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
В начале XIX в. 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 XIX в. была успешно решена, и первый отечественный пароход с паросиловой установкой был построен в 1815 г. В качестве генераторов паровой энергии для первых установок использовались огнетрубные котлы, которые имели рабочее давление пара около 1 кгс/см2 (0,1 МПа). К началу XX в. 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 1890 г. на эскадренном миноносце "Роченсальм". Рабочее давление пара в котлах этого корабля было 13 кгс/см2 (1,3 МПа).
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 2-2,5 м по конструктивным и технологическим причинам. Предельная мощность судовой паровой машины составляла не более 20000 л.с.
Период строительства военных кораблей с 1907 г. 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 15 т/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 17 кгс/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 1910 г. внедрением нефтяного отопления котлов на эскадренных миноносцах типа "Новик".
Таким образом, к 1910 г. 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 20 кгс/см2, температурой 313 °С, а также с высокооборотными турбинами с зубчатой передачей.
В соответствии с этой концепцией до 1941 г. 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 1930 г. 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 630 об/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 1946-1952 гг. 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 64 кгс/см2 и температуры перегрева до 470 °С. С целью увеличения теплонапряжения топочного объема в котлах были применены подача воздуха в топку с давлением 900-1100 мм.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 ЦНИИ МО 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 45000 л.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 ЦНИИ МО 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 50000 л.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 ЦНИИ МО 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.
Важное
