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.