Паровые турбины и судовые дизеля

цистерны. Наутилус был вооружен миной, представлявшей собой два медных

бочонка с порохом, соединенных эластичной перемычкой. Изобретатель

отказался от боевого применения Наутилуса из-за того, что французский

морской министр не удовлетворил его требование присвоить членам экипажа

лодки воинские звания, без чего англичане в случае захвата в плен повесили

бы их как пиратов.

В 1802 г. году Фултон отправляется в Шотландию, чтобы ознакомиться с

построенным там Уильямом Саймингтоном (William Symington) пароходом

"Шарлотой Дундас" ("Charlotte Dundas", 1802 г.), первым паровым судном не

имевшим парусного вооружения. Пароход Саймингтона был несомненно удачной

моделью. Средняя скорость его без груженых барж составляла около 10 км/ч.

Однако этот опыт не заинтересовал англичан. Вскоре пароход вытащили на

берег и обрекли на слом. Фултон присутствовал при испытаниях "Шарлоты" и

имел возможность ознакомиться с ее устройством. Более того, механик-

строитель судна Арон Вейл (Aaron Vail) предоставляет Фултону все документы

и спецификации для установки двигателя, а доктор Картвич (Dr. Cartwright)

передает Фултону чертежи парохода.

Весной 1803 года Фултон приступил в Париже к строительству своего первого

парохода. Он был плоскодонным, без выступающего киля, с обшивкой вгладь.

Паровая машина Уатта была взята напрокат у одного знакомого, но схему

передаточного механизма придумал сам Фултон. Построенный корабль оказался

недостаточно прочным - корпус не выдержал тяжести машины. Однажды во время

сильного волнения на Сене днище проломилось и взятая в долг машина вместе

со всем оборудованием пошла ко дну. С большим трудом все это удалось

достать на поверхность, причем Фултон жестоко простудился во время

спасательных работ. Вскоре был построен новый, гораздо более прочный корпус

судна, имевший 23 м в длину и 2,5 м в ширину. В августе 1803 года на реке

Сена (Seine) было проведено пробное испытание. В течение полутора часов

пароход двигался со скоростью 5 км/ч и показал хорошую маневренность.

Первым делом Фултон предложил свой пароход Наполеону, но тот не

заинтересовался этим изобретением.

В мае 1804 г после заключения академика Французской академии наук Латобре

(Latrobe's) о бесперспективности паровой навигации Р. Фултон приезжает в

Англию, заказывает М. Болтону и Дж. Уатту паровой двигателем (диаметр

цилиндра 2 фута (~600 мм), ход поршня 4 фута (~1200 мм), мощность 24 л.с.).

Здесь он пытается увлечь английское правительство проектом своей подводной

лодки и одновременно следит за изготовлением паровой машины фирмой Болтон &

Уатт. Первые удачные опыты со взрывам судов не столько воодушевили, сколько

привели в замешательство Британское адмиралтейство, по инициативе которого

Фултону была предложена пожизненная пенсия с условием - забыть про свое

изобретение.

Между тем, Ливингстон настойчиво зовет Фултона в Америку. Его шурин и

конкурент Стивенс начинает в 1806 году постройку парохода "Феникс",

надеясь, что получит привилегию на маршрут Нью-Йорк-Олбани, срок которой у

Ливингстона истекал в 1807 году. Надо было спешить со строительством своего

парохода. В конце 1806 г. в Нью-Йорк прибывает заказанный двигатель, и

Фултон немедленно заказывает корпус на верфи Чарлза Брауна. Машинная часть

парохода состояла из котла в форме сундука длиной 6 м при высоте и ширине

несколько более 2 м и вертикального парового цилиндра. Весной 1807 первый

пароход, получивший имя "Клермонт" ("Clermont", водоизмещение ~100 т, длина

133 фт./~40 м, ширина 18 фт./~5 м, высота 9 фт./~2,5 м), был спущен на

воду.

В августе 1807 г. двигатель был установлен на судно и испытан в работе, во

время рейса Нью-Йорк - Олбани (Albany). Расстояние до Олбани составляло 150

миль (241 км), рейс длился 32 часа, возврат по течению реки занял 30 часов.

Паруса не использовались на всем пути. Пароход имел бортовой колесный

привод. Это был первый безостановочный транспортный рейс длительностью

более одних суток, выполненный паровым судном.

"Клермонт" держал эту линию в течение нескольких лет сразу столкнувшись с

крайне враждебным отношением владельцев парусных и гребных судов на

Гудзоне, увидевших в пароходе грозного конкурента. Они то и дело

подстраивали столкновения пароходов с шаландами и баркасами или устраивали

на их пути заторы. В 1811 году в США был принят специальный закон,

грозивший строгим наказанием за сознательный вред, принесенный пароходам.

Пароход Фултона ничем особенным не отличался от своих более ранних

предшественников, однако именно ему суждено было открыть новую эру в

истории судоходства, так как только за первый год эксплуатации "Клермонт"

дал выручку 16 тысяч долларов, предъявив всему миру очевидное

доказательство рентабельности парового флота. Небольшое относительно

пароходов Дж.Фитча увеличение тоннажа судна и мощности машины положило

конец эпохе энтузиастов парового движения и стало фактором экономического

развития страны.

Хотя сам Фултон неоднократно подчеркивал, что идея парохода принадлежит не

ему, именно он впервые удачно воплотил ее в жизнь, и именно с его легкой

руки пароходство начало бурно развиваться сначала в Америке, а потом и во

всем мире.

От парового двигателя к паровой турбине.

|[pic] |

|Паровая машина с |

|тройным |

|расширением пара |

К концу XIX века трансатлантическую линию Европа – США обслуживали пароходы

длиной от 350 до 450 фт. (~100-140 м) с паровыми машинами мощностью 3000-

4000 л.с. Линейные пароходы пересекали Атлантику за 10 - 11 дней и

расходовали от 70 до 100 тонн угля в день.

Низкий к.п.д. паровых двигателей существенно уменьшал полезную

грузоподъемность паровых судов и настоятельно требовал поиска более

эффективных методов топливоиспользования.

Верхом совершенства в изготовлении судовых паровых машин стали двигатели с

тройным расширением пара линейных судов серии "Oceanic", которые строились

на Ирландских верфях с 1870 г.

В 1877 г. пароходы "Германик" ("Germanic") и "Британик" ("Britannic")

поставили рекорд скорости пересечения Атлантики на дистанции 2,830 миль:

Германик - 7 дней 11 часов 37 минут, Британик - 7 дней 10 часов и 53

минуты.

Рекорд скорости строительства судна и количества судов в серии принадлежит

военно-транспортным пароходам проекта EC2, получившего наименование

"Liberty" (Либерти). В период с 1941 по 1947 гг. было построено 2751 судов

этого типа. Первый пароход серии "Патрик Генри" (SS Patrick Henry) был

заложен 27 сентября 1941 г. и строился 70 дней. Спустя несколько лет сборка

парохода "Роберт Е. Пери" (SS Robert E. Peary) заняла четыре с половиной

дня, а через семь дней после закладки киля судно прошло швартовые испытания

и, приняв груз, вышло в рейс.

|[pic] |

|Военно-транспортный пароход проекта |

|"Liberty" |

|(10000 т, 2500 л.с., 11 узлов) |

Строительство "Либерти" было организовано по конвеерному принципу, при

котором все 250000 деталей, входящих в спецификацию судна, собирались в

стандартизованных 250-тонных секциях, перемещаемых между заводами в

соответствии с технологией монтажа судового оборудования. После

комплектации секции доставлялись на верфи, где и происходила окончательная

сборка судна. Строительная стоимость парохода составляла $ 2,000,000.

Характеристики парохода: длина - 441 ft (134 м), ширина 56 ft (17 м),

средняя скорость - 11 узлов. В 5 трюмах пароход перевозил до 9000 тонн

груза, а на палубе - самолеты, танки или локомотивы.

В состав энергетической установки входил паровой двигатель мощностью 2500

л.с. с тройным расширением пара (трехцилиндровый) и два паровых котла,

работающие на жидком топливе (топочном мазуте).

За время Второй мировой войны "Либерти" перевезли 2840 самолетов, 440

танков и 230 миллионов ящиков боеприпасов. В команду парохода входили 44

члена экипажа и от 12 до 25 военных моряков сопровождения и охраны судна.

После войны ВМС США продали почти все суда данной серии, а последние

"Либерти" эксплуатировались до начала 70-х годов, т.е. в течение 25 лет

после окончания войны.

Однако кардинальное повышение эффективности судовых энергетических

установок было связано не с совершенствованием паровых двигателей, а с

изобретением турбин, позволивших не только поднять к.п.д. СЭУ, но и на

порядок уменьшить массогабаритные характеристики судового двигателя.

Термин турбина происходит от французкого слова - turbine, пришедшего из

латинского turbo — вихрь, вращение с большой скоростью, впервые

использованного Героном Александрийским при описании принципа реактивного

движения "Элоопила" (~130 г до н.э.).

|[pic] |

|"Элоопил", 130 г. |

|до.н.э. |

Однако вплоть до начала промышленного использования паровых машин

подогреваемый огнем шар с водой, вращающийся под действием струи пара, был

не более чем игрушкой. Только успехи в применении паровых машин заставили

обратить внимание на свойства колеса, вращающегося под напором струи пара.

Первое упоминание о паровой турбине в Европе связано с именем итальянского

инженера Джованни Бранка (Giovanni Branca), предложившего в 1629 г.

использовать рабочее колесо турбины для размельчения угля и серы при

производстве пороха (см. лекцию 1).

В 1837 г. в Англии и США было сделано несколько паровых колес, например

колесо Авери (Avery at Syracuse, New York) имело диаметр 5 фт (~1,5 м),

однако низкая эффективность одноступенчатой турбины с атмосферным

противодавлением не могла составить конкуренцию паровому двигателю.

Для создания промышленной паровой турбины было необходимо завершить

формулировку законов термодинамики и найти новые инженерные решения для

производства работы с использованием тепловых свойств воды и водяного пара.

Хронология формирования теории тепловых машин - термодинамики.

1798: Выдвижение идеи о взаимосвязи температуры и энергии, Коунт Рамфорд

(Count Rumford);

1824: Формирование теории тепловых машин, Сади Карно (Sadi Carnot);

1827: Открытие Бруоновского движения молекул воды, Роберт Броун

1834: Формулировка второго закона термодинамики, Клайперон (Benoit-Pierre

Clapeyron);

1843: Экспериментальное определение механического эквивалента тепла, Джеймс

Джоуль (James Joule);

1848: Определение абсолютного нуля температуры, Лорд Кельвин, (Lord

Kelvin);

1852: Определение взаимосвязи объема температуры (расширяющийся газ

охлаждается), Джеймс Джоуль и Лорд Кельвин (James Joule, Lord Kelvin);

1859: Закон распределения молекулярных скоростей, Джеймс Клерк Максвелл,

(James Clerk Maxwell);

1874: Второй закон термодинамики, Лорд Келвин, (Lord Kelvin);

1876 - 1878: Формирование законов и понятий химической термодинамики, Иосиф

Гиббс (Josiah Gibbs);

Начиная с 1879 г. термодинамика ориентируется на углубление знаний о

природе тепловых процессов и перестает быть прикладной наукой для

инженеров.

1879: Понятие излучения черного тела, Иозеф Стефан (Josef Stefan);

1906: Третий закон термодинамики, Вальтер Нернст (Walther Nernst);

1916: Кинетическая теория газов, Сидней Чапмен и Дэвид Енски (Sydney

Chapman and David Enskog);

1957: Комптоновское распределение для уравнения Фоккера-Планка, A.S.

Kompaneets. .....

|[pic] |

|Колесо Авери, |

|1837 |

Создание термодинамики, т.е. теоретической базы для расчета тепловых машин,

поставило перед практикой задачу разработки энергетической установки на

базе паровой турбины с вакуумным конденсатором. Патент на первый

паротурбинный двигатель получил американский морской инженер, адмирал

Бенжамин Франклин Изервуд (Benjamin Franklin Isherwood, 1822-1915) в 1857

г.

После проведения в 1870 г. инженерных разработок несколько паротурбинных

установок (ПТУ) были установлены на военные фрегаты серии USS "Wampanoag".

Новый двигатель позволил обеспечить относительно высокую скорость (17,75

узла/33 км.час), но ПТУ на базе одноступенчатой турбины оказались слишком

сложными в изготовлении, но не более эффективными, чем паровые машины

(к.п.д. 6-8%), вследствие чего нашли применение лишь в качестве двигателей

судов береговой охраны (USGS), предназначенных для перехвата

контрабандистов.

Массовое применение паротурбинных установок на флоте связано с созданием

многоступенчатых паровых турбин, позволивших поднять КПД паровых машин с 4-

5% до 15-18%., что было незамедлительно использовано в промышленной и

морской энергетике. Создание современных паровых турбин связано с именами

выдающихся инженеров XIX века: шведом К. Лавалем и англичанином Ч.

Парсоном.

В 1878 г. шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль (Carl Gustav Patric

de Laval, 1845 -1913) изобрел центробежный сепаратор, принцип работы

которого был позже применен для изготовления стеклянных бутылок.

В 1882 г. Лаваль создал первую импульсную паровую турбину, в 1883 г.

построил и использовал морскую реверсивную турбину, запатентованную в 1883

г., частота вращения которой достигала 42 000 оборотов в минуту.

|[pic] |

|Первая морская турбина Парсонса,|

|1894 |

|[ увеличить ] |

В 1896 г. Лаваль разработал паровую турбину для электростанции, работа

которой требовала создания давления в 3400 фунтов на кв. дюйм (239

бар/кг.кв.см), что было не достижимо для технологий конца XIX века.

Главная заслуга Лаваля в разработке паровых турбин заключалась в том, что

конструкция его сопла позволила примерно в 5 раз увеличить возможность

использования потенциальной энергии струи пара, повысив скорость его

истечения c 800 ft/с (244 м/c) до 4000 ft/c (1220 м/c), но несмотря на это,

одноступенчатые паровые турбины не позволяли дать однозначного заключения

об их приемуществе перед паровыми машинами.

Промышленное использование паровых турбин стало возможным лишь после того,

как сэр Чалз А. Парсонс (Sir Charles Algernon Parsons, 1854-1931) создал в

1884 первую мнгогоступенчатую паровую турбину мощностью 10 л.с. (18 000

об/мин). Турбины Парсонса использовались для привода электрогенераторов,

мощность которых на первом этапе развития электроэнергетики составляла от 1

до 75 кВт.

|[pic] |

|Многоступенчатый паротурбогенератор |

Основное значение паровых турбин в истории техники заключается в том, что

они обеспечили экономическую рентабельность использования паровой энергии

не только для промышленности, но и для бытового обслуживания населения. В

частности, первое в истории уличное освещение было установлено в Кэмбридже

в 1895 г., для чего использовались четыре 100 кВт генератора с турбинами

Парсонса.

Современные турбины представляют многоступенчатые агрегаты, собираемые в

блоки, включающие последовательность из нескольких турбин высокого,

среднего и низкого давления. Такая компоновка позволяет достигнуть высокой

эффективности использования тепловой энергии пара (свыше 40 %), что

сопоставимо с эффективностью современных мощных малооборотных дизелей.

Эти показатели в сочетании с относительной дешевизной топлива для ТЭЦ и АЭС

делают паровую турбину основным элементом современных электростанций.

Мощность современных паровых турбин достигает 1000 мегаватт.

В 1899 г. на ходовых испытаниях корабли легко показали скорость свыше 30

узлов, однако их судьба оказалась печальной. В том же году "Гадюка"

разбилась, наскочив на мель в Ла Манше, а месяцем позже "Кобра" взорвалась

на рейде Тейна ("Tyne"). Несмотря на то, что по результатам расследования

аварии Адмиралтейство полностью реабилитировало фирму Чарльза Парсонса,

трагедия, унесшая жизнь 77 человек, включая его сотрудников, очень серьезно

сказалась на его здоровье и привела к почти двухлетнему отказу от активной

производственной деятельности.

В 1902 г. Британское Адмиралтейство модернизировало энергетическую

установку 15-летнего эсминца "Velox" и по итогам годовой эксплуатации ПТУ

приняло решение о том, что с 1905 г. все новые корабли Великобритании

должны оснащаться только паротурбинными двигателями.

В 1905 - 1906 гг. Адмиралтейство ввело в строй корабли нового поколения,

оснащенные паротурбинными установками, обеспечившими техническую базу для

качественного скачка в строительстве военного флота: крейсер HMS Amethist

(110 м, 3000 т, ПТУ - 14000 л.с., 23-33 узла) и линейный корабль HMS

Dreadnought.

Характеристики линкора "Дредноут": L/B/D: 160.3x25x8.8 м, водоизмещение -

21845 т., экипаж: 657-773 чел.; вооружение 10 x 12". Бронирование: броневой

пояс - 11", палуба - 4"; машина: ПТУ - 23000 л.с., винтов - 4 , скорость -

21 узел.

С точки зрения развития СЭУ линкор "Дредноут" открыл новою эпоху в военном

судостроении, закончившуюся созданием в 1941 г. четырехвинтовых линейных

кораблей Yamato ("Ямато") и Musashi (“Мусаси”) водоизмещением 72 809 т и

мощностью ПТУ - 150 000 л.с.

[pic]

Yamato ("Ямато"), линкор класса Yamato. L/B/D: 263х38.9х10.4 м,

водоизмещение - 72809 т, корпус - сталь, экипаж - 2500 чел., вооружение -

9x18.4", 12x6.2", 12x5.1", 24x25мм. Бронирование: броневой пояс - 16.4",

палуба - 9.2". Скорость 27 узлов. Линкор был потоплен в конце Второй

мировой войны (6 апреля 1945 г.) в результате атаки более 400 самолетов

морской авиции США при сражении за Окинаву. 10 авиационных торпед и 58 бомб

поставили точку на пяти столетиях артиллерийских морских сражений.

В 1943 г. военно-морские силы США начали принимать на вооружение линкоры

класса Iowa ("Айова") водоизмещением 55 250 т, мощностью ПТУ - 212 000

л.с., скоростью 33 узла, но на военном флоте дальнейшее развитие СЭУ уже не

было связано с линейными кораблями.

Первым пассажирским турбоходом стал построенный в 1901 г. "King Edward"

("Король Эдуард", 76 м., 650 т., 8500 л.с., 20-48 уз.). В 1905 г. началась

регулярная трансатлантическая навигация паротурбинных пассажирских судов

"Victorian" ("Викторианец") и "Virginian" ("Виржинец"), а с 1907 г. на

линию выходят самые большие четырехвинтовые пассажирские суда с ПТУ

мощностью 73000 л.с. - "Mauretania" ("Мавритания") и "Luisitania"

("Лузитания"), построенные для перевозки эмигрантов в США.

Оба судна способны были развивать скорость от 25 до 26 узлов (42 км/час),

что до их создания считалось невозможным для таких больших судов: длина -

240.8 м , ширина - 26.8 м, водоизмещение - 31938 т. В каютах первого класса

размещались 563 пассажира, второго - 464, третьего - 1138, экипаж судна -

812 чел.

"Мавритания" в течение 20 лет была самым быстрым лайнером и семь раз била

свой рекорд на скорость пересечения Атлантики. В 1921 г. котлы, работающие

на угле, были переведены на жидкое топливо, а последний рекорд был

поставлен 20-25 августа 1924 г. Дистанцию от Амброуза (Ambrose) до Шербура

(Cherbourg) теплоход прошел за 5 дней, 1 час и 49 минут со средней

скоростью - 26.25 узла.

"Мавритания" (32 000 т) и "Турбиния"(44 т), 1908 г.

Дизельные энергетические установки

Поиск способов использования тепловой энергии был неразрывно связан с

Страницы: 1, 2, 3