Реферат: Научные проблемы корабельной энергетики
Реферат: 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/
|