Пароход — турбоход

На протяжении всего XIX века изобретатели упорно, но безуспешно работали над тем, чтобы добиться возможно большей мощности от паровой машины. Это надо было сделать для того, чтобы крупные пароходы могли ходить с высокой скоростью. Рост кораблей обгонял возможности паровой машины. Все эти старания не дали нужных результатов.

Однако в конце концов кораблестроители выяснили, что этой цели можно достигнуть только в том случае, если соорудить паровую машину таких размеров, что она займет весь пароход.

Ясно, что на такой путь увеличения мощности машины становиться было нельзя.

Дело в том, что работа пара в самых лучших машинах используется всего на одну пятую его энергии. Поэтому-то и нельзя было добиться даже от самой, казалось бы, большой машины мощности больше 5000 лошадиных сил.

Мы уже знаем, что пар поступает в цилиндр машины через золотники. Поступает отдельными порциями. Поэтому поршень цилиндра получает от расширяющегося пара не непрерывный нажим, а отдельные толчки.

Кроме того, из-за малой высоты цилиндра каждая порция пара действует очень незначительное время. Да и скорость перемещения поршня в цилиндре при этом невелика — не более 5–7 метров в секунду.

Если ставить очень высокий цилиндр, чтобы пар поработал, разгоняя поршень, подольше, то опять придется увеличивать размеры машинного отделения и всего парохода в целом.

Вот хорошо бы иметь такой двигатель, в котором пар действовал бы равномерно в течение всего времени работы этого двигателя! Да и двигался бы побыстрее. Тогда мощность двигателя неизмеримо повысилась бы.

Такой двигатель с постоянно действующим паром, названный паровой турбиной, был создан в конце прошлого столетия. В этом двигателе, делающем несколько тысяч оборотов в минуту, пар мчится в 40 раз быстрее, чем в паровой машине.

Так что назвали его турбиной не случайно: по-латыни «турбо» означает «вихрь». И что интересно: проект турбины одновременно разработали два человека, совершенно не знавшие друг друга. Это были шведский инженер Г. Лаваль и англичанин Ч. Парсонс.

Моряки рассказывают такую историю. В 1897 году на Дуврском рейде для торжественного парада по случаю юбилея королевы Виктории выстроился английский флот. Могучие броненосцы и стремительные крейсеры замерли в ожидании яхты королевы. Все было наготове.

И вдруг вместо королевской яхты откуда-то вынырнуло и с невероятной скоростью промчалось перед строем небольшое узенькое суденышко.

Самый быстроходный сторожевик бросился в погоню за нарушителем порядка. Но куда там! Успели только прочитать надпись на корме — «Турбиния». Скорость хода этого судна была в полтора раза выше, чем скорость лучших морских ходоков мира.

Вот поэтому-то строителя и владельца судна не только не отдали под суд «за безобразие на рейде», но наоборот — очень любезно пригласили в Адмиралтейство.

Строителем оказался инженер Парсонс. На своем судне он впервые в мире применил паровую турбину.

Пар в турбине работает совсем иначе, чем в паровой машине. Если направить сильную струю пара, вытекающего из конической трубки — сопла, в криволинейный канал, то эта струя, протекая по каналу, будет давить на его вогнутую стенку больше, чем на выпуклую. На этом простом свойстве и основано действие пара в турбине. Пар из нескольких сопел под большим давлением устремляется на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности колеса и вращает его примерно так же, как вода мельничные колеса.

У турбины две основные части: одна неподвижная, называемая корпусом, или статором, и другая подвижная — это диск, или ротор, который может вращаться. К внутренней стенке статора прикреплено множество направляющих лопаток. Обод ротора также усеян сотнями и даже тысячами рабочих лопаток особой формы. Они изогнуты в сторону, противоположную изгибу направляющих лопаток. Промежутки между рабочими лопатками и есть те криволинейные каналы, куда поступает с направляющих лопаток пар. Давление пара на рабочие лопатки заставляет вращаться ротор турбины. Так работает одноступенчатая паровая турбина. Ее и изобрел шведский инженер Лаваль.

Так работает одноступенчатая турбина. 1 — подвод пара от котла; 2 — направляющие лопатки (сопла); 3 — рабочие лопатки; 4 — диск (ротор), на котором закреплены рабочие лопатки; 5 — вал; 6 — выпускной патрубок; 7 — конденсатор; 8 — подача холодной воды, 9 — охлаждающие пар трубки; 10 — отвод воды охлаждения; 11 — отвод конденсата.

Но такая турбина не нашла распространения и в конце концов уступила место другим, более совершенным.

Произошло примерно то же, что и с паровой машиной, у которой стали делать несколько цилиндров.

Дело в том, что одноступенчатая турбина не могла иметь хорошего коэффициента полезного действия. Такой коэффициент в первую очередь зависит от того, с какой температурой и с каким давлением пар начинает и кончает свою работу. Оказывается, чем больше начальное давление и температура и чем ниже давление и температура пара, покидающего турбину, тем больше механической энергии для вращения ротора он дает. У современных судовых турбин пар входит в направляющие лопатки с температурой до 450 °C и давлением в 65 атмосфер и выше. Давление пара в конце его работы зависит от того, насколько разрежен воздух в конденсаторе турбины. А давление в конденсаторе в 15–20 раз меньше атмосферного. Чтобы довести расширяющийся пар с давления в 65 атмосфер до такого ничтожного давления в конденсаторе, пришлось бы строить турбину огромных размеров. Поэтому современную турбину делают не одноступенчатой, а многоступенчатой. Такую турбину впервые и создал Парсонс. В многоступенчатой турбине огромное количество тепла от пара теряется не сразу, а постепенно, — в последовательно расположенных ступенях. Как же это происходит?

Многоступенчатая турбина состоит из двух и даже трех корпусов. Первый по ходу пара корпус называют турбиной высокого давления, следующий — турбиной среднего давления и последний — турбиной низкого давления. И внутри каждого корпуса не один, а много дисков с лопатками. Например, у турбины высокого давления их бывает до двенадцати. Диски отделены друг от друга перегородками — диафрагмами, — в которых расположены направляющие лопатки. Поступая в турбину высокого давления, пар расширяется в направляющих лопатках и, приобретая значительную скорость, идет на рабочие лопатки первого диска; затем — в направляющие лопатки следующей диафрагмы, расширяется в них, снова набирает скорость и опять идет на рабочие лопатки следующего — второго — диска, и так далее. Потом, совершив работу в первом корпусе, пар последовательно переходит в турбину среднего давления, а из нее — в турбину низкого давления, проделывая там такую же работу. Здесь давление пара уменьшается постепенно, и в каждом корпусе пар совершает полезную работу. Так, в турбину высокого давления он входит с давлением в 65 атмосфер, в турбину среднего давления—15 атмосфер, а в турбину низкого давления он поступает с совсем небольшим давлением — не более 2,5 атмосферы. На каждой ступени объем пара с уменьшением давления растет. Поэтому размеры направляющих и рабочих лопаток увеличиваются от ступени к ступени. Значит, растут в своих размерах и диски. Последние диски турбины низкого давления очень большие.

Многоступенчатое устройство турбин и позволило сооружать их такой мощности, о которой не могли даже и мечтать в начале нашего столетия. Теперь мощность судовой турбины достигает 75 000 лошадиных сил.

Турбина с зубчатым редуктором вращает винт парохода. 1 — котел: 2 — турбина высокого давления; 3 — турбина низкого давления; 4 — турбина заднего хода (на одном валу с турбиной низкого давления); 5 — главный паропровод; 6 — зубчатый редуктор; 7 — конденсатор; 8 — подача забортной воды для конденсатора, 9 — циркуляционный насос; 10 — отвод забортной воды; 11 — вспомогательные турбонасосы; 12 — упорный подшипник; 13 и 14 — промежуточные валы; 15 — гребной винт; 16 — руль; 17 — машинный люк; 18 — дымовая труба.

Для заднего хода судна имеется особая турбина.

Прежде турбины ставили главным образом на быстроходных военных кораблях и больших трансатлантических экспрессах — лайнерах. Теперь их начинают применять и на обычных торговых судах. На одном из судостроительных заводов нашей страны приступают к постройке торговых судов (грузоподъемностью в 10 000 тонн), на которых будет установлена двухкорпусная турбина мощностью в 13 000 лошадиных сил. Она будет сообщать судну очень высокую скорость — 18,5 узла.

Паровая турбина — быстроходный механизм. Ее вал вращается со скоростью нескольких тысяч оборотов в минуту. Что же получится при вращении гребного винта с такой скоростью? Получится бесполезная работа, так как лопасти винта будут только разбрасывать воду по сторонам, образуя вокруг себя пустоту. Тут уже не будет давления винта на упорный подшипник, а значит, и пароход не будет двигаться.

Именно так сначала и произошло на «Турбинии». Долго Парсонс ничего не мог понять: мощная турбина вращала гребной винт с бешеной скоростью — 2000 оборотов в минуту, а судно двигалось еле-еле.

Три года мучался Парсонс, переменил десять винтов на «Турбинии», пока не выяснил, что гребной винт, для вращения которого и служит турбина, не должен вращаться с такой скоростью. Для хорошей его работы нужна скорость вращения не более 250 оборотов. Как же быть в таком случае? Как заставить быстроходную турбину вращать винт с нужной неторопливостью? Для этого придумали соединять вал турбины с судовым валопроводом при помощи специальной зубчатой передачи — редуктора.

Конечно, все вы видели лебедку для подъема или перетаскивания тяжелых грузов. У такой лебедки два зубчатых колеса, сцепленных друг с другом. Диаметр того колеса, что ближе к рукоятке лебедки, в несколько раз меньше другого. Применение таких колес дает большой выигрыш в силе. При вращении рукоятки предмет поднимают или тащат легко, но зато очень медленно. Примерно то же самое получается и с редуктором. Его зубчатые колеса соединяют вал турбины с судовым валопроводом, а через него — с гребным винтом. Размеры колес подобраны таким образом, что судовой валопровод и гребной винт вращаются во много раз медленнее вала быстроходной турбины. В последнее время очень часто вместо такого редуктора применяют электрическую передачу. Тут зубчатые колеса заменяются электрическим током. Ток подают тихоходному двигателю, и он спокойно вращает гребной винт с той скоростью, какая нужна. Суда с электрической передачей от турбины к гребному винту называют турбоэлектроходами, в отличие от дизель-электроходов, на которых электропередача передает на валы работу дизелей. Суда с дизельными установками называют теплоходами.