Наукові проблеми корабельної енергетики

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

І.Г. Захаров, доктор технічних наук, професор, контр-адмірал; Я.Д. Ареф'єв, доктор технічних наук, професор, контр-адмірал; Н.А. Воронович, кандидат технічних наук, капітан 1 рангу; О.Ю. Лейкін, кандидат технічних наук, капітан 1 рангу

Досягнення вітчизняної фундаментальної науки та розвиток техніки дозволяли в різні періоди ставити перед виробниками машинобудівної продукції цілий ряд принципово нових, відповідних часу завдань, рішення яких істотно підвищувало бойові та експлуатаційні можливості кораблів Військово-Морського Флоту.

Основні наукові проблеми, цілеспрямовано вирішувалися на користь вітчизняного флоту в минулому і поточному століттях стосовно корабельної енергетиці, пов'язані зі створенням спочатку корабельних паросилових, потім, послідовно, дизельних, газотурбінних і атомних енергетичних установок.

Перші досягнення науки і техніки в галузі транспортної енергетики були реалізовані на початку XIX ст. в паросилових установках, які вдосконалювалися протягом близько двох століть. Наукове забезпечення створення корабельних дизельних установок почалося майже через століття, на початку ХХ ст., І розвиток їх триває до теперішнього часу. До наукових досліджень і розробок зі створення корабельних газотурбінних установок приступили лише в 20-х роках ХХ ст. В даний час їх вдосконалення також продовжується згідно з сучасною програмою кораблебудування.

І, нарешті, наукові розробки і створення корабельних атомних енергетичних установок, які зробили найбільш вагомий внесок у розвиток не тільки корабельної енергетики, але і кораблебудування в цілому, було розпочато на початку 50-х років поточного сторіччя. Розвиток установок такого типу, що вимагає максимально напруженого наукової праці та значних економічних зусиль, незважаючи на певні труднощі, триває. Однак темпи цього розвитку не відповідають тим величезним можливостям, які є в науковому доробку з цього напрямку енергетики.

Корабельні паросилові енергетичні установки

На початку XIX ст. вітчизняна наука і техніка в галузі енергетики досягла рівня, який забезпечив можливість проектування і виготовлення паросилових суднових енергетичних установок. Виконані теоретичні та експериментальні дослідження в області спалювання твердого палива, пароутворення, реалізації теплового циклу шляхом генерації пари в паровому котлі і використання його енергії в паровій машині, що приводить в обертання гребний вал, дозволили поставити питання про будівництво першого в Росії "пароплава".

Можливість створення паросилової енергетики вдало поєднувалася з потребами флоту мати кораблі і судна, рух і маневрування яких не залежали б від "капризів природи", а їх швидкості і водотоннажність могли б бути значно збільшені. Поставлена ​​в цьому плані завдання на початку XIX ст. була успішно вирішена, і перший вітчизняний пароплав з паросилова установкою був побудований в 1815р. В якості генераторів парової енергії для перших установок використовувалися огнетрубние котли, які мали робочий тиск пари близько 1кгс/см2 (0,1 МПа). До початку ХХ ст. були розроблені і знайшли широке застосування більш прогресивні водотрубні котли з вугільним опаленням. Для військових кораблів використовувалися два типи таких котлів: горизонтального і вертикального виконання. Найбільш поширеною конструкцією першого типу були котли Бельвю. Компонувальна схема вертикальних котлів передбачала паровий і два водяних колектора, з'єднані трубами (котли трикутного типу). Вертикальні водотрубні котли мали значно меншу масу і забезпечували більш високу маневреність установки. Вперше такі котли були встановлені в 1890р. на ескадрених міноносці "Роченсальм". Робочий тиск пари в котлах цього корабля було 13кгс/см2 (1,3 МПа).

В якості двигуна використовувалися парові машини, конструкцію яких визначали умови їх розміщення на судах. Перші двигуни були балансирного типу, подібно стаціонарним прототипам. На зміну їм прийшли горизонтальні машини, а в подальшому вертикально-перекинутого типу. Розвиток парових поршневих машин йшло по шляху збільшення ступеня розширення пара, що призвело до створення двоциліндрових подвійного розширення машин-компаунд, а потім і трьохциліндрових машин потрійного розширення. Можливості збільшення потужності парових машин були обмежені діаметром циліндра низького тиску, який не міг перевищувати 2-2,5 м за конструктивними і технологічних причин. Гранична потужність судновий парової машини становила не більше 20000л.с.

Період будівництва військових кораблів з 1907р. до першої світової війни характеризується значним збільшенням їх водотоннажності і швидкості, для чого знадобилися парові котли великої паропродуктивності із значно меншою питомою масою. Цим вимогам задовольняють лише вертикально-водотрубні котли, але їх вдосконалення стримувало вугільне опалення. Кам'яне вугілля - паливо з низькою калорійністю. Ручна подача його в топку вимагає великої фізичної праці. Внаслідок цього парові котли з вугільним опаленням не могли забезпечити паропродуктивність більше 15т / ч і до того ж були недостатньо маневреними. Крім того, недосконалість процесу горіння приводило до великої димності, а, отже, демаскувало бойовий корабель. Важливими чинниками були значна трудомісткість навантажувальних робіт і незручність зберігання кам'яного вугілля.

Для великих військових кораблів були потрібні і більш потужні парові двигуни. На зміну паровим поршневим машинам прийшли парові турбіни, які мали більш високий ККД і менші масогабаритні характеристики. Для застосування парових турбін на кораблях знадобилося виконати великий обсяг теоретичних і експериментальних досліджень термодинамічних процесів перетворення теплової енергії пари в механічну роботу, а також побудувати досвідчені машини і відчувати їх. Вперше парові турбіни прямодействующіе реактивного типу були встановлені на лінійних кораблях типу "Севастополь", роботу яких забезпечували 25 водотрубних котлів трикутного типу зі змішаним вугільно-нафтовим опаленням. Тиск пари в котлах становило 17кгс/см2. В енергетичній установці цих кораблів було здійснено замкнутий цикл пар-конденсат з генерацією тепла відпрацьованої пари в водопідігрівача. Незважаючи на те, що створена установка відповідала рівню розвитку науки і техніки того часу, вона все ж мала недолік. Змішаний опалення парових котлів обмежувало можливість збільшення їх паропродуктивності, тому що при спалюванні вугілля і нафти в топці одночасно були потрібні різні способи подачі повітря в топку. Цей недолік був усунений у 1910р. впровадженням нафтового опалення котлів на ескадрених міноносцях типу "Новік".

Таким чином, до 1910р. були реалізовані основні науково-технічні рішення, що забезпечують значне збільшення паропродуктивністю котла, що дозволило нарощувати потужність установки з паровими турбінами при одночасному зниженні її маси і габаритів.

Разом з тим паросилові установки по своїх теплових процесів залишалися ще далеко не досконалі. Вони мали низьку економічність і великі масогабаритні характеристики. Недостатньо були і маневрені характеристики, такі як час приготування до дії і час реверсу. Установки мали низьку живучість через лінійного розташування головних механізмів.

Черговий етап розвитку вітчизняних котлотурбінний установок почався в середині 20-х років. У їх розробці брали активну участь В. А. Вінтер, М. В. Висоцький, М. І. Яновський, В. П. Мадіс, А. В. Акімов, В. Л. Сурвилло, П. І. Заїкін, Я. С. Солдатов, Н. І. Кюн, П. Ф. Лавров, А. В. Голинський, Г. А. Ляхов, А. І. Димов, Н. Р. Лукашевський, В. Є. Долголенко, Н.І. Васильєв, Р. Р. Грундман, А. А. Ігнатьєв і інші відомі фахівці і вчені-енергетики. Було прийнято за доцільне створювати котлотурбінний енергетичні установки з паровими котлами з нафтовим опаленням і робочим тиском пари 20кгс/см2, температурою 313 ° С, а також з високооборотними турбінами із зубчастою передачею.

Відповідно до цієї концепції до 1941р. в нашій країні були розроблені і створені парові котли та головні турбозубчатого агрегати для більшості проектів кораблів.

Напрямок зі створення корабельних парових котлів послідовно очолювали Е. Е. Папмеля, М. І. Шулінскій, Г. А. Гасанов. Ними був спроектований паровий котел для сторожового корабля "Ураган" проекту 39. У процесі його створення був розгорнутий комплекс науково-дослідних і експериментальних робіт з теорії горіння і внутрікотлових процесів. У січні 1930р. після стендових випробувань кількох варіантів комісією був прийнятий до серійного виробництва паровий котел для цього корабля. У цьому ж році на Північній суднобудівної верфі на чолі з В. А. Бжезинським було організовано ЦКБС-1, до складу якого входили і турбіністи, очолювані Б. С. Фрумкіних. Колективом Турбініст був створений перший вітчизняний турбозубчатого агрегат, що складається з високооборотних турбін високого і низького тиску та зубчастого редуктора (максимальна частота обертання гребного валу становила 630об/мін). Ротори турбін випробовувалися окремо на балансувальних верстатах, а на стенді визначалися теплова деформація корпусів, центрування, якість роботи підшипників і масляної системи. Незважаючи на ретельність випробувань, в період експлуатації були виявлені серйозні зауваження по роботі обладнання. До найбільш великим з них відносяться: поломка робочих лопаток турбін високого тиску, відсутність запасу по паропродуктивності парових котлів та їх малий ресурс до зміни трубок, порівняно висока питома маса механічної установки, недостатня її потужність.

З урахуванням досвіду проектування і експлуатації протягом 30-х років вітчизняної промисловістю були спроектовані і побудовані кілька котлотурбінний енергетично установок великої потужності для лідерів ескадрених міноносців. У ряді випадків при випробуваннях, а також у період експлуатації ви з'явилися окремі недоліки і прорахунки при проектуванні. Особливо багато їх було виявлено у енергетичної установки для лідер ескадрених міноносців "Ленінград" проекту 1. Так, вже на стенді виявилися неполадки з циркуляцією води в головному котлі, які приводили до розриву трубок. Крім того, було: відзначені серйозні несправності в роботі редукторів, турбін високого тиску, головних конденсаторів і окремих допоміжних механізмів. Проектування і постачання обладнання енергетичних установок для деяких проектів надводних кораблів велися за участю іноземних фірм ("Ансальдо", "Метрополітен-Віккерс", "Парсонс" та ін.)

В кінці 30-х років, у міру накопичення досвіду проектування, завершення теоретичних експериментальних робіт і вдосконаленні технології виготовлення корабельного обладнання, вітчизняна суднобудівна промисловість самостійно приступила до будівництва енергетичних установок легких крейсерів типу "Чапаєв" проекту 68 і важкого крейсера "Кронштадт" проекту 69.

Паралельно з проектуванням проводилися глибокі теоретичні дослідження шляхів поліпшення технічних характеристик корабельного обладнання. Їх вели відомі вчені: М. А. Стиріковіч, Д. Ф. Петерсон К. А. Блінов, В. Н. Дешкін. Великі заслуги в області турбобудування М. І. Яновського. Їм був виконані глибокі теоретичні дослідження за методами теплового та конструктивного розрахунку корабельних турбін і конденсаційних установок. Активну участь у проектуванні енергетичних установок брали Є. А. Яриніч, Л. А. Коршунов, Л. В. Гаст, Є. М. Антонов, Г. О. Абагянц, П. І. Вишневський, А. М. Дорофєєв, І . В. Семенов, Г. Ф. Абрамович, С. С. Єгоров, І. М. звужує і інші фахівці ВМФ.

Особлива роль належить флотським інженерам-механікам Б. Я. Красикова, І. А. Щенсновіч, М. В. Корольову, Т. П. Норов, Г. А. Вуцький, А. Я. Андрєєву та іншим, які вдосконалювали експлуатацію енергетичного обладнання на флоті.

Досвід другої світової війни показав, що котлотурбінний енергетичні установки більшості класів кораблів мають недостатню паливну економічність, маневреність, довговічність котелень трубок, а також великі масогабаритні показники. Для вирішення цих проблем необхідно було відновити спеціалізовані підприємства і конструкторські бюро. Так у 1946 р. було створено спеціальне КБ котлобудування, яке очолив Г. А. Гасанов. Основу колективу склали досвідчені фахівці Н. С. Білоусов, П. Д. Дегтярьов, А. Є. Хавкін, А. І. Булікова. У 1946-1952гг. на Північній суднобудівної верфі було організовано СКБТ, яке очолив досвідчений інженер Г. А. Оглобін. До складу КБ входили відділи парових турбін і газових турбін.

У своїй роботі конструктори використовували результати досліджень учених М. М. Семенова, Я. Б. Зельдовича, Д.А.Франк-Каменецького, Г. Ф. Кнорре, Л. А. Вуліс, Г. А. Абагянца, Н.М. Кузнєцова. Велися наукові роботи, які вирішували одну з найважливіших проблем з організації смесеобразовательних процесів підігріву і випаровування крапель палива, вдосконалення аеродинамічній основи організації процесів в топці. До виконання ряду робіт були підключені фахівці Військово-морської академії та військово-морських училищ. Загалом роботи були спрямовані головним чином на створення високоекономічних автоматизованих парових котлів з ККД 85-86% і подачею повітря в топку.

Проведення нових досліджень співпало з початком проектування котлотурбінний енергетичних установок для кораблів: СКР "Горностай" проекту 50, ЕМ "Безстрашний" проекту 41, ЕМ "Вагомий" проекту 56.

Для СКР "Горностай" проекту 50 був створений не має аналогів турбозубчатого агрегат ТБ-9, що складається з однокорпусному високооборотному реактивного типу, двоступінчастого редуктора з роздвоєнням потужності і конденсатора з самопроточной циркуляцією. Для створення однокорпусному турбіни потрібно було провести ряд складних теоретичних і експериментальних досліджень з розробки нового профілю реактивних лопаток, які були виконані конструкторами Кіровського заводу, ЦНДІ ім. академіка А. Н. Крилова, Ленінградського політехнічного інституту. Центрального котлотурбінного інституту ім. І. І. Ползунова. У результаті цих робіт було створено каталог профілів лопаток парових турбін, який використовується і в даний час. При випробуваннях кораблів було виявлено явище резонансу лопаток останніх ступенів турбін, яке послужило причиною декількох аварій. Знадобилося чимало часу для вивчення цього явища і пошуку шляхів його усунення.

Для підвищення економічності установки, починаючи з ЕМ "Безстрашний" проекту 41, в його головних котлах, КВ-76, були збільшені початкові параметри пари до тиску 64кгс/см2 і температури перегріву до 470 ° С. З метою збільшення теплонапругу топкового об'єму в котлах були застосовані подача повітря в топку з тиском 900-1100мм.в.ст. і двухфронтовое опалення. Для цих кораблів також розроблений високооборотний двухкорпусной агрегат, ТБ-8, великої потужності, з гнучкими зв'язками рухливих решт турбін з фундаментом. Для цих установок був створений і принципово новий автоматизований насосний турбоагрегат, що включає три насоси: поживний, конденсатний і бустерний з єдиним високооборотним турборедукторним приводом. Вперше були використані підшипники на водяній мастилі.

У результаті комплексу цих робіт була розроблена нова методологія компонування енергетичного обладнання, що дозволяє розмістити в одному енергетичному відсіку парові котли і турбозубчатого агрегат з обслуговуючим їх обладнанням, що спростило конденсатної-поживну систему, підвищило економічність і поліпшило масогабаритні характеристики установки. Без істотних змін ця установка застосовувалася на великій серії ЕМ "Вагомий" проекту 56 та ВПК "Гримлячий" проекту 57.

При будівництві кораблів у період 60-70-х років потрібно було створити більш економічною і компактній котлотурбінний установки великої потужності. Виконані в СКБК, ЦНДІ ім. академіка А. Н. Крилова, 1-м ЦНІІМО дослідження показали можливість поліпшення характеристик котельної установки на основі компресорного надува повітря в топку котла з використанням тепла відхідних газів в турбонаддувочном агрегаті. Одночасно колективом Кіровського заводу під керівництвом головного конструктора В. Е. Берга був розроблений турбозубчатого агрегат ТБ-12 потужністю 45000л.с., Який став основною базовою моделлю для надводних кораблів. Використовуючи накопичений досвід проектування і досягнення науки 50-60-х років, конструкторам вдалося (в порівнянні з попереднім турбоагрегатом для кораблів проекту 56) підвищити потужність агрегату на 25% при одночасному зниженні на 35% його маси і збільшенні ККД на 3-4%. У цей же час в СКБК під керівництвом Г. А. Гасанова був спроектований і побудований високонапірний паровий котел КВН 95/64 з високими параметрами пари, в якій вперше було застосовано розроблене співробітником 1-го ЦНІІМО Ю. А. Убранцевим газоохолоджувальний пристрій ежекційні типу, дозволило знизити температуру відхідних газів до 100 ° С, що забезпечило значне зменшення теплового поля корабля. Всі ці нововведення були закладені в котлотурбінний енергетичну установку ракетного крейсера "Грозний" проекту 58. Ставши базової, надалі вона пройшла ряд етапів удосконалення конструкцій головних і допоміжних механізмів, автоматизованого управління, водного режиму, поліпшення характеристик та ін Потужність ГТЗА-674 була збільшена до 50000л.с.

Для кораблів споруди 70-80-х років (ЕМ "Сучасний" проекту 956, "Адмірал Флоту Радянського Союзу Кузнєцов" проекту 1143.5) були створені високонапірні котли КВГ-З і КВГ-4, а для резервної котельної установки корабля "Адмірал Нахімов" проекту 1144 - котел КВГ-2.

Велика заслуга в розробці корабельних паросилових установок в цілому належить фахівцям ЦК - проектантам кораблів: А. А. Терентьєву, Г. А. Бобченок, Ю. К. Шахту, В. І. Павликова, Є. В. Петрову, В.Л. Менаховскому, а також співробітникам 1-го ЦНІІМО М. М. Чарнецького, М. С. Воробйову, П. Є. Букіну, П. Г. Грищенко, С. Г. Замаховски, Є. А. Ошерова, В. С. Князєву , В. З. Цілевічу. Г. В. Перлов, І. С. Пушкін і П. А. Сорокін були удостоєні Державної Премії.

Таким чином, в результаті великого обсягу виконаних НДР і ДКР в післявоєнний період була створена уніфікована автоматизована котлотурбінного енергетична установка з високонапірними котлами, яка є найпотужнішою серед установок на органічному паливі і широко застосовується на сучасних великих надводних кораблях.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Історія та історичні особистості | Реферат
35.2кб. | скачати


Схожі роботи:
Природно-наукові проблеми сучасної енергетики Традиційні та нетрадиційні джерела енергії
Проблеми розвитку енергетики
Альтернативні джерела енергії 2 Проблеми енергетики.
Проблеми розвитку енергетики в Республіці Татарстан
Проблеми енергетики в АПК і основні фактори енергозбереження
Наукові проблеми Інтернету
Наукові проблеми кораблебудування та їх вирішення
Наукові проблеми створення високоточної зброї флоту
Про наукові проблеми зв`язку з підводними човнами
© Усі права захищені
написати до нас