Научные
проблемы корабельной энергетики
И.Г. Захаров,
доктор технических наук, профессор, контр-адмирал; Я.Д. Арефьев, доктор
технических наук, профессор, контр-адмирал; Н.А. Воронович, кандидат
технических наук, капитан 1 ранга; О.Ю. Лейкин, кандидат технических наук,
капитан 1 ранга
Достижения отечественной фундаментальной науки и развитие техники
позволяли в различные периоды ставить перед производителями машиностроительной
продукции целый ряд принципиально новых, соответствующих времени задач, решение
которых существенно повышало боевые и эксплуатационные возможности кораблей
Военно-Морского Флота.
Основные научные проблемы, целенаправленно решавшиеся в интересах
отечественного флота в прошлом и текущем столетиях применительно к корабельной
энергетике, связаны с созданием сначала корабельных паросиловых, затем,
последовательно, дизельных, газотурбинных и атомных энергетических установок.
Первые достижения науки и техники в области транспортной энергетики
были реализованы в начале XIXв. в паросиловых установках, которые
совершенствовались в течение без малого двух столетий. Научное обеспечение
создания корабельных дизельных установок началось почти век спустя, в начале
XXв., и развитие их продолжается до настоящего времени. К научным исследованиям
и разработкам по созданию корабельных газотурбинных установок приступили только
в 20-х годах XXв. В настоящее время их совершенствование также продолжается в
соответствии с современной программой кораблестроения.
И, наконец, научные разработки и создание корабельных атомных
энергетических установок, внесших наиболее важный вклад в развитие не только
корабельной энергетики, но и кораблестроения в целом, было начато в начале 50-х
годов текущего столетия. Развитие установок такого типа, требующее максимально
напряженного научного труда и значительных экономических усилий, несмотря на
определенные трудности, продолжается. Однако темпы этого развития не
соответствуют тем огромным возможностям, которые имеются в научном заделе по
этому направлению энергетики.
Корабельные
паросиловые энергетические установки
В начале XIXв.
отечественная наука и техника в области энергетики достигла уровня, который
обеспечил возможность проектирования и изготовления паросиловых судовых
энергетических установок. Выполненные теоретические и экспериментальные
исследования в области сжигания твердого топлива, парообразования, реализации
теплового цикла путем генерации пара в паровом котле и использования его энергии
в паровой машине, приводящей во вращение гребной вал, позволили поставить
вопрос о строительстве первого в России “парохода”.
Возможность
создания паросиловой энергетики удачно сочеталась с потребностями флота иметь
корабли и суда, движение и маневрирование которых не зависели бы от “капризов
природы”, а их скорости и водоизмещение могли бы быть значительно увеличены.
Поставленная в этом плане задача в начале XIXв. была успешно решена, и первый
отечественный пароход с паросиловой установкой был построен в 1815г. В качестве
генераторов паровой энергии для первых установок использовались огнетрубные
котлы, которые имели рабочее давление пара около 1кгс/см2 (0,1МПа).
К началу XXв. были разработаны и нашли широкое применение более прогрессивные
водотрубные котлы с угольным отоплением. Для военных кораблей использовались
два типа таких котлов: горизонтального и вертикального исполнения. Наиболее
распространенной конструкцией первого типа были котлы Бельвия. Компоновочная
схема вертикальных котлов предусматривала паровой и два водяных коллектора,
соединенные трубами (котлы треугольного типа). Вертикальные водотрубные котлы
имели значительно меньшую массу и обеспечивали более высокую маневренность
установки. Впервые такие котлы были установлены в 1890г. на эскадренном
миноносце “Роченсальм”. Рабочее давление пара в котлах этого корабля было
13кгс/см2 (1,3МПа).
В качестве
двигателя использовались паровые машины, конструкцию которых определяли условия
их размещения на судах. Первые двигатели были балансирного типа, подобно
стационарным прототипам. На смену им пришли горизонтальные машины, а в
дальнейшем вертикально-опрокинутого типа. Развитие паровых поршневых машин шло
по пути увеличения степени расширения пара, что привело к созданию
двухцилиндровых двойного расширения машин-компаунд, а затем и трехцилиндровых
машин тройного расширения. Возможности увеличения мощности паровых машин были
ограничены диаметром цилиндра низкого давления, который не мог превышать 2-2,5м
по конструктивным и технологическим причинам. Предельная мощность судовой
паровой машины составляла не более 20000л.с.
Период
строительства военных кораблей с 1907г. до первой мировой войны характеризуется
значительным увеличением их водоизмещения и скорости, для чего потребовались
паровые котлы большой паропроизводительности с существенно меньшей удельной
массой. Этим требованиям могли удовлетворять только вертикально-водотрубные
котлы, но их совершенствование сдерживало угольное отопление. Каменный уголь –
топливо с низкой калорийностью. Ручная подача его в топку требует большого
физического труда. Вследствие этого паровые котлы с угольным отоплением не
могли обеспечить паропроизводительность более 15т/ч и к тому же были
недостаточно маневренными. Кроме того, несовершенство процесса горения
приводило к большой дымности, а, следовательно, демаскировало боевой корабль.
Немаловажными факторами являлись значительная трудоемкость погрузочных работ и
неудобство хранения каменного угля.
Для крупных
военных кораблей требовались и более мощные паровые двигатели. На смену паровым
поршневым машинам пришли паровые турбины, которые имели более высокий КПД и
меньшие массогабаритные характеристики. Для применения паровых турбин на
кораблях потребовалось выполнить большой объем теоретических и
экспериментальных исследований термодинамических процессов преобразования
тепловой энергии пара в механическую работу, а также построить опытные машины и
испытывать их. Впервые паровые прямодействующие турбины реактивного типа были
установлены на линейных кораблях типа “Севастополь”, работу которых
обеспечивали 25 водотрубных котлов треугольного типа со смешанным
угольно-нефтяным отоплением. Давление пара в котлах составляло 17кгс/см2.
В энергетической установке этих кораблей был осуществлен замкнутый цикл
пар-конденсат с генерацией тепла отработавшего пара в водоподогревателях.
Несмотря на то, что созданная установка соответствовала уровню развития науки и
техники того времени, она все же имела недостаток. Смешанное отопление паровых
котлов ограничивало возможность увеличения их паропроизводительности, т.к. при
сжигании угля и нефти в топке одновременно требовались различные способы подачи
воздуха в топку. Этот недостаток был устранен в 1910г. внедрением нефтяного
отопления котлов на эскадренных миноносцах типа “Новик”.
Таким образом,
к 1910г. были реализованы основные научно-технические решения, обеспечивающие
значительное увеличение паропроизводительности котлов, что позволило наращивать
мощность установки с паровыми турбинами при одновременном снижении ее массы и
габаритов.
Вместе с тем паросиловые
установки по своим тепловым процессам оставались еще далеко не совершенны. Они
имели низкую экономичность и большие массогабаритные характеристики.
Недостаточны были и маневренные характеристики, такие как время приготовления к
действию и время реверса. Установки обладали низкой живучестью из-за линейного
расположения главных механизмов.
Очередной этап
развития отечественных котлотурбинных установок начался в середине 20-х годов.
В их разработке принимали активное участие 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 и другие известные
специалисты и ученые-энергетики. Было принято целесообразным создавать
котлотурбинные энергетические установки с паровыми котлами с нефтяным
отоплением и рабочим давлением пара 20кгс/см2, температурой 313°С, а
также с высокооборотными турбинами с зубчатой передачей.
В соответствии
с этой концепцией до 1941г. в нашей стране были разработаны и созданы паровые
котлы и главные турбозубчатые агрегаты для большинства проектов кораблей.
Направление по
созданию корабельных паровых котлов последовательно возглавляли Э.Э.Папмель,
М.И.Шулинский, Г.А.Гасанов. Ими был спроектирован паровой котел для сторожевого
корабля “Ураган” проекта 39. В процессе его создания был развернут комплекс
научно-исследовательских и экспериментальных работ по теории горения и
внутрикотловых процессов. В январе 1930г. после стендовых испытаний нескольких
вариантов комиссией был принят к серийному производству паровой котел для этого
корабля. В этом же году на Северной судостроительной верфи во главе с
В.А.Бжезинским было организовано ЦКБС-1, в состав которого входили и
турбинисты, возглавляемые Б.С.Фрумкиным. Коллективом турбинистов был создан
первый отечественный турбозубчатый агрегат, состоящий из высокооборотных турбин
высокого и низкого давления и зубчатого редуктора (максимальная частота
вращения гребного вала составляла 630об/мин). Роторы турбин испытывались
отдельно на балансировочных станках, а на стенде определялись тепловая
деформация корпусов, центровка, качество работы подшипников и масляной системы.
Несмотря на тщательность испытаний, в период эксплуатации были выявлены
серьезные замечания по работе оборудования. К наиболее крупным из них
относятся: поломка рабочих лопаток турбин высокого давления, отсутствие запаса
по паропроизводительности паровых котлов и их малый ресурс до смены трубок,
сравнительно высокая удельная масса механической установки, недостаточная ее
мощность.
С учетом опыта
проектирования и эксплуатации в течение 30-х годов отечественной
промышленностью были спроектированы и построены несколько котлотурбинных
энергетически установок большой мощности для лидеров эскадренных миноносцев. В
ряде случаев при испытаниях, а также в период эксплуатации вы явились отдельные
недостатки и просчеты при проектировании. Особенно много их было обнаружено у
энергетической установки для лидер эскадренных миноносцев “Ленинград” проекта
1. Так, уже на стенде выявились неполадки с циркуляцией воды в главном котле,
которые приводили к разрыву трубок. Кроме того, был: отмечены серьезные
неисправности в работе редукторов, турбин высокого давления, главных конденсаторов
и отдельных вспомогательных механизмов. Проектирование и поставка оборудования
энергетических установок для некоторых проектов надводных кораблей велись при
участии иностранных фирм (“Ансальдо”, “Метрополитен-Виккерс”, “Парсонс” и др.).
В конце 30-х годов,
по мере накопления опыта проектирования, завершения теоретических
экспериментальных работ и совершенствовании технологии изготовления
корабельного оборудования, отечественная судостроительная промышленность
самостоятельно приступила к постройке энергетических установок легких крейсеров
типа “Чапаев” проекта 68 и тяжелого крейсера “Кронштадт” проекта 69.
Параллельно с
проектированием проводились глубокие теоретические исследования путей улучшения
технических характеристик корабельного оборудования. Их вели известные ученые:
М.А.Стырикович, Д.Ф.Петерсон К.А.Блинов, В.Н.Дешкин. Велики заслуги в области
турбостроения М.И.Яновского. Им был выполнены глубокие теоретические
исследования по методам теплового и конструктивного расчета корабельных турбин
и конденсационных установок. Активное участие в проектировании энергетических
установок принимали 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 и другие специалисты ВМФ.
Особая роль
принадлежит флотским инженерам-механикам Б.Я.Красикову, И.А.Щенсновичу,
М.В.Королеву, Т.П.Норову, Г.А.Вуцкому, А.Я.Андрееву и другим, которые
совершенствовали эксплуатацию энергетического оборудования на флоте.
Опыт второй
мировой войны показал, что котлотурбинные энергетические установки большинства
классов кораблей имеют недостаточную топливную экономичность, маневренность,
долговечность котельных трубок, а также большие массогабаритные показатели. Для
решения этих проблем необходимо было восстановить специализированные
предприятия и конструкторские бюро. Так в 1946 г. было создано специальное КБ
котлостроения, которое возглавил Г.А.Гасанов. Основу коллектива составили
опытные специалисты Н.С.Белоусов, П.Д.Дегтярев, А.Е.Хавкин, А.И.Буликова. В
1946-1952гг. на Северной судостроительной верфи было организовано СКБТ, которое
возглавил опытный инженер Г.А.Оглобин. В состав КБ входили отделы паровых
турбин и газовых турбин.
В своей работе
конструкторы использовали результаты исследований ученых Н.Н.Семенова,
Я.Б.Зельдовича, Д.А.Франк-Каменецкого, Г.Ф.Кнорре, Л.А.Вулиса, Г.А.Абагянца,
Н.М.Кузнецова. Велись научные работы, которые решали одну из важнейших проблем
по организации смесеобразовательных процессов подогрева и испарения капель
топлива, совершенствованию аэродинамической основы организации процессов в
топке. К выполнению ряда работ были подключены специалисты Военно-морской
академии и военно-морских училищ. В общем работы были направлены главным
образом на создание высокоэкономичных автоматизированных паровых котлов с КПД
85—86% и подачей воздуха в топку.
Проведение
новых исследований совпало с началом проектирования котлотурбинных
энергетических установок для кораблей: СКР “Горностай” проекта 50, ЭМ
“Неустрашимый” проекта 41, ЭМ “Веский” проекта 56.
Для СКР
“Горностай” проекта 50 был создан не имеющий аналогов турбозубчатый агрегат
ТВ-9, состоящий из однокорпусной высокооборотной турбины реактивного типа,
двухступенчатого редуктора с раздвоением мощности и конденсатора с
самопроточной циркуляцией. Для создания однокорпусной турбины потребовалось
провести ряд сложных теоретических и экспериментальных исследований по
разработке нового профиля реактивных лопаток, которые были выполнены
конструкторами Кировского завода, ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова,
Ленинградского политехнического института. Центрального котлотурбинного
института им. И.И.Ползунова. В результате этих работ был создан каталог
профилей лопаток паровых турбин, который используется и в настоящее время. При
испытаниях кораблей было обнаружено явление резонанса лопаток последних
ступеней турбин, которое послужило причиной нескольких аварий. Потребовалось
немало времени для изучения этого явления и поиска путей его устранения.
Для повышения
экономичности установки, начиная с ЭМ “Неустрашимый” проекта 41, в его главных
котлах, КВ-76, были увеличены начальные параметры пара до давления 64кгс/см2
и температуры перегрева до 470°С. С целью увеличения теплонапряжения топочного
объема в котлах были применены подача воздуха в топку с давлением 900-1100мм.в.ст.
и двухфронтовое отопление. Для этих кораблей также разработан высокооборотный
двухкорпусной агрегат, ТВ-8, большой мощности, с гибкими связями подвижных
концов турбин с фундаментом. Для этих установок был создан и принципиально
новый автоматизированный насосный турбоагрегат, включающий три насоса:
питательный, конденсатный и бустерный с единым высокооборотным турборедукторным
приводом. Впервые были использованы подшипники на водяной смазке.
В результате
комплекса этих работ была разработана новая методология компоновки
энергетического оборудования, позволяющая разместить в одном энергетическом
отсеке паровые котлы и турбозубчатый агрегат с обслуживающим их оборудованием,
что упростило конденсатно-питательную систему, повысило экономичность и улучшило
массогабаритные характеристики установки. Без существенных изменений эта
установка применялась на большой серии ЭМ “Веский” проекта 56 и ВПК “Гремящий”
проекта 57.
При постройке
кораблей в период 60-70-х годов потребовалось создание более экономичной и
компактной котлотурбинной установки большой мощности. Выполненные в СКБК, ЦНИИ
им. академика А.Н.Крылова, 1-м ЦНИИМО исследования показали возможность
улучшения характеристик котельной установки на основе компрессорного надува
воздуха в топку котла с использованием тепла уходящих газов в турбонаддувочном
агрегате. Одновременно коллективом Кировского завода под руководством главного
конструктора В.Э.Берга был разработан турбозубчатый агрегат ТВ-12 мощностью
45000л.с., который стал основной базовой моделью для надводных кораблей.
Используя накопленный опыт проектирования и достижения науки 50-60-х годов,
конструкторам удалось (по сравнению с предыдущим турбоагрегатом для кораблей
проекта 56) повысить мощность агрегата на 25% при одновременном снижении на 35%
его массы и увеличении КПД на 3-4%. В это же время в СКБК под руководством
Г.А.Гасанова был спроектирован и построен высоконапорный паровой котел КВН
95/64 с высокими параметрами пара, в котором впервые было применено
разработанное сотрудником 1-го ЦНИИМО Ю.А.Убранцевым газоохлаждающее устройство
эжекционного типа, позволившее снизить температуру уходящих газов до 100°С, что
обеспечило значительное уменьшение теплового поля корабля. Все эти нововведения
были заложены в котлотурбинную энергетическую установку ракетного крейсера
“Грозный” проекта 58. Став базовой, в дальнейшем она прошла ряд этапов
усовершенствования конструкций главных и вспомогательных механизмов,
автоматизированного управления, водного режима, улучшения характеристик и др.
Мощность ГТЗА-674 была увеличена до 50000л.с.
Для кораблей
постройки 70-80-х годов (ЭМ “Современный” проекта 956, “Адмирал Флота
Советского Союза Кузнецов” проекта 1143.5) были созданы высоконапорные котлы
КВГ-З и КВГ-4, а для резервной котельной установки корабля “Адмирал Нахимов”
проекта 1144 – котел КВГ-2.
Большая заслуга
в разработке корабельных паросиловых установок в целом принадлежит специалистам
ЦК – проектантам кораблей: А.А.Терентьеву, Г.А.Бобченок, Ю.К.Шахту,
В.И.Павликову, Е.В.Петрову, В.Л.Менаховскому, а также сотрудникам 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 и П.А.Сорокин
были удостоены Государственной Премии.
Таким образом,
в результате большого объема выполненных НИР и ОКР в послевоенный период была
создана унифицированная автоматизированная котлотурбинная энергетическая
установка с высоконапорными котлами, которая является самой мощной среди
установок на органическом топливе и широко применяется на современных крупных
надводных кораблях.
Список
литературы
Для подготовки
данной работы были использованы материалы с сайта http://www.navy.ru/