Научные проблемы корабельной энергетики

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.