Дизельні енергетичні установки

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

Росія є піонером в оснащенні бойових кораблів флоту дизельними енергетичними установками (ДЕУ). Ще в 1908р. в ході виконання суднобудівної програми на підводному човні "мінога" були замінені вибухопожежонебезпечні бензинові мотори на дизелі. З цього часу ДЕУ зайняли панівне становище в підводному суднобудуванні і тільки в 60-і роки на зміну їм прийшли ядерні енергетичні установки.

Перша промислова модель дизеля потужністю в 20л.с., що працює на гасі, була створена в Аугсбурзі (Німеччина) в 1897р. під керівництвом її винахідника Р. Дізеля. У лютому 1899р. завод Л. Нобеля в Петербурзі придбав ліцензію на виробництво винаходи. Отримані креслення були повністю перероблені, і в 1899р. випускається перший вітчизняний промисловий зразок дизеля потужністю в 25л.с., що працює на сирій нафті. Економічність дизеля виявилася рекордною - витрата сирої нафти склав 221г/л.с.ч. (Витрата гасу у прототипу - 243г/л.с.ч).

У 1902р. до організації дизельного виробництва приступив і Коломенський завод, який побудував у 1904р. перший одноциліндровий чотиритактний дизель потужністю 18л.с.

У подальшому вдосконаленні та впровадженні дизелів на кораблях і судах видатну роль зіграли вітчизняні вчені та інженери. У 1903р. на нафтоналивний баржі "Вандал" була вперше в світі застосована дизель-електрична енергетична установка з дизелями заводу Л. Нобеля.

Успішно розвиваючи дизельне виробництво і вдосконалюючи конструкцію двигуна, завод Л. Нобеля вийшов на передові позиції у світовому дизелебудуванні. В 1913р. завод почав створювати потужний на той час двотактний дизель підводних човнів типу "Барс". Двухвальная дизельна установка (2х1320л.с.) Забезпечувала повну надводну швидкість в 17уз. Підводні човни типу "Барс" протягом двох десятиліть були ядром підводних сил вітчизняного флоту.

Великий внесок у розвиток теорії робочого процесу двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) внесли вітчизняні вчені. Основи її були закладені ще в 1907р. професором Московського вищого технічного училища В. І. Гриневецьким. Розроблений ним метод теплового розрахунку отримав розвиток у працях Є. К. Мазінга, Н. Г. Брілінга, Н. М. Глаголєва, А. С. Орліна, В. А. Ваншейдта та інших вчених. Наявність ефективної теорії сприяло швидкому технічному прогресу в дизелебудуванні. У результаті першої світової та громадянської воєн вітчизняне дизелебудування опинилося в занепаді. Його відродження почалося в середині 20-х років, причому протягом буквально декількох років був досягнутий технічний рівень дореволюційної Росії. За перші три п'ятирічки суднове дизелебудування розвивалося особливо швидкими темпами. Вже у 1930р. випуск дизелів перевершив дореволюційний в 2раза, а в 1937р. - Більш ніж у 5 разів ро.

Одним з ємних споживачів дизелів є Військово-Морський Флот, особливо його підводні сили. Вже перша радянська програма військового кораблебудування на 1926-1933рр. передбачала будівництво 12 дизельних підводних човнів. Спеціально для них у 1926-1927гг. був створений новий вітчизняний дизель марки 42Б6 потужністю 1100 к.с., якими були оснащені перші радянські великі підводних човнів типу "Декабрист" і підводні мінні загороджувачі типу "Ленінець". У 1933р. почалося будівництво середніх підводних човнів типу "Щука" з дизелями марки 38В8 потужністю 685л.с. У подальшому його потужність була збільшена до 800л.с. (Дизель марки 38К8). У другій п'ятирічці промисловість освоїла виробництво нових дизелів потужністю в 2000л.с. марки 1Д для середніх підводних човнів типу "С".

У 1940р. флот почав отримувати від промисловості двохвальним крейсерські підводних човнів типу "К" (XIVсеріі) надводним водотоннажністю 1487т. Їх головна енергетична установка складалася з двох двотактних дизелів марки 9ДКР агрегатної потужністю 4200л.с. кожен. Ці дизелі забезпечували ПЛ рекордну повну надводну швидкість 22уз.

Вже до початку другої світової війни Радянський Союз володів потужним підводним флотом, що налічує 161 дизельний підводний човен різних типів і класів: малих, середніх і великих торпедних ПЛ і підводних мінних загороджувачів. На них були встановлені дизелі, спроектовані і побудовані на двох провідних заводах країни: Коломенському і "Російському дизелі" (колишньому Л. Нобеля). Деякі технічні показники човнових дизелів передвоєнної споруди представлені в табл.1. Основна тенденція розвитку дизелів цього періоду - зростання потужностей. Двигуни 1Д і 9ДКР, створені до кінця передвоєнного періоду, мають, хоча й невисоку, але вже форсировку робочого процесу за рахунок газотурбінного наддуву (1Д) і продування-наддуву від роторного компресора (9ДКР). Дизель 9ДКР, побудований в 1937р., За потужністю не мав аналогів у світовому дизелебудуванні.

Таблиця 1

Технічні показники човнових дизелів передвоєнної споруди

Відразу після Великої Вітчизняної війни почалися відновлення та реконструкція дізелестроітельних заводів. Необхідно було у короткий термін побудувати на новій технічній базі та з урахуванням військового досвіду значну кількість нових ПЛ на заміну морально застарілих і сильно зношених в ході війни.

Першим післявоєнним проектом для масової споруди стала середня ПЛ проекту 613 з двома двотактними дизелями марки 37Д потужністю по 2000л.с. кожен, безпосередньо працюють на гвинти. Ці дизелі мали режим роботи дизеля під водою (РДП). Головний зразок дизеля 37Д побудований на Коломенському заводі в 1949г., А головний ПЛ проекту 613 вступила в дію в 1951р. Її повна надводна швидкість становила 18уз., А повна підводна - 13уз.

У 1953 р. вступила в дію головний велика торпедна ПЛ проекту 611 з трьома гребними валами і дизелями марки 37Д. Повна надводна швидкість становила 17уз., А повна підводний-15уз. Всього в 50-60-і роки було побудовано 215ПЛ проекту 613 і 26ПЛ проекту 611 з дизелями марки 37Д. У подальшому дизелі 37Д застосовуються і на інших проектах ПЛ (633, 641 і 629).

На замовлення ВМФ на початку 60-х років Коломенський завод розробив два нових чотиритактних дизеля для підводних човнів потужністю в надводному положенні 2000л.с. - 42Д і 4000 к.с. - 43д. Ці дизелі мають підвищений газотурбінний наддув і пристосовані для роботи в режимі РДП при протитиску на випуску до 5м.вод.ст. До того ж дизель 43д оснащений оригінальною системою регульованого наддуву шляхом безперервного і одночасного зміни проточних частин компресора і газової турбіни в залежності від частоти обертання колінчастого вала і величини протитиску.

На торпедної ПЛ проекту 877 нового покоління з нормальним водотоннажністю 2500т застосована одновальний ЕУ по дизель-генераторної схемою з повним електродвіженіем на всіх режимах ходу. На ній встановлюються два дизель-генератора марки ЗОДГ потужністю по 1500Квт, один головний гребний електродвигун потужністю 5500л.с., Один електродвигун економічного ходу потужністю 130к та два електродвигуни резервного руху по 102к побортно з резервними лініями валу. Завдяки такої комбінованої установки досягнуті прийнятна потужність і повна підводний швидкість.

Деякі технічні показники човнових дизелів і дизель-генераторів повоєнної будівлі представлені в табл.2. Стійка і економічна робота дизелів в умовах значного протитиску в вихлопному колекторі (3-5м.вод.ст.) Забезпечується підтримкою високого тиску повітря в ресіверах, для чого у двотактного дизеля 37Д застосований приводний роторний компресор, а у чотиритактних двигунів 42Д, 43д і ЗОДГ встановлені турбокомпресори з високим ККД.

Таблиця 2

Технічні показники човнових дизелів повоєнної будівлі

Дизелі Коломенського заводу відрізняються оригінальністю компонування, високої форсировкой робочого процесу, унікальними системами повітропостачання, низькими витратами палива, високими показниками надійності і передовими технологіями виробництва. У 1971р. групі фахівців заводу була присуджена Державна премія СРСР за створення і організацію виробництва човнових двигунів марок 42Д і 43д.

Особливим напрямком у розвитку дизельних енергетичних установок підводних човнів є пошук принципово нових схем систем і засобів, що забезпечують їх тривалу і ефективну роботу в підводному положенні на хімічному паливі без доступу атмосферного повітря. Дослідження з цієї проблеми почалися в Радянському Союзі ще в 30-і роки і тривали в післявоєнний період. Теоретично і експериментально були досліджені такі енергетичні установки ПЛ з єдиним двигуном (дизелем):

установка Редо (автор С. А. Базилевський), в якій у замкнутий контур подавалося необхідну кількість газоподібного кисню (з цистерни запасу рідкого кисню), а надмірний вуглекислий газ віддалявся з контуру в балони;

установка ИВР (автор Б. Д. Злотопольскій), в якій надмірний вуглекислий газ віддалявся із замкнутого контуру не в балони, а в спеціальну абсорбційну колону, де розчинявся в прокачується забортної воді;

установка ЕДВВД (головний конструктор І. П. Янкевич), в якій надмірний вуглекислий газ віддалявся із замкнутого контуру через отвори в маточині гребного гвинта в насадку, де він змішувався з забортної водою і розчинявся в ній. У подальшому ця установка була значно вдосконалена шляхом відпрацювання принципово нової системи видалення надлишкової вуглекислоти з замкнутого контуру з поверненням залишкового кисню в цикл (автори Ю. М. Чекалов і Г. Х. баракану).

Однак найбільш успішно просунулися НДДКР по замкнутому циклу з умовним позначенням ЕДХПІ - єдиний двигун з хімічним поглиначем вапняним. У цьому циклі витрачений на горіння кисень поповнюється з кисневою цистерни, а що утворилася двоокис вуглецю поглинається спеціальним твердим хімічною речовиною. Після тривалих доводочних робіт на експериментальних підводних човнах була спроектована і побудована серія трехвальной торпедних ПЛ проекту 615А (більше 25 одиниць), що ввійшли до складу ВМФ в 50-і роки. Енергетична установка їх складалася з двох бортових дизелів М-50П потужністю 700 к.с. кожен і одного середнього дизеля 32Д потужністю 700л.с. (Потужності вказані для умов роботи на штучній газової суміші). Середній дизель з великим моторесурсом був маршовим, а високооборотні бортові - прискорювальних. Запаси рідкого кисню становили 8,6 т, а хімічного поглинача 14,4 т. Повна підводний швидкість при роботі всіх дизелів становила понад 15уз., При цьому забезпечувалася дальність плавання в 56міль.

У 1954-1955рр. під керівництвом головного конструктора А. С. Кассаціера був виконаний технічний проект дослідної ПЛ (проект 637) з єдиним двигуном (дизелем), що працює за схемою ОД ХПІ, але з використанням нового типу окислювача - надперекісі натрію (продукт Б-2). Розрахунки показали, що дальність плавання ПЛ з такою енергетичною установкою і повної підводного швидкістю в порівнянні з ПЛ проекту 615А збільшувалася на 30%. Проте на будівництво дослідної ПЛ проекту 637, як і інші напрямки по створенню анаеробних ЕУ, в тому числі і парогазотурбінних, були припинені у зв'язку зі створенням атомних енергетичних установок для підводних човнів.

Використовуючи позитивний досвід застосування дизелів на торгових судах і ПЛ "мінога", в 1910р. в Росії були побудовані перші в світі дизельні надводні кораблі - двохвальним канонерські човна "Каре" та "Ардаган" водотоннажністю 623т з двома реверсивними дизелями потужністю по 500к Повна швидкість цих човнів становила 14уз. У 1911р. ці кораблі увійшли до складу Каспійської флотилії. Після канонерських човнів для Амурської флотилії у 1910р. було побудовано 8 річкових моніторів типу "Шквал" водотоннажністю 946т з чотирма реверсивними дизелями по 250к на вал. Проектна повна швидкість становила 11уз., Дальність плавання з максимальним запасом палива-3000міль.

У 1915р. стало до ладу рятувальне судно-теплохід "Волхов" (більш відома під ім'ям "Комуна") водотоннажністю 2400т, призначений для підйому затонулих підводних човнів.

Основними постачальниками дизелів для надводних кораблів Росії в дореволюційний період були завод Л. Нобеля і Коломенський завод.

У 1932р. розпочато будівництво базових тральщиків типу "Трал" з дизельними головними двигунами на Севастопольському заводі, а в 1934р. до їх будівництва була залучена Північна суднобудівна верф у м. Ленінграді. Перші тральщики увійшли до складу флоту в 1937р. Головна енергетична установка цих тральщиків складалася з двох дизелів марки 42БМРН6 потужністю 1500л.с. кожен, розташованих у двох машинних відділеннях. При нормальному водотоннажність 430т тральщик розвивав повну швидкість 18уз. У довоєнний час було побудовано 39 таких тральщиків. Дизель 42БМРН6 створювався на Коломенському заводі. Це був модернізований варіант човнового дизеля 42БМ6 (див. табл.1), на якому застосований газотурбінний наддування за системою Бюхі.

Для дії у складі вітчизняних річкових флотилій в довоєнний період було побудовано ряд річкових моніторів з дизельними енергетичними установками типу: "Ударний", "Хасан", "Железняков". Монітори типу "Хасан" мали четирехвальний ЕУ з дизелями потужністю 900л.с. на кожному валу. Повна швидкість їх становила 11,3 уз. Це були найпотужніші з озброєння вітчизняні річкові монітори.

Бойові катери з дизельними ЕУ з'явилися тільки на початку 40-х років, коли був створений легкий V-образний дизель потужністю 1000л.с. з частотою обертання 1700об/мін марки М-50. Кілька зразків двигунів М-50 пройшли дослідну експлуатацію на катерах в ході Великої Вітчизняної війни, однак серійне виробництво їх розгорнулося лише в післявоєнний період.

Післявоєнний період характеризується проведенням важливих НДДКР зі створення нових дизелів високотехнічного рівня для застосування у складі головних енергетичних установок надводних кораблів. Найбільші успіхи в цій справі були досягнуті заводами "Російський дизель" і "Зірка".

У 1948р. на заводі "Російський дизель" почалося створення двотактного дизеля з протилежно рухомими поршнями марки 47А-16 потужністю 6000л.с. Починаючи з 1961р. дизелі розмірності 23/2х30 почали серійно випускатися під новими позначеннями "58" (4500л.с.), "61" (6000л.с.) та "68Б" (8000л.с.). Ці дизелі по своїм перспективним конструкторським рішенням і досягнутим технічним параметрам виявилися на рівні світових зразків. За великі заслуги щодо створення дизелів "61" групі фахівців заводу присуджено Державну премію СРСР.

У 1945р. заводу "Зірка" доручені роботи по доведенню і освоєння виробництва дизеля М-50, перервані війною. Дизель був необхідний для установки на бойові катери замість застосовувалися до цього бензинових двигунів, що мали підвищену вибухопожежонебезпеки. Вже в 1947р. розпочато серійне виробництво цього дизеля, а до кінця 1948р. флоту було поставлено 100 двигунів М-50. У 1948р. групі фахівців заводу була присуджена Державна премія СРСР за докорінне удосконалення двигунів М-50 для бойових кораблів і впровадження їх в суднобудування. Надалі дизель типу М-50 (12ЧН18/20) отримав досить широке застосування в багатьох галузях народного господарства (суднобудування, тепловозобудування, дизельні електростанції і т.д.). В даний час сімейство дизелів М-50 налічує більше 120 модифікацій.

Вже на початку 50-х років творці нових проектів військових кораблів поставили перед заводом "Зірка" нове завдання: створити легкий дизель агрегатної потужністю не менш 4000л.с., Для чого в 1953р. було організовано дослідне конструкторське бюро, головним конструктором якого призначили В. М. Яковлєва. Вже у 1956р. дизель М-503 потужністю 4000л.с. при частоті обертання 2200об/мін був поставлений на міжвідомчі випробування, а в 1958 р. почався його серійний випуск. Паралельно з підготовкою серійного виробництва дизелів М-503 велася розробка більш потужного дизеля М-504 потужністю 5000л.с., Серійний випуск якого почався в 1960р. У 1965р. за створення та освоєння серійного виробництва дизелів М-503 і М-504 групі фахівців заводу була присуджена Ленінська премія.

Бурхливий розвиток вітчизняного кораблебудування зажадало від дізелестроітелей подальшого збільшення агрегатних потужностей дизелів. Для вирішення цього завдання на заводі "Зірка" велися інтенсивні роботи зі створення агрегату потужністю 10000л.с. У 1967р. такий дизель-редукторний агрегат (ДРА) марки М-507 був виставлений на міжвідомчі випробування, а в 1968р. почалося його серійне виробництво. До теперішнього часу загальна кількість модифікацій дизелів сімейства М-500 перевищує 20. З технічних показників, представлених у табл. 3, видно, що за масогабаритні показниками вони і сьогодні не мають конкурентів.

Таблиця 3

Технічні показники дизелів повоєнної будівлі для надводних кораблів

На базі зазначених вище типів дизелів в післявоєнний період був створений ряд оригінальних проектів надводних кораблів з дизельною енергетикою: торпедних і ракетних катерів, малих ракетних кораблів, протичовнових кораблів і тральщиків.

Установка дизелів в якості головних двигунів на відносно великих за водотоннажністю бойових кораблях, зокрема на десантних кораблях океанської зони, стало новим напрямом у вітчизняному кораблебудуванні.

Прикладом такого корабля є корабель проекту 1171, що має повну водотоннажність 4000т. Енергетична установка цього корабля дизельна, двухвальная з двома дизелями марки "58" потужністю по 4500л.с. кожен. Дизельні ЕУ застосовуються і на середніх десантних кораблях морської зони (проект 188).

Значне застосування знаходять дизельні енергетичні установки на кораблях і суднах забезпечення (морські танкери, рятувальники, плавучі судна, судна розмагнічування та ін.)

Необхідно відзначити, що в повоєнний період, у зв'язку з необхідністю значного покращення тактико-технічних характеристик кораблів, вимоги до корабельних дизелів безперервно ускладнювалися і посилювалися. Поряд з вимогами загального порядку, що визначають основні характеристики дизеля і його конструкцію, до корабельних дизелів додатково пред'являється ряд спеціальних вимог:

по стійкості проти ударних струсів, повітряних і підводних ударних хвиль;

по допустимих магнітним і віброакустичним характеристиками;

за умовами роботи при значних розрядження на впуску і протитиску на випуску та ін

Тому створення сучасних корабельних дизелів вимагає виконання складних науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт. Фундаментальні наукові дослідження в області дизелебудування виконані в Центральному інституті авіаційного моторобудування (ЦІАМ), Науково-дослідному інституті дизелебудування (НІІД), Центральному науково-дослідному дизельному інституті (ЦНІДІ), Московському вищому технічному училищі (МВТУ) ім. Н. Е. Баумана, Ленінградському політехнічному інституті (ЛПІ), Ленінградському кораблебудівному інституті (ЛКІ) та інших науково-дослідних і навчальних закладах. Зокрема, багаторічні дослідження з відпрацювання робочого процесу, що проводилися в ЦІАМ і НІІД, сприяли суттєвому прискоренню створення легких швидкохідних дизелів типів М-50, М-503 і М-504 (завод "Зірка"), а також човнових дизелів 42Д і 43д ( Коломенський завод). Велике творчу участь у створенні дизелів типу "58", "61" і "68" (завод "Російський дизель") брали співробітники ЦНІДІ.

Проте основна, визначальна роль у проектуванні, будівництві дослідних зразків, їх конструктивної та теплотехнічної доведенні, організації серійного виробництва нових дизелів належить авторам проектів - дізелестроітельним заводам. Їм, за сприяння наукових організацій, доводиться вирішувати складні науково-технічні проблеми, головними з яких є: підвищення потужності в одному агрегаті; зниження питомих витрат палива і масла; підвищення показників надійності (безвідмовності, довговічності, ремонтопридатності і зберігання); зниження масогабаритних показників; автоматизація та дистанційне управління дизелями та ін Вітчизняними заводами спроектовані і побудовані корабельні дизелі з наступними технічними показниками:

- Двотактний дизель з прямоточно-клапанної продувкою (37Д) і двотактний дизель з протилежно рухомими поршнями ("58", "61" і "68");

- З рядною компоновкою (37L і 42L), з дворядною компонуванням ("58", "61", "68" і 43д), V-подібною компонуванням (М-50), із зіркоподібною компонуванням (М-503, М-504 );

- З числом циліндрів в агрегаті від 6 до 56;

- З частотою обертання колінчастого вала від 500 до 2200об/мін;

- З системами повітропостачання: приводний відцентровий компресор, приводний роторний компресор, вільний турбокомпресор, двоступінчастий вільний турбонаддув і ін

З наведеного вище переліку видно, що вітчизняними заводами в значній мірі освоєні всі сучасні технічні рішення в області дизелебудування.

Сучасний корабельний дизель являє собою складний комплекс механізмів і агрегатів. У його конструкції, що складається з більш 4000деталей, перебувають розвинені системи повітропостачання, газовипускним, охолодження, робітники і приводні механізми, допоміжне навішеній і установче обладнання. У створенні дизелів бере участь величезна кількість фахівців різного профілю, але провідна роль належить колективам конструкторів дизельних заводів зі створення дизелів високого технічного рівня для енергетичних установок кораблів ВМФ. Центральними фігурами цих колективів у післявоєнний період були головні конструктори: С. А. Абрамов, П. М. Мерліс та Є. А. Нікітін (Коломенський завод); В. А. Константинов і А. А. Хромцов (завод "Російський дизель" ); В. М. Яковлєв, Н. П. Петров і В. П. Байков (завод "Зірка").

За видатні успіхи у створенні нових корабельних дизелів головним конструкторам В. М. Яковлєву і П. М. Мерлісу було присвоєно звання Героя Соціалістичної Праці.

Особливим підтвердженням великих науково-технічних і виробничих досягнень в області дизелебудування є присудження Державних премій найбільш схильним конструкторам і виробничникам дізелестроітельних заводів: на Коломенському заводі - тричі (1946, 1971 і 1989рр.); На заводі "Зірка" - двічі (1948 і 1965гг. ); на заводі "Російський дизель" - в 1968р.

У процесі проектування, доводки і випробувань корабельних дизелів активну участь брали співробітники 1-го ЦНДІ МО, військові моряки. Їхній творчий праця відзначена також присудженням Державної премії СРСР. У різні роки лауреатами стали О. Є. Кузаєв, А. Ф. Махарадзе, Г. І. Аграчев, Ю. Я. Яковлєв, А. А. Ріхтер. У 1965р. М. П. Захарович удостоєний звання лауреата Ленінської премії за участь у створенні двигунів М-503 і М-504.