Помоги проекту - поделись книгой:
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.
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.
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.
Что такое теплоход
Мы уже знаем, что поршень паровой машины приводится в движение паром, а пар образуется в котле. Но котлы занимают много места на пароходе. Были и такие пароходы, где устанавливали по сорок с лишним котлов. Кроме того, большая часть тепловой энергии, получаемой при сгорании топлива, не используется, а теряется с уходящими газами и отработавшим паром. Иначе говоря, только небольшая часть энергии угля или мазута используется в паровой машине. В этом случае говорят, что коэффициент полезного действия этой машины небольшой.
И вот, во второй половине прошлого столетия изобретатели стали думать, — как бы повысить, насколько можно, коэффициент полезного действия двигателя? Как бы избавиться от котлов? Как бы изобрести такой двигатель, которому не нужны ни пар, ни громоздкие котлы?
Нельзя ли сделать так, чтобы топливо сжигалось не в котлах, а в цилиндрах самого механизма?
Так изобретатели подошли к идее двигателя с внутренним сгоранием топлива, но долго не могли осуществить ее.
Такой двигатель впервые появился в России в 1884 году.
Создателем его был капитан морского флота — О. С. Костович.
Двигатель Костовича имел восемь горизонтальных цилиндров. И в каждом цилиндре находилось по два поршня, которые то сближались, то расходились. Горючая смесь из воздуха и паров бензина засасывалась в цилиндры при расхождении поршней. Это был первый такт двигателя, то есть такт всасывания. При последующем сближении поршней смесь сильно сжималась. Это второй такт, такт сжатия. При сближении поршней до предела давалась электрическая искра — и сжатая смесь воспламенялась. Взрыв смеси повышал давление в цилиндре до нескольких десятков атмосфер. Поршни с большой силой раздвигались. Это был третий такт — рабочий ход. В это время шток поршня при помощи передаточного устройства вращал вал двигателя. Наконец, поршни снова сближались и через выхлопной клапан выталкивали отработавшие газы вон. Это четвертый такт — выхлоп. После этого закрывался выхлопной клапан, открывался впускной — и все повторялось с начала.
Этот первый бензиновый двигатель, предназначенный для дирижабля, и сейчас хранится в Центральном Доме Авиации в Москве.
Бензиновый двигатель имеет крупные достоинства по сравнению с паровой машиной. Он значительно легче ее, потребляет во много раз меньше топлива, занимает меньше места, чем машины с котлами, и требует для своего обслуживания мало людей.
Но для установки на судно он не годится, так как работает на дорогом бензине и не безопасен в работе.
Для судна нужен был такой двигатель, который мог работать не на бензине, а на более безопасном и дешевом топливе.
Над созданием такого двигателя трудилось много изобретателей. Среди них нужно отметить русского конструктора Б. Г. Луцкого. В 1885 году он построил и успешно испытал газовый четырехцилиндровый двигатель. Но и его нельзя было ставить на судно. Изобретатели продолжали работать над созданием настоящего судового двигателя, надежного и простого.
Нечто подобное создавал и немецкий инженер Рудольф Дизель. Сначала Дизель решил, что его двигатель будет работать на угольном порошке. Долго трудился он над этой задачей, а затем отказался от ее решения. У него никак не получалось зажигание топлива в цилиндре. Тогда Дизель решил использовать в качестве топлива нефть. Повторилось то же, что и с угольным порошком. Сам Дизель так писал о своей работе по созданию нефтяного двигателя: «Первый мотор не работает, второй работает плохо, третий будет хорош…» Но и третий оказался плохим.
После нескольких лет бесплодной работы Дизель постепенно отказался от ранее задуманной им конструкции двигателя. В конце концов он построил в 1896 году двигатель, работающий на керосине. Собственно говоря, Дизель добился того же, что и Костович, но с опозданием на двенадцать лет.
Нефтяной двигатель внутреннего сгорания — мощный, экономичный и безопасный — оставался пока мечтой изобретателей. Эту мечту обратили в действительность инженеры и техники с завода «Л. Нобель» в Петербурге.
Дело началось с того, что завод собрался в 1897 году строить по чертежам Дизеля керосиновые двигатели. Рассматривая эти чертежи, русские специалисты нашли в них много ошибок. Пришлось изменить некоторые части двигателя.
Потом подумали-подумали и решили переделать двигатель с керосинового на нефтяной. Нелегко далась эта работа. Но помогла русская смекалка и изобретательность.
В 1899 году двигатель был готов и успешно прошел все испытания. Он имел мало сходства с тем двигателем, что описан в чертежах Дизеля. Но это не помешало всем странам, в том числе и царской России, считать Дизеля его изобретателем. С тех пор этот двигатель несправедливо называют дизелем.
Зато никто не посмел отнять у нашей Родины первенства в применении этого двигателя на судах.
В 1903 году на Неве удачно было испытано первое в мире судно с нефтяным двигателем. Его назвали «Вандал».
На нем были установлены три нефтяных двигателя мощностью по 120 лошадиных сил каждый. Это был первый в мире теплоход. Так стали именовать те суда, которые приводятся в движение не паровой машиной, а двигателем внутреннего сгорания — дизелем. «Вандал» — этот «дедушка» современных теплоходов — существует и сейчас.
Через год после постройки «Вандала» в Сормове спустили на воду второй теплоход — «Сармат».
Весть о новых русских судах быстро разнеслась по свету. Иностранцы удивлялись замечательным качествам теплоходов. Да и было чему удивляться. Дизели теплоходов потребляли дешевое топливо — нефть. Очень мал был и расход этого топлива. Например, теплоходу для рейса из Баку в Астрахань требовалось тогда 9 тонн нефти, а такому же пароходу — 48 тонн. Коэффициент полезного действия этих двигателей был почти в два раза больше, чем у паровой машины с котлом. С теплохода исчезли котлы и обслуживающие их кочегары. А ненужные теперь котельные отделения использовали для перевозки добавочных грузов.
Всех поражала также быстрота пуска нового двигателя. Для разводки котлов и пуска в ход паровой машины нужны были часы, а для запуска дизеля — минуты.
«Вандал» и «Сармат» были речными судами.
Первый в мире морской теплоход построен в 1908 году также в России. Это было крупное нефтеналивное судно «Дело» с двумя дизелями общей мощностью в 1000 лошадиных сил. За границей первый морской теплоход появился только в 1912 году.
А сейчас подавляющее большинство новых судов — теплоходы.
Работы по усовершенствованию двигателей не прекращаются и теперь.
Например, очень заманчивым делом является применение газовой турбины, соединяющей достоинства двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины.
По сути дела, это обычная турбина, только без всяких котлов и без пара. Ротор ее вращается так же, как двигается поршень в цилиндре дизеля, — под давлением газов, образующихся при сгорании распыленного жидкого топлива, перемешанного со сжатым воздухом.
Но пока еще удачных конструкций газовых турбин очень мало.
«Сердце» теплохода
Двигатель современного теплохода чаще всего бывает шестицилиндровым и двухтактным. Двигатели «Вандала», «Сармата» и других теплоходов того времени совершали рабочий процесс за четыре такта: всасывание, сжатие, рабочий ход и выхлоп. Потом конструкторы пришли к такому мнению, что можно ограничиться лишь двумя тактами: рабочим ходом и сжатием. Так появился двухтактный двигатель с внутренним сгоранием топлива. Сейчас он широко распространен на теплоходах.
У такого двигателя впускные и выхлопные клапаны заменены продувочными окнами, сделанными в стенках цилиндров. В конце рабочего хода поршень опускается ниже продувочных окон, и отработавшие газы вырываются наружу.
Чтобы полностью очистить цилиндр от газов, его продувают сжатым воздухом. Когда поршень начинает подниматься, он закрывает собой продувочные окна и постепенно сжимает воздух в цилиндре. От этого сжатия воздух, когда поршень достигает самого верхнего положения, нагревается до 1500 °C и более. В этот момент особый насос впрыскивает в цилиндр строго отмеренную порцию горючего. Под давлением в несколько десятков атмосфер топливо распыляется, смешивается с горячим воздухом и самовоспламеняется. При сгорании топлива образуются газы, которые и толкают поршень.
Дальше все происходит точно так же, как и у паровой машины: прямолинейно-возвратное движение поршней при помощи шатунов преобразуется во вращательное движение коленчатого вала двигателя. А этот вал при помощи валопровода вращает гребной вал с насаженным на него винтом.
В машинном отделении теплохода, как и на всяком судне, кроме главных двигателей, стоит много вспомогательных механизмов. Тут и различные насосы для обслуживания главного двигателя: водяные охлаждающие, топливные, масляные. Много насосов и общесудового назначения: балластные, трюмноосушительные, водоотливные, пожарные, для бытовых нужд. Тут и компрессор для выработки сжатого воздуха. Все они электрифицированы. А ток для работы им подают установленные здесь же электрические генераторы.
Назначение этих вспомогательных механизмов различно.
Охлаждающие насосы подают воду для охлаждения стенок цилиндров двигателя. Масляные насосы подают масло для смазки двигателей и подшипников. Балластные насосы служат для откачки или приема воды в отсеки двойного дна и в специальные цистерны водяного балласта, чтобы можно было менять положение судна. Осушительные насосы предназначены для удаления из днищевой части судна небольшого количества воды, скапливающейся с течением времени. Они отличаются от отливных насосов, которые нужны любому судну для удаления большого количества воды, поступившей при аварии. Пожарные насосы снабжают морской водой магистраль, которая тянется по всем палубам судна. Для подачи воды во многих местах палубы ставят отростки труб. К этим отросткам, когда нужно, присоединяются гибкие пожарные шланги. Магистраль устроена так, что после пуска насоса любой район палубы в случае пожара может получить мощную струю воды. Особые насосы подают воду в бани, прачечные, умывальные, к бакам с питьевой водой. Компрессоры вырабатывают сжатый воздух для пуска двигателя в ход и для работы пневматических инструментов. Вентиляторы и воздуходувки гонят свежий воздух в помещения и удаляют испорченный. Они же подводят воздух к котлам для горения и к двигателям для продувания цилиндров.
Вы спросите: «А при чем здесь котлы? Разве теплоходу нужен пар?»
Оказывается, у теплохода тоже имеется котел. Но он служит для вспомогательных целей: отопления помещений судна, подачи горячей воды в бани, душ и т. д.
Его так и называют: «вспомогательный котел». Он небольших размеров и потому не требует для себя особого котельного отделения. Его устанавливают обычно в верхней части машинного отделения и соединяют с выхлопной трубой дизеля, так что такой котел отапливается отработавшими газами. А на стоянке теплохода, когда двигатель не работает, вспомогательный котел приходится отапливать мазутом.
Много и приборов в машинном отделении теплохода. Вон висит что-то похожее на огромнейший будильник. У него даже звонок приделан.
Но на его циферблате не цифры, а надписи: «Приготовься», «Стоп», «Малый вперед», «Полный вперед», «Малый назад», «Полный назад» и другие.
У прибора имеется большая стрелка. Как зазвонит звонок, — в машинном отделении сразу смотрят на стрелку, куда она покажет. Вот стрелка остановилась против надписи «Стоп». Это значит: надо срочно останавливать двигатель.
А почему же движется стрелка и кто дает такие распоряжения? Оказывается, на мостике (и в ходовой рубке) имеется прибор точно с таким же циферблатом. Он установлен на невысокой тумбочке, а сбоку приделана ручка. Вот капитан или его помощник поворачивает ручку, пока стрелка не станет, например, против надписи «Малый вперед». В машине зазвонит звонок. Все посмотрят на циферблат и увидят, что и здесь стрелка показывает «Малый вперед». И сразу исполняют команду. Но, прежде чем исполнить, поставят ручку своего прибора против стрелки. Тогда на мостике прибор зазвонит и стрелка на нем покажет, что механик понял команду.
Это устройство для передачи приказаний называется машинным телеграфом. Оно имеется и на пароходах.
Телеграфы могут быть механическими: у них ручка, одного прибора соединена со стрелкой другого прибора тросиками или валиками. Теперь чаще применяют электрический машинный телеграф.
На теплоходах нет машинистов и кочегаров. Такие специальности есть только на пароходах. Двигатель теплохода обслуживают мотористы. Эта специальность сложна и ответственна. Моторист должен следить за всем. Он должен знать, как подается топливо, воздух и смазка к двигателям, не перегрелись ли подшипники линии валов и нет ли в механизмах подозрительных стуков.
Мотористы советских теплоходов хорошо знают свое дело.
Во время Великой Отечественной войны одному из советских теплоходов было дано задание: доставить подкрепление Севастополю, осажденному фашистами.
Стояла холодная зима 1941 года. Теплоходу предстоял тяжелый и опасный рейс. Советских моряков не пугали огромные волны, которые обрушивались на судно. Шторм — для них дело привычное. Моряков беспокоило другое: в море непрерывно шныряли подводные лодки, а в воздухе летали самолеты врага. Только сравнительно большая скорость хода и увертливость судна могли спасти его от бомб и торпед. Даже кратковременная остановка двигателя или уменьшение скорости грозили теплоходу верной гибелью.
Это был суровый экзамен для людей и для механизмов. И советские моряки выдержали этот экзамен «на отлично».
Несколько дней, преодолевая вражеские заслоны, создаваемые подводными лодками и авиацией, теплоход пробивался сквозь свирепые штормы Черного моря. Сколько раз мощные фонтаны от падающих бомб окружали теплоход! Не один раз ловко увертывался теплоход от пенистого следа идущей на него торпеды. Спасали опытность и бдительность советских людей, несущих вахту на мостике.
Поделиться книгой: