Развития судовых энергетических установок

Краткая историческая справка возникновения и

В течение многих тысячелетий огонь был для человека только источником тепла и служил для приготовления пищи. Затем человек научился использовать его для выплавки и обработки металла. И только к концу XVII века люди поняли, что пользуются лишь ничтожной частью того, что может дать им огонь, поняли, что огонь можно заставить двигать экипажи, корабли, забивать сваи. И все это под силу устройствам, преобразующим тепло в работу – тепловым двигателям.

Вокруг вопроса о том, кому принадлежит приоритет создания первого теплового двигателя, спорят до сих пор. Прообразом теплового двигателя считается созданный в I веке до н. э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый Эолипил. Он представлял собой полый шар, который можно было заставить вращаться, разведя под ним огонь. Для этого в вертикальной плоскости шар был снабжен двумя выступающими изогнутыми трубками и сообщался с расположенным под ним сосудом с водой. Конечно, это была только игрушка, а не тепловой двигатель, но идея использования энергии пара путем разгона его и подачи струй в окружном направлении была позднее использована при создании паровых турбин.

В 1630 году в Англии был выдан патент Дэвиду Рамсею на изобретение, цель которого – «поднимать воду из глубоких колодцев посредством огня». Более подробных объяснений в патенте не имеется. К концу 17 века было изобретено много устройств для осушения угольных шахт. Но только в 1683 году англичанин Сэмюэль Морленд издал сочинение, в котором впервые четко изложил мысль, что для подъема воды путем использования теплоты горения, нужно сначала воду превратить в пар.

Первый универсальный тепловой двигатель был создан в России выдающимся изобретателем, механиком Воскресенских заводов на Алтае Ползуновым. Его машина приводила в движение кузнечные меха. Патента на свое изобретение Ползунов не испрашивал, и первый патент на универсальный тепловой двигатель был выдан 5 января 1769 года в Англии Джеймсу Уатту. Вклад Уатта в развитие паровых машин очень велик. Он первым предложил вынести процесс конденсации пара за стенки цилиндра, понял, что мощность машины можно увеличить, если использовать не атмосферное давление, а давление пара. Затратив на изготовление своей машины все имеющиеся у него средства, Уатт в конце 1765 года смог продемонстрировать работу своей паровой машины.

Но патенты Уатта, полученные на его паровые машины, довольно долгое время сдерживали дальнейшее развитие паровых машин. Уатт даже пытался провести через парламент закон о запрещении использования пара высокого давления, мотивируя это соображениями общественной безопасности. Около 1800 года Уатт удаляется от дел, истекает срок действия его патента, и паровые машины начинают выпускать многие заводы, а их совершенствование ускоряется.

На предприятиях, где паровая машина использовалась нерегулярно, возникла необходимость в двигателе принципиально нового типа: без котла, с малым временем запуска и сравнительно невысокой мощностью. Рабочим телом такого двигателя не мог быть пар. Начались попытки создания двигателей, работающих на иных рабочих телах.

Первый патент на двигатель, использующий нагретый воздух, был выдан в Великобритании в 1816 году пастору Роберту Стирлингу. Изготовление двигателей Стирлинга началось в 1818 году, и изобретение Стирлинга намного опередило свое время. Стирлинг не знал термодинамики, но интуитивно реализовал в своей машине самый экономичный замкнутый цикл, а термодинамические процессы, образующие этот цикл, были описаны лишь десять лет спустя.

В 1824 году появляется книга Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В своих рассуждениях Карно исходил из неправильной трактовки теплоты, свойственной тому времени. Но исходя из неверной аналогии, Карно делает абсолютно правильный вывод: «… недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы, нужно еще добыть холод – без него теплота была бы бесполезна… Повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы».

Огромная заслуга Карно в том, что он был основателем теории циклов. К достоинствам водяного пара Карно относит простоту его сжатия (для этого требуется всего лишь простейший насос) и конденсации. Полученные результаты позволили Карно сформулировать три условия достижения максимальной эффективной тепловой машины:

1. температура газа должна быть первоначально как можно выше;

2. охлаждение должно быть как можно больше;

3. «… переход упругой жидкости (газа или пара) от наиболее высокой температуры к наиболее низкой должен происходить от увеличения объема, т.е. охлаждение газа должно происходить самостоятельно от его расширения».

Казалось бы ясно, что пользоваться теплом огня непосредственно для производства работы лучше, чем затрачивать его на получение пара, а затем использовать тепло пара. Но с первых же опытов в создании двигателей, работающих без пара, возникли большие препятствия. На всемирной выставке в Париже 1867 года немецкий коммерсант Отто представил новый газовый двигатель, созданный в содружестве с инженером Лангеном. Благодаря высокой экономичности двигатели Отто-Лангена сразу стали пользоваться большим спросом, и их было выпущено более 5000 общей мощностью около 6000 л.с. Но работа двигателя сопровождалась шумом, его сравнивали с кузницей. Устрашал вид взлетающей зубчатой рейки и дребезжащий грохот передачи.

Новым принципиальным типом двигателя был двигатель Рудольфа Дизеля. Первый одноцилиндровый двигатель Дизеля был изготовлен в рекордные сроки, почти за один год в июле 1893 года. Однако при первой же попытке запуска произошел взрыв, едва не покалечивший изобретателя. На втором двигателе Дизель снизил давление конца сжатия и температуру. Этот мотор после серии опытов смог работать самостоятельно на холостом ходу с частотой 80 об/мин.

Частота вращения вала единственного вида существовавших тогда двигателей – поршневых – была ограничена из-за инерционных сил, действующих на поршень. Выход был только один – отказ от поршня. Впервые идея безпоршневого двигателя – реактивной паровой турбины, подобной Геронову эолипилу, возникла у Лаваля при испытании пескоструйных аппаратов. Английский патент на «Турбину, работающую паром и водой» был выдан в 1883 году. Вскоре турбина была изготовлена. Ее ротор представлял собой отлитую из бронзы S-образную обтекаемую трубку с соплами на концах. Испытания показали, что турбина надежно работает на частотах вращения до 42000 об/мин. Попытки усовершенствовать турбину результатов не принесли. Лаваль нашел другой путь – активную турбину. Мысль о ней зародилась у него в 1888 году, а в 1889 году активная турбина с расширяющимся соплом была запатентована. Важнейшая особенность турбины – это форма сопла. Сужающе-расширяющиеся сопла, которые получили название сопел Лаваля, позволяют разогнать пар или газ до сверхзвуковых скоростей с очень малыми потерями. Но необходимая для получения хорошего КПД высокая частота вращения турбин Лаваля оказалась не благом, а проклятием. Лавалю пришлось разработать механическую передачу – редуктор – от турбины к приводному агрегату. Причем сама турбина представлялась карликом по сравнению с редуктором.

Дойти до вершины суждено было Чарльзу Альджерону Парсонсу. Парсонс с самого начала выбрал правильное направление, в основе которого лежала простая идея: всю располагаемую энергию пара следует разделить на несколько порций и срабатывать не всю в одной ступени, как это делал Лаваль, а последовательно, каждую порцию энергии в отдельной ступени. Воплощением этой идеи стала многоступенчатая турбина. Турбины, созданные Парсонсом и выпускаемые фирмой «Кларк и Чапмен», господствовали на быстро расширяющемся рынке турбогенераторов.

В середине XIX века был впервые определен КПД паровых машин, и его незначительная величина вызвала настоящий шок среди специалистов. Паровая машина была очень быстро вытеснена турбиной в зоне больших мощностей и двигателями внутреннего сгорания в области малых, но долго удерживала свои позиции в промежутке между ними.

Однажды в 1902 году профессор Джемсон задал Парсонсу шутливый вопрос: «Можно ли парсонизировать газовую машину?». «Я думаю, что газовую турбину никогда создать не удастся» – последовал быстрый и решительный ответ. Сегодня мы знаем, что Парсонс был не прав, но в его словах был глубокий смысл: они выражали мнение человека, ясно представляющего огромные трудности на пути создания газовой турбины.

В 1837 году француз Брессон запатентовал газотурбинный двигатель, в котором для сжатия воздуха использовался вентилятор. В 1872 году немецким инженером Штольце была запатентована «огненная турбина», очень похожая на современные газотурбинные двигатели. Испытания ее состоялись только в 1900 – 1904 годах и не дали благоприятных результатов. До 40-х годов прошлого века газовая турбина как самостоятельный двигатель не могла составить конкуренции ни паровой турбине, ни ДВС, и широко использовалась только как помощница своих конкурентов, например для наддува двигателей внутреннего сгорания. И только в 40-х годах прошлого века положение газовой турбины начало быстро меняться.

Стремление найти применение созданным тепловым двигателям на воде было естественно, и результат не заставил себя долго ждать. Уже в 1802 году шотландский инженер Уильям Саймингтон построил первое пригодное к эксплуатации паровое судно с лопастным колесом на корме, названное «Шарлотта Дункан». В 1809 году американец Джон Стефенс построил колесный пароход «Феникс». Через 13 дней пароход прибыл из Нью-Йорка в Филадельфию, став первым судном с паровой машиной, плававшим в открытом море. У пароходов того времени было множество недостатков, и они нередко становились объектами насмешек. Котлы топились дровами, из труб вырывалось пламя и снопы искр, шипел выходивший пар, а паровые машины производили невероятный шум.

Событием, ставшим вехой, стало плавание парусного судна «Саванна», отправившегося в мае 1819 года из США к берегам Европы. Через 29 суток судно бросило якорь в порту Ливерпуль. За время плавания паровая машина «Саванны» работала в общей сложности 80 часов – на большее 70 тонн угля и 90 кубометров дров не хватило. «Саванна» стала первым в истории судном, которое пересекая Атлантический океан, частично использовало паровой двигатель. В 1838 году пароход «Сириус» впервые пересек Атлантический океан из Европы в Америку только на энергии парового двигателя. С этого момента началась эпоха царствования пара на море.

Естественно, что все достижения изобретателей, все передовые технологии получали свое воплощение именно в военно-морских флотах государств. Военные корабли всегда воплощали в себе новейшие достижения технического прогресса.

В начале прошлого века произошли большие научно-технические сдвиги в корабельной технике. На кораблях стали применять турбинные механизмы, ДВС – дизели и бензомоторы, паровые водотрубные котлы усовершенствованной конструкции на смешанном угольно-нефтяном и чисто нефтяном отоплении. Резко возросли мощности энергетических установок при одновременном повышении их экономичности, результатом чего явились более высокие скорости кораблей и дальность плавания. Были сделаны первые шаги по применению на кораблях переменного электрического тока, что дало новый толчок развитию корабельных энергетических установок.

В течение 20 века происходило дальнейшее совершенствование судовых энергетических установок. Корабельная энергетика совершенствовалась по следующим направлениям:

- увеличение агрегатной мощности;

- повышение энергонапряженности с целью снижения массогабаритных показателей;

- снижение удельных расходов используемого топлива;

- повышение ресурса;

- снижение виброактивности;

- создание новых перспективных и экспериментальных видов корабельных установок.

К 1970 году завершился период освоения ГТУ первого и второго поколений. Была освоена температура газа в пределах 820 ÷ 870 ^оС, степень повышения давления – 12. В 1971 – 1973 годах осуществлен переход на новые параметры в цикле: по температуре газа до 1000 ÷ 1100 ^оС, степени повышения давления до 17. Был обоснован и принят унифицированный мощностной ряд высокотемпературных газотурбинных двигателей:

- мощностью 10000 л.с. и мощностью 12000 л.с.;

- мощностью 5000 л.с.;

- мощностью 20000 л.с. и мощностью 24000 л.с.

С появлением высокотемпературных двигателей возникла идея утилизации тепла отработавших газов для повышения экономичности установки путем применения утилизационного контура.

Отечественные дизельные установки обеспечивались дизелями унифицированного ряда:

- средней удельной массы 5 ÷ 7 кг/л.с. в диапазоне мощностей от 1500 до 8000 л.с. на базе машин Коломенского завода и завода «Русский дизель»;

- легких быстроходных дизелей мощностью от 1000 до 10000 л.с. на базе машин завода «Звезда»;

- легких быстроходных дизелей в маломагнитном исполнении мощностью от 600 до 2500 л.с.

Была создана и испытана дизель-газотурбинная установка, в которой осуществлен общий привод на гребной винт газовой турбины номинальной мощности 10000 л.с. и дизель-редукторного агрегата с гидротрансфор-маторами мощностью 5000 л.с. Создание такой установки определило новое направление в отечественной корабельной энергетике.

Проводились работы и в области совершенствования корабельных КТЭУ. Были созданы высоконапорные котлы с газотурбинным наддувом, позволяющие существенно снизить массогабаритные показатели и улучшить маневренные качества КТЭУ. Эти котлы изготавливались большой серией и в настоящее время применяются на всех кораблях Российского военно-морского флота с котлотурбинной энергетической установкой. В начале 70-х годов была возрождена идея создания прямоточных паровых котлов.

К концу 40-х – началу 50-х годов прошлого века в Советском Союзе специально созданными НИИ и лабораториями были завершены фундаментальные научные исследования в области ядерной физики. Результаты исследований позволили перейти к решению научно-технических проблем, обеспечивающих, в свою очередь, начало разработок и реализацию конкретных проектов атомных энергетических установок. Общее руководство всеми работами по атомной энергетике осуществляли академики И.В. Курчатов и А.П. Александров. Всё в области корабельной атомной энергетики было настолько новым, что потребовало решения целого комплекса принципиальных научно-технических задач. В частности, было необходимо: выбрать тип и количество ядерных реакторов; определить материалы, форму тепловыделяющих элементов, тип теплоносителей для съема тепла в активной зоне и конструктивные решения, обеспечивающие его подвод и отвод; определить оптимальные параметры рабочего тела контуров и способы циркуляции теплоносителя; разработать принципы и системы управления и защиты реактора; компоновочные схемы биологической защиты, а также решить множество других задач по разработке первой корабельной АЭУ. В результате проработок были созданы установки с различными типами теплоносителей, парогенераторов, реакторов и их наземные экспериментальные прототипы. Отечественная атомная наука и техника развивались совершенно самостоятельно и во многом опередила уровень зарубежных разработок, что послужило становлению и развитию корабельной атомной энергетики и полностью обеспечило потребности кораблестроения в разработке, создании и поставках на корабли атомных энергетических установок, соответствующих предъявленным им высоким требованиям.

К концу 20 века были созданы надежные ядерные энергетические установки, был произведен переход на блочную компоновку ППУ и ПТУ. В результате проведенных исследований были увеличены энергозапасы активных зон, совершенствовалась биологическая защита реакторов. Были проведены работы по использованию новых высокотемпературных теплоносителей.