Паровая машина с тройным расширением пара

К концу XIX века трансатлантическую линию Европа – США обслуживали пароходы длиной от 350 до 450 фт. (~100-140 м) с паровыми машинами мощностью 3000-4000 л.с. Линейные пароходы пересекали Атлантику за 10 - 11 дней и расходовали от 70 до 100 тонн угля в день.

Низкий к.п.д. паровых двигателей существенно уменьшал полезную грузоподъемность паровых судов и настоятельно требовал поиска более эффективных методов топливоиспользования.

Верхом совершенства в изготовлении судовых паровых машин стали двигатели с тройным расширением пара линейных судов серии "Oceanic", которые строились на Ирландских верфях с 1870 г.

В 1877 г. пароходы "Германик" ("Germanic") и "Британик" ("Britannic") поставили рекорд скорости пересечения Атлантики на дистанции 2,830 миль: Германик - 7 дней 11 часов 37 минут, Британик - 7 дней 10 часов и 53 минуты.

Рекорд скорости строительства судна и количества судов в серии принадлежит военно-транспортным пароходам проекта EC2, получившего наименование "Liberty" (Либерти). В период с 1941 по 1947 гг. было построено 2751 судов этого типа. Первый пароход серии "Патрик Генри" (SS Patrick Henry) был заложен 27 сентября 1941 г. и строился 70 дней. Спустя несколько лет сборка парохода "Роберт Е. Пери" (SS Robert E. Peary) заняла четыре с половиной дня, а через семь дней после закладки киля судно прошло швартовые испытания и, приняв груз, вышло в рейс.

Военно-транспортный пароход проекта "Liberty" (10000 т, 2500 л.с., 11 узлов)

Строительство "Либерти" было организовано по конвеерному принципу, при котором все 250000 деталей, входящих в спецификацию судна, собирались в стандартизованных 250-тонных секциях, перемещаемых между заводами в соответствии с технологией монтажа судового оборудования. После комплектации секции доставлялись на верфи, где и происходила окончательная сборка судна. Строительная стоимость парохода составляла $ 2,000,000.

Характеристики парохода: длина - 441 ft (134 м), ширина 56 ft (17 м), средняя скорость - 11 узлов. В 5 трюмах пароход перевозил до 9000 тонн груза, а на палубе - самолеты, танки или локомотивы.

В состав энергетической установки входил паровой двигатель мощностью 2500 л.с. с тройным расширением пара (трехцилиндровый) и два паровых котла, работающие на жидком топливе (топочном мазуте).

За время Второй мировой войны "Либерти" перевезли 2840 самолетов, 440 танков и 230 миллионов ящиков боеприпасов. В команду парохода входили 44 члена экипажа и от 12 до 25 военных моряков сопровождения и охраны судна. После войны ВМС США продали почти все суда данной серии, а последние "Либерти" эксплуатировались до начала 70-х годов, т.е. в течение 25 лет после окончания войны.

Однако кардинальное повышение эффективности судовых энергетических установок было связано не с совершенствованием паровых двигателей, а с изобретением турбин, позволивших не только поднять к.п.д. СЭУ, но и на порядок уменьшить массогабаритные характеристики судового двигателя.

Термин турбина происходит от французкого слова - turbine, пришедшего из латинского turbo — вихрь, вращение с большой скоростью, впервые использованного Героном Александрийским при описании принципа реактивного движения "Элоопила" (~130 г до н.э.).

"Элоопил", 130 г. до.н.э.

Однако вплоть до начала промышленного использования паровых машин подогреваемый огнем шар с водой, вращающийся под действием струи пара, был не более чем игрушкой. Только успехи в применении паровых машин заставили обратить внимание на свойства колеса, вращающегося под напором струи пара.

Первое упоминание о паровой турбине в Европе связано с именем итальянского инженера Джованни Бранка (Giovanni Branca), предложившего в 1629 г. использовать рабочее колесо турбины для размельчения угля и серы при производстве пороха (см. лекцию 1).

В 1837 г. в Англии и США было сделано несколько паровых колес, например колесо Авери (Avery at Syracuse, New York) имело диаметр 5 фт (~1,5 м), однако низкая эффективность одноступенчатой турбины с атмосферным противодавлением не могла составить конкуренцию паровому двигателю.

Для создания промышленной паровой турбины было необходимо завершить формулировку законов термодинамики и найти новые инженерные решения для производства работы с использованием тепловых свойств воды и водяного пара.