалі пройшла ряд етапів вдосконалення конструкцій головних напрямах і допоміжних механізмів, автоматизованого управління, водного режиму, поліпшення характеристик та інших. Потужність ГТЗА-674 було збільшено до 50 000л.с.

Для кораблів будівлі 70−80-х років (ЕМ «Сучасний» проекту 956, «Адмірал флоту Радянського Союзу Кузнєцов» проекту 1143.5) було створено высоконапорные казани КВГ-З і КВГ-4, а резервної котельної установки корабля «Адмірала Нахімова» проекту 1144 — казан КВГ-2.

Большая заслуга з розробки корабельних паросиловых установок загалом належить фахівцям ЦК — проектантам кораблів: А. А. Терентьеву, Г. А. Бобченок, Ю. К. Шахту, В. И. Павликову, Е. В. Петрову, В. Л. Менаховскому, і навіть співробітникам 1-го ЦНИИМО М. Н. Чарнецкому, М. С. Воробьеву, П. Е. Букину, П. Г. Грищенко, С. Г. Замаховскому, Е. А. Ошеровой, В. С. Князеву, В. З. Цилевичу. Г. В. Перлов, И. С. Пушкин і П. А. Сорокин визнали гідними Державної Премии.

Таким чином, внаслідок великого об'єму виконаних НДР і ДКР в післявоєнний період була створена уніфікована автоматизована котлотурбинная енергетична установка з высоконапорными казанами, що є найпотужнішої серед установок на органічному паливі та широко застосовується на сучасних великих надводних кораблях.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.