Kako je brod kraći od 32 metra i istisnine manje od 45 tona iz temelja promijenio ne samo brodarstvo i pomorstvo već i svijet? Tako što je prvi uporabio revolucionarni novi pogonski sklop temeljen na parnoj turbini

Danas turbine pokreću svijet. Te jednostavne i snažne naprave ili strojevi nalaze se svuda oko nas. Najjednostavnije rečeno, one akumuliranu potencijalnu energiju (voda) ili energiju tlaka (plin ili para) pretvaraju u mehanički rad koji se ostvaruje u rotacijskom obliku. Vodne turbine pokreću električne generatore u hidrocentralama. Vjetrene turbine pretvaraju kinetičku energiju vjetra u mehanički rad, koji se u najvećoj mjeri također rabi za pokretanje električnih generatora. Plinske turbine pokreću ne samo najveće ratne brodove već i najveće zrakoplove. Male turbine poznate kao turbopunjači nalaze se u bezbrojnim dizelskim i Ottovim motorima osobnih automobila, autobusa, kamiona, lokomotiva… Parne turbine glavni su dio svih termoelektrana, bez obzira na to pokreće li ih para proizvedena ugljenom, plinom, nuklearnom fisijom ili nečim drugim. Kombinacija nuklearnog reaktora i parne turbine pokreće najveće nosače zrakoplova i najveće podmornice.

Povijesni razvoj turbina počinje Heronovom kuglom. Riječ je o preteči današnje parne turbine, izumu grčkog matematičara i fizičara Herona iz Aleksandrije (oko 10. – oko 75.). Osim za uveseljavanje dokonih stanovnika Aleksandrije, kugla nije imala korisnu svrhu. Puno stoljeća kasnije Hrvat iz Šibenika Faust Vrančić (1551. –1617.), pridonijet će razvoju turbina osmišljavanjem sustava statora i rotora za svoje vjetrenjače i vodenice. Talijan Giovanni Branca (1571. – 1645.), objavio je 1629. godine skicu akcijskog kola parne turbine. Nijemac mađarskog podrijetla Johann Andreas von Segner (1704. – 1777.), objavio je 1751. radove o svojem kolu koje je zapravo prva mlazna vodna turbina. Svojim istraživanjima potaknuo je Švicarca Leonharda Eulera (1707. – 1783.) na postavljanje i objavljivanje osnovne jednadžbe turbostrojeva. Francuz Claude Burdin (1788. –1873.) uveo je 1824. termin turbina (lat. turbo, vrtlog). Nagli tehnološki razvoj tijekom XVIII. i XIX. stoljeća omogućio je proizvodnju čelika dostatno snažnih da izdrže visoke tlakove unutar parnih turbina. Napomenimo i da se najslavniji hrvatski izumitelj Nikola Tesla (1856. – 1943.), među ostalim, bavio razvojem turbina. Teslina turbina s mnoštvom tankih diskova bez lopatica tek treba biti do kraja razvijena i primijenjena.

Tvrtka zbog jednog plovila

Modernu parnu turbinu prvi je 1884. godine izradio Britanac Charles Algernon Parsons (1854. – 1931.) i povezao je s elektrogeneratorom snage 7,5 kW. Međutim, izum je izazvao slab interes. Parsons je stoga zaključio da će najučinkovitiji način privlačenja pažnje javnosti i političara biti plovilo kojim će dokazati sve prednosti parne turbine. U tu svrhu osnovao je 1893. tvrtku Parsons Marine Steam Turbine Company, a već 2. kolovoza iduće godine porinuta je Turbinia, iznimno napredan brod. Kako bi se ograničila istisnina, a istodobno dobio dostatno čvrst trup koji će izdržati velika naprezanja pri vrlo velikim brzinama, tvrtka Brown and Hood projektirala je plovilo u cijelosti izrađeno od čelika.

Tako je nastao brod duljine 31,93 i širine 2,7 m (prvotni planovi predviđali su širinu trupa od samo 2,4 m) i gaza tek 0,91 m. I ono najvažnije – istisnina je bila manja od 45 tona (44,5 t). Za svoje je vrijeme Turbinia i izgledom odudarala jer je imala vrlo malo nadgrađe koje je imalo dvojaku svrhu. Prvo, da se do krajnjih granica smanji istisnina; drugo, da se plovilo i vizualno učini što neobičnijim.

Tek da bi se dobio pravi uvid u to koliko je Turbinia bila revolucionaran brod, vrijedi je usporediti s tad najsuvremenijom torpiljarkom HMS Halcyon, porinutom 6. travnja 1894. U trenutku porinuća bila je najmanji brod britanske mornarice, dug 80 m i istisnine 1070 tona. Veličina je prije svega rezultat potrebe za osiguranjem dostatno prostora za dva stapna parna stroja. Ukupna instalirana snaga bila je 4500 kW. To je bilo dostatno da HMS Halcyon dostigne vršnu brzinu od 20 čvorova. Za kraj XIX. stoljeća to je bio odličan podatak. Na Turbiniji, koja je bila 2,5 puta kraća i 24 puta lakša, bila je parna turbina najveće snage 1118 kW pri 2000 okretaja u minuti. Međutim, tijekom maritimnih testiranja rabilo se tek 716 kW – dijelom zbog ograničenja parnog kotla, a dijelom zbog problema s brodskim vijcima, kojima je i ta snaga bila prevelika. Usprkos tomu, Turbinia će postići vršnu brzinu od 34,5 čvorova.

Rani problemi

Turbinia je porinuta 2. kolovoza 1894. Maritimna testiranja počela su 14. studenog te godine – i doživjela potpuni neuspjeh. Iskoristivost brodskog vijka s četiri krilca bila je tek 50 posto. I nakon što je promijenjeno sedam modela brodskih vijaka, rezultat je bio jednak. Do određene brzine okretaja brodski su vijci radili pouzdano, a onda bi im iskoristivost naglo pala. Problem je bila kavitacija, ali o njoj se tad nije znalo gotovo ništa. Najboljim rješenjem pokazali su se trostruki brodski vijci. Prvi je vijak imao promjer 508, a drugi i treći 558,8 mm. Njihova iskoristivost i dalje je bila vrlo niska – tek 37,5 posto pri 1750 okretaja u minuti. No Turbinia je s njima uspjela postići za ono vrijeme solidnu brzinu, tek nešto manju od 20 čvorova.

Misterij neuspješnosti brodskog vijka rasvijetlit će teoretski rad o kavitaciji koji su 1895. godine objavili Britanci John Thornycroft (1843. – 1928.) i Nathaniel Barnaby (1829. – 1915.). Međutim, jedno je bilo saznati što se otprilike događa, a sasvim nešto drugo razviti rješenje za problem. Parsonsu i njegovoj ekipi bilo je jasno da će proći godine, ako ne i desetljeće, dok se ne razviju novi brodski vijci koji će se moći nositi s kavitacijom. Kako bi sam ubrzao razvoj novih brodskih vijaka, Parsons je prvi na svijetu osnovao laboratorij za kavitacijska ispitivanja i razvoj brodskih vijaka. Posebno razvijen spremnik s vodom i staklenom pregradom omogućio je fotografiranje kavitacije na brodskom vijku i time znatno poboljšao testiranja. Daljnji korak bit će uporaba filmske kamere.

Kako je parna turbina morala raditi na velikom broju okretaja, a razvoj novih brodskih vijaka tek je bio počeo, rješenje za postizanje dostatne iskoristivosti bilo je radikalno – umjesto jedne pogonske osovine ugradit će se tri. Tako se povećala površina brodskih vijaka i posredno učinkovitost. Ujedno su umjesto jedne velike parne turbine ugrađene tri manje. One su usto bile novog tipa, koji će naknadno biti nazvan po svojem izumitelju – Parsonsova turbina. Tad su se zvale paralelne protočne parne turbine. Njihova je glavna odlika to da se tijekom rada od ukupne toplinske energije pola promjene energije odvija u statorskim, a drugi dio u rotorskim lopaticama te da imaju veliku iskoristivost. Na svaku od tri pogonske osovine Parsons je postavio po tri brodska vijka promjera 457,2 mm. Testirani su i drugi promjeri i drugi broj vijaka, no taj se pokazao najučinkovitijim.

Konačno uspjeh

Parsons je očekivao da će doći do stanovitog povećanja brzine, no ono što se dogodilo bilo je nevjerojatno i trajno je promijenilo svijet brodova, posebno ratnih i putničkih. Prva maritimna testiranja provedena u prosincu 1896. pokazala su golemo povećanje vršne brzine. S manje od 20 brzina je skočila na 29,6 čvorova. Daljnjim poboljšanjem vijaka u travnju 1897. brzina je povećana na dotad nevjerojatnih 32,76 čvorova. Na kraju je postignuta vršna brzina od 34 čvora. Ne treba posebno isticati da su se nakon tih uspjeha podigle mnoge obrve. To prije jer se Parsonsova turbina mogla povećavati u promjeru i duljini, a da pritom ne gubi na iskoristivosti. Dapače, čak ju je povećavala. U travnju 1897. počela su službena testiranja Turbinije. Zanimljivo je da britanska mornarica nije željela imati ništa službeno s tom novotarijom (iako je bila itekako zainteresirana) pa je za vođu tima za testiranje odabran profesor s Cambridgea Alfred Ewing (1855. – 1935.).

Iako je želja britanske mornarice bila da se o Turbiniji u javnosti govori što manje, Parsons je želio što više promovirati svoju parnu turbinu. Stoga se Turbinia, na zgražanje Admiraliteta, pojavila na dijamantnom jubileju kraljice Viktorije. Preciznije, na pomorskoj smotri održanoj u lipnju 1897. u Spitheadu. Turbinia je doslovno projurila pokraj najvećih brodova britanske mornarice i sve ih zasjenila. S obzirom na to da su sve britanske, kao i brojne europske novine pisale o Turbiniji, daljnje skrivanje više nije imalo smisla. Stoga se nastavak službenih maritimnih testiranja odvijao i u prisutnosti časnika Admiraliteta.

Ubacivanje reduktora

Maritimna testiranja Turbinije s različitim brodskim vijcima, testiranja u kavitacijskom laboratoriju i daljnji razvoj parnih turbina doveli su do još jednog Parsonsova rješenja: da bi se iskoristivost parne turbine i brodskog vijka istodobno povećala, između njih treba ubaciti reduktor. Reduktorom se postizalo to da se velika snaga parne turbine koja se ostvarivala na (pre)velikoj brzini okretaja iskoristivo prenese na brodski vijak tako da se smanji broj okretaja uz zadržavanje snage. To je rezultiralo mogućnošću ugradnje brodskih vijaka koji su pri manjem broju okretaja (koraka ili uspona) imali vrlo veliku porivnu silu. Smanjenje uspona vijaka znatno je smanjivalo i problem kavitacije. Britanska ratna mornarica je zahvaljujući reduktoru porinula 1906. godine bojni brod HMS Dreadnought, koji su pokretale dvije parne turbine preko četiri pogonske osovine. Usprkos istisnini većoj od 18 tisuća tona, vršna brzina HMS Dreadnoughta iznosila je 21 čvor.

Još prije ratne mornarice, britanska tvrtka Cunard Line porinula je u veljači 1905. godine RMS Carmaniju, prvi prekooceanski brod pokretan parnim turbinama. Tijekom maritimnih testiranja postignuta je vršna brzina nešto veća od 20 čvorova. No tvrtki je bio puno važniji podatak da je brzina krstarenja bila čak 18 čvorova. RMS Carmania preplovila je u prosincu 1905. godine 2835 nautičkih milja od Liverpoola do New Yorka za samo sedam dana, devet sati i 31 minutu, prosječnom brzinom od 15,97 čvorova. Ubrzo nakon HMS Dreadnoughta i RMS Carmanije parne turbine postat će jedina opcija pogona za velike ratne i prekooceanske brodove.

Turbinia je 11. siječnja 1907. zamalo potopljena nakon što ju je brod Crosby teško oštetio. S obzirom na razinu oštećenja, nikad više nije popravljena. Londonski Muzej znanosti otkupio je 1926. godine samo središnji i krmeni dio broda kako bi se sačuvala strojarnica s parnim turbinama. Na svu sreću, pramčani dio sačuvala je tvrtka Newcastle Corporation. Zbog toga je bilo moguće ponovno sastaviti i obnoviti brod te ga od 1996. godine mogu vidjeti svi koji posjete Muzej otkrića u Newcastleu.

(završetak podlistka)

TEKST  Mario Galić