"Мавритания" (32 000 т) и "Турбиния"(44 т), 1908 г.
Дизельные энергетические установки
Поиск способов использования тепловой энергии был неразрывно связан с прогрессом в развитии тепловых машин. Паровые машины, равно как и турбины, требовали наличия для двигателей внешнего сгорания двух элементов, обеспечивающих движение судна: парового котла и двигателя. Стремление избавиться от парового котла и связанных с ним технических и технологических проблем привело к появлению двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных ЭУ. Создание ДВС в его настоящем виде стало возможным только после создания в 1824 С. Карно (Nicolas Leonard Sadi Carnot, 1796 - 1832) теории тепловых машин. Именно тогда Карно установил, что температура воздуха, сжатого в отношении 15 к 1, будет достаточной для самовоспламенения сухой древесины (572°F / 300°C / 573 °K), что и было впоследствии реализовано Р. Дизелем в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с воспламенением топлива от сжатия. После того, как Сади Карно сформировал теорию тепловых машин, особое внимание инженеров XIX века было направлено на техническую реализацию теоретического цикла тепловой машины, что привело к появлению двух классов тепловых двигателей, работающих по циклам Отто и Дизеля, объединение которых в цикле Тринклера положено в основу современных ДВС. Высокая экономическая эффективность судовых двигателей внутреннего сгорания обусловила их массовое внедрение в качестве главных двигателей СЭУ, но главный результат их изобретения связан с созданием нового класса военных кораблей - подводных лодок, представляющих серьезную опасность для всех без исключения типов надводных судов. История подводных лодок начинается с древнейших времен. Первые упоминания о попытках сделать судно, способное двигаться под водой, встречаются у Герадота (Herodotus, 460 B.C.), Аристотеля (Aristotle, 332 B.C.) и Плиния старшего (Pliny, the elder, 77 A.C). Однако все, даже успешные попытки строительства подводных аппаратов упирались в проблему источника движения, которая была решена лишь после появления достаточно компактных и надежных двигателей внутреннего сгорания, электродвигателей и аккумуляторных батарей. Подводный флот обеспечивал до середины XX века ускоренные темпы развития технологической базы двигателестроения, т.к. военные моряки ставили перед машиностроением такие задачи совершенствования основных массогабаритных и технических характеристик СДВС, которые не являлись критическими или первоочередными для транспортных судов. Сравнение хронологии развития ПТУ и ДВС показывает, что если темпы внедрения паротурбинных установок на гражданском и военном флотах были примерно одинаковыми, то опережающие темпы применения ДВС на военном флоте очевидны с первых шагов появления СДВС. Следущий шаг в развитии СЭУ - создание ядерных энергетических установок - до настоящего времени связан с их исключительно военным применением.
Основные события двигателестроения. (Internal Combustion Engines -
History). |[pic] | |Первый дизельный | | | |двигатель, | |Аугсбург, |
1794: Стрит (Street) изобрел первый двигатель внутреннего сгорания. Двигатель представлял из себя цилиндр, куда впрыскивалась смесь скипидара и воздуха и поджигалась через открывающееся окно. Продукты сгорания охлаждались введением порции воды, после чего под действием разряжения поршень совершал рабочий ход. По существу двигатель представлял вариацию на тему двигателя Ньюкомена. 1860: Ж. Ленуар (Lenoir) начал производство первых коммерческих двигателей внутреннего сгорания (ок. 500 экз.). Двигатель работал без сжатия: нефтяная (naphtha) смесь засасывалась в течение половины первого такта, затем поджигалась через отрывающееся окошко и расширялась в течение второй половины такта. Выпуск отработавших газов осуществлялся во время второго такта двигателя. Эффективность двигателя составляла 4 %. 1862: Б. Рохас (Alphonse Beau Rochas) предложил цикл с четырьмя рабочими тактами. Всасывание в течение полного хода поршня. Сжатие в течение следующего хода. Воспламенение в верхней мертвой точке и расширение газов в течение третьего такта. Выброс отработавших газов из цилиндра на четвертом такте. 1864: Николай А. Отто (Nicolaus August Otto) и Евгений Лауден (Eugen Langen) создают акционерное общество - N. A. Otto & Cie по разработке двигателей внутреннего сгорания. 1867: На Парижской выставке компания "Otto & Cie" представила первую рабочую модель одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Двигатель получает первую премию как наиболее эффективная машина из представленных на выставке. 1872: Высокий спрос на двигатели заставляет компаниню "Otto & Cie" расширить производство и открыть новый завод в Кельне, названный "Gasmotoren-Fabrik-Deutz" (Deutz - город вблизи от Кельна). Директором завода стал Готлиб Даймлер (Gottlieb Daimler), его заместителем Вильям Майбах (Wilhelm Mayback). 1876: Н.Отто (N.Otto) создал топливный двигатель "Otto Silent", который работал по четырехтактному циклу Рохаса, и близко походил на современные двигатели внутренние сгорания. Двигатель получил коммерческое название - Deutz. Воспламенение осуществлялось периодическим соединением рабочего цилиндра с камерой постоянного горения посредством клапана, скользящего поперек головки цилиндра. Тепловая эффективность 16 % сделала двигатель очень популярным в промышленности. 1881: Клерк (Clerk) построил первый двухтактный двигатель со сжатием топливной смеси, воспламенением от пламени и продувкой с помощью специального цилиндра. 1886: Карл Бенц (Benz’s) создает автомобильное магнето, на базе которого Роберт Бош (Robert Bosch) разрабатывает систему искрового зажигания, впервые примененную на трехколесном автомобиле "Dogcart". 1890: Акройд-Стюарт (Ackroyd-Stuart) получил патент на двигатель, включающий камеру сгорания в головке цилиндра. После всасывания и сжатия воздуха в цилиндре топливо подавалось и воспламенялось в камере сгорания, нагреваемой внешним факелом перед стартом. 1892: Рудольф Дизель (Rudolf Diesel) заявляет права на патент - "Метод и аппарат для преобразования высокой температуры в работу" с приоритетом от 28 февраля. Патент США № 542 846 от 16 июля 1895 - https://nslcweb2.navsea.navy.mil/Menu/fileattachments/7-dieselpt.html 1893: Создана усовершенствованная модель дизельного двигателя, реализующая новый термодинамический цикл. Патент США от 9 августа 1898 № 608 845 - https://nslcweb2.navsea.navy.mil/Menu/fileattac hments/7-dieselpt.html. Первая модель двигателя Р. Дизеля использовала почти всю мощность для обеспечения собственной работы. Дальнейшие исследования показали, что практические машины не позволяют использовать давления и температуры, требуемые в соответствии с первоначальной концепцией адиабатного (adiabatic) двигателя. 1893: Первое соглашения о производстве двигателей между Рудольфом Дизелем и компанией братьев Зульцер (Sulzer Brothers Ltd). 1894: Рудольф Дизель заключает контракт с Дэвидом Халлеем (David Halley), генеральным директором компании "Бурмейстер и Вайн", Копенгаген ("Burmeister and Wain", B&W, Copenhagen), о создании на базе компании экспериментальной базы по проектированию и изготовлению новых двигателей. 1895: Джон П. Голланд (John P. Holland) представляет первую подводную лодку "Holland VII", использующую двигатель внутреннего сгорания для движения в надводном положении и электрический двигатель для хода в погруженном состоянии. 1897: На машиностроительном заводе в Аугсбурге (Augsburg Machinenfabrik, c 1904 г. - Machinefabrik Augsburg-Nurnberg, M.A.N.) создан первый практический дизельный двигатель. Мощность двигателя составляла 20 л.с. при 172 оборотах в минуту, эффективность (к.п.д.) 26.2 %. при весе пять тонн. Это намного превосходило существующие двигатели Отто с к.п.д. 20 % и судовые паровые турбины с к.п.д. 12 %, что вызвало немедленный интерес промышленности. Существенным недостатком первых дизелей являлась невозможность реверсирования (изменения направления вращения), затруднявшая их использование на водном транспорте. Первый судовой реверсивный дизель малой мощности был построен во Франции в 1900 г. фирмой "Дикхофф" ("Dyckhoff's"). Это был трехцилиндровый четырехтактный реверсивный дизель мощностью 8 л.с., установленный в 1903 г. на речной самоходной барже "Пти Пьер" ("Petit Pierre") грузоподъемностью 265 т, предназначенной для работы на каналах Бельгии. 1900: В США спущена на воду первая подводная лодка конструкции Джона П. Голланда - "Holland VIII", водоизмещением 65/74 т. с бензиновым двигателем мощностью 50 л. с., гребным электродвигателем подводного хода и аккумуляторными батареями массой 21 т. Скорость надводного хода ПЛ - 8 узлов., подводного - 6 уз. Аналогично проекту "Нарвала" на лодке была предусмотрена зарядка аккумуляторных батарей гребным электромотором с приводом от двигателя надводного хода. До 1914 г. проект лодки был образцом для кораблей данного класса. Стоимость лодки составила $ 150 000 (первая АПЛ стоила около $ 30 000 000). В 1900 г. в мире насчитывалось около 40 подводных лодок, к 1902 г. в мире было заложено и построено 250 подводных кораблей. 1902: В США компания Адольфа Буша (Adolphus Busch’s company) начинает выпуск трехцилиндровых дизельных двигателей мощностью 55 кВт, но они не находят спроса в стране. 1903 Машиностроительный завод братьев Зульцер начинает производство дизельных двигателей в Винтершуре (Winterthur, Switzerland). Через три года фирма выпускает двигатели 12 типоразмеров от 11 до 440 кВт. 1903: В России построено первое достаточно крупное дизельное судно - самоходная нефтеналивная баржа "Вандал" ("Vandal"), предназначенная для перевозки каспийской нефти в Санкт-Петербург. Корпус был изготовлен на Сормовском заводе, двигатели установлены на заводе "Людвиг Нобель" в С- Петербурге (с 1920 г - "Русский дизель"). Размерения судна - 74х9,5х1.83 м, дедвейт - 840 т, механизмы - три четырехтактные трехцилиндровые дизеля мощностью по 88,3 кВт, диаметр цилиндров - 290 мм, движитель - два гребных колеса с приводом от двух электродвигателей постоянного тока по 75 кВт, скорость хода - 7,4 узла, класс судна - река-море. В августе 1904 г. в журнале "Русское судоходство" было опубликовано следующее сообщение о первом теплоходе: "Товарищество братьев Нобель" выстроило в нынешнюю навигацию на своем заводе железное судно наподобие баржи, на него были поставлены три машины. Судно будет приводиться в движение двигателем совершенно нового образца, невиданного еще нигде, а в особенности на р. Волге". 1904: Построена нефтеналивная самоходная баржа "Сармат" с приводом гребного электродвигателя на винт. Состав СЭУ: два четырехцилиндровых дизеля мощностью по 132,5 кВт и частотой вращения 240 об/мин. Коммерческое использование теплоходов показало, что их энергетические установки являются значительно более экономичной, чем у пароходов. Суточный расход топлива т/x "Сармат" составлял 1,15 т сырой нефти, солярового масла или мазута, в то время как пароход аналогичных размеров и мощности сжигал 6,5 т угля. Эксплуатационные расходы заметно снижались за счет сокращения штата машинной команды и полного сокращения кочегаров. Энергетическую установку "Сармата" обслуживали шесть человек: машинист, его помощник и четыре масленщика. |[pic] |[pic] |[pic] | |"Вандал", ("Vandal"), |"Вулкан" ( "Vulcanus"),|"Зеландия" ("Selandia") ,| |1903 |1910 |1912 |
1904: Построена первая подводная лодка "Aigette" (Франция) с дизельным ходовым двигателем. Эксплуатация корабля показала, что дизельный двигатель и его топливо более надежны, чем бензиновые ДВС. С 1904 г. окончательно сформировалась структура СЭУ подводных лодок: дизельный двигатель для хода в надводном положении, электродвижение - в подводном. 1905: Построен первый относительно мощный двухтактный реверсивный дизель фирмы "Зульцер", установленный в 1906 г. на швейцарское озерное сухогрузное судно. Характеристика СЭУ: двигатель - двухтактный четырехцилиндровый реверсивный, диаметр цилиндров - 175 мм, ход поршня - 250 мм, мощность 66 кВт при частоте вращения 375 об/мини. 1907: C-Петербургский завод "Людвиг Нобель" приступает к постройке для военного флота четырехтактных трехцилиндровых быстроходных дизелей типа Д мощностью по 88,5 кВт при частоте вращения 400 об/мин. Первые машины устанавливаются на подводной лодке Балтийского флота "Минога". 1908: На Коломенском заводе построен первый танкер класса река-море "Дело", длиной 108,4 м и дедвейтом 4200 т. Состав СЭУ: два четырехтактных, четырехцилиндровых нереверсивных дизеля мощностью по 340 кВт. 1910: Джеймс Мак Кечни (James McKechnie) изобретает инжекторную систему топливливоподачи (форсунки). В течение последующих двадцати лет такие системы полностью заменяют топливные системы высокого давления (аккумуляторные системы впрыска топлива), реализация которых осуществлялась на базе компрессоров и специальных резервуаров, что составляло до 20 % от стоимости двигателя. 1910: Регистр Ллойда (Llod's) присваивает класс первому морскому нефтяному танкеру "Vulcanus" c дизельной энергетической установкой. 1912: В Копенгагене строится первый океанский теплоход с четырехтактными реверсивным дизельными двигателем фирмы "Бурмейстер и Вайн" (Burmeister & Wain) - "Зеландия" (Selandia). Состав СЭУ: два четырехтактных 8 цилиндровых дизеля мощностью 932 кВт, 140 об/мин. 1912: В Гамбурге строится первый океанский теплоход с двухтактным реверсивным дизельными двигателем фирмы "Зулцер" (Sulzer) - "Монте Пенедо" (Monte Penedo). Состав СЭУ: два двухтактных шестицилиндровых дизеля мощностью 1250 кВт, 160 об/мин. |[pic] |[pic] | |"Holland VII", первая подводная |Серия D, первые дизельные п/л | |лодка с ДВС, 1895. |Великобритании, 1907 - 1919 | |[pic] | |Дизельная п/л USS Perch | |("Окунь", SS313), 1942 - 1973 |
1912: Объединение компаний Зульцер, Крупп и Прусско-Саксонские железные дороги (Sulzer, Krupp, an the Prussian & Saxon State Railway) строят локомотив с дизельным двигателем. В 1913 г. Шведская (Sweden's) фирма ASEA начала коммерческую эксплуатацию тепловозов. 1913: Авиационный инженер Хуго Юнкерс (Hugo Junkers) строит первый первый четырехцилиндровый авиационный дизельный двигатель. Вскоре фирма "Юнкерс" начинает массовое производство 6 цилиндровых авиационных двигателей мощностью 384 кВт при 2400 об/м. 1913: Компания "Brown, Boveri and Company" совместно с Швейцарским институтом технологии (Swiss Federal Institute of Technology, Zurich) создает первый компрессор для наддува воздуха, известный как Comprex AWS. Компрессор представлял из себя навешанный на двигатель воздушный насос. 1914: Зульцер начинает производство двухтактных двигателей с продувкой и охлаждением поршней. 22 сентября 1914 вблизи от побережья Голландии немецкая дизельная подводная лодка U-9 водоизмещением 600 т. и командой в 28 человек за 1 час 15 мин топит Британские крейсера Абукир, Кресси и Хог (Aboukir, Cressey, Hogue) суммарным водоизмещением 36 тыс. т с 1459 моряками на борту. Подводный флот и дизелестроение становятся фактором национальной безопасности промышленных стран мира, а задача разработки энергетических установок для подводных лодок становится приоритетной для всех ведущих морских держав. До этого события почти все моряки мира считали, что подлодка - специфическое оружие береговой обороны вроде подвижного минного поля, и хорошо, что ей удастся атаковать военный корабль противника, стоящий на якоре. Об атаке движущихся кораблей всерьез никто не думал, хотя во время боевых испытаний, проведенных в 1898 г. на Тулонском рейде, французская ПЛ "Сирена" удачно провела торпедные атаки линейных кораблей, один из которых стоял на якоре, а другой шел со скоростью около 10 узлов. Подводные лодки, также как в свое время пароходы, потребовали создания новой тактики ведения морского боя, возможной только при наличии именно этого класса военных кораблей. Даже немцы, едва не поставившие подводными лодками Англию на колени, не знали, что с ними делать. В первые военные дни 1914 г. дозорный миноносец выводил субмарины в море, где они стояли на якоре до вечера, изображая из себя часовых у главной базы флота кайзера. 1919: Английская компания Doxford LB начинает призводство для подводного флота дизельных двигателей с оппозитным расположением поршней. 1924: Браун Бовери (Brown Boveri) начинает промышленное производство систем тубонаддува (turbochargers) дизелей. 1925: В результате объединения двух Калифорнийских компаний "Holt Manufacturing Company of Stockton, California" и "C. L. Best Gas Traction Company of San Leandro, California" создается компания "Катерпилер" (Caterpillar), специализирующаяся на производстве транспортных двигателей. 1927: Роберт Бош (Robert Bosch) начинает выпуск топливных насосов высокого давления (ТНВД). 1926: Объединение компаний Daimler и Benz. Новая компания называется Daimler-Benz, позже Mersedes-Benz. Начинается производство двигателей модели 5K3 со свечами накаливания, разработанными Робертом Бошем. 1929: Компания "Дженерал Мотор" (General Motor) покупает крупнейший завод по производству автомобилей в Европе - Adam Opel AG Company. 1935: Компания B&W начинает производство четырехтактных двигателей работающих на тяжелом топливе. 1936: Daimler-Benz представил первый легковой автомобиль с дизельным двигателем. 1938: "Дженерал Моторс" организует в Детройте дизелестроительное отделение (Detroit Diesel Engine Division) для производства двигателей для армии и флота. |[pic] |[pic] | |Первый судовой двухтактный |V - образный двигатель п/л SS313, | |двигатель |фирмы | |фирмы Sulzer, 1250 кВт, 160 об/м,|General Motors, 1600 л.с., 750 | |1912 |об/м, 1942 | |[pic] | |Судовой двухтактный двигатель | |Sulzer, 60190 кВт, 100 об/м, | |1997 |
1958: На восстановленном после Второй мировой войны заводе Пежо начинается выпуск автомобилей Peugeot 403 с четырехцилиндровым дизельным двигателем. В апреле 1970 на заводе Пежо в Лиле (Lille) регистрируется выпуск миллионного дизельного двигателя. 1984: Объединение компаний MAN и B&W в корпорацию MAN B&W Diesel A/S, Copenhagen. 1987: Замена паротурбинной установки океанского лайнера Queen Elizabeth 2 (66850 т, 3000 пасс., 1968 г.) на на дизель-электрическую ЭУ, самую большую на гражданском флоте XX века: 9 четырехтактных двигателей MAN суммарной мощностью - 179 MВт (243 тыс л.с.). 1988: Корпорация MAN B&W приобретает Французскую компанию Пилстик (SEMT Pielstick). 1998: Компания P&O Nedlloyd получает контейнеровоз "Southampton" вместимостью в 6674 контейнеров (дедвейт - 75000 т, длина - 300 м, ширина - 42,8 м, осадка - 13,5 м, 25 узлов) с самой большой единичной установленной мощностью дизельного двигателя - 65880 кВт (89,5 тыс л.с.), Sulzer, 12 RTA96C. 1999: В Голландии построен самый большой дизельный двигатель XX века: B&W 12K98MC-C (68640 кВт/ 93261 л.с.). По состоянию на 1.01.2000 г. средняя стоимость тяжелого топлива для малооборотных дизелей с частотой вращения около 100 об/мин - $150 USD/т, средняя стоимость очищенного или легкого дизельного топлива (солярки) - $300 USD/т. Рекорд минимального расхода топлива дизельным двигателем поставлен в 1986 г. Расстояние 4818 км пройдено с средним расходом топлива 1.76 л. на 100 км.
Литература:
1. Петровский Н. В., Судовые двигатели внутреннего сгорания и их эксплуатация, М., 1966;
2. Гаврилов В. С., Камкин С. В., Шмелев В. П., Техническая эксплуатация судовых дизельных установок, М., 1967;
3. Плаксионов Н. П., Берете А. Г., Судовые турбинные установки, М., 1973;
4. Справочник судового механика, под ред. Л. Л. Грицая, т. 1-2, М., 1973-
74.
5. Из книги С.И.Белкина "Путешествие по кораблям".
6. Source ThinkQuest Library - http://www.thinkquest.org/index.html ,
7. site Start Your Engines ,http://www.history.rochester.edu/steam/,
8. Боевые корабли - http://battleship.spb.ru/ ----------------------- [pic]
Насос Ньюкомена, Шотландия, 1880 г. В 1920 г. двигатель куплен Генри Фордом и в 1929 перевезен в Америку, где сегодня находится в музее техники Генри Форда в Деарборне (Dearborn), штат Мичиган. Мощность двигателя ок. 15 л. с.
[pic]
Р.Дизель, 1858-1913
C.Карно, 1796-1832
Страницы: 1, 2, 3, 4
