Здесь я усматриваю великую правду физики!».

Кстати, первое письмо Фултона Наполеону:

«Мой император! Я изобрел паровой двигатель, который можно установить на корабль!

Я предлагаю оснастить ими наш флот, и ему не будут страшны ни штормы, ни штили!», но

тот не заинтересовался этим изобретением.

По ещё одной версии этой захватывающей истории, сделка с военно-морским ведомством не состоялась вследствие отказа присвоить Фултону и экипажу Французские морские офицерские звания. Необходимость в этом была насущная.

Дело с том, что в случае попадания в плен, офицеры становились военнопленными. Их отвозили на территорию туманного Альбиона, судили и они отбывали срок, как обычные заключённые многочисленных тюрем её Величества.

Если же на море ловили просто людей, пытавшихся причинить вред флоту её Величества, то их объявляли пиратами и без суда и следствия вешали на реях. Так вот, вроде как Фултон с французскими революционными чиновниками не сговорился. Те чиновники, безмерно проникнувшись идеями республиканизма и демократии, сочли, что люди, вознамерившиеся столь подлым образом, из невидимости, уничтожать людей не очень достойны офицерских званий республики.

Всё тот же морской министр на прошении Фултона начеркал: «Невозможно дать воинское звание людям, которые употребляют такой способ разрушения неприятельского флота». А всё почему? Да всё потому, что Наполеон его не послушал и разрешил Фултону пошустрить на море. Гуманизм тут не при делах. Хотя адмирал Вилларе Жуаез, который воочию наблюдал процесс успешного подрыва шлюпа, как бы ниоткуда, был приятно потрясён этим событием и правительству докладывал, буквально, взахлёб.

По другой версии, Наполеон поле доклада Вилларе Жуаеза возжелал сам осмотреть подводный аппарат, но Фултон свалял дурака, и сославшись на неисправность лодки, предложение первого консула не принял. Кроме того, этот спесивый американец «за просто так» отказался передать морским чиновникам чертежи своего изобретения, убоявшись, что французы оставят его только при собственном интересе.

За чертежи была запрошена солидная сумма в денежном исчислении. Потом, правда, после ряда бесед со сведущими людьми, Фултон опомнился и написал Наполеону ряд покаянных писем, которые, в прочем, остались без ответа.

Временно разочаровавшись во французах с их революцией и гильотинами, Фултон в 1802 г. перебрался в Шотландию, прознав, что там собирается спустить на воду паровое судно, некто Уильям Саймингтон. Фултону повезло. Саймингтон и его управляющий Арон Вейл не только позволяли Роберту присутствовать на всех испытаниях, но и дали самые развёрнутые консультации и, что ещё более удивительно, снабдили исчерпывающей документацией. Прямо предательством интересов Ея Величества попахивает.

По возвращении в 1803 г. в Париж, Фултон встречается с новым американским послом Ливингстоном и добивается его финансового расположения на предмет строительства собственного парового судна. Не мудрствуя лукаво, Фултон построил плоскодонную лодку, взял напрокат паровой двигатель Джеймса Уатта, разработал систему передачи вращения и спустил судно на воды р. Сена.

Силовой агрегат, взятый буквально с бухты-барахты по весу и габаритам не очень сочетался с утлым судёнышком Фултона. На речной волне днище не выдержало и паросиловой агрегат покинул пределы плавательного средства. Так как двигатель стоил не хилых денег, Фултон организовал спасательную операцию. Паровой двигатель, в конце концов, из пресной воды извлекли с минимальными потерями для последнего, но Фултон жестоко простудился.

Рис. 3.70. Вторая попытка Фултона

При следующей попытке в августе 1803 г. с более прочным корпусом длиной 23 м и шириной 2,5 м результаты испытаний были более убедительными.

Первый пароход Фултона развивал скорость 5 км/час и был достаточно маневренным (рис. 3.70).

Воспользовавшись связями с Мон- жем, Фултон написал Наполеону новое послание: «Я изобрел паровой двигатель, который можно установить на корабль! Я предлагаю оснастить ими наш флот, и ему не будут страшны ни штормы, ни штили!».

Двигатель Фултон конечно не изобретал, он взял опять готовую конструкцию Джеймса Уатта, а вот редуктор был его оригинальной конструкции.

По одной из версий этой истории, император, памятуя об недавних капризах американца, выразился в присущей императору манере, лаконично и недвусмысленно: «Корабли без парусов - это нелепость, место пара на кухне, в кастрюле под крышкой». Не распознал узурпатор выгоды, хотя морские военные действия с Англией уже были в самом разгаре.

Естественно Наполеона поддержала академия. Академик Латобре сделал официальное заключение о бесперспективности парового двигателя на флоте, усмотрев в действиях американца стремление ввести первого консула в заблуждение.

Английская же разведка внимательно отслеживала все этапы подготовки французов к войне и знала о успешных испытаниях «Наутилуса» на рейде Бреста. Этому событию даже было посвящено специальное заседание в палате лордов. Было решено, во что бы то ни стало заполучить Фултона. В Париж был заброшен тайный агент с соответствующим заданием и деньгами на подкуп конструктора.

На горизонте для Роберта Фултона замаячила перспектива. Конструктор решил обнаглеть окончательно и запросил у англичан за свои услуги баснословную по тем временам сумму в 100 тыс. фунтов стерлингов.

Англичанам очень хотелось заполучить подводную лодку Фултона, но сумма явно шокировала невозмутимых подданных её Величества, за такие деньги можно было построить великолепный линейный корабль.

По шпионским каналам Фултону было передано новое послание от министра иностранных дел лорда Хоксбери, в котором разъяснялось, что требуемые шустрым американцем суммы могут рассматриваться как реальные только после вынесения положительного решения специальной технической комиссией, которая со всей присущей англичанам грамотностью рассмотрит предложение заокеанского гостя. Ох, не просты эти островитяне.

Намыкавшись в революционной Франции с внедрением своих проектов, Фултон принял решение рискнуть. Однако судьба снова подсовывала Фултону новые испытания. В Англии сменился министр финансов. Новый министр Питт, исповедовавший идею тотальной экономии средств, предложил Фултону беспроигрышную для себя схему.

Фултону предоставляются все условия для строительства лодок на одной из королевских верфей, а в последующем выплачивается половина стоимости от каждого потопленного французского судна. Англичане прикинули, что даже если из этой затеи ничего не получится, то выманить конструктора у Наполеона уже дорогого стоит.

При встрече Пита и конструктора было принято решение об испытаниях изобретений Фултона на французском флоте, стоящем на рейде Булони. Американец за месячное жалование в 200 фунтов приступил для начала к изготовлению пороховых мин с контактным и часовым взрывателем.

Когда мины в достаточном количестве были изготовлены, их вывалили в открытом море. По замыслу Фултона их должно было течением нагнать на французские корабли. По каким-то неведомым причинам мины проплыли мимо, взрывов не последовало. Фултона снова понесло.

Он принялся писать оскорбительные письма английским морским чиновникам о нарушении ими принятых соглашений о содействии. Чтобы убедиться окончательно в бредовости фултоновских прожектов, было решено в 1805 г. провести контрольные испытания мин у замка Уолмер, где базировался бриг «Доротея». Фултон на этот раз рассчитал всё более точно.

Мина, пущенная по течению, соприкоснулась с бортом брига, произошёл, как и задумывалось, взрыв после которого корабль, разломившись на две части в течение короткого времени затонул.

Успех новоявленного оружия адмиралов, мягко говоря, озадачил. Англия считала своим долгом иметь двойное морское преимущество перед страной, идущей за ней в морской гонке вооружений. Империя всё же, как никак.

Использование же мин отводило флоту уже совсем иную роль. Морские сражения приобретали уже совсем иную окраску, акценты стратегии были совсем иными. Английские морские стратеги от минных новаций почувствовали угрозу многовековым традициям.

Насторожились, а потом рассудили вполне прагматически. Лучше уж самим задавить угрозу существующему положению на корню, чем потом гоняться за тем же самым по всему миру. Питт понял, что мины представляют угрозу, прежде всего линейным многомачтовым кораблям. Чтобы эту угрозу снять, самое беспроигрышное дело иметь эту угрозу под рукой и управлять ею.

В октябре 1805 г. у мыса Трафальгар английский адмирал Горацио Нельсон в пух, и прах разгромил эскадру, состоящую из лучших французских и испанских кораблей. Боевой флот врагов Британии, практически, перестал существовать. Необходимость в минах Роберта Фултона на тот момент отпала. Англия могла спокойно обойтись без подводных лодок и их суетливого конструктора. Интерес к американцу угас.

Почувствовав себя, в который уже раз обездоленным, Фултон начал добиваться судебного разбирательства с требованием возместить ему потерянную финансовую выгоду. После многочисленных обращений и угроз опубликовать в открытой печати свои минные откровения, английская фемида пошла конструктору на встречу и была создана комиссия. Внимательно выслушав Фултона, комиссия признала его требования вполне справедливыми по всем пунктам. Правда, денег американцу никто даже не пообещал.

В 1806 г. Фултон разобиделся на всю Европу. Пора было возвращаться восвояси, в Америку. Перед отъездом Роберт заглянул к американскому консулу и вручил ему проект своей новой подводной лодки, на случай, если с ним случится в путешествии что-то не доброе. Это была уже морская субмарина длиной 9 м, шириной 3 м и высотой 1,8 м с экипажем в шесть человек и с мускульным приводом.

По прибытии в Америку, Фултон сразу состряпал письмо президенту Томасу Джефферсону с предложением продать любимой Родине проект подводного судна. Президент, как водится, не счёл нужным отвечать прыткому соотечественнику. Но в скорости перед Фултоном начинают снова маячить перспективы.

Некто Роберт Ливингстон, присутствующий при испытаниях конструкций Фултона в Париже, предложил сотрудничество при создании грузового варианта судна с паровым двигателем.

Фултон знал, как надо строить паровые суда, он многое подсмотрел в Шотландии, поэтому при наличии средств и условий «Катарина Клермонт» (рис. 3.71) появилась достаточно быстро. К началу августа 1807 г. строительство первого американского парохода было завершено, начался процесс регулировки парового двигателя. Первый рейс из Нью-Йорка в Албании по р. Гудзон, протяжённостью 241 км протекал в течение 32 часов безостановочно, обратная дорога по течению реки заняла всего 30 часов. Паруса, несмотря на их наличие не использовались. Путешествовали друзья и родственники, одним словом, близкие Фултону люди.

Г »

Рис. 3.72. Устройство двигателя парохода «Клермонт»: 1 - шток; 2 - крейцкопф; 3 -направляющая; 4 - шатун; 5 - балансир; 6 - поршень; 7 - цилиндр.

Новый «Клермонт» имел бортовой колёсный привод (рис. 3.72) со стандартным паровым двигателем уже зарекомендовавшим себя в береговых условиях. Надо сказать, что ажиотажа по поводу первого в мире пассажирского рейса парового судна не последовало.

Газеты попросту такое события проигнорировали, но патент на паровое судно выдали по всей форме.

Так Роберт Фултон стал первым изобретателем парохода, надо оговориться, в Америке. Если франция и Шотландия не в счёт. Ещё в 1801 году был построен буксир Charlotte Dundas, для буксировки барж на канале Форт-Клайд в Шотландии.

В дело включился Ливингстон, который, ко всему прочему, обладал законной монополией на пассажирские перевозки паровыми судами. Его стараниями и финансами была раскручена масштабная рекламная акция, в результате которой годовая прибыль от эксплуатации пароходов составила более 16 тыс. долларов, что по тем временам совершенно не хило. Вскорости, окрылённый успехом Фултон, построил ещё два парохода «Раритан» и «Карета Нептуна».

Отношение общественности к новинкам морского транспорта было далеко не однозначным. Повторялась история с продвижением паровых автомобилей и паровозов.

Владельцы парусных и гребных судов, проинтучив в паровых судах конкурентов из кожи вон лезли, чтобы показать несостоятельность и опасность этого вида перевозок.

Регулярно подстраивались столкновения пароходов со всякого рода старыми лодками и рыболовными шаландами, время от времени парусники устраивали в узостях толчею, обвиняя в этом пароходы. Кроме того, ряд судостроителей начали откровенно пиратствовать.

Нарушая производственную монополию и авторские права компании «Ливингстон - Фултон» посторонние владельцы корабельных верфей попросту воровали чертежи, подкупали персонал, а время от времени совершали диверсионные акты, терроризмом занимались, то есть.

Правительство в 1811 г. даже вынуждено было принять особый закон, в соответствии с которым террористические и иные акции против пароходов сурово наказывались. Чтобы «продавить» такой закон тоже потребовались средства, время и усилия.

За первые десять лет, проведённых в Америке, с участием Роберта Фултона было построено в общей сложности 15 паросиловых судов, причём один из них был военным, это был «Демологос» (рис. 3.73), успешно использовавшийся в войне против англичан в 1812 году.

Получив известность как специалиста по современным образцам морской техники, Роберт Фултон обратился в конгресс США с просьбой о финансировании разработки океанской подводной лодки с экипажем в 100 человек и мощной паросиловой установкой для надводного плавания.

Рис. 3.73. Первый в мире военный пароход «Демологос»

Под водой по-прежнему планировался мускульный привод винта командами из пяти человек. Конгрессмены, видя преимущества парового флота, Фултона поддержали деньгами. В 1815 г. Фултон построил лодку, но до её спуска на воду не дожил.

После смерти главного конструктора его изделие вначале стояло на стапелях бесхозным, а потом его начали постепенно разбирать на нужды верфи. Биографы Фултона в конце своих повествований об этом талантливом и упорном человеке в обязательном порядке приводят покаянные слова Наполеона.

Когда после поражения под Ватерлоо в 1815 г. императора на английском парусном линкоре «Беллерофонт» эпатировали на о. Святой Елены, его как стоячего обогнало парусное судно. Наполеон поинтересовался у офицера охраны, кто построил такое чудо. Ответ был простым: «Роберт Фултон». Поглядев вслед удаляющемуся пароходу, Бонапарт заметил: «Прогнав изобретателя Фултона, я потерял свою корону!»

Роберт Фултон даже получил монопольное право на постройку в течение 15 лет паровых судов в России, но так, ни одного парохода и не построил. Чрезмерно много сил и средств Фултон тратил на охрану своих авторских прав, он постоянно с кем ни, будь да судился.

Свою мечту о строительстве подводной лодки с паровым двигателем Фултону, несмотря на его старания, построить не удалось.

Первая паровая подводная лодка Ictineo была построена под руководством инженера Нарцисса Монтуриола в 1864 г. Первоначально лодка проектировалась в деревянном корпусе (рис. 3.74) и должна была приводится в движение силами экипажа, состоящего из 16 крепкого телосложения мужчин. Лодку планировали использовать для нужд рыбаков.

Лодка длиной 17 м имела массу

5. тонн. В ходе строительства возникла идея заменить мускульную силу экипажа компактным паровым двигателем.

Во время цикла испытаний лодка совершила тринадцать пробных погружений, одно продолжалось более семи часов. Отличительной особенностью лодки было наличие двух корпусов, лёгкого внешнего и проч- Рис. 3.74. Подводная лодка инженера Нарциса ного внутреннего корпуса.

Эта плодотворная идея используется в современных конструкциях подводных кораблей и батискафов, в основном военного назначения. К сожалению и этот проект закончился в самом своём расцвете. Дальнейшая модернизация и испытания прекратились в 1868 г. ввиду традиционных финансовых трудностей

Надо сказать, что паровому двигателю на подводных аппаратах повсеместно не везло. Дело в том, что чиновники от военно-морских ведомств, ведущих морских держав не были уверены до конца в необходимости иметь подводные боевые средства в составе боевых группировок, они толком не представляли, каким образом подводные корабли можно использовать в широкомасштабных военных конфликтах в условиях морей и океанов, а разработки стоили больших денег. Поневоле задумаешься.

Конструкторы подводных лодок пытались приспособить для своих изделий лучшие образцы паровых двигателей, характеристики которых, однако были не всегда совместимы с подводными условиями.

Так, например, в 1870 г. каждая лошадиная сила мощности самых совершенных паровиков «весила» около 20 кг, что было, не так уж мало, учитывая малога- баритность самих лодок.

Рекордом малогабаритности стал двигатель братьев Хересгофф, который при мощности 4 лошадиных силы имел массу 22,65 кг. Но главной трудностью при внедрении пара под водой была подача окислителя при горении топлива под котлом. Существовали проекты лодок, например Проспера Пейерна, в которых использовалось топливо, содержащее окислитель. Это были спрессованные брикеты селитры в смеси с углём. Одновременно в топку подавалась распыленная форсункой вода, которая мгновенно превращалась в перегретый пар. Перегретый пар и продукты сгорания поступали в цилиндр, заставляя поршень совершать возвратнопоступательное движение.

В 1851 г. под руководством американского инженера Лондера Филиппса была спущена на воду подводная лодка с паровым двигателем. Эта лодка на стадии ходовых испытаний на озере Эри превысила допустимую глубину погружения и была раздавлена гидростатическим давлением. Погиб весь экипаж вместе с главным конструктором.

Рис. 3.75.Подводная лодка Александровского И. Ф.

В России в 1866 г. под руководством военного инженера Александровского И.Ф. была построена подводная лодка с паровым двигателем английского производства, которая успешно прошла многоплановые ходовые испытания в Кронштадте.

Перед тем как поступить на флот лодка была предъявлена комиссии, которая приняла решение о её полной непригодности для военноморского флота России.

Трудно сейчас установить, чем руководствовались чиновники, вынося такой вердикт. Скорее всего, попросту решили не спешить. У Англичан лодок нет, у немцев нет, французы помалкивают, даже американцы не спешат вкладывать деньги в столь рискованные проекты. А чего же России торопиться?

Ситуация с подводными лодками в истории внедрения новых образцов техники и технологий не является уникальной. Как правило, новое пробивало себе дорогу с большими трудностями и проволочками. Чаще всего заморочки возникали из-за банального отсутствия финансирования и некомпетентности людей, принимающих те или иные решения, связанные с развитием научно-технических работ.

Чарльз Гудиер, придумавший технологию вулканизации резины, проводил некоторые свои эксперименты в долговой тюрьме, в которой неоднократно оказывался вследствие несвоевременного погашения кредитов.

Типичной, в этой связи, являются страсти, разгоревшиеся по случаю изобретения телефона. Одна из бостонских газет разродилась заметкой, в которой сообщалось, что некто, пытается дурачить власти и граждан сообщением об изобретении аппарата, способного передавать голос по проводам, хотя из компетентных научных источников известно, что передача голосовых сообщений по металлическим проводам принципиально не возможна.

Так создавалось общественное мнение. Ладно, журналисты, что с них взять. Иногда и учёный люд будучи материально заинтересованным обнародует с умным видом откровенные глупости.

В своё время в Германии специально созданная группа именитых учёных исследовала вопрос о пагубном влиянии железнодорожного транспорта на здоровье пассажиров. Выводы «просвещенной» во всех отношениях комиссии были более чем странными.

Учёные уверяли, что при скорости поезда более 30 км/час пассажирам станет настолько не по себе, что у них откроется носовое кровотечение, а наиболее слабые могут умереть. Даже учёные с мировым именем время от времени ошибались по-крупному, особенно, когда пророчествовали в смежных областях знаний.

Лорд Кельвин, например, утверждал, что аппараты тяжелее воздуха не смогут летать, а у радио нет никаких перспектив. Кстати о радиосвязи. Патриарх немецкой физики и физиологии Гельмгольц, ознакомившись с сочинениями Джеймса Клерка Максвелла по электродинамике, велел своему ученику Генриху Герцу экспериментально опровергнуть теорию дерзкого англичанина.

«Опровергая» Максвелла Герц открыл электромагнитные волны, полностью подтвердив теорию. Конрад Рентген в своё время запретил в своей лаборатории произносить слово электрон, потому как считал идею элементарного электрического заряда абсурдной.

Вместе с тем, исторический опыт развития техники показал, что прогресс нельзя остановить, его можно только затормозить. Так произошло и с внедрением парового двигателя на воде.

Поначалу робкие попытки парового привода на относительно безопасных речных гладях переросли в полномасштабное использование паровых двигателей и на судах морского класса.

В 1818 г. на деревянном парусном судне «Саванна» был установлен паровой двигатель. Машина использовалась при переходе через Атлантику.

Рис. 3.76. Морское паровое судно «Сириус»

В 1838 г. деревянное судно «Сириус» пересекло Северную Атлантику, используя только паровой привод (рис. 3.76). Во время плавания обнаружилось, что гребные колёса, прекрасно зарекомендовавшие себя на реках и озёрах, при большом волнении работали неудовлетворительно.

Качка судна приводила к возникновению неравномерности в нагрузке привода, что существенно снижало управляемость.

Новое, как это часто бывает, является хорошо забытым старым. Так случилось и с судовым винтом. После морских путешествий на пароходах с гребными колёсами начали искать альтернативу и вспомнили старика Фултона, который на проектах своих лодок предлагал ставить лопастные движители, т.е. - винты. С появлением винтов управляемости и быстроходность паровых судов резко возросла. В 1843 г. впервые винт был установлен на пароходе «Грейт Бритайн» (рис. 3.77).

Рис. 3.77. Первые винтовые паровые суда «Грейт Бритайн» и «Грейт Истерн»

Далее в 1860 г. было построено судно с комбинированными движителями «Грейт Истерн», которое имело длину 210 м и ширину 25 м. Судно было оснащено двумя гребными колёсами диаметром 16,5 м и лопастным винтом диаметром 7 м. На шести разновеликих мачтах судно могло нести 5400 м2 парусов. Новый шедевр судостроения мог брать на борт 4000 пассажиров и более 6000 тонн грузов. Судно на спокойной воде могло развивать скорость до 15 узлов (25 км/час).

Желание увеличить скорость перемещения по морям и океанам привели к изобретению паровой турбины, в которой перегретый пар под высоким давлением подавался через сопла на лопатки турбины. Такой способ использования энергии пара оказался более эффективным, появилась возможность снизить габариты силовых установок, при этом увеличив удельную мощность.

Скорости судов увеличились за счёт возрастания оборотов винта. Но тут инженеры столкнулись с совершенно непонятными вещами.

Рис. 3.78. Скоростное судно «Турбиния»

Всё началось с ходовых испытаний английского скоростного судна «Турьи- ния» (рис. 3.78), которое по расчетам конструкторов должна была достигать скорости более 35 узлов.

На скорости 19 узлов судно внезапно потеряло ход. Как выяснилось при подводном осмотре, у судна были повреждены винты, они были покрыты странного вида раковинами. Повторные испытания с новыми тщательно изготовленными винтами дали те же результаты.

Девять винтов, изготовленных из самых высокопрочных сталей, были приведены в негодность при скоростных испытаниях. Корабелы были вынуждены обратиться к учёным, специалистам по гидродинамике. Послушав на очередных испытаниях шум винтов, учёные установили, что винты «Турбинии» работают в кавитационном режиме.

При обтекании лопастей винта за их тыльными сторонами создаются зоны пониженного давления в которых вода теряет сплошность, превращаясь в пузырьки пара. При покидании зоны пониженного давления пузырьки схлопываются генерируя сверхзвуковые микроструи и высокие температуры. Этим обстоятельствам не могли противостоять даже легированные стали.

Понятие «кавитация» вошло в практику судостроителей, которые со временем научились совместно с гидродинамиками делать винты такой формы, чтобы кавитационные полости схлопывались не на поверхности лопастей, а не некотором расстоянии от них.

Надо сказать, что достижение высоких скоростей сопровождалось проявлением новых явлений и эффектов не только в судостроении. Когда скорости самолётов стали подбираться к скорости звука, то конструкторы столкнулись с серией необъяснимых катастроф.

Аппараты при достижении определённой скорости буквально разваливались на куски на глазах у изумлённых наблюдателей. Так проявлял себя флаттер, явление резонанса планера при сходе вихрей с крыльевого и хвостового оперения. Так же как и в случае с кавитацией, учёные аэродинамики и акустики помогли конструкторам разработать такие конструкции крыльев, которые не допускали образования крупномасштабных вихрей, флаттер стал не страшен.

Большое распространение суда с паросиловыми установками получили в речном флоте. Полноводные реки были более приспособлены для движения пароходов нежели парусников, дело в том, что направление и сила ветров над речными просторами были переменчивы и требовали постоянного манипулирования парусным вооружением.

Кроме того, узость фарватеров и наличие мелей требовала большой сноровки в управлении судами. Суда с паровыми двигателями в этом смысле были более эффективными. Главное же достоинство речных перевозок заключалось в экономическом эффекте.

Для пароходов не нужны были дорогостоящие дороги, они были проложены самой природой. Практически во всех странах с полноводными реками пароходы возили пассажиров и грузы.

В течение 6 лет это судно перевозило пассажиров и грузы, пока по оплошности судоводителей не врезалось в опору моста, получив серьёзные повреждения. Капитан с целью спасения жизней пассажиров и груза решил выбросить пароход на

Рис. 3.79. Грузопассажирский американский речной пароход «Монтана»

В XIX в. более других в развитии речного судоходства продвинулись предприимчивые американцы. Американцами речные пароходы строились массово. Одним из самых больших судов был грузопассажирский лайнер «Монтана», совершавший рейсы по р. Миссури (рис. 3.82).

берег, но сделал это не совсем удачно, судно разломилось вдоль, одна его часть увязла в иле, а другая начала медленно тонуть.

;. 3.80. Первый российский пароход

Кораблекрушение «Монтаны» показало, что удешевление конструкции в ущерб прочностным характеристикам может дорого обойтись. После такого происшествия суда этого типа были выведены из эксплуатации, а грузы и пассажиров стали перевозить по подоспевшей к этому времени железной дороге.

В России паровые суда начали строиться в 1815 г на Петербургском механико-литейном заводе Карла Берда.

Первое судно было деревянным, на него установили паровой двигатель Уатта мощностью 4 л.с. Машина при 40 об/мин позволяла судну развивать скорость до 9,3 км/час. Путь из Кронштадта в Петербург «Елизавета» (рис.

3.80) проходила за пять часов. В дальнейшем это судно стало совершать постоянные рейсы по маршруту Петербург - Кронштадт.

Пароход «Елизавета» имел длину чуть более 19м, ширину 4,6 м при осадке всего 0,6 м. В движение пароходик приводился двумя бортовыми гребными колёсами с шестью лопастями каждое, длиной 1,22 м.

В мае 1815 г. Берд подал прошение в Министерство внутренних дел о выдачи ему привилегии на строительство пароходов в России, но получил отказ, в виду того, что ещё действовала привилегия Фултона, которой он так и не воспользовался. Второй пароход Берда был оборудован паровым двигателем, позволявшим судну развивать скорость до 15 верст в час. Вторично за привилегией Берд обратился после окончания срока привилегий Фултона. На этот раз ему не отказали, разрешив монопольно выпускать паровые суда в течение 10 лет.

К 1820 г. под патронажем Берда было построено в общей сложности 16 пароходов, которые курсировали по рекам; Нева, Волхов, Волга Днестр и Ильменьскому озеру.

Из этих судов следует отметить пароход «Волга», с мощностью силовой установки 60 л.с., который против течения за один час проходил расстояние 6 км, а по течению это расстояние было проделано всего за 23 мин. Пароход по Волге был спущен в Астрахань, где осуществлял пассажирские и грузовые перевозки в течение длительного времени, до 50-х годов XIX в.

Первый опыт эксплуатации паровых судов воодушевил деловых людей на строительство подобных аппаратов в других регионах, благо, что судоходных рек в России было много. В 1823 г. по р. Днепр был запущен пароход «Пчёлка» с мощностью машины 25 л.с. Двумя годами спустя «Пчёлка» была переправлена через пороги в Херсон, где и трудилась, подобающе названию, между Херсоном и Николаевым.

Более широкому распространению пароходов мешало несколько обстоятельств, причём, отнюдь не финансового характера. Первое, что мешало - это отсутствие квалифицированных механиков и капитанов.

Опыт приглашения иноземцев успеха не имел. Зарубежные специалисты, как правило, не знали языка и условий судовождения. Второе, люди, причастные к существующей системе речных перевозок при посредничестве бурлаков, категорически не воспринимали пароходы, считая их порождением нечистой силы.

К концу XIX в. на Воле был подготовлены экипажи паровых судов, которые стали водить коренные волгари, хорошо знавшие условия плавания во всех районах.

На полноводных реках Сибири пароходы начали появляться только в 40-х годах позапрошлого века. По началу процесс строительства носил инициативный характер. Так, например в 1837 г. тюменский купец Тюфин построил два судна с паровым двигателем отечественного производства мощностью 30 л.с.

На оз. Байкал курсировали суда«Император Николай I» и «Наследник Цесаревич». В Нижнем Тагиле для купца Поклевского-Козелла были построены сразу два парохода мощностью 60 и 40 л.с.

На Оке были введены в эксплуатацию два транспортных судна мощностью 24 и 100 л.с., которые удовлетворяли потребителей во всех отношениях.

Следует отметить, что суда, построенные в России по своим характеристикам уступали зарубежным, поэтому промышленники предпринимали попытки заказа строительства за рубежом.

Так, например, в 1846 г. в Голландии был заказан пароход «Волга» с мощностью двигателя 250 л.с. Полностью металлическая конструкция была изготовлена в Роттердаме и по частям доставлена в Россию. Кают и рубки на этом судне не было, заказчик явно экономил на условиях обитаемости.

Экипаж вместе с перевозимыми грузами размещался прямо в корпусе. Паровой двигатель горизонтального типа создавал шум, который можно было слышать за несколько км.

Вместе с тем голландская «Волга» показала вполне удовлетворительные эксплуатационные характеристики. В первый же рейс судно в режиме буксира из Самары до Рыбинска провело две баржи с грузом 2,5 тыс. тонн.

Во втором коммерческом рейсе «Волга» привела в Рыбинск баржи с грузом общим весом 4 тыс. тонн, что принесло судовладельцам 40 тыс. руб. чистого дохода. Это была хорошая реклама. В Голландии были заказаны ещё два парохода с мощностью двигателя 460 л.с. Под эти суда были построены крупнотоннажные баржи длиной от 97 до 117 м. при ширине 10 - 11 м.

В общей сложности в России в период с 1815 г. по 1840 г. было построено 99 паровых судов, 36 из которых были речного класса.

К концу XIX в. в отечественном кораблестроении сложилась практика применения двух паровых машин, работающих на один вал, что позволяло избегать применения массивного маховика при сохранении удовлетворительной равномерности крутящего момента во времени.

Паровые котлы отечественных судов работали при рабочем давлении порядка 5 - 6 атм. Паровые машины отечественного производства были металлоемкими, на мощность в 1 л.с. приходилось до 1 тонны металла, в том числе до 40% - цветного, преимущественно меди. Машины мощностью 100 л.с. ежесуточно потребляли дл 60 м3 дров.

В начале XX в. на паровой двигатель обратили внимание и военные, началось строительство боевых паровых кораблей. Первыми преуспели в этом Англия, считавшая себя владычицей морей и Германия, тоже числившая себя в не последних морских державах.

Крейсер «Принц Альберт» (рис.3.81) водоизмещением 9880 тонн имел длину

5. м и ширину 19,6 м. На нём были установлены паровые машины общей мощностью 16200 л.с., что обеспечивало максимальную скорость 20,5 узлов.

Крейсер в качестве топлива брал на борт 755 тонн угля и 177 тонн мазута, что в режиме экономичной скорости в 10 узлов обеспечивало дальность плавания 6750 морских миль. Вооружение корабля составляли орудия и торпедные аппараты. Крейсер был заложен на судоверфи г. Киля в 1900 г. и в 1901 г. спущен на воду. Экипаж крейсера состоял из 586 офицеров и матросов. «Принц Альберт участвовал в первой мировой войне , 23 октября 1915 г. был потоплен британской подводной лодкой вблизи Лиепаи в Балтийском море. Крейсер «Дрезден», построенный в Гамбурге, (рис. 3.81) и спущен на воду и введён в состав немецкого флота в 1908 г.

Рис. 3.81. Крейсеры «Принц Альберт» и «Дрезден»

После сражения у Фолклендских островов «Дрезден» остался единственным немецким боевым кораблём, сохранившим боеспособность. В районе Чили крейсер был обнаружен британскими кораблями и вынужден был сдаться. В числе пленных был будущий глава военной разведки Рейха - лейтенант Канарис.

Российские военные пароходы сыграли важную роль в войне с Турцией в 1853 г. Парофрегат «Владимир» (рис. 3.82) впервые в истории парового флота принял морской бой с турецким десяти пушечным турецким паровым судном и вышел в нём победителем, принудив капитана спустить государственный флаг.

Рис. 3.82. Российские паровые корабли парофрегат «Владимир» и крейсер «Аврора»

Самым знаменитым отечественным паровым крейсером, ввиду специфики нашей истории, является крейсер «Аврора» (рис. 3.82). Этот корабль имеет (он до настоящего времени пришвартован к невскому берегу в Санкт Петербурге) имеет длину 126,7 м, ширину 16,8 м и осадку 6,4 м. Крейсер оборудован тремя вертикальными паровыми двигателями с 24 водотрубными котлами общей мощностью 123 000 л.с., что позволяло развивать крейсеру скорость до 19,2 узла.

Автономность плавания составляла 2500 морских миль. Экипаж крейсера состоял из 20 офицеров и 550 матросов. Крейсер нёс пушечное и минно-торпедное вооружение.

Крейсер был торжественно спущен на воду в мае 1900 г. в присутствии царя Николая II и членов королевской семьи. В сентябре 1903 г. крейсер вступил в строй. Крейсер «Аврора» принимал участие в военных морских сражениях на Тихом океане между Японией и Россией, участвовал в знаменитом Цусимском сражении. В финале своей боевой карьеры «Аврора» шарахнула из носового своего орудия, известив о начале октябрьского переворота или Великой Революции, кому как больше нравится, суть от этого не меняется.

А суть состоит в что том, экипаж крейсера принял самое активное участие в революционных процессах и последовавшей за ними гражданской войной. Во всех отношениях это легендарный корабль, который в настоящее время заслуженно причислен к музейным экспонатам.

Рис. 3.83. Пароход «Титаник»

Вершиной судостроительных возможностей в своё время стал печально известный английский пассажирский пароход «Титаник» (рис. 3.83), приписанный к порту г. Ливерпуль.

Это гигантское по тем временам судно было спущено на воду в 1911 г., а в 1912 г. его ввели в строй. Этот гигант среди всех пароходов имел водоизмещение 52 310 тонн, при длине 268,83 м, ширине 28,19 м и осадке 10,54 м. Высота от киля до вехней части дымовых труб составляла 53,3 м, высота от ватерлинии до шлюпочной палубы составляла 18,4 м.

Для того чтобы сообщить судну скорость 24 - 25 узлов, «Титаник» был оборудован двумя четырёхцилиндровыми паровыми машинами с тройным расширением перегретого пара общей мощностью на валах трёх гребных винтов 55 тыс. л.с.

В машинном отделении гиганта были смонтированы 29 паровых котлов, каждый массой в 100 тонн, нагреваемых 159 угольными топками.

Экипаж судна, обслуживающий 2556 пассажиров, включая судоводителей, механиков и прочих вспомогательных членов команды, по судовой роли насчитывал 892 человека. Кроме пассажиров «Титаник» брал на борт 46 328 тонн полезного груза.

Непотопляемость судна обеспечивалась 15 водонепроницаемыми переборками, создающих в трюмах 16 герметичных отеков, судно по замыслу кораблестроителей могло оставаться на плову при полном затоплении двух отсеков.

«Титаник» имел 8 стальных палуб, расположенных одна над другой на расстояниях от 2,5 м до 3,2 м. На верхней открытой палубе располагались 20 спасательных шлюпок.

На удалении 58 м от носа находился ходовой мостик, на котором было установлено самое совершенное на то время навигационное оборудование. Помимо офицеров, управлявших движением судна, в экипаже было 108 кочегаров, 72 грузчика и 44 матроса палубной команды, причём каюты экипажа были расположены таким образом, что пути следования членов команды не пересекались с пассажирскими зонами.

Судно было электрифицировано. Генераторы электроэнергии питали 10 тыс. лампочек накаливания, 562 обогревателя, 153 электромотора, 4 грузовые лебёдки, 8 кранов, 4 лифта, оборудование кухни, включая холодильники и электропечи.

Телефонный коммутатор «Титаника» обслуживал 50 линий. Радиопередатчик судна с мощностью на выходе 5 кВт обеспечивал устойчивую радиосвязь на расстоянии от 400 до 2000 миль, в зависимости от времени суток и геомагнитной обстановки.

В конце XIX в. паровые двигатели, если говорить пафосно, завоевали весь промышленный мир. Всем эти машины были хороши, их можно было изготавливать практически в кустарных условиях, они не требовали квалифицированного обслуживающего персонала, материалы из которых изготавливались детали паровых машин, были самыми распространёнными, они были неприхотливы к качеству топлива, в топках паровых машин, теоретически могли сжигаться любые горючие материала, с мало-мальски приличной теплотворной способностью.

Однако были у них и принципиальные недостатки. Во-первых, коэффициент полезного действия был возмутительно низким, не превышал 10%, это значило, что 90% сжигаемого топлива благополучно повышало энтропию окружающего пространства.

Во-вторых, паровые двигатели были сооружениями весьма громоздкими и тяжёлыми. Величина мощности, снимаемой с килограмма веса, не позволяла, например, паромобилям конкурировать с автомобилями, оборудованными двигателями внутреннего сгорания, карбюраторными и дизельными.

Даже на судах различного назначения паровые силовые установки занимали неоправданно большие полезные объёмы, а с учётом запасаемого топлива неоп- равданность многократно возрастала. Если вспомнить паровозы, то они обязательно тащили за собой специальный вагон с топливом, так называемый, тендер.

История турбин уходит корнями в глубокую древность. Идея эолипила Герона Александрийского была реализована впервые в виде ветряных и водяных мельниц, в которых кинетическая энергия поступательного движения потоков воздуха и воды посредствам лопастных систем преобразовывалась в энергию вращения приводных валов. Эту идею впоследствии, в конце XIX в. перенесли на устройства, в которых систему лопастей вращали струи перегретого пара.

Рис. 3.84. Первые не состоявшиеся проекты

По имеющимся данным Джованни Бранки, ещё в 1629 г. сконструировавшего первую активную турбину, которая удивительно похожа на рисунок Леонардо да Винчи.

Активная турбина (рис. 3.84) представляла собой неподвижно закрепленные сопла, пар из которых направлялся на рабочее колесо турбины.

В паровых двигателях используется, по сути, потенциальная (внутренняя) энергия пара, в частности его упругие свойства. В турбинах полезная механическая работа совершается за счёт трансформации кинетической энергии паровой струи, потока воды, потока воздуха или продуктов сгорания взаимодействующих с лопатками турбины.

В паровых турбинах, в частности, кинетическая энергия пара преобразуется во вращательную энергию вала турбоагрегата. Отличительной особенностью водяно-

го пара является относительно высокие скорости его истечения из одной среды в другую даже при незначительных перепадах давления.

Например, если в баллоне с давлением пара в 5 атм. проделать малое отверстие, то пар буден вырываться в окружающую среду с нормальным атмосферным давлением со скоростью около 450 м/с. Техническая реализация этого крайне заманчивого свойства пара до середины XIX в. была в широких масштабах технически невозможна.

Дело в том, при таких скоростях истечения струи пара турбина, для обеспечения приемлемого КПД, должна была делать при диаметре лопаток в 1 м в минуту не менее 4300 оборотов. Когда незабвенного Джеймса Уатта спросили: «Не боится ли он конкуренции со стороны турбин, о которых так много говорят в последнее время?», на что патриарх парового двигателестроения ответил чисто по-английски, лаконично: «О какой конкуренции может идти речь, если без помощи Бога нельзя заставить рабочие части двигаться со скоростью 1000 фт/с (« 300 м/с)».

Действительно не было подшипников, выдерживающих высокие температуры, не появились ещё термостойкие и высокопрочные конструкционные материалы, отсутствовала термоустойчивая смазка и ещё целый ряд обстоятельств, препятствующих воплощению заманчивой идеи использования кинетической энергии высокоскоростных струй пара.

Но время шло, появлялись необходимые материалы и прыткие инженеры - мастеровые, то там, то сям пытались идею паровой турбины реализовать. Первая официальная попытка была зарегистрирована 1883 - 1885 г. в США.

В восточных штатах появились циркулярные дисковые пилы, приводом которых являлись исполненные в местных условиях турбины. На вал, с насаженной на него системой лопастей (рабочее колесо) без всякого передаточного механизма крепился диск циркулярной пилы.

Пар, получаемый, в уже традиционных в то время, котлах высокого давления, через полый вал, а специальные патрубки формировали радиальные струи, падавшие на лопатки. Конструкция весьма смахивала на эолипид Герона.

Естественно, что КПД желал быть, естественно, большим, но были и явные преимущества. Во-первых, конструкция была проще, чем у парового двигателя. Не требовался повышающий редуктор, который в те времена представлялся совершенно не хилым и дорогостоящим агрегатом. Во-вторых, для получения пара в качестве топлива использовались бросовые отходы всё той же лесопилки.

Несмотря на положительный американский опыт эксплуатации первых турбин, он не получил дальнейшего распространения.

Очевидно, в очередной раз сказался синдром провинции. Как уже мы неоднократно упоминали, столичные чиновники во все времена не были склонны даже теоретически себе представить, что значимые технические новшества могли возникнуть на периферии.

У известного теперь во всём учёном мире Густава де Лаваля (рис. 3.85) всё началось с молока.

В 1878 г. он придумал устройство для промышленного сепарирования молока в котором приводной вал в идеале должен был делать 100 об./с. В первом варианте пришлось использовать редуктор (мультипликатор), однако идя обойтись без редуктора овладела талантливым инженером и он стал искать приемлемое решение.

Получив средства от внедрения своего сепаратора, Лаваль начал заниматься турбинами, стараясь получить как можно более высокую скорость истечения пара. Вскоре он получил патент на камеру специальной формы, которая являлась трансформатором скорости. В этом устройстве была реализованы закон сохранения энергии и теорема о неразрывности струи.

Рис. 3.86. Трубка тока

Выделим в стационарном потоке идеальной жидкости или газа, в пренебрежении сжимаемостью, участок трубки тока ограниченный сечениями s1 и s2, в центре которых частицы имеют скорости v1 и v2 (рис. 3.86). К объёму среды, заключенному между сечениями s1 и s2 применим закон сохранения механической энергии.

Изменение энергии среды между входом в трубку тока и выходом из неё равно

работе внешних сил, в качестве которых в

данном случае выступают силы тяжести и

силы нормального давления, действующие на торцы трубки тока. Движения в направлении перпендикулярном поверхности трубки тока не происходит, поэтому и работа сил давления не совершается.

Проследим за элементом сплошной среды, содержащейся между сечениями s1

и s ], который, перемещаясь по трубке тока, на её выходе будет располагаться ме-

*

жду сечениями s2, s2. Будем считать входной и выходной объёмы цилиндрическими. За время через поперечное сечение s1 проходит объём жидкости AQ1 = s1v1At . Для сечения s2 - AQ2 = s2v2At . Таким образом для скоростей и площадей сечений имеем уравнение

s1V1 = s2V2

из которого явствует, что чем меньше сечение трубки тока, тем большую скорость будет иметь среда. Лаваль это соотношение успешно применил для создания высоких скоростей водяного пара в сопле переменного сечения, которое теперь называется соплом Лаваля.

Рис. 3.87. Сопло Лаваля

На рис. 3.87 показана одна из возможных форм сопла и качественные зависимости температуры Т, давления P и объёма V. Используя своё патентованное в 1889 г. сопло и оригинально решив ряд инженерных задач Лаваль представил на международную выставку в Чикаго свою первую реактивную турбину мощностью около 5 л.с., рабочий вал которой вращался с частотой 30 000 с- 1 (рис. 3.89).

С одной стороны такая фантастическая частота вращения была крупным научнотехническим достижением, а с другой - источником неразрешимых на то время инженерно-технических трудностей. Ситуация для Лаваля усугублялась тем, что он, по сути своей, был талантливым эмпириком, он создавал работоспособные устройства, буквально по наитию, теорию лавалевских конструкций придумывали другие и позже. Так, например, в конструкции своей турбины Лаваль впервые в мировой практике применил, так называемый, гибкий вал, который инженеры - машиностроители научились проектировать после теоретических разработок чешского учёного А. Стодолы.

Диск

турбины

Рис. 3.89. Паровая турбина

Лаваль был увлекающимся человеком и доводка своих изобретений до «товарного вида» была не его стихией. Изготовив очередную конструкцию и убедившись в её принципиальной состоятельности, он бросал её и переключался на новую идею.

Сопло изобретенное Лавалем в настоящее время широко используется в аэродинамических и гидродинамических трубах при испытаниях различных устройств от моделей планеров летательных аппаратов до судовых винтов.

Более успешным в реализации своих идей был английский учёный и инженер Чарльз Алджернон Парсонс, который в отличие от Лаваля, получид добротное классическое образование в знаменитом Кембриджском университете.

Рис. 3.90. Чарльз Парсонс

Хорошая научная база, великолепное инженерное чутьё и материальное благополучие семьи позволили Чарльзу блестяще реализоваться в собственной компании «Кларк, Чапмэн, Парсонс и К», которая, начиная с 1883 г. занималась проектированием и строительством паровых турбин и генераторов электрического тока.

Первую реактивную многоступенчатую турбину конструкции Парсонса компания построила в 1884 г. По замыслу автора турбина предназначалась для привода электрических генераторов. Другими словами, компания Парсонса выпускала, по сути, не турбины, а агрегаты для производства электрической энергии, достоинства которой быстро оценили все потребители. Это предопределило успех реализации изделий. Парсонс на все сто процентов реализовал принцип: «В нужное время и в нужном месте».

В турбине Парсонса мощностью 6 л.с. с целью уравновешивания осевого усилия пар подводился через полый вал к середине турбины и далее распространялся к периферии (рис. 3.91).

Как и для всякой конструкции быстроходного устройства сложности возникали с профилем лопа- Рис. 391. Турбина Парсонса [95]              ток, способом их крепления и уп

лотнения рабочего объема. В последующих вариантах турбины Парсонс использовал оригинальное лабиринтное уплотнение, что позволило реализовать однонаправленную подачу пара.

За пять лет фирма Парсонса построила по заявкам заказчиков 300 изделий. Благодаря стараниям Парсонса Англия на много опередила все страны в производстве турбин для получения электроэнергии.

В 1896 г. компанией была запущена в производство турбина мощностью 544 л.с (400 кВт). Общая мощность всех выпущенных компанией турбин для получения электроэнергии к 1896 г превысила 40 000 л.с. Лицензии на производство турбин Парсонса начали распространяться по всему миру. Все производители электрических установок начали быстренько менять громоздкие и металлоёмкие паровые двигатели на паровые турбины.

В 1899 г. в немецком Франкфурте по лицензии Парсонса на вновь строящейся электростанции была построена турбина мощностью 1360 л.с. (1000 кВт). Паровые двигатели были посрамлены. Их производители плели интриги, как обычно сочиняя леденящие душу сказочки о вреде турбин для здоровья обслуживающего персонала. Тем не менее, против экономики не попрёшь. Турбины начали строиться в Америке, Швейцарии, Франции, Австро-Венгрии и других, индустриально развитых странах. К памятному для нашей страны 1917 г. появились на электростанциях турбины мощностью до 30 МВт (40 788 л.с). Следующим рубежом победного шествия турбин стало их внедрение в качестве судовых силовых установок.

По сложившейся веками традиции все самые передовые технические достижения первым делом рассматривались с точки зрения их милитаристического применения. В конце XIX в. в военных флотах морских держав появился новый класс боевых кораблей, миноносцев.

Основным вооружением миноносцев были торпеды с мощным зарядом взрывчатых веществ, способным пустить на дно самые крупнотоннажные вражеские суда, несмотря на их броневую защиту, которая, в основном, предназначалась для защиты от снарядов ствольной артиллерии.

Главным средством защиты в морском сражении для миноносцев была их скорость и маневренность. В этой связи на первый план становился вопрос о компактной, но с большой удельной мощностью силовой установке.

Первым судном, оборудованным турбоприводом была «Турбиния» всё того же Парсонса, которая не смогла достичь расчетной скорости 35 узлов по причине кавитации винтов. Как потом выяснилось при испытаниях винтов в гидродинамической трубе, их форма была такова, что на поверхностях лопастей присутствовала кавитация, которая помимо эрозионного износа значительно меняла характеристики воды в области вращения винта.

После выяснения обстоятельств, приведших к нарушению условий работы винта, конструкторы по рекомендации Парсонса одновальную систему заменили трёхвальной, под кормой стали работать с меньшими оборотами три винта, Кавитационное мракобесие прекратилось. «Турбиния» с тремя винтами разогналась до

5. узлов. Доведя мощность турбинной установки до 2400 л.с. корабелы в 1897 г. достигли мирового рекорда скорости 34,5 узлов.

Успех вскружил Парсонсу голову настолько, что он решился на совершенно хулиганскую выходку. В честь шестидесятилетия правления королевы Виктории, англичане решили устроить грандиозный военно-морской парад лучших боевых кораблей, которые должны были на полной скорости пронестись перед светлыми очами её величества.

В самом начале действа весь несущийся строй кораблей, как стоячих, обогнало небольшое судёнышко и на глазах у изумлённой публики скрылось за горизонтом. Конечно это была «Турбиния». Все присутствующие, включая представителей Адмиралтейства имели вид известных животных, взирающих на новые ворота.

Пиар удался на славу. Английский парламент принял решение на весь быстроходный новострой, прежде всего на миноносцы, ставить в качестве привода турбины. Были и противники такого решения.

Ретроградствующие скептики снова затянули известные песнопения о повышенном уровне шума и вибраций и неизвестном моторессурсе. Приняли соломоново решение построить два однотипных миноносца с различными типами СЭУ.

Со стапелей практически одновременно сошли два миноносца одного и того же проекта. «Аметист» был движим турбокотельной установкой (ТКУ) мощностью 13 000 л.с., а «Топаз» был оборудован традиционной котломашинной установкой с максимальной мощностью 9600 л.с.

Миноносец «Аметист» на ходовых испытаниях достиг скорости 23,6 узла, в то время, как у «Топаза» она не превышала 21 узел, при этом турбокотельная установка сокращала удельное количество потребляемого топлива с ростом отбираемой от турбины мощности. Испытания показали полное преимущество турбопривода на высоких скоростях хода судна.

Рис. 3.92. Судовая паровая турбина

На рис. 3.92 приведена схема судовой паросиловой турбинной установки: 1 - турбина высокого давления, 2 - турбина низкого давления, 3 - подшипник вала турбины, 4 - редуктор, 5 - подшипник ва- лопровода, 6 - муфта, 7 - гребной винт, 8 - управляющие клапаны переднего хода, 9 - управляющие клапаны заднего хода.

На малых скоростях турбина была не эффективна, поэтому Парсонс предложил строить комбинированные СЭУ, на малых скоростях предлагалось использовать привычные котломашинные агрегаты, а при достижении предельной для паровых машин скорости 16 - 18 узлов подключать турбину и наращивать скорость далее. На пассажирском лайнере              «Титаник» два винта приводились в движение паровыми двигателями, а              третий              винт              -              турбиной,              для              питания которой использовался

отработанный в поршневых машинах пар.

На Путиловском заводе в Петербурге в 1910 г. был заложен корабль, который в апреле 1911 года введён в состав ВМФ России под названием «Новик» как эскадренный миноносец (рис. 3.93). Котлы корабля питались нефтью, что позволяло развивать этому турбоходу на три валопровода мощность около 42 000 л.с. при макси                                                         мальной              скорости хода 37,3

узла. Это был мировой рекорд Рис. 3.93. Миноносец              «Новик»              скорости              на воде

Основное боевое крещение минососца произошло в 1915 г. в районе маяка Михайловский, что находился в Финском заливе Балтийского моря.

Обнаружив два новейших немецких эсминца, направлявшихся для атаки русского линейного корабля «Слава», миноносец навязал им морское сражение. Умелые действия капитана и команды, а так же непревзойдённые скоростные характеристики позволили последовательно нейтрализовать вражеские корабли.

На головном немецком миноносце уже после третьего залпа был полностью разрушен ходовой мостик и сбита вторая дымовая труба. На флагманском корабле противника начался сильный пожар. Оставаясь на плаву, он пытался покинуть поле боя, но профессиональными манёврами и залпами русского миноносца был загнан на минные поля, где и подорвался.

На втором вражеском корабле в результате прямого попадания была сильно повреждена корма, там тоже вспыхнул пожар. Капитану ничего не оставалось делать, как на максимально возможном ходу ретироваться.

В том же 1915 г. патрулируя побережье, команда «Новика» обнаружила немецкий сторожевой корабль «Нобург», и посчитал своим долгом потопить его, накрыв двумя залпами орудия главного калибра.

В мае 1916 г. совместно с эсминцами «Победитель» и «Гром», «Новик» атаковал караван немецких кораблей из 14 транспортов, крейсера и двух канонерских лодок, вчистую выиграв и это сражение.

3.94. Современный противолодочный корабль

Современный военно-морской флот в своём составе имеет целые классы кораблей оснащённых турбинами, как например сторожевые корабли и большие противолодочные корабли (рис 3.94).

Как видно из приведенных материалов, там, где нужна скорость, там эффективна турбина. Эта очевидность сложилась во всех отраслях человеческой деятельности, поэтому авиация не стала исключением.

Аппараты, тяжелея воздуха, отрываются от взлётной полосы только потому, что их конструкция позволяет создавать подъемную силу, превосходящую силу земного притяжения. Для перемещения в воздухе должна быть создана ещё и сила тяги.

Как и на всяком движущимся объекте, созданном руками и разумом человека, на летательных аппаратах должен быть источник энергии. Источник энергии необходим для увеличения скорость потока воздуха в области летательного аппарата и для продвижения его в нужном направлении.

В подавляющем большинстве случаев такая энергия в авиации и космонавтике получается за счёт сжигания углеводородного топлива, впрочем, как и в других конструкциях, движущихся по земле и воде.

Следует отметить, что в первой половине XX в. после открытия энергии возникающей при делении атомного ядра, чрезмерно романтически настроенные учёные и фантасты были уверены, что в недалёком будущем появятся атомные силовые установки и на воздушных судах. Однако, этого к настоящему времени не произошло. Причины отсутствия атомных источников энергии в авиации в настоящее время обсудим в третьей части пособия, когда коснёмся рассмотрения энергии атома.

В соответствие со вторым началом термодинамики, количество тепловой энергии, трансформируемой в полезную механическую работу, определяется разностью температур источника тепла и холодильника, т.е. температурой окружающей среды.

Для углеводородных топлив, использующихся в авиационных двигателях, температура сгорания составляет примерно 2500 К. Теоретически, такие высокие температуры сгорания должны обеспечивать коэффициент полезного действия близкий к единице, однако в реальности КПД гораздо ниже.

Эффективная температура рабочего тела значительно ниже температуры горения, кроме того при организации рабочих процессов возникают не хилые потери при сжатии и расширении в различных элементах авиационных турбодвигателей. Реальные величины КПД, которых удалось достичь к настоящему времени, составляют около 60 %.

Рис. 3.95. Турбовинтовой двигатель

Чаще других в современной авиации для увеличения скорости воздушного потока в области планеров используются турбовинтовые и турбореактивные двигатели, гораздо реже применяются поршневые двигатели.

Рис. 3.96. Турбовинтовой моноплан

В современных винтовых самолётах в качестве привода используются турбовинтовые двигатели (рис. 3.95), включающие в себя вал винта 1, редуктор 2, нагнетающий компрессор 3, камеру сгорания 4 и сопло 5.

Рис. 3.97. Ранний турбореактивный авиационный двигатель

Турбина экономически становится эффективной только при достаточно высоких оборотах её ротора. Естественно, что пропеллер не может вращаться с такими высокими частотами, поэтому используется редуктор, как правило, на основе зубчатых передач, которые забирают часть вырабатываемой турбиной энергии, снижая тем самым КПД.

Кроме того работа редуктора любой конструкции сопровождается высоким уровнем шума, превышающего уровень 100 дБ, на грани болевого порога человеческого уха.

Турбореактивные двигатели ранних поколений (рис. 3.97) с осевым компрессором включали: воздухозаборник 1, компрессор 2, систему подачи топлива 3, камеру сгорания 4, турбину 5 и выходное сопло 6. Компрессор обеспечивает попадание большого количества окислителя (воздуха) в камеру сгорания, куда впрыскивается распыленное топливо, как правило, авиационный керосин. Продукты сгорания всасываются турбиной и отбрасываются через сопло в атмосферу, обеспечивая тягу двигателя.

Коэффициент полезного действия такого двигателя можно приближённо оценить следующим уравнением

2у,

П =

v1 + v2

где v1 - скорость летательного аппарата, v2 - скорость истечения реактивной струи. Сила тяги турбореактивного двигателя определяется через массовый расход окислителя Q и разность скоростей истекающей из сопла струи и самолёта

FT = Q(v2 - v1).

Как видно из приведенных уравнений, разность между скоростью истечения струи и скоростью движения самолёта обеспечивает с одной стороны высокие значения силы тяги, а с другой - низкий коэффициент полезного действия. Полезной, в данном случае считается работа, затрачиваемая на движение воздушного судна. Полезная мощность определится в виде работы, совершаемой в единицу времени

1.0

5              10

Рис. 3.98. Тяговый КПД 4              5

Ap=FxVr

На рис. 3.98 показана зависимость тягового КПД от силы тяги и количества движения, цифрами показаны значения отношения скоростей полёта и струи.

Увеличение относительной скорости струи приводит к снижению тягового КПД. Таким образом, турбореактивный двигатель хорош для сообщения летательным аппаратам высоких скоростей при относительно низком тяговом КПД.

Рис. 3.99. Турбовентиляторный двигатель

0

Воздушный винт (пропеллер) благодаря значительному по сравнению с воздухозаборниками реактивных двигателей диаметру имеет большой расход воздуха с относительно низкой скоростью воздуха, поэтому у них КПД выше, а сила тяги ниже в сравнении с реактивными двигателями.

Стремление снизить относительную скорость струи привело к созданию, так называемых, турбовентиляторных двигателей (рис. 3.99) имеющих в своём составе воздухозаборник 1, расположенный в мотогондоле 2, вентилятор 3, спло вентиляторного контура 4, турбину 5, сопло турбокомпрессора 6 и компрессор 7. Через выходные сопла в турбовентиляторном двигателе, по сути, истекают две струи, одна из которых создаётся вентилятором, а вторя, так же как и в турбовинтовом двигателе инициирована сгоранием топлива и работой турбины.

Таким способом удалось увеличить значения Q и снизить величину относительной скорости. КПД турбовентиляторных двигателей (3.100) ниже чем у турбовинтовых, но выше, чем у турбореактивных.

Этот тип двигателей получил широкое распространение в транспортной авиации, летающей на скоростях ниже скорости звука. Подавляющее большинство пассажирских авиалайнеров снабжены турбовентиляторными двигателями, которые ко всему прочему имеют относительно низкий уровень шума и высокие экологические показатели.

Рис. 3.101. Авиалайнер ИЛ-86 с турбовентиляторными двигателями

Рис. 3.100. Турбовентиляторный двигатель отечественного самолёта ЯК -40

Скорость реактивной струи у турбовентиляторных двигателей ниже, чем у турбореактивных, но выше чем у турбовинтовых. Отсюда и промежуточное значение тягового КПД.

При выборе типа силовой установки для вновь проектируемого самолёта главенствующим критерием является предполагаемая скорость авиалайнера, которая представляется в виде относительной величины, числа Маха М

M = А

c

где с « 340 м/с (1224 км/час) - скорость звука в воздухе на заданной высоте. Самолёты летающие с М lt; 0,5 наиболее эффективным во всех отношениях является винт, приводимый в движение либо поршневым, либо турбовинтовым двигателем. Для средних скоростей полёта с М lt; 1 предпочтение отдаётся турбовентиляторным двигателям. Турбовентиляторные двигатели обладают лучшим из всех сочетанием тягового усилия и расхода топлива.

Рис. 3.103. Боевой самолёт МИГ -29 с двумя форсированными двигателями

Рис. 3.102. Турбовентиляторный двигатель с форсажной камерой

В военной авиации, где параметры скорости и маневренности представляются главенствующими, применяются турбовентиляторные двигатели с форсажной камерой (рис. 3.102). Как и в турбовентиляторных двигателях имеется воздухозаборник 1, вентилятор 2, турбину 3. Сразу за турбиной располагается форсажная камера 4, в которую дополнительно подаётся топливо, при сгорании которого возникает добавочная тяга. Двигатели с форсажем устанавливаются, как правило, на боевых самолётах (рис. 2.103), летающих при 2 lt; M lt; 4.

Все рассмотренные выше авиационные двигатели являются тепловыми, преобразующими внутреннюю энергию углеводородного топлива в механическую работу. В рабочих органах двигателей происходит изменение состояния рабочего тела вследствие его сгорания, представляющего собой химическую реакцию окисления. Процессы горения сопровождаются повышением температуры. В поршневых двигателях повышение температуры происходит в постоянном объёме, поэтому сопровождается увеличением давления. В газотурбинных двигателях температура повышается при практически постоянном давлении. В турбореактивном двигателе турбина служит своеобразным приводом компрессора, основная же часть энергии рабочего тела трансформируется в силу тяги при расширении потока в выходном сопле.

Так как термический КПД всякого теплового двигателя от парового до турбореактивного, определяется в соответствии со вторым началом термодинамики разностью температур рабочего тела и окружающей среды, то в авиационных двигателях используют высокие степени повышения давления.

В современных авиационных газотурбинных устройствах давление повышается в 25 раз и более. Повышение температуры в авиационных силовых агрегатах ограничивается термостойкостью используемых материалов, прежде всего турбинных лопаток и стенок форсажной камеры.

С 1950 г. по настоящее время температура турбины увеличилась с 1570 0К до 2270 0К, при принудительном охлаждении лопаток. Принудительно лопатки турбины охлаждаются отбором некоторой части воздуха на выходе из компрессора.

В газотурбинных авиационных двигателях изменение энергии потоков осуществляется лопаточными механизмами. В компрессоре, состоящем из последовательных подвижных и направляющих лопаток, происходит увеличение температуры за счёт сжатия потока. Каждая ступень компрессора последовательно увеличивает давление и температуру. В многоступенчатых компрессорах удаётся получить высокую степень увеличения давления. В турбине поток раскручивая ротор совершает работу, вращая компрессор и вентилятор. Мощность, отнесённая к одной лопатке турбины пропорциональна квадрату её угловой скорости.

При работе с высокими окружными скоростями наряду с термическими нагрузками лопатки турбин испытывают и значительное механическое воздействие вследствие возникающих центробежных сил. Это обстоятельство предъявляет дополнительные прочностные требования к материалам. В современных турбинах используются композитные материалы на основе титановых сплавов.

Борьба за скорость и удельную мощность развернулась не только на флоте, в авиации и железнодорожном транспорте. Тенденции развития силовых установок на всех видах транспорта имела идентичные стратегические направления.

Современная цивилизация, имеющая явно выраженный милитаристический окрас, все свои лучшие научно-технические достижения использовала, прежде всего, при создании боевых средств нападения и обороны. Такова уж энергетическая суть человечества.

Из недр военно-промышленных комплексов разработки с некоторой задержкой во времени, обусловленной, прежде всего, условием секретности, распространялось и в сугубо гражданские области производства, подтягивая их до уровня «оборонки».

В этом смысле война, как самый эффективный способ за минимальное время преобразовывать максимально возможные потоки энергии, является двигателем прогресса. Обусловлено это не только тем, что на войну работают лучшие интеллектуальные силы, но и уровнем финансирования разработок.

Перелицовывая любимую фразу политических лидеров всех стран и народов, можно сказать: «Всё лучшее для войны!». Когда идеи применения в силовых установках турбин перестали быть секретными, они стали успешно внедряться в смежные гражданские отрасли деятельности, в частности для увеличения удельной мощности автомобильных двигателей, как карбюраторных, так и дизельных.

Всякий человек сидящий за рулём автомобиля или мечтающий об этом в большей или меньшей степени глубины постижения вопроса знают, что мощность подкапотного устройства, именуемого в простонародии двигателем, зависит от целого ряда параметров.

Прежде всего, мощность определяется суммарным объёмом цилиндров, количеством подаваемой топливно-воздушной смеси, эффективностью горения топлива, его теплотворной способностью.

При фиксированном объёме цилиндров определённом типе топлива вариантов увеличения мощности остаётся не так уж много. С самых ранних стадий развития автомобильного двигателестроения конструкторы и учёные стремились впрыснуть в цилиндры как можно больше топлива, но делать это можно было до определённого предела.

Дело в том, что процесс горения, как известно, представляет собой окислительную реакцию, для течения которой непременно должен присутствовать кислород. Нехватка кислорода приводила к неполному сгоранию топлива. Топлива в цилиндры подавалось много, а увеличение мощности не наблюдалось. Это происходило от того, что возможности самого двигателя всасывать атмосферный воздух ограничены, даже при использовании фильтров нулевого сопротивления.

Во время тактов впуска двигатель работает в режиме насоса, на пути втягиваемого воздуха находится воздушный фильтр, многочисленные изгибы, включая дроссельную заслонку. Всё это создаёт аэродинамическое сопротивление, которое, в конечном счёте, ухудшает наполняемость цилиндров смесью распыленного топлива и воздуха.

Выход из такой ситуации очевиден, как лунная дорожка на воде ив ясную погоду. Надо повышать давление топливно-воздушной смеси перед её попаданием в цилиндр. Было перепробовано много различных способов, но более других получили распространение различного рода нагнетатели воздуха.

Впервые нагнетатель роторного типа был предложен ещё в далёком 1860 г Фрэнсисом Рутсом, жителем США, для проветривания промышленных помещений. Конструкция была проста до безобразия. Две вращающиеся в противоположных направлениях шестерни были помещены в герметичный кожух с водным и выходным патрубками.

В 1949году конструкция роторного нагнетателя была усовершенствована американским инженером Итоном, который прямозубые шестерёнки заменил косозубыми роторами, которые нагнетали воздух в продольном направлении. В устройстве Итона воздух не подвергался существенному сжатию, он просто перемещался

из одного объёма в другой, почему и стали их называть в технической литературе объёмными нагнетателями роторного типа.

Идея роторного нагнетателя в начале прошлого века была реализована в автомобильном двигателе (рис. 3.104).

За счёт изменения формы лопастей ротора удалось добиться эффекта сжатия воздуха в направлении его перемещения вдоль ротора. Таким образом, объёмный нагнетатель превратился в компрессор. В пространстве между вращающимися лопастями вследствие значительных завихрений возникали градиенты давления, обеспечивающие сжатие. Затем на смену роторному компрессору пришёл центробежный компрессор, состоящий из улитки с помещёнными в неё лопастями сложного профиля.

Рис. 3.105. Автомобильная турбина

В центробежном компрессоре воздух всасывался на оси вращения лопастей и центробежными силами отбрасывался к периферии с эффектом сжатия (рис. 3.105).

Следующим шагом в совершенствовании воздушного «питания» автомобильных двигателей стало совмещение компрессора и турбины.

Турбину приспособили для привода компрессора, причём за счёт энергии отработанных продуктов сгорания (рис. 3.106).

Вход атмосферного воздуха

4 Рабочее колесо компрессора

Рис. 3.106. Схема турбонаддува

Выхлопные газы в картере автомобильного двигателя (рис. 3.107) находятся при давлении существенно выше атмосферного, вполне достаточным, для того, чтобы сообщить турбине необходимую энергию для дальнейшей трансформации.

Турбинное колесо Вход

выхлопных газов

В современных конструкциях турбонаддува воздух перед попаданием в компрессор охлаждается. Чем ниже температура воздуха, тем в большей степени его можно сжать. Охлаждается воздух в специальных устройствах

интеркуллерах, представляющих собой радиаторы, охлаждаемые потоком атмосферного воздуха.

Рис. 3.107. Схема подачи к турбине отработанных продуктов сгорания

Зависимость плотности воздуха от температуры следует непосредственно из уравнения Клапейрона - Менделеева

pV = mRT,

Р

где р - давление, V - объём, m и р - масса и молярная масса воздуха, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура. Поделим обе части уравнения на объём m RT RT

Р =v_==Р_ ,

V Р Р и разрешим полученное соотношение

относительно плотности воздуха Р

Pb

р =

RT’

т.е. плотность воздуха (масса в единице объёма) обратно пропорциональна температуре. Отсюда и все технические выгоды применения интеркуллера.

На практике, естественно, всё протекало не так быстро. Турбонаддув, сплошь и рядом применяющийся в современных двигателях имеет свою достаточно длительную историю.

У истоков внедрения идеи дополнительной подачи воздуха стоял Готтлиб Вильгельм Даймлер, тот самый. Он впервые применил в разрабатываемых его фирмой двигателях компрессорную подачу воздуха. На первых образцах компрессор приводился в движение путём отбора некоторой части мощности от коленчатого вала двигателя. Даже этот подход принёс свои плоды. Несмотря на увеличение массы двигателя эффект возрастания мощности был на лицо.

Эстафету совершенствования турбонаддува перехватил далее сотрудник фирмы Sulzer Brothers Альфред Бюхи, который в 1905 г. получил первый патент на устройство нагнетания воздуха в цилиндры двигателей с использованием турбины, раскручиваемой отработанными газами.

Это уже был настоящий турбонаддув, однако до полномасштабного внедрения в практику было ещё далеко. Причин тому было несколько, главными из которых являлись высокие температуры (в районе 1000 0С) отходящих газов и высокие (2000 об/мин) обороты турбины. Нужны были особые материалы и особые технологии, которые в автомобилестроении не применялись.

Широко на практике турбонаддув начал применяться во время Второй мировой войны при создании поршневых авиационных двигателей. Это было дорогое удовольствие, но за ценой не стояли, летать надо было быстрее и дальше всех, всем была нужна победа.

Рис. 3.108. Современная система турбонаддува

На гражданке в 50 годах прошлого столетия первыми турбонаддув начала применять американская компания Caterpillar, специализирующаяся на выпуске тракторов и другой гусеничной и колёсной техники с мощными дизельными двигателями.

На серийных легковых автомобилях турбонаддув практически одновременно начали использовать известные автомобильные компании свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza (рис. 3.108).

При наличии неоспоримых достоинств турбонаддув обладает и недостатками. Кто бы в этом сомневался.

Дело в том, что турбина эффективно загоняет воздух в цилиндры только на высоких оборотах. На малых оборотах эффекта от турбонаддува практически нет. Как говорят продвитутые автомеханики: «Движок тупит».

Это явление получило и официальное прозвище - турбояма. В этой связи разработали и начали применять турбины низкого давления, но они были менее эффективны. Для искоренения турбоямизма начали снабжать двигатели двумя турбинами с последовательным и параллельным их включением.