Принцип действия судовых турбомашин и турбинных установок, их виды

Учебная дисциплина “Судовые турбомашины” базируется на теориях Эйлера для лопастных машин, теории Жуковского о подъемной силе крыла, гидродинамической теории смазки, законов термодинамики для тепловых машин, теориях и законах гидромеханики.

Дисциплина состоит из 4 разделов, каждый из которых является законченным блоком программы. Изучение происходит от простого к сложному. Курс начинается с теории турбинной ступени и теории многоступенчатых турбин, продолжается рассмотрением на основе этих теорий вопросов конструкций судовых паровых турбоагрегатов и систем их обслуживающих. Заканчивается изучением принципа действия и конструкции газотурбодвигателей.

Теоретические положения закладываются на обзорных лекциях (50%) учебного времени.

На лекциях даются систематизированные основы научных знаний по учебной дисциплине, раскрываются наиболее сложные и трудноусваиваемые вопросы, связанные с формированием первичных знаний о судовых турбомашинах и турбинных установках, основных положениях теорий турбинной ступени и многоступенчатых турбин, конструкции турбомашин и компрессоров.

Во время работы курсанты( студенты) изучают образцы элементов судовых турбомашин, работу принципиальных схем турбинных установок прибегая, при необходимости, к помощи преподавателя, что позволяет приобретать навыки самостоятельной работы.

Турбина (франц. turbine от лат. turbo – вихрь, вращение с большой скоростью)- двигатель с вращательным движением рабочего органа – ротора и непрерывным процессом, преобразующий в механическую работу энергию подводимого рабочего тела – пара, газа или жидкости; лопастная машина [1]. Современное состояние развития энергетических средств таково, что в настоящее время турбины занимают ведущее место в большой энергетике и энергоемком транспорте.

Все крупнейшие атомные, тепловые и гидроэлектростанции оснащены паровыми, газовыми и гидравлическими турбинами. Многие боевые надводные корабли имеют в своем составе паротурбинную установку, а на атомных подводных лодках используются только паровые турбины. Из всего мирового парка самолетов 98% используют газовую турбину.

Первые паровые турбины были построены в 1806…1813 г.г. Поликарпом Залесовым на Суздальском заводе. В 1815…1825 годах механики из Нижнего Тагила отец и сын Черепановы сделали попытку применить паровую турбину в качестве двигателя для паровоза. Пионерами турбостроения являются русские ученые и инженеры С.А. Бурачек, А.И. Шпаковский, П.Д. Кузьминский.

Первую теорию турбины – струйную теорию движения жидкости – разработал академик Л. Эйлер. Большой вклад в развитие турбостроения внесли научные труды Н.Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина, Н.П. Петрова, М.И. Яновского.

В технически приемлемом виде первая паровая турбина появилась в XIX веке почти одновременно в Швеции и Англии.

В 1883году шведский инженер Густав Лаваль запатентовал и построил одноступенчатую турбину для привода сепаратора для молока. Столкнувшись с критическим отношением давлений, Лаваль изобрел расширяющееся сопло. Большое значение работ Лаваля состоит в том, что он поставил ряд серьезных проблем, разрешение которых повлекло большое количество исследований, заложивших научную базу для дальнейшего развития паровых турбин (гибкий ротор, диск равного сопротивления, крепление рабочих лопаток при высоких окружных скоростях, шаровые опоры подшипников, расчет и построение редукторов).

Паровая турбина получила более широкое развитие тогда, когда она была объединена с электрическим генератором. В развитии турбины на этом пути большое значение имели работы английского инженера Чарльза Парсонса. В 1884 году он создал реактивную многоступенчатую паровую турбину для привода электрического генератора.

Далее развитие паровых турбин пошло по пути повышения экономичности и снижения расходов.

Во Франции О.Рато разработал многоступенчатую турбину со ступенями давления, которую представлил в 1900 году на выставке в Париже.

В США инженер Кертис в 1900 г. построил турбину со ступенями скорости. По его идее пар, вышедший из сопла с большой скоростью, отдает свою энергию не одному, а двум или трем рядам рабочих лопаток.

Первое практическое применение в качестве корабельного двигателя паровая турбина получила на надводных кораблях. Уже в 1894 г. Парсоном было простроено опытное судно "Турбиния" с турбинами сначала радиального типа на 8000 об/мин, а затем (1895 г.) с турбинами осевого типа 2200 об/мин. Судно развивало скорость до 32 узлов.

В 1892…1897 гг. морской инженер П.Д.Кузьминский спроектировал и построил парогазовую турбину радиального типа, предназначенную в качестве двигателя для катера. Смерть Кузьминского (1900 г.) и недоверчивое отношение чиновников военно-морского ведомства не позволили внедрить эту турбину в промышленность.

В 1900…1903 гг. была сконструирована и выпущена на Санкт-Петербургском металлическом заводе первая отечественная турбина мощностью 200 квт.

Первый турбинный корабль в России (1904 г.) - миноносец "Ласточка" фирмы "Ярроу", был причислен к учебному отряду судов Морского инженерного училища, воспитанники которого получили возможность приобретать практический опыт эксплуатации турбинных установок.

Важнейшим событием в развитии отечественного турбостроения явилось проектирование и строительство турбин для эскадренного миноносца "Новик" в 1910…1912 годах, главная энергетическая установка которого состояла из трех турбин общей мощностью 32400 л.с.

Это была первая в мире корабельная турбинная установка такой мощности, а эскадренный миноносец "Новик" по скорости хода (37,3 узла) и боевым качествам не имел себе равных.

С 1935 года заводы СССР полностью обеспечивали строительство электростанций всем необходимым оборудованием. Количественные и качественные показатели энергооборудования улучшались быстрыми темпами. Все это в значительной мере оказало существенное влияние на развитие судовых энергетических установок Проектирование и строительство АЛ «Ленин» в 1956-59 гг. потребовало создания таких судовых ЯЭУ, которые по своим качественным показателям существенно превосходили бы КТЭУ . В частности, для создания установок атомных ледоколов третьего поколения была поставлена задача повышения их мощности более чем в 2 раза по сравнению с предшествующими, но без существенного изменения массы и габаритов. При этом требовалось обеспечить более высокую по сравнению с установками второго поколения безопасность, надежность, ремонтопригодность, маневренность( «Ямал», «50 лет Победы»)..

Создание атомных ледоколов обеспечило им практически неограниченных продолжительности плавания в широтах Арктики , а также высвобождения значительной доли водоизмещения для размещения специальных судовых систем и механизмов и резервирования энергетического оборудования..