По-видимому, первым предложил использовать энергию пара для движения судов Леонардо да Винчи (1452–1519). В 1705 Т.Ньюкомен (Англия) запатентовал первую довольно эффективную паровую машину, но его попытки использовать возвратно-поступательное движение поршня для вращения гребного колеса оказались неудачными.

Пар – традиционный источник энергии для движения судов. Пар получают при сжигании топлива в водотрубных котлах. Чаще других применяются двухбарабанные водотрубные котлы. В этих котлах имеются топки с водоохлаждаемыми стенками, пароперегреватели, экономайзеры, а иногда и воздухоподогреватели. Их КПД достигает 88%. См. также КОТЕЛ ПАРОВОЙ.

Дизели впервые появились в качестве судовых двигателей в 1903. Расход топлива в судовых дизелях составляет 0,25–0,3 кг/кВтЧч, а паровые машины расходуют 0,3–0,5 кг/кВтЧч в зависимости от конструкции двигателя, привода и других конструктивных особенностей. Дизели, особенно в сочетании с электроприводом, очень удобны для применения на паромах и буксирах, поскольку обеспечивают высокую маневренность. См. также ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ.

Поршневые паровые машины. Времена поршневых машин, когда-то служивших самым разнообразным целям, прошли. По КПД они существенно уступают как паровым турбинам, так и дизелям. На тех судах, где еще стоят паровые машины, – это компаунд-машины: пар расширяется последовательно в трех или даже четырех цилиндрах. Поршни всех цилиндров работают на один вал.

Паровые турбины. Судовые паровые турбины обычно состоят из двух каскадов: высокого и низкого давления, каждый из которых через понижающий редуктор вращает вал гребного винта. На военно-морских судах часто дополнительно ставят небольшие турбины для крейсерского режима, которые используют для повышения экономичности, а при максимальных скоростях включаются мощные турбины. Каскад высокого давления вращается со скоростью 5000 об/мин. См. также ТУРБИНА.

На современных паровых судах питательная вода из конденсаторов в подогреватели подается через несколько ступеней нагрева. Нагрев производится за счет тепла рабочего тела турбины и отходящих топочных газов, обтекающих экономайзер.

Почти все вспомогательное оборудование имеет электрический привод. Электрогенераторы с приводом от паровых турбин обычно вырабатывают постоянный ток напряжением 250 В. Используется и переменный ток.

Если передача мощности от турбины на винт осуществляется через редуктор, то для обеспечения заднего хода (обратное вращение винта) применяется дополнительная небольшая турбина. Мощность на валу при обратном вращении составляет 20–40% основной мощности.

Электропривод от турбины к гребному винту был очень популярен в 1930-е годы. В этом случае турбина вращает высокооборотный генератор, а выработанная электроэнергия передается на малооборотные электродвигатели, которые вращают гребной вал. КПД зубчатой передачи (редуктора) примерно 97,5%, электропривода – около 90%. В случае электропривода обратное вращение обеспечивается просто переключением полярности.

Газовые турбины. Газовые турбины появились на судах значительно позже, чем в авиации, поскольку выигрыш в весе в судостроении не так важен, и этот выигрыш не перевешивал высокую стоимость и сложность монтажа и эксплуатации первых газовых турбин. См. также АВИАЦИОННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА.

Газовые турбины используют на судах не только как главные двигатели; они нашли применение в качестве приводов для пожарных насосов и вспомогательных электрогенераторов, где выгодны их небольшой вес, компактность и быстрый запуск. В военно-морском флоте газовые турбины широко применяются на небольших скоростных судах: десантных катерах, минных тральщиках, судах на подводных крыльях; на больших кораблях их используют для получения максимальной мощности.

Современные газовые турбины обладают приемлемым уровнем надежности, стоимости эксплуатации и производства. Учитывая их малый вес, компактность и быстрый запуск, они во многих случаях становятся конкурентоспособными с дизелями и паровыми турбинами.

Дизельные двигатели. Впервые дизель как судовой двигатель был установлен на «Вандале» в Санкт-Петербурге (1903). Это произошло всего через 6 лет после изобретения Дизелем своего двигателя. На «Вандале», ходившем по Волге, было два гребных винта; каждый винт устанавливался на одном валу с 75-кВт электродвигателем. Электроэнергия вырабатывалась двумя дизель-генераторами. Трехцилиндровые дизели мощностью по 90 кВт имели постоянную частоту вращения (240 об/мин). Мощность от них нельзя было передавать непосредственно на гребной вал, поскольку не было реверса.

Пробная эксплуатация «Вандала» опровергла общее мнение, что дизели нельзя применять на судах из-за опасности вибраций и высоких давлений. Более того, расход топлива составил только 20% от расхода топлива на пароходах того же водоизмещения.

Внедрение дизелей. За десять лет, прошедших после установки первого дизеля на речное судно, эти двигатели подверглись значительному усовершенствованию. Увеличилась их мощность за счет повышения числа оборотов, увеличения диаметра цилиндра, удлинения хода поршня, а также разработки двухтактных двигателей.

Число оборотов существующих дизелей составляет от 100 до 2000 об/мин; высокооборотные дизели применяются на небольших быстроходных катерах и во вспомогательных дизель-генераторных системах. Их мощность варьируется в столь же широком диапазоне (10–20 000 кВт). В последние годы появились дизели с наддувом, что увеличивает их мощность примерно на 20%.

Сравнение дизельных двигателей с паровыми. Дизели имеют преимущество над паровыми двигателями на небольших судах благодаря своей компактности; кроме того, они легче при одинаковой мощности. Дизели расходуют меньше топлива на единицу мощности; правда, дизельное топливо дороже топочного. Расход дизельного топлива можно уменьшить дожиганием отработанных газов. На выбор энергетической установки влияет и тип судна. Дизельные двигатели запускаются гораздо быстрее: их не надо предварительно разогревать. Это очень важное преимущество для портовых судов и вспомогательных или резервных силовых установок. Однако есть преимущества и у паротурбинных установок, которые надежнее в эксплуатации, способны длительное время работать без регламентного обслуживания, отличаются меньшим уровнем вибраций благодаря отсутствию возвратно-поступательного движения.

Судовые дизели. Судовые дизели отличаются от прочих дизелей только вспомогательными элементами. Они непосредственно либо через редуктор вращают гребной вал и должны обеспечивать обратное вращение. В четырехтактных двигателях для этого служит дополнительная муфта обратного хода, которая входит в зацепление при необходимости обратного вращения. В двухтактных двигателях с обеспечением обратного вращения проще, поскольку последовательность работы клапанов определяется положением поршня в соответствующем цилиндре. В небольших двигателях обратное вращение получают с помощью муфты сцепления и зубчатой передачи. На некоторых сторожевых кораблях и амфибиях длиной менее 60 м ставят реверсивные гребные винты (см. ниже). Для того чтобы число оборотов двигателя не превысило безопасный предел, все двигатели оборудованы ограничителями частоты вращения.

Электрическая тяга. Термином «суда с электрической тягой» называют суда, у которых одним из элементов системы преобразования энергии топлива в механическую энергию вращения гребного вала является электрическая машина. Один или несколько электродвигателей соединяются с валом винта напрямую или через редуктор. Питание электродвигателей осуществляется от электрогенераторов, приводом которых служит паровая или газовая турбина либо дизель. На подводных лодках в подводном положении питание электродвигателей осуществляется от аккумуляторов, а в надводном – от дизель-генераторов. Электрические машины постоянного тока обычно устанавливаются на небольших и на высокоманевренных судах. Машины переменного тока используются на океанских лайнерах.

Турбоэлектроходы. На рис. 1 представлена схема турбоэлектропривода с котельной установкой для получения пара. Пар вращает турбину, которая, в свою очередь, вращает электрогенератор. Выработанная электроэнергия подается на электродвигатели, которые связаны с гребным валом. Обычно каждый турбогенератор работает на один электродвигатель, который вращает свой винт. Однако такая схема позволяет легко подсоединить к одному турбогенератору несколько электродвигателей, а следовательно, несколько гребных винтов.

Судовые турбогенераторы переменного тока могут вырабатывать ток с частотой в пределах 25–100% максимальной, но не более 100 Гц. Генераторы переменного тока вырабатывают ток напряжением до 6000 В, постоянного – до ~900 В.

Дизельэлектроходы. Дизельэлектрический привод по существу не отличается от турбоэлектрического, за исключением того, что котельная установка и паровая турбина заменены дизельным двигателем.

На небольших судах обычно на каждый винт работают один дизель-генератор и один электродвигатель, однако при необходимости можно отключить один дизель-генератор для экономии или включить дополнительный для увеличения мощности и скорости.

КПД. Электродвигатели постоянного тока на низких оборотах создают больший крутящий момент, чем турбины и дизели с механической передачей. Кроме того, у двигателей и постоянного и переменного тока крутящий момент одинаков как при прямом, так и при обратном вращении.

Полный КПД турбоэлектропривода (отношение мощности на гребном валу к энергии топлива, выделяющейся в единицу времени) ниже, чем КПД турбинного привода, хотя турбина и соединена с гребным валом через два понижающих редуктора. Турбоэлектропривод тяжелее и дороже механического турбинного привода. Полный КПД дизельэлектропривода примерно такой же, как у механического турбинного привода. Каждый тип привода имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому выбор типа двигательной установки определяется типом судна и условиями его эксплуатации.

Электроиндукционная муфта. В этом случае передача мощности от двигателя к гребному винту производится электромагнитным полем. Принципиально такой привод подобен обычному асинхронному электродвигателю, за исключением того, что и статор и якорь электродвигателя в электромагнитном приводе сделаны вращающимися; один из них связан с валом двигателя, а другой – с гребным валом. Элемент, связанный с двигателем, представляет собой обмотку возбуждения, которая питается от внешнего источника постоянного тока и создает электромагнитное поле. Элемент, связанный с гребным валом, представляет собой короткозамкнутую обмотку без внешнего питания. Оба элемента разделены воздушным промежутком. Вращающееся магнитное поле возбуждает в обмотке второго элемента ток, что заставляет этот элемент вращаться, но всегда медленнее (со скольжением), чем первый элемент. Возникающий крутящий момент пропорционален разности частот вращения этих элементов. Выключение тока возбуждения в первичной обмотке «разъединяет» эти элементы. Частоту вращения второго элемента можно регулировать, меняя ток возбуждения. При одном дизельном двигателе на судне использование электромагнитного привода позволяет снизить вибрации благодаря отсутствию механической связи двигателя с гребным валом; при нескольких дизельных двигателях такой привод повышает маневренность судна за счет переключения гребных винтов, поскольку направление их вращения легко изменить.

Атомные энергетические установки. На судах с атомными энергетическими установками главным источником энергии является ядерный реактор. Тепло, выделяющееся в процессе деления ядерного горючего, служит для генерации пара, поступающего затем в паровую турбину. См. АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА.

В реакторной установке, как и в обычном паровом котле, имеются насосы, теплообменники и другое вспомогательное оборудование. Особенностью ядерного реактора является его радиоактивное излучение, которое требует специальной защиты обслуживающего персонала.

Безопасность. Вокруг реактора приходится ставить массивную биологическую защиту. Обычные защитные материалы от радиоактивного излучения – бетон, свинец, вода, пластмассы и сталь.

Существует проблема хранения жидких и газообразных радиоактивных отходов. Жидкие отходы хранятся в специальных емкостях, а газообразные поглощаются активированным древесным углем. Затем отходы переправляются на берег на предприятия по их переработке.

Судовые ядерные реакторы. Основными элементами ядерного реактора являются стержни с делящимся веществом (ТВЭЛы), управляющие стержни, охладитель (теплоноситель), замедлитель и отражатель. Эти элементы заключены в герметичный корпус и расположены так, чтобы обеспечить управляемую ядерную реакцию и отвод выделяющегося тепла.

Горючим может быть уран-235, плутоний либо их смесь; эти элементы могут быть химически связаны с иными элементами, быть в жидкой или твердой фазе. Для охлаждения реактора используется тяжелая или легкая вода, жидкие металлы, органические соединения или газы. Теплоноситель может быть использован для передачи тепла другому рабочему телу и производства пара, а может использоваться непосредственно для вращения турбины. Замедлитель служит для уменьшения скорости образующихся нейтронов до значения, наиболее эффективного для реакции деления. Отражатель возвращает в активную зону нейтроны. Замедлителем и отражателем обычно служат тяжелая и легкая вода, жидкие металлы, графит и бериллий.

На всех военно-морских судах, на первом атомном ледоколе «Ленин», на первом грузо-пассажирском судне «Саванна» стоят энергетические установки, выполненные по двухконтурной схеме. В первичном контуре такого реактора вода находится под давлением до 13 МПа и поэтому не вскипает при температуре 270° С, обычной для тракта охлаждения реактора. Вода, нагретая в первичном контуре, служит теплоносителем для производства пара во вторичном контуре.

В первичном контуре могут использоваться и жидкие металлы. Такая схема применена на подводной лодке ВМС США «Си Вулф», где теплоносителем является смесь жидкого натрия с жидким калием. Давление в системе такой схемы сравнительно невелико. Это же преимущество можно реализовать, используя в качестве теплоносителя парафинообразные органические вещества – дифенилы и трифенилы. В первом случае недостатком является проблема коррозии, а во втором – образование смолистых отложений.

Существуют одноконтурные схемы, в которых рабочее тело, нагретое в реакторе, циркулирует между ним и главным двигателем. По одноконтурной схеме работают газоохлаждаемые реакторы. Рабочим телом служит газ, например, гелий, который нагревается в реакторе, а затем вращает газовую турбину.

Защита. Ее главная функция – обеспечить защиту экипажа и оборудования от излучения, испускаемого реактором и другими элементами, имеющими контакт с радиоактивными веществами. Это излучение делится на две категории: нейтроны, выделяющиеся при делении ядер, и гамма-излучение, возникающее в активной зоне и в активированных материалах.

В общем случае на судах имеются две защитные оболочки. Первая расположена непосредственно вокруг корпуса реактора. Вторичная (биологическая) защита охватывает парогенераторное оборудование, систему очистки и емкости для отходов. Первичная защита поглощает большую часть нейтронов и гамма-излучение реактора. Это снижает радиоактивность вспомогательного оборудования реактора.

Первичная защита может представлять собой двухоболочечный герметичный резервуар с пространством между оболочками, заполненным водой, и наружным свинцовым экраном толщиной от 2 до 10 см. Вода поглощает большую часть нейтронов, а гамма-излучение частично поглощается стенками корпуса, водой и свинцом.

Основная функция вторичной защиты – снизить излучение радиоактивного изотопа азота ¹⁶N, который образуется в теплоносителе, прошедшем через реактор. Для вторичной защиты используются емкости с водой, бетон, свинец и полиэтилен.

Экономичность судов с атомными энергетическими установками. Для боевых кораблей стоимость постройки и эксплуатационные расходы имеют меньшее значение, чем преимущества почти неограниченной дальности плавания, большей энерговооруженности и скорости кораблей, компактности установки и сокращения обслуживающего персонала. Эти достоинства атомных энергетических установок обусловили их широкое применение на подводных лодках. Оправданно и применение энергии атома на ледоколах.

Существует четыре основных вида судовых движителей: водометные движители, гребные колеса, гребные винты (в том числе с направляющей насадкой) и крыльчатый движитель.

Водометный движитель. Водометный движитель – это, по существу, просто поршневой или центробежный насос, который засасывает воду через отверстие в носу или днище корабля и выбрасывает через сопла в кормовой его части. Создаваемый упор (сила тяги) определяется разностью количеств движения струи воды на выходе и входе в движитель. Водометный движитель был впервые предложен и запатентован Тугудом и Хейсом в Англии в 1661. Позднее разные варианты такого двигателя предлагали многие, но все конструкции были неудачными из-за низкого КПД. Водометный движитель применяется в некоторых случаях, когда низкий КПД компенсирутся преимуществами в других отношениях, например для плавания по мелководным или засоренным рекам.

Гребное колесо. Гребное колесо в самом простом случае – это широкое колесо, у которого по периферии установлены лопасти. В более совершенных конструкциях лопасти могут поворачиваться относительно колеса так, чтобы они создавали нужную пропульсивную силу при минимальных потерях. Ось вращения колеса расположена выше уровня воды, и погружена лишь его небольшая часть, поэтому в каждый данный момент времени только несколько лопастей создают упор. КПД гребного колеса, вообще говоря, возрастает с увеличением его диаметра; не редкость значения диаметра 6 м и более. Частота вращения большого колеса получается низкой. Невысокое число оборотов соответствовало возможностям первых паровых машин; однако со временем машины совершенствовались, их скорости возросли, и малые обороты колеса стали серьезным препятствием. В итоге гребные колеса уступили место гребным винтам.

Гребные винты. Еще древние египтяне использовали винт для подачи воды из Нила. Есть свидетельства, что в средневековом Китае для движения судов использовали винт с ручным приводом. В Европе винт в качестве судового движителя впервые предложил Р.Гук (1680).

Конструкция и характеристики. Современный гребной винт обычно имеет несколько лопастей примерно эллиптической формы, равномерно расположенных на центральной втулке. Поверхность лопасти, обращенную вперед, в нос судна, называют засасывающей, обращенную назад – нагнетающей. Засасывающая поверхность лопасти выпуклая, нагнетающая – обычно почти плоская. На рис. 2 схематично показана типичная лопасть гребного винта. Осевое перемещение винтовой поверхности за один оборот называют шагом p; произведение шага на число оборотов в секунду pn – осевая скорость лопасти винта нулевой толщины в недеформируемой среде. Разность (pn - v₀), где v₀ – истинная осевая скорость винта, характеризует меру деформируемости среды, называемую скольжением. Отношение (pn - v₀)/pn – относительное скольжение. Это отношение – один из основных параметров гребного винта.

Важнейшим параметром, определяющим рабочие характеристики гребного винта, является отношение шага винта к его диаметру. Следующие по значимости – количество лопастей, их ширина, толщина и форма, форма профиля и дисковое отношение (отношение суммарной площади лопастей к площади описывающего их круга) и отношение диаметра втулки к диаметру винта. Экспериментально определены диапазоны изменения этих параметров, обеспечивающие хорошие рабочие характеристики: шаговое отношение (отношение шага винта к его диаметру) 0,6–1,5, отношение максимальной ширины лопасти к диаметру винта 0,20–0,50, отношение максимальной толщины лопасти вблизи втулки к диаметру 0,04–0,05, отношение диаметра втулки к диаметру винта 0,18–0,22. Форма лопасти обычно яйцевидная, а форма профиля – плавно обтекаемая, очень похожая на профиль крыла самолета. Размеры современных гребных винтов варьируются от 20 см до 6 м и более. Мощность, развиваемая винтом, может составлять доли киловатта, а может превышать 40 000 кВт; соответственно, частота вращения лежит в диапазоне от 2000 об/мин для малых винтов до 60 для больших. КПД хороших винтов составляет 0,60–0,75 в зависимости от шагового отношения, числа лопастей и других параметров.

Применение. На судах ставят один, два или четыре гребных винта в зависимости от размеров судна и требуемой мощности. Одиночный винт обеспечивает более высокий КПД, поскольку отсутствует интерференция и часть энергии, затрачиваемой на движение судна, восстанавливается гребным винтом. Это восстановление выше, если гребной винт установлен в середине спутной струи сразу за ахтерштевнем. Некоторое увеличение пропульсивной силы может быть достигнуто с помощью разрезного руля, для чего верхнюю и нижнюю части руля немного отклоняют в противоположные стороны (соответственно вращению винта), с тем чтобы использовать поперечную составляющую скорости струи после винта для создания дополнительной составляющей силы в направлении движения судна. Применение нескольких винтов увеличивает маневренность судна и возможности поворота без использования рулей, когда винты создают упор в разных направлениях. Как правило, реверсирование упора (изменение направления действия пропульсивной силы на обратное) достигается реверсированием вращения гребных двигателей, но существуют и специальные реверсивные винты, которые позволяют реверсировать упор без изменения направления вращения валов; это достигается поворотом лопастей относительно втулки с помощью механизма, расположенного во втулке и приводимого в действие через полый вал. Гребные винты изготавливают из бронзы, отливают из стали или чугуна. Для работы в соленой воде предпочтительнее сплав бронзы, легированной марганцем, поскольку он хорошо поддается шлифованию и успешно противостоит кавитации и воздействию соленой воды. Спроектированы и созданы высокоскоростные суперкавитирующие винты, у которых вся засасывающая поверхность занята зоной кавитации. При малых скоростях такие винты обладают несколько меньшим КПД, однако они значительно эффективнее обычных при высоких скоростях. См. также КАВИТАЦИЯ.

Винт с направляющей насадкой. Винт с насадкой – обычный винт, установленный в коротком сопле, – изобретен немецким инженером Л.Кортом. Насадка жестко соединена с корпусом судна или выполнена с ним как одно целое.

Принцип действия. Был сделан ряд попыток установить винт в трубе для улучшения его рабочих характеристик. В 1925 Корт обобщил результаты этих исследований и существенно усовершенствовал конструкцию: он превратил трубу в короткое сопло, диаметр которого на входе был больше, а форма соответствовала аэродинамическому профилю. Корт установил, что такая конструкция обеспечивает значительно больший упор при заданной мощности по сравнению с обычными винтами, поскольку струя, ускоряемая винтом, при наличии насадки сужается в меньшей степени (рис. 3). При одинаковых расходах скорость за винтом с насадкой (v₀ + uў) меньше, чем за винтом без насадки (v₀ + u). Поэтому идеальный КПД винта с насадкой возрастает в отношении (2v₀ + u)/(2v₀ + uў).

Преимущества. Преимущество винта с направляющей насадкой над обычным винтом проверено практикой. Выигрыш выше, когда скорость судна (v₀) невелика, а винт тяжело нагружен, т.е. велика скорость скольжения (u). В связи с этим винты с насадкой чаще ставят на буксирах, траулерах и аналогичных судах, которые буксируют тяжелые грузы с малой скоростью. Для таких судов выигрыш на единицу мощности, создаваемый винтом с насадкой, может достигать 30–40%. На быстроходных судах винт с насадкой не имеет преимуществ, поскольку небольшой выигрыш в КПД теряется из-за увеличения сопротивления на насадке.

Крыльчатые движители. Такой движитель представляет собой диск, на котором по периферии перпендикулярно плоскости диска размещены 6–8 лопатообразных лопастей. Диск установлен заподлицо с днищем корабля, а в поток опущены только лопасти движителя. Диск с лопастями вращается относительно своей оси, и, кроме того, лопасти совершают вращательное или колебательное движение относительно своей продольной оси. В результате вращательного и колебательного движений лопастей вода ускоряется в требуемом направлении, и создается упор для движения судна. Такой тип движителя имеет преимущество перед гребным винтом и гребным колесом, поскольку может создавать упор в любом желаемом направлении: вперед, назад и даже вбок без изменения направления вращения двигателя. Поэтому для управления судами с крыльчатым движителем не требуется рулей или других механизмов. Хотя крыльчатые движители не могут заменить гребные винты по универсальности применения, в некоторых специальных случаях они весьма эффективны.

Акимов Р.Н. и др. Справочник судового механика. М., 1973–1974
Самсонов В.И. и др. Судовые двигатели внутреннего сгорания. М., 1981
Овсянников М.К., Петухов В.А. Судовые дизельные установки (спр.). Л., 1986
Артюшков Л.С. и др. Судовые движители. Л., 1988
Батырев А.Н. и др. Корабельные ядерные установки зарубежных стран. СПб., 1994