Судовые паропроизводящие установки

Паросиловая энергетика

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/см (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 Бельвиля. 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

2

Котлах этого корабля было 13 кгс/см (1,3 МПа).

В качестве двигателя использовались паровые машины, конструкцию которых определяли условия их размещения на судах. 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 тех времен 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 вертикальные 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.

Этот недостаток был устранен в 1910 г. внедрением нефтяного отопления котлов на эскадренных миноносцах типа Новик.

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. 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. 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 лидера эскадренных миноносцев Ленинград проекта 1. Так, уже на стенде выявились неполадки с циркуляцией воды в главном котле, которые приводили к разрыву трубок.

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.

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. В ведущих ЦНИИ СССР 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 повышения экономичности установки, начиная с ЭМ Неустрашимый проекта 41, в его главных котлах, КВ-76, были увеличены начальные параметры пара до давления 64 кгс/см и температуры перегрева до 470 °С. С целью увеличения теплонапряжения топочного объема в котлах были применены подача воздуха в топку с давлением 900­1100 мм. в.ст. и двухфронтовое отопление. 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.

При постройке военных 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. 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 газоохлаждающее устройство эжекционного типа, позволившее снизить температуру уходЯщиХ газов до 100 оС, 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.

Для кораблей постройки 70-80-х годов ЭМ «Современный» проекта 956, ТАКР «Адмирал Флота Советского Союза Кузнецов» проекта 1143.5 были созданы высоконапорные котлы КВГ-3 и КВГ-4, а для резервной котельной установки атомного ракетного крейсера «Адмирал Нахимов» проекта 1144 - котел КВГ-2.

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.

Для энергетических установок транспортных судов основными показателями являются экономия топлива и других материальных и энергетических ресурсов. Специально для серии транспортных судов были созданы высокоэкономичные главные паровые котлы серий КВГ-25 и КВГ-34, а также котел шахтного типа с промежуточным перегревом пара КВГ-80, используемый в ПСУ на танкерах типа «Крым» и работающий на высоких параметрах пара; давлении 9 МПа, температуры перегретого пара 515 °С. Эти котлы имеют КПД 96 - 97 %.

Решены были также и научно-технические задачи большого перечня НИОКР, которые позволили выработать систему, нормы, методы и правила проектирования корабельных атомных паропроизводящих установок.

В 50-х годах прошлого столетия начала свое развитие новая область корабельной и судовой энергетики - атомные энергетические установки. Общее руководство всеми работами по атомной энергетике осуществляли академики И. В. Курчатов и А. П. Александров.

Всё в области корабельной атомной энергетики было настолько новым, что потребовало решения целого комплекса новых принципиальных научно-технических задач. В частности, было необходимо; выбрать тип и количество ядерных реакторов; определить материалы, форму тепловыделяющих элементов, тип теплоносителей для съема тепла в активной зоне реакторов и конструктивные решения, обеспечивающие его подвод и отвод; определить оптимальные параметры рабочего тела контуров и способы циркуляции теплоносителя; разработать принципы и системы управления и защиты реактора; компоновочные схемы биологической защиты, а также решить множество других задач по разработке первой корабельной АЭУ.

В результате выполненных исследований и проработок окончательно было принято решение создать два типа АЭУ для подводных лодок; с водо-водяным реактором под давлением (установка ВМ-А, наземный прототип стенд 27/ВМ) и реактором, для которого в качестве теплоносителя использовался жидкий металл РЬ-В1 (установка 645ВТ, наземный стенд 27/ВТ).

Создание, испытание и выбор в последующем для кораблей одного из двух типов реакторов были обусловлены стремлением как можно более обоснованно, с проверкой в корабельных условиях отработать наиболее надежный и безопасный тип реактора.

Такой путь тогда повторял, в известной мере, путь американцев, которые вначале также пошли по пути создания двух типов реакторов, с той только разницей, что в качестве жидкометаллического теплоносителя ЖМТ ими был принят №, от которого после первых же испытаний, приведших к серьезным авариям, им пришлось отказаться.

Первая корабельная паропроизводящая установка (ППУ) ВМ-А разрабатывалась Научно-исследовательским конструкторским институтом энергетической техники (НИКИЭТ) под руководством академика

Н. А. Доллежаля, парогенераторы для установки ВМ-А - Специальным конструкторским бюро котлостроения (СКБК) Балтийского завода под руководством Г. А. Гасанова.

Изначально корабельным энергетикам для создания АЭУ первого поколения пришлось решать чрезвычайно сложную задачу из-за необходимости размещения установки в весьма ограниченных объемах, выделенных для ППУ и ПТУ.

В корабельном варианте АЭУ включала в себя две ППУ, в составе каждой из которых предусматривались один ядерный водо-водяной реактор ВМ-А с двухходовым движением теплоносителя по активной зоне, парогенератор, состоящий из четырех секций; главный и вспомогательный циркуляционные насосы первого контура, а также системы газа высокого давления, подпитки и аварийной проливки первого контура, воздухоудаления и отбора проб. Охлаждение оборудования ППУ обеспечивали третий и четвертый контуры.

Обеспечение мощности АЭУ первого поколения 17500 л. с. в заданных объемах потребовало создания высоконапряженной активной зоны и прямоточных парогенераторов. По этой же причине давление в первом контуре необходимо было принять около 200 кгс/см чтобы обеспечить параметры пара по второму контуру - давление 36 кгс/см и температуру 310 °С.

После первых проведенных испытаний и выявленных в их ходе недостатков большой объем работ был проделан в области повЫшЕния надежности парогенераторов и совершенствования систем водоподготовки. Было создано и испытано около двух десятков различных парогенераторов (ПГ), испытаны разнообразные материалы для трубных систем - от углеродистых сталей до титановых сплавов. Проведено множество испытаний опытных образцов ПГ. В этой работе особая роль принадлежит Г. А. Гасанову и специалистам возглавляемого им КБ.

Венцом многотрудных усилий коллективов корабельных атомщиков Министерства среднего машиностроения, Министерства судостроительной промышленности, ВМФ и целого ряда других ведомств стало событие, которое произошло 4 июня 1958 г. в 10 ч 03 мин, когда впервые в истории отечественного флота опытная лодка начала движение под АЭУ. А. П. Александров, руководивший испытаниями установки, записал в вахтенном журнале; Впервые в стране на турбину без угля и мазута был подан пар.

Более трудной оказалась судьба второго варианта корабельной атомной энергетической установки с ЖМТ. Реализация установки с ЖМТ свинец-висмут по целому ряду ее особенностей оказалась значительно более сложной в отработке и потребовала решения таких проблем, как;

• обеспечение надежной работы активных зон при значительно более высоких температурах (до 500 - 600 °С); обеспечение надлежащего качества сплава;

• обеспечение поддержания сплава в горячем состоянии как корабельными, так и базовыми средствами, что потребовало создания в базах специальной инфраструктуры.

Сложной оказалась и проблема обеспечения надежной работы парогенераторов с МПЦ, которые были приняты в этой установке, хотя по условиям гидродинамики в связи с наличием сепараторов во втором контуре проблема надежности трубных систем, казалось бы, должна была решаться проще, чем в прямоточных генераторах.

Очень трудно решались проблемы уплотнений насосов первого контура, в частности, обеспечение надежной работы уплотнений. Разветвленность первого контура породила и проблему подмораживания сплава на отдельных участках, что потребовало принятия специальных мер конструктивного плана, а также привело к некоторому усложнению эксплуатации установки.

Перечисленные сложности значительно повлияли на оценку ППУ с ЖМТ, которая обладает, в принципе, такими неоспоримыми преимуществами, как;

• низкое давление в первом контуре, что делает их значительно потенциально более безопасными;

• возможность улучшения массогабаритных показателей (на 15-20% по сравнению с ВВР);

• возможность создания реакторной установки предельной безопасности и ряда других положительных качеств.

ЭУ с ЖМТ в своем составе имела также два реактора, обеспечивающих генерацию пара в парогенераторах с МПЦ, и работу двух ГТЗА, унифицированных с ГТЗА проекта 627 и примерно той же мощности.

Начавшаяся удачно опытная эксплуатация АПЛ, к сожалению, была прервана из-за аварии одного из реакторов вследствие нарушения теплосъема в активной зоне ввиду неотработанной на тот период технологии тяжелого теплоносителя. Образовавшиеся шлаки и их несвоевременное удаление привели к нарушению циркуляции сплава в отдельных участках активной зоны.

Тем не менее, созданная установка явилась значительным шагом в деле развития корабельной атомной энергетики. Она показала принципиальную возможность реализации преимущества ППУ с ЖМТ и определила круг проблем, которые необходимо было решать в будущем при создании установок подобного типа.

Первый опыт эксплуатации АПЛ позволил заинтересованным организациям подготовить, а Правительству уже 28 августа 1958 г. принять специальное постановление о создании корабельных атомных энергетических установок второго поколения. Под каждый тип подводных лодок для реализации заложенных в них ТТХ, в первую очередь по скорости, требовались существенно различные мощности АЭУ. Поэтому первоначально предполагалось создание трех типов установок. Но уже на стадии технического проектирования возникло предложение обеспечить основные корабли второго поколения единой максимально унифицированной установкой.

Задача была решена путем создания по существу двух модификаций ППУ, в одной из которых предусматривалось 5, а в другой - 4 полностью унифицированных парогенератора.

Проектирование и строительство АПЛ третьего поколения потребовало создания таких корабельных АЭУ, которые по своим качественным показателям существенно превосходили бы АЭУ второго поколения. В частности, для создания установок третьего поколения была поставлена задача повЫшЕния их мощности более чем в 2 раза по сравнению с предшествующими, но без существенного изменения массы и габаритов. В результате рассмотрения выполненных проектов была рекомендована для дальнейшей разработки установка ОК-650Б-3.

Благодаря принятым техническим решениям удалось создать установку, парогенерирующий блок которой мог транспортироваться по железной дороге. Это позволяло изготавливать весь блок, включающий корпус реактора, парогенераторы, насосы и фильтры очистки первого контура, на машиностроительном заводе и тем самым повысить качество изготовления ответственных элементов ППУ. Для повышения надежности и безопасности установка ОК-650Б-3 была выполнена с обеспечением достаточно высокого уровня естественной циркуляции теплоносителя первого контура. Это достигалось за счет размещения парогенераторов выше активной зоны, а также значительного уменьшения гидравлического сопротивления первого контура, для чего в ОКБМ был разработан парогенератор с движением теплоносителя первого контура в межтрубном пространстве. Обеспечение естественной циркуляции теплоносителя первого контура позволяло не только осуществлять расхолаживание с использованием системы безбатарейного расхолаживания, но и работать на ходовых режимах без насосов первого контура при мощностях примерно до 30% от номинальной. Последнее дало возможность уменьшить число насосов первого контура до двух, что в определенной мере компенсировало увеличение габаритов ядерной реакторной установки (ЯРУ), вызванное необходимостью естественной циркуляции.

Вторым типом АЭУ, примененной на надводном корабле проекта 1941, является АЭУ с ППУ ОК-900Б и ГТЗА-688. Эта установка в максимальной степени унифицирована с установками атомных ледоколов.

В начале 60-х годов перед учеными и специалистами по корабельной атомной энергетике была поставлена особо трудная задача; разработать КАЭУ, которая могла бы обеспечить создание комплексно автоматизированной, высокоманевренной, высокоскоростной АПЛ минимального водоизмещения, с ограниченным количеством личного состава. Для реализации такого проекта было проведено конкурсное проектирование различных типов КАЭУ с участием самых квалифицированных в области атомной энергетики КБ и НИИ страны.

На стадии эскизного проектирования было разработано более десятка вариантов КАЭУ, из них для дальнейшей проработки приняли два принципиально различных варианта, один из которых включал в состав установок водо-водяной реактор ВВР, а второй - реактор с жидкометаллическим теплоносителем. В ходе рассмотрения предложенных проектов для дальнейшего проектирования утвердили установку с ЖМТ, с решением о разработке для этого проекта АПЛ двух типов ППУ с ЖМТ - первый вариант ППУ 0К-550 разрабатывался ОКБМ, второй вариант ППУ БМ40А - ОКБ Гидропресс. В качестве паротурбинной установки была принята единая унифицированная ПТУ ОК-7.

Головная лодка с ППУ с ЖМТ, строившаяся в Северодвинске, вступила в состав ВМФ в декабре 1977 г. В процессе разработки, строительства и накопления опыта эксплуатации в походах подводных лодок этого проекта был решен широкий спектр проблем;

• обеспечено создание высокоманевренной, скоростной АПЛ малого водоизмещения с сокращенной численностью личного состава;

• отработана высоконапряженная, большой единичной агрегатной мощности энергетическая установка;

• повЫшЕн на 15-20% КПД энергетической установки за счет повЫшЕния температуры теплоносителя на выходе из ядерного реактора и температуры перегретого пара;

• реализована невозможность распространения радиоактивности во второй контур в случае разгерметизации парогенераторов; обеспечено расхолаживание реактора без использования парогенераторов и насосов первого контура и включения каналов расхолаживания;

• разработаны технология и устройства для поддержания необходимой чистоты сплава свинец-висмут в первом контуре энергетической установки;

• впервые применена более компактная и надежная свинцово-водная биологическая защита вместо железо-водной;

• получена большая агрегатная мощность в компактной (блочной) с высокой степенью автоматизации паротурбинной установке, работающей на повышенных параметрах пара;

• созданы технические средства с существенно лучшими массогабаритными характеристиками по сравнению с образцами, разработанными для подводных лодок второго поколения;

• использовано централизованное управление техническими средствами с

Пульта главного командного поста; впервые применена комплексная система автоматизированного управления, регулирования, защиты и контроля пароэнергетической, электроэнергетической и

Общекорабельных систем.

В заключение необходимо отметить, что отечественная атомная наука и техника развивались совершенно самостоятельно и во многом опередили уровень зарубежных разработок, что послужило становлению и развитию корабельной атомной энергетики и полностью обеспечило потребности кораблестроения в разработке, создании и поставках на корабли атомных энергетических установок, соответствующих предъявленным им высоким требованиям.