Статья military_surgeon из архива Navygaming, №3(7)/2014
Вторая половина XIX и начало XX века – удивительное время. Технический прогресс менял мир вокруг. Время великих изобретателей и не менее великих изобретений. Многие удивительные идеи обретали жизнь. Этот процесс не обошел стороной и кораблестроение. В этой статье предлагаем вспомнить, как этот процесс повлиял на двигательные установки боевых кораблей. И мир услышал мерное пение турбин…
Что представляли собой двигательные установки кораблей до этого момента? Силовая установка корабля состоит из двух отдельных компонентов: парового источника энергии, представляющего собой один или несколько паровых котлов, в которых производится пар, и двигателя корабля, где энергия пара преобразуется в механическую энергию, которая вращает вал гребного винта или гребного колеса.
На ранних этапах развития котлы были крайне элементарными, цилиндрическими по форме, и изготовлялись из медных и железных листов, что допускало использование пара очень низкого давления (около 0,5 кг/кв.см). В дальнейшем паровые машины значительно модернизировались. Появились огнетрубные и водотрубные котлы, работающие при высоком давлении. Двигатели также совершенствовались: появились машины двойного, тройного расширения.
Из горизонтальных машины стали вертикальными. Для экономии места и топлива на один вал винта устанавливали несколько двигателей. Все эти изменения по сути своей имели одну цель – увеличение эффективности работы двигателя (т.е. КПД). И вот настал момент, когда для дальнейшего развития требовался новый способ получения механической энергии. Такой способ дали турбины, но путь этот не был кратким и проходил в несколько этапов.
Первую паровую турбину создал шведский изобретатель Густаф Лаваль. По легенде он создавал скоростной привод для молочного сепаратора, а получилась турбина. Однако сепаратор также работал. В 1889 году Лаваль дополнил сопла турбины коническими расширителями, так появилось знаменитое сопло Лаваля, которое стало прародителем будущих ракетных сопел.
В 1884 г. англичанин Чарлз Алджернон Парсонс (1854-1931) изобрел первый пригодный для промышленного применения турбогенератор. Парсонс смог грамотно использовать опыт многих предшествующих исследователей и дополнить его своими оригинальными разработками.
В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания окружного усилия на роторе, известных с давних времен, - реактивный и активный. Еще в 130 г. до н.э. Герон Александрийский изобрел устройство под названием «эолипил». Оно представляло собой наполнявшуюся паром полую сферу с двумя Г-образными соплами, расположенными с противоположных сторон и направленными в разные стороны. Пар вытекал из сопел с большой скоростью, и за счет возникающих сил реакции сфера начинала вращаться.
Второй принцип основан на преобразовании потенциальной энергии пара в кинетическую, которая совершает полезную работу. Его можно проиллюстрировать на примере машины Джованни Бранки, построенной в 1629 г. В этой машине струя пара приводила в движение колесо с лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы.
В паровой турбине используются оба указанных принципа. Струя пара под высоким давлением направляется на криволинейные лопатки (подобные лопастям вентилятора), насаженные на диск. При обтекании лопаток струя отклоняется, и диск с лопатками начинает вращаться. Между лопатками пар расширяется и ускоряет свое движение — в результате энергия давления пара переходит в кинетическую энергию.
Парсонс создал принципиально новую конструкцию турбины. Она отличалась меньшей скоростью вращения, и в то же время в ней максимально использовалась энергия пара. Это достигалось за счет того, что в турбине Парсонса пар расширялся постепенно по мере прохождения через 15 ступеней, каждая из которых представляла собой пару венцов лопаток: один неподвижный (с направляющими лопатками, закрепленными на корпусе турбины), а другой подвижный (с рабочими лопатками на диске, насаженном на вращающийся вал). Лопатки неподвижных и подвижных венцов были ориентированы в противоположных направлениях, т.е. так, что если бы оба венца были подвижными, то пар заставлял бы их вращаться в разные стороны.
Другим изобретением стал новый тип подшипника, предназначенного специально для быстро вращающегося вала. Хотя Парсонсу и удалось снизить скорость вращения турбины, она все же оставалась раз в десять выше, чем у других двигателей. Поэтому изобретателю пришлось столкнуться с явлением, известным как «биение вала». Уже в ту пору было известно, что каждый вал имеет свою характерную критическую скорость вращения, при которой даже небольшой разбаланс создает значительное изгибающее усилие. Выяснилось, что критическая скорость вращения связана с собственной частотой поперечных вибраций вала (на этой частоте вал начинает резонировать и разрушаться). Парсонс и де Лаваль независимо друг от друга обнаружили, что на скоростях, больших критической, вал вращается устойчиво.
Несмотря на это, небольшой разбаланс все-таки приводил к отклонению вала от положения равновесия. Поэтому для того, чтобы избежать повреждения вала, его следовало устанавливать в подшипниках, которые допускали бы его небольшие боковые смещения.
Проблема снижения скорости вращения вала вызвала к жизни и другие изобретения. Скорости были настолько высоки, что решить эту проблему с помощью существовавших тогда передаточных механизмов (например, зубчатых) было нельзя. Невозможно было использовать и простой центробежный регулятор, нашедший применение на паровых машинах более ранних конструкций: шары регулятора были бы просто оторваны центробежной силой. Парсонс разработал совершенно новый тип регулятора. На валу турбины он поместил центробежный вентилятор, соединенный с системой трубок, в которых находился воздух. Вращающийся вентилятор отсасывал воздух из трубок, создавая в них разрежение. На это разрежение реагировала кожаная диафрагма, расположенная с другой стороны системы трубок и соединенная с управляющим клапаном, который контролировал подачу пара в турбину. Если скорость вращения турбины увеличивалась, разрежение воздуха в трубках росло и диафрагма выгибалась сильнее; в результате клапан, соединенный с диафрагмой, уменьшал подачу пара в турбину и ее вращение замедлялось. Также были разработаны механизм точной регулировки, система смазки подшипников на валу, муфта для устранения утечек пара в зазорах между валом и корпусом турбины.
Следующим был американец Гленн Кертис (1879—1954). С 1900 г. известная компания «Вестингауз» начала выпуск турбин новой системы, предложенной этим изобретателем. В его машине скорость вращения турбины была ниже, а энергия пара использовалась полнее. Поэтому турбины Кертиса отличались меньшими размерами и более надёжной конструкцией. Кертис в своей турбине направил пар, отработавший в первом ряду лопаток, на второй ряд рабочих лопаток, сидящих на том же самом диске и таким образом, разлагая его энергию последовательно на два и на три ряда рабочих лопаток, создал ступени скорости. Ступени скорости понизили число оборотов турбины и сделали для турбины Лаваля ненужной зубчатую передачу.
Ну, а теперь поговорим о применении вышеупомянутых турбин в кораблестроении. Кроме изобретательского таланта, Парсонс имел талант найти практическое применение своим трудам. И именно ему мы обязаны появлением первого корабля с паровой турбиной.
Уже в 1894 г. стационарные турбины Парсонса по экономичности не уступали паровым машинам. В этом же году изобретатель предложил английскому Адмиралтейству применить паровую турбину на корабле и высказал уверенность, что на турбинном эсминце можно достигнуть скорости в 37 узлов. Такой аванс не мог оставить равнодушными даже чопорных лордов Адмиралтейства. В 1897 г. был построен опытный миноносец водоизмещением 44,5 т с турбинной установкой мощностью 2000 л.с, символически названный «Турбинией». На испытаниях корабль смог развить скорость в... 19,7 узлов! Причину установили довольно быстро - кавитация, сопровождавшаяся резким падением КПД винта. При энергичном участии Парсонса началась серия экспериментов. Заимствуя опыт «Дэринга», начали заменять гребные винты.
Было опробовано десять различных вариантов винтов, но безуспешно. Тогда было принято беспрецедентное решение: применить на корабле трехвальную энергетическую установку с приводом каждого вала от своей турбины, расположив на каждом валу последовательно один за другим три винта. При этом число оборотов турбины было снижено примерно до 2000 об/мин. Пришлось полностью заменить кормовую оконечность миноносца и практически реконструировать энергетическую установку. Однако потеря времени и средств была полностью компенсирована: на первом же выходе корабль развил 32,8 узла. Путем увеличения мощности установки до 2400 л. с. и отдельных конструктивных улучшений скорость «Турбинии» была доведена до 34,5 узлов. В 1897 г. первый турбинный корабль демострировался на Парижской всемирной выставке; под гром аплодисментов тысячной толпы он промчался по Сене.
В том же году на торжественном смотре английского флота, устроенном по случаю 75-летия королевы Виктории, «Турбиния» с Парсоном в качестве машиниста, нарушив сценарий церемониала, пронеслась перед строем кораблей. На перехват нарушителя был послан сторожевой корабль, но безрезультатно.
Согласитесь, такая пиар-акция должна была серьезно повлиять на Адмиралтейство. И оно, стремясь не упустить из рук жар-птицу, заказало в 1898 г. разным фирмам два турбинных эсминца: «Вайпер» и «Кобра». Контракт предусматривал скорость полного хода 31,5 узла при водоизмещении, ограниченном 375 т. В 1900 г. эсминцы были построены.
Первый же выход «Вайпера» на испытания оказался триумфальным. При водоизмещении 370 т и мощности установки 10 тыс. л. с. он развил 36,5 узлов, превысив на 5 узлов контрактную скорость. «Кобра» водоизмещением 390 т показала 35,9 узла и сразу была куплена Адмиралтейством. Однако недолго раздавались аплодисменты в адрес чудо-кораблей. В августе 1901 г. во время учений «Вайпер» сел на камни, и его корпус подозрительно быстро разрушился в районе мидель-шпангоута. Прошло около месяца.
Не успели утихнуть страсти и споры о причине гибели эсминца, как еще более тяжелая катастрофа постигла «Кобру»: корабль на полном ходу разорвался надвое и в считанные мгновения затонул вместе с 67 членами экипажа. Проведенное позже расследование показало, что в стремлении обогнать друг друга и получить выгодный заказ на турбинные корабли конкурирующие фирмы чрезмерно облегчили корпуса кораблей в ущерб прочности. Это на определенный период времени задержало развитие турбинных кораблей.
Между тем адмирал Фишер, ставший к этому времени первым лордом Адмиралтейства, не успокоился и предпринял ряд энергичных мер по реабилитации турбинных кораблей. В качестве главного аргумента Фишер ссылался на то, что во Франции и Германии строят эсминцы со скоростью 30 узлов и более. Позиция Фишера в значительной степени была подкреплена успешными испытаниями двух английских турбинных эсминцев.
Один из них, «Эден», вместо 26 узлов по контракту показал скорость около 30 узлов, а другой..., но прежде чем рассказать об эсминце «Велокс», нужно сделать небольшое отступление.
Получив в свое распоряжение мощные энергетические установки, кораблестроители относительно быстро добились увеличения скорости кораблей почти в два раза и продолжали развивать успех. В то же время достижения в дальности плавания были гораздо скромнее. Конечно, с повышением экономичности энергетических установок дальность плавания возрастала, однако не теми темпами, каких требовала тактика войны на море: морские сражения будущего виделись не вблизи берегов и баз снабжения, а в открытых морях и океанах, куда нужно не только дойти, но выполнить задачу и вернуться затем к месту базирования.
Увеличить дальность плавания принципиально можно двумя способами: погрузить на борт корабля больше топлива или снизить его удельный расход. Первый путь наиболее прост и неприемлем: не изменив водоизмещение корабля, можно разместить на нем добавочный запас топлива только за счет других статей нагрузки, а, значит, за счет ослабления боевых средств, ухудшения мореходных или иных качеств.
Наиболее эффективный, но сложный путь - снижение удельного расхода топлива. Снизить удельный расход можно за счет повышения удельной теплоты сгорания (калорийности) топлива или за счет увеличения экономичности энергетической установки. Повышение калорийности - задача проблематичная. В течение более полутора столетий все, что было достигнуто в этом направлении, - это переход от угля с удельной теплотой сгорания около 29 МДж/кг на нефть с удельной теплотой сгорания около 46 МДж/кг.
Что же касается экономичности установки, то паровая турбина проблему не решала, а на первых порах даже усугубляла ее сложность. При небольших по отношению к скорости полного хода скоростях турбинные энергетические установки уступали паромашинным в экономичности, но ведь именно в диапазоне небольших скоростей, как мы знаем, обеспечивается наибольшая дальность плавания корабля. Эта специфика поршневого и турбинного паровых двигателей и была использована на английском эсминце «Велокс», построенном в 1902 г. В четырехвальной энергетической установке корабля были одновременно применены паровые машины и турбины.
Крайние валы приводились во вращение турбинами, а на два средних работали паровые машины. На больших скоростях, вплоть до скорости полного хода, работали турбины, а на скорости порядка 11-12 узлов и меньше - паровые машины. Допускалась одновременная и раздельная работа турбин и машин. При контрактной скорости, как и у «Эдена», 26 узлов «Велокс» развил на испытаниях 33,6 узла, оправдав тем самым свое название: по-английски «velox» - «быстрый». Но не скоростью был примечателен этот корабль. «Велокс» вошел в историю как один из первых кораблей с комбинированными энергетическими установками.
Первым крейсером с турбинами стал британец типа «Топаз» - «Аметист». Он развивал мощность 12000 л. с. и разгонялся до 23 узлов, и хотя максимальная дальность на ходу 10 узлов была ниже, силовая установка была более эффективна на высокой скорости, и по сравнению с систершипами, дальность на ходу 20 узлов была на 1000 морских миль больше. Дальше пришло время турбин на линкорах. И не удивительно, что первым линкором с турбинным двигателем стал знаменитый «Дредноут». На момент проектирования только два или три миноносца были оборудованы в качестве эксперимента турбинами, и "малый" крейсер (бронепалубный крейсер 3 класса) «Аметист» (тип "Топаз"/"Джем") был еще в стадии строительства, когда Комитет Проектирования собрался, чтобы обсудить этот вопрос.
Члены Комитета сравнивали турбины с паровыми машинами, но сэр Чарльз Парсонс смог убедить, что его энергетическая установка удовлетворяет всем требованиям. Турбины работали на четыре вала, внутренние валы были установлены близко к рулям, так чтобы поток воды омывал их и усиливал поворотный момент. Турбины Парсонса были такой же эпохальной отличительной чертой «Дредноута», как и орудия большого калибра. Установка Парсонса способствовала экономии веса и сокращению числа работающих механизмов, что приводило к уменьшению количества поломок. Плавная работа турбинной установки и легкость ее обслуживания, экономия угля на высокой скорости и малое количество обслуживающего ее личного состава, лучшая защита энергетической установки, которая размещалась ниже в корпусе, – все эти преимущества избавляли от большинства недостатков поршневой энергетической установки. На корабле турбины высокого давления установили на наружных валах, низкого - на внутренних. На последних, помимо этого, были смонтированы турбины крейсерского хода. В соответствии с принятой схемой использования пара, он сначала поступал в турбины высокого давления, затем – в турбины низкого давления (или крейсерские турбины) и, наконец, в конденсатор.
Трудность в обеспечении достаточной мощностью при остановке и быстром маневрировании была устранена путем совмещения на каждом из валов турбин переднего и заднего хода. Таким образом, все четыре вала могли использоваться экономично во время движения кормой с пропорциональной мощностью, что было продемонстрировано на испытаниях крейсера «Аметист» и эсминца «Эден». Полная мощность 23000 л.с. была достигнута при 320 об/мин, а максимальная мощность на испытаниях (26 350 л.с.) – при 328 об/мин, что обеспечило ход 21,6 узла. Такие показатели намного больше, чем при работе поршневых машин. Гребные винты турбин должны были быть сравнительно небольшого диаметра, чтобы избежать чрезмерной нагрузки на концах лопастей. Новая энергетическая установка позволила значительно сэкономить вес. Турбины, валы, гребные винты и вспомогательное оборудование весили только 1990 тонн – на 190 тонн больше, чем на «Кинге Эдварде», при том, что мощность увеличивалась на 5000 номинальных л.с. и 730 л.с. максимальных. Надежность турбинной установки была продемонстрирована во время возвращения из Вест-Индии (7 000 миль) после месячного плавания и проверочных испытаний, когда корабль шел при средней скорости 17,5 узлов без поломок энергетической установки. Сравним с переходом второй крейсерской эскадры из Нью-Йорка в Гибралтар в ноябре 1905 г., когда из шести кораблей только «Дрэйк», «Бервик» и «Кумберленд» шли со скоростью 18,5 уз, закончив плавание с пустыми бункерами и машинами, требующими значительного ремонта.
Вслед за Англией паровая турбина получила признание во флотах других стран, хотя и небезоговорочно. Когда на французском миноносце № 243 водоизмещением 92 тонны паровую машину заменили турбиной той же мощности, корабль смог развить лишь 21 узел, в то время как до замены двигателя показывал 24 узла.
Но кораблестроители не поддались гипнозу цифр и нашли подлинную причину неудачи: на корабле, спроектированном под паровую машину, был применен турбинный двигатель. Естественно, что при этом конструкторам пришлось думать не столько об эффективных технических решениях, сколько о том, как осуществить замену. Все стало на свои места, когда был построен и испытан миноносец № 293 водоизмещением 94 тонны, специально спроектированный под турбинную установку. Корабль показал 27 узлов, превысив контрактную скорость более чем на 2 узла. Во Франции исследование возможностей корабельных комбинированных установок было поставлено на широкую экспериментальную основу. Для этой цели были построены три однотипных миноносца водоизмещением около 450 тонн и оснащены различными энергетическими установками: «Карабинер» - паромашинной, «Шассёр» - паротурбинной и «Вальтижер» - комбинированной, состоящей из паровой машины и турбины.
С 1903 г. к строительству турбинных кораблей приступила Германия. С целью задержать распространение турбинных установок во флотах других стран немцы широко использовали дезинформацию. Немецкая пресса 1905—1906 гг. систематически помещала материалы, компрометирующие применение турбин в кораблестроении, не брезгуя при этом вымышленными данными, вроде того, что экономичность паротурбинных установок в 2-2,5 раза ниже, чем паромашинных.
В то же время из 36 немецких эсминцев, вступивших в строй в 1904-1907 гг., половина была оснащена турбинными установками. Крейсера типа «Дрезден», спроектированные в 1905-1906 гг., являлись одной из модификаций крейсера «Бремен» для отработки оптимальной силовой установки. На «Дрездене» были установлены 4 паровые турбины Парсонса, вращавшие 4 гребных вала.
Выжидательную позицию в отношении турбинного двигателя заняло русское морское министерство. В России первым турбинным кораблем стал миноносец «Ласточка», с трехвальной комбинированной установкой. На бортовые валы работали турбины, а на средний вал - паровая машина экономического хода. Бывшее английское опытное турбинное судно «Каролина», построенное в 1903-1905 гг. на судоверфи «Yarrow & Co» в Глазго (Англия) по типу М., 21 мая 1905 приобретено Морведом для обучения специалистов и производства опытов с турбинными установками и зачислено в состав Балтийского Флота. Первым серийным эсминцем с турбинной установкой в России стал знаменитый «Новик», крейсером - крейсера типа «Светлана», а линкором - «Гангут».
В США строительство турбинных кораблей началось в 1907 году. Первыми кораблями стали легкие крейсера типа «Честер». USS «Честер» (CL-1) получил 4 турбины Парсонса (23000 л.с. – 26,52 узла), а USS «Салем» (CL-3) 2 турбины Кертиса (22242 л.с. - 25,95 узла). Причем USS «Бигмингем» (CL-2) получил 2 вертикальные паровые машины тройного расширения (15670 л.с. - 24,33 узла). Первыми турбинными эсминцами у американцев стали эсминцы типа «Смит». Первым линкором с турбинной установкой в США стал линкор «Норт Дакота» типа «Делавэр». На «Норт Дакоте», впервые для линкоров США, была установлена двухвальная установка с паровыми турбинами Кертиса. На испытаниях линкор развил мощность в 31 635 л. с., достигнув скорости в 21,01 узла. Хотя и ожидалось, что экономичность паровых турбин будет хуже, но реальность превысила самые худшие опасения. На 10-узловой скорости дальность плавания составила 6560 миль. Этого не хватало на переход без дозаправки даже до Филиппин, что было одним из требований к проектантам. Ситуация была улучшена только в 1917 году после установки более экономичных турбин Парсонса. Мощность достигла 33 875 л. с., что обеспечило максимальную скорость в 21,83 узла.
В Японии первым кораблем с паровыми турбинами стал броненосный крейсер «Ибуки». Первыми линкорами - «Кавачи» и «Сетцу».
Таким образом, паровые турбины в кораблестроении стали использоваться практически всеми странами и на всех типах кораблей за небольшой период времени. Способствовали дальнейшему развитию кораблестроения и появлению множества прекрасных кораблей.
Интересно, что британцам удалось сохранить первый корабль с турбинными двигателями, "Турбиния" находится в музее Ньюкасла.
Преимущества турбин были ярко описаны адмиралом Бэйконом: «Когда военный корабль, оборудованный поршневыми паровыми машинами, шел под парами на полной скорости, машинное отделение было всегда болотом. Вода покрывала доски пола и плескалась почти везде. Офицеры надевали непромокаемую одежду, чтобы не промокнуть до нитки. Вода нужна была, чтобы сохранить прохладу. Более того, шум был оглушительный; настолько, что телефоны были бесполезны и даже переговорные трубы имели сомнительную ценность. На «Дредноуте», когда он шел на полной скорости, можно было определить, что двигатели работали, только взглянув на измерительные приборы. Все машинное отделение было настолько чистым и сухим, как будто корабль стоял на якоре, и не слышно было даже слабого жужжания».
Статья military_surgeon из архива Navygaming, №3(7)/2014.
Источники: Крейсеры. Часть I / Ю.Ф.Каторин.- СПб.: Галея-Принт, 2008.- 128 с.; Кофман В.Л. ВМС США и стран Латинской Америки 1914- 1918. Справочник по корабельному составу / В. Л. Кофман //- Морская коллекция, № 5 (11)- 1996. - 32 с.; Ненахов, Ю.Ю. Энциклопедия крейсеров 1860-1910/ Ю.Ю.Ненахов.- М.:АСТ, Мн.:Харвест, 2006. – 464 с.; Conway’s All the World’s Fighting Ships, 1906—1921. -London: Conway Maritime Press; Шапиро, Л. Самые быстрые корабли/ Л.С.Шапиро.- М.: Судостроение, 1981. - 160 с.; материалы сети интернет.
Подписывайтесь, ставьте лайки, кто желает - может и помочь, кнопка ниже; впереди еще много новинок.
