Теплоходы

Теплоходы, суда, главным движущим механизмом которых являются тепловые двигатели с внутренним сгоранием топлива. По численности, тоннажу и мощности механизмов теплоход составляют наиболее значительную, после пароходов, группу судов, приводимых в движение механической силой (см. судостроение, XLI, ч. 5, 353/64), и полностью исчерпывают всю массу «моторных» судов, под каким названием они и рассматриваются в иностранной литературе. Представляя собой изобретение очень недавнего времени и существуя всего около трех десятков лет, теплоходы, тем не менее, развивались настолько быстрым темпом, что оказались весьма серьезным конкурентом пароходам; борьба между обоими типами судов привела к значительному усовершенствованию их механизмов, т. е. поршневых машин, паровых турбин и котлов на пароходах и двигателей внутреннего сгорания на теплоходах.

Начало теплоходостроения, в смысле постройки мелких моторных судов, снабженных двигателями внутреннего сгорания, работающими на легком топливе, т. е. бензине, керосине и т. п., начиная с моторов системы Ленуара, относится к семидесятым годам прошлого века. Однако, ввиду малой мощности этих двигателей, по самой их конструкции, и дороговизны потребляемого ими топлива, не было достаточного основания в оборудованию ими более крупных коммерческих и тем паче военных судов, уже в то время требовавших значительной мощности механизмов; этому мешало также и некоторое недоверие к новому типу двигателей, вполне естественное у практиков, воспитавшихся на паровых механизмах.

Переворот в этом отношении был вызван появлением тепловых двигателей д-ра Дизеля, работающих на тяжелом, более дешевом топливе, а именно нефти (см. двигатели внутреннего сгорания, ХVIII, 31/32, прил. 1'/2' сл.). Главным преимуществом новых двигателей перед паровыми машинами являлся их поразительно высокий для того времени коэффициент полезного действия, что, при большой теплотворной способности жидкого топлива, приводило к необычайно малому его расходу на силу/час. Достаточно сказать, что вместо обычного тогда расхода в 0,80—0,90 кг угля на силу/час при паровых установках, дизель-моторы расходовали всего лишь 0,20 кг и менее, т. е. в 4 с лишком раза меньше; в этом отношении дизель-моторы оказывались выгоднее других систем двигателей внутреннего сгорания и газогенераторных.

Легко понять, какие перспективы сулило подобное сокращение в весовом отношении расхода топлива, как в коммерческом, так и особенно в военном флоте. Действительно, сравнивая между собой два судна — теплоход и пароход, имеющие одинаковые размеры и предназначенные для одинаковой дальности плавания, найдем, что первый из них, снабженный двигателем Дизеля, может взять вчетверо меньший по весу запас топлива, увеличив за этот счет свою грузоподъемность; обратно, если взять одинаковое количество топлива, то при тех же условиях теплоход в состоянии пройти вчетверо большее расстояние, чем пароход. Для условий именно нашего судоходства это должно было иметь колоссальное значение, так как получалась возможность, не прибегая к дополнительной погрузке топлива в пути, пройти с собственным запасом его огромнейшее расстояние между портами Балтийского или Черного моря и портами Дальнего Востока. Особенно важное значение имеет такая возможность в военное время, когда погрузка топлива по дороге может быть сильно затруднена, ввиду отсутствия собственных станций или невозможности пользоваться станциями других государств. Поэтому, уже во время русско-японской войны, еще в самом начале развития постройки дизель-моторов, появились проекты оборудования ими вспомогательных транспортов-угольщиков, которые могли бы сопровождать эскадру адмирала Рождественского и снабжать ее топливом. Однако, недоверие к новым двигателям заставило адмирала отклонить сделанное ему предложение о снабжении его эскадры «плавучими угольными базами».

Аналогичная идея продолжала занимать умы и в дальнейшее время, в виде проектов боевых судов, обладающих известной «автономностью», в смысле возможности совершать большие переходы с малой скоростью на нефти под вспомогательными дизель-моторами, между тем как главные паровые механизмы предназначались для боевых операций. В 1908 г. на международном конкурсе русского морского министерства профессором К. П. Боклевским был представлен проект «автономного» линейного корабля, в котором впервые был проведен принцип разделения службы механизмов: 1) дизель-моторы — как двигатели для повседневной службы и дальних переходов при небольших скоростях хода (крейсерская служба); 2) паровые турбины — как механизмы, предназначенные для работы во время боевых операций, т. е. на высоких скоростях хода. Кратковременность службы последних, т. к. боевые операции, вообще говоря, исчисляются часами, позволила автору использовать сравнительно легкие паровые механизмы, что дало возможность, без увеличения общего веса механизмов, значительно повысить их мощность и, следовательно, получить большую скорость хода. Хотя идея эта была встречена сочувственно, но т. к. за границей подобных судов не появлялось, то и у нас колебались с ее осуществлением, несмотря на все преимущества таких судов. В дальнейшем возникали идеи частичного оборудования   существующих боевых судов вспомогательной тепловой установкой, но также не могли получить практического осуществления.

Таблица 1

Чтобы сделать яснее картину важности влияния расхода топлива на величину судна, в  табл. I даны примерные цифры, относящиеся к различным дальностям плавания и различной чистой грузоподъемности при одинаковой скорости судна около 12 узлов для теплохода и парохода. Из этой таблицы, а также из иллюстрирующих ее круговых диаграмм (фиг. 1), видно, что для малых дальностей плавания, например, 1 000 миль, разница между обоими типами судов сравнительно невелика при всякой величине судна, что и понятно, т. к. в обоих случаях топливо отнимает слитком незначительную долю от полного водоизмещения. При повышении дальности плавания увеличивается разница между пароходом и теплоходом настолько, что, при дальности плавания в 10 000 миль, пароход с чистой грузоподъемностью в 1 000 т становится вдвое больше теплохода, а пароход с чистой грузоподъемностью в 10000 т  превышает теплоход более чем на 30%. Подобное увеличение размеров парохода сравнительно с теплоход при одинаковой чистой грузоподъемности является, конечно, для первого типа судов весьма невыгодным и компенсируется лишь большей дешевизной пароходного топлива, т. е. каменного угля, по сравнению с нефтью, а также большей простотой и надежностью конструкции паровых механизмов и управления ими.

Одним из крупнейших недостатков первых двигателей Дизеля, казавшимся весьма трудно устранимым, являлось отсутствие реверсивности, т. е. невозможность изменения вращения вала двигателя в ту и другую сторону, как это имеется у паровых машин. Этот недостаток двигателя, не имеющий значения для стационарных установок, становится весьма важным для судов, где гребному винту должна быть обеспечена возможность вращаться в обоих направлениях при маневрировании.

Рис. Внешний вид 4-тактного двигателя Дизеля теплохода «Afrika»

Главные элементы теплохода:

Крайняя длина – 464 фута 6 дюймов

Наибольшая ширина – 60 футов

Осадка в полном грузу – 24 фута

Дедвейт – 13000 тонн

Главные элементы 2-х двигателей:

Полная мощность (IHP) 4500 л. с.

Число цилиндров каждого двигателя – 6

Диаметр цилиндров – 740 мм (29 1/6”)

Ход поршня – 1150 мм (45 ¼ “)

Число оборотов вала – 115.

Двигатель выстроен на заводе Burmeister & Wain’s.

Другим существенным недостатком двигателей внутреннего сгорания следует  считать невозможность большого изменения режима их, в смысле значительного понижения числа оборотов для уменьшения скорости хода судна, как это имеется у поршневых паровых машин.

Чтобы устранить эти недостатки, на крупных судах стали производить установку двигателя на вал гребного винта не непосредственно, а через передачу, позволяющую изменять как направление вращения винта, так и число его оборотов, причем, конечно, электрические передачи стояли на первом плане, хотя и в значительной степени увеличивали громоздкость всей установки по сравнению с паровым двигателем. Такая установка была сделана на нефтеналивной барже «Вандал» товарищества братьев Нобель для рейса по р. Волге, приладожским каналам и р. Неве.

Однако, применение постоянной передачи, требовавшей некоторой дополнительной затраты энергии, оказывалось довольно невыгодным, почему было предложено (система Дель Пропосто) применять электрическую передачу лишь на время перемены вращения винта, т. е. для заднего хода и маневрирования, на постоянном же переднем ходу — непосредственно связывать двигатель с валом гребного винта.

Помимо отсутствия затраты энергии на передачу за большую часть времени работы двигателя, возможно было при этой системе еще несколько уменьшить электрическую установку, так как, во-первых, для маневров и заднего хода не требуется развития полной мощности, а во-вторых, при непродолжительной работе электромоторов, они без вреда могут быть перегружены на 50 и более процентов, что, в свою очередь, давало крупный выигрыш в расходе топлива и весе установки. Система передачи инж. Дель Пропосто была применена впервые на некоторых судах нашего торгового флота: например, в 1904 г. на нефтеналивной барже «Сармат» товарищества братьев Нобель, одинакового размера с предыдущей, а также на 8 канонерских лодках для р. Амура.

Фиг. 1.

Другим рациональным способом попеременного включения и разобщения мотора с валом гребного винта явилось применение пневматических муфт инж. Корейво, установленных в 1908/09 гг. Коломенским заводом на 7 крупнейших волжских теплоходах, как винтовых, так и колесных; муфты этой системы давали возможность в достаточной степени регулировать и число оборотов винта с весьма малым изменением режима двигателя.

Однако, эти и подобные им способы устранить недостатки теплоход из-за отсутствия реверсивности двигателя оказывались паллиативными мерами и могли применяться лишь до того момента, когда появились двигатели внутреннего сгорания, лишенные этого недостатка и, следовательно, позволявшие устанавливать их непосредственно на гребной вал. В русском флоте такие реверсивные двигатели появились в 1909 г., когда  ими были оборудованы канонерские лодки для Каспийского моря «Карс» и «Ардаган».

Вопрос о повышении мощности дизель-моторов, которая первое время не могла быть достигнута простым увеличением числа цилиндров, так как это приводило к значительному усложнению установки, получил благоприятное разрешение благодаря успехам металлургии и прогрессу в конструкциях этих новых механизмов, что дало возможность повысить, мощность каждого цилиндра до пределов, казавшихся ранее совершенно недоступными. Таким образом, в настоящее время достигли мощности в 1 000 сил и более на один цилиндр, что позволяет при 6—8 цилиндрах иметь в одном агрегате около 6 000—8 000 сил, и, следовательно, при установке трех или четырех линий гребных валов оказывается возможным получить мощность до 30 000 л. с., что является вполне достаточной величиной даже для наиболее крупных коммерческих судов. Так, например, законченный в конце 1927 г. постройкой итальянский теплоход «Augustus», имеющий размеры: длина 216,6 м, ширина 25,2 м, высота борта от киля до мостика 29,8 м, углубление в воде 9,15 м и водоизмещение около 32 000 тонн, снабжен моторной установкой, развившей на испытании мощность в 28 800 лошадиных сил при скорости судна около 20 узлов (37 км в час). теплоход имеет 4 гребных винта, причем на каждом валу установлено по одному 6-цилиндровому мотору с числом оборотов 125 в минуту. Расход топлива при такой мощности двигателя составлял 120 тонн в сутки, что, при запасе его на судне в 4 200 тонн, дает возможность (учитывая расход на судовые потребности) пройти расстояние около 15 000 миль (26 000 км). При столь больших размерах теплоход может иметь на борту, кроме 500 чел. судового состава, еще около 2 200 пассажиров, в том числе 300 пассажиров I класса, помещения которых обставлены со всей современной роскошью, вплоть до громадного бассейна для плавания.

Двигатели, работающие по принципу д-ра Дизеля, за последнее время являются весьма разнообразными по своей конструкции. Не говоря уже о разделении их на двухтактные и четырехтактные, появились двигатели двойного действия, двигатели без крейцкопфа, закрытые и открытые типы и т. д. Борьба между двухтактными и четырехтактными двигателями привела, по-видимому, к тому, что на средних мощностях установок и при повышенных числах оборотов вала предпочтительно применяются четырехтактные двигатели, в то время как при больших мощностях с пониженным числом оборотов двухтактные двигатели оказались выгоднее.

Фиг. 2.

Кроме важного значения экономичности в расходе топлива, тепловые установки на коммерческих судах имеют еще то преимущество, что занимаемое ими пространство является значительно меньшим, чем при паровых установках (см. фиг. 2); к этому надо прибавить, что в то время, как большое количество и по весу, и по объему угольного топлива на пароходах приходится хранить в угольных ямах, отнимающих много места, гораздо меньшее количество по весу и объему жидкого топлива теплохода можно держать в отсеках его двойного дна. Кроме того, прием жидкого топлива на судне, как вполне понятно, производится значительно проще, чем догрузка каменного угля. Таким образом, при тепловой установке может быть выигрыш в 15%—20% от чистой вместимости, который также увеличивает доходность теплохода по сравнению с пароходами.

Однако, несмотря на все эти пенные преимущества, некоторые весьма существенные обстоятельства мешают полной победе тепловых установок над паровыми.

Одним из этих обстоятельств является невозможность обойтись при оборудовании судна одной лишь тепловой установкой, т. к. некоторые судовые устройства не могут ею пользоваться. Такие устройства, как отопление помещений судна, требуют установки на теплоход вспомогательного парового котла; использование для этой цели теплоты отходящих газов главных двигателей не достигает цели, т. к. отопление должно действовать и на стоянках, когда главные двигатели не работают. Кроме того, и другие устройства судна, например, грузовое, якорное, рулевое и т. д., хотя и поддаются электрификации путем установки вспомогательных дизель-динамо, но паровые механизмы для этих устройств являются более удобными.

Немаловажным является и то обстоятельство, что в периоды кризиса с нефтью теплоходы становятся слишком неэкономичными и даже в некоторых случаях принуждены прерывать свою работу, между тем как пароходы могут быть переведены без больших затруднений на любое горючее. Так случилось, например, в минувшие годы в волжском судоходстве, так как теплоходы, из-за отсутствия нефти, должны были стоять на приколе, а пароходы, хотя и отапливались дровами и низкими сортами угольного топлива, тем не менее, продолжали свою деятельность. Однако, даже в случаях, когда оба рода топлива — уголь и нефть — имеются налицо в достаточном количестве, вопрос о преимуществах того или иного типа установок будет зависеть от соотношения между ценами на потребляемое ими топливо.

Если учесть, что, ввиду острой конкуренции между пароходами и теплоходами, паровые установки также значительно усовершенствовались как в смысле увеличения коэффициента полезного действия путем уменьшения расхода топлива, так и в весовом отношении, вследствие применения паровых турбин и водотрубных котлов, то, при обычном соотношении цен на горючее, выгода от установки тепловых двигателей уменьшается настолько, что решающим фактором в пользу того или иного типа двигателя могут явиться обстоятельства далеко не экономического характера. Как показывает приводимая ниже табл. XI, взятая из сообщения профессора Biles в «Institution of Naval Architects» — в июне 1926 г.   даже при отоплении котлов нефтью одинаковой стоимости с нефтью для моторов, эксплуатация современного парового двигателя может оказаться более выгодной.

Явление такого же рода замечается и при сравнении паровой и тепловой установок да малых судах. Так, например, по германским данным (1925), для буксирных судов, несмотря на меньший вес дизелей, чем паровых машин, и другие связанные с этим преимущества, при обычной стоимости угля в 20 золотых марок за тонну и нефти в 100 зол. марок за тонну, эксплуатация буксира-теплохода обходится более чем на 20% дороже. Тут следует обратить внимание и на то, что при установках двигателей внутреннего сгорания расход на смазочные материалы значительно больше, чем при паровых установках.

Немаловажным тормозом к развитию теплоходостроения является необходимость в более квалифицированном машинном персонале, чем при паровых установках, причем особенно сильно это сказывается в странах с недостаточным  профтехническим образованием.

Таблица II. Судно грузоподъемностью 10 000 тонн, скорость 12 узлов, мощность механизмов 3600 л. с., 250 дней в пути, 115 дней на стоянках

Несмотря на все затруднения, теплоходостроение продолжает не только развиваться, но и ускорять темп своего развития. Если обратиться к данным Английского Ллойда, охватывающим все количество мирового тоннажа судов, вместимость которых больше 100 регистровых тонн (10 000 куб. футов), то увидим, что на 1/VІІ 1924 г. тоннаж теплоходов составлял всего 3,2% от общего тоннажа судов с механическими двигателями, в то время как на 1/VІІ 1927 г. он возрос уже до 6,6%. Такое быстрое повышение тоннажа моторных судов объясняется все усиливающейся постройкой их за последние годы по сравнению с пароходами; так, по тем же данным, на 1/VII 1927 г. тоннаж строящихся теплоходов превысил на 6% тоннаж строящихся пароходов. Что это явление достаточно устойчивое, показывает сравнение с предыдущим годом: на 1/VІІ 1926 г. строилось 172 теплоходов с общим тоннажем 885 000 регистровых тонн, а на 1/VІІ 1927 г. — уже 268 теплоходов с общим тоннажем 1 460 000 регистровых т; средний тоннаж в 1926 г. составлял 5 150 регистровых т., а в 1927 г. — уже 5 450 регистровых т, что показывает постепенное укрупнение теплоходов.

То же самое замечается при обследовании строящихся судовых механизмов: по тем же данным, на 1/VII 1927 г. значилось в постройке:

356 паровых машин общей мощностью 580 000 л. с., среднее 1 830 л. с.

35 даровых турбин общей мощностью 338 050 л. с., среднее 9 650 л. с.

324 двигателя внутреннего сгорания общей мощностью 1 102 424 л. с., среднее 3 400 л. с.

Постройкой тепловых судовых двигателей занимаются крупнейшие заводы и верфи в различных странах. Наиболее известными являются: Burmeister and Wain — в Дании; Vickers и Harland and Wolf — в Англии; Augsburg — Nürnberg (MAN), Krupp, Sulzer и Blohm und Voss — в Германии; Ansaldo — в Италии. В России разработкой двигателя Дизеля с 1897 г. занимался завод Л. Нобеля в Петербурге, причем им был самостоятельно сконструирован в 1908 г. первый реверсивный четырехтактный двигатель; этим же заводом был выполнен ряд моторных установок на подводных лодках и других судах нашего военного флота. Несколько позднее постройкой дизель-моторов стал заниматься Коломенский машиностроительный завод, оборудовавший ими большое количество волжских теплоходов, как грузовых, так и пассажирских.

В настоящее время в Ленинграде постройка тепловых двигателей для нашего флота ведется на заводе «Русский Дизель», а кроме того, и Коломенский завод возобновляет свою деятельность в том же направлении.

Литература. Вопросы теплоходостроения занимают все более и более места в литературе по судостроению; за границей имеются специальные журналы, как по крупному, так и по мелкому теплоходству, в виде либо самостоятельных изданий, либо в качестве отдельных приложений к наиболее известным органам по судостроению («The Motor Ship» — в Англии и Америке, «The Motor-Boat», «Das Motorboot» и др.). В России с 1911 по 1916 г. выходил журнал «Теплоход», в котором вопросы теплоходостроения получали всестороннее освещение. В послевоенное время сведения по теплоходам помещались в журналах «Торговый Флот» и «Водный Транспорт». См. также: С. Del Proposto, А. Lecointe, С. Boklewsky, «Propulsione delle navi mediante macсhine motrici irreversibili» (в Rivista Marittima, 1906); Sir John Biles, «The relative commercial efficiency of steam turbine and Diesel Machinery for Cargo Vessels» (в Transactions of the Institution of Naval Architects, 1926); В. Шолц, «Судовые нефтяные двигатели внутреннего сгорания», перев. В. А. Лаптева и М. Л. Зельдович, Одесса, 1927; статьи в Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft (с 1908 по 1927 г.).

К. Боклевский и И. Яковлев.