Никола Тесла - Откровения Николы Теслы
Поскольку в целях экономии энергии гребной винт должен вращаться со средней скоростью, первый из названных способов, или «прямая передача», наилучшим образом подходит к поршневому или роторно-поршневому двигателям. Так как поршневой двигатель имеет довольно неуклюжую конструкцию, а роторный еще не создан, в условиях конкуренции на рынок вышла турбина. Однако для ее хорошей работы необходима чрезвычайно большая скорость вращения, которую необходимо снижать при передаче на гребной винт. До некоторой степени это осуществлялось путем направления пара через ряд последовательно расположенных турбин, то есть по схеме, имеющей явные недостатки финансового и иного рода. Необходимость уменьшения размеров и стоимости машинного оборудования, а также обеспечения его лучшей эксплуатации вызвали следующий шаг: создание зубчатой передачи, с помощью которой на гребной винт передается вращение от ротора - особого колеса с лопатками, впервые разработанного Лавалем. Затем последовали попытки устранить некоторые ограничения данной схемы, которые привели к созданию третьего способа: к гидродинамической передаче, в которой турбина приводит в движение гребной винт через центробежный насос и гидродвигатель. В конце концов, следующим шагом на пути к совершенству стал последний из названных выше способов - «электрический привод».
В этом случае турбина передает вращательное движение динамо-машине, которая, в свою очередь, запускает электродвигатель, имеющий на своем валу гребной винт.
Преимущества каждого из способов привода винта.
Любой из этих способов имеет своих сторонников и поборников. В принципе первый способ был бы более предпочтителен, если бы не его разносторонние недостатки. Второй способ привода дешев, но уже сама зубчатая передача вызывает серьезные возражения. Являясь менее экономичным, третий способ привлекателен в силу ряда его практичных и полезных свойств. Что касается последнего способа, то он не только очень эффективен, но и дает результаты, которых невозможно добиться другими способами.
Здесь в свои права вступает закон естественного отбора, и сейчас между турбинами с механическим и электрическим приводами идет борьба за выживание.
Благодаря постепенному усовершенствованию металлорежущих инструментов и развитию научного конструирования, достижениям в металлургии и улучшению смазочных материалов так называемая шевронная зубчатая передача была доведена до высокой степени совершенства. Лаваль добился девяноста семи процентов КПД, а Мак-Альпин, Мелвилл и Вестингауз - девяноста восьми с половиной - при передаче с ведущего вала на ведомый. Однако при использовании электрического привода можно максимально рассчитывать лишь на девяносто три 52 целых и три четвертых процента. Это означает, что при использовании зубчатой передачи та же самая турбина сообщит гребному винту мощности на пять процентов больше, а это должно будет увеличить скорость крейсера с тридцати пяти узлов ровно на величину, равную немногим больше тридцати пяти с половиной узлов. Поскольку на первый взгляд кажется, что электрический привод при установке займет больше пространства, что он тяжелее и дороже, то вполне естественно, что люди, не изучившие его всецело, примут решение в пользу зубчатой передачи.
Некоторые фатальные ошибки.
Однако тщательное изучение данного вопроса этими людьми заставит их изменить свое мнение на противоположное. Оценивая относительные достоинства этих принципиально различных трансмиссий, они совершают две фатальные ошибки. Первая:
в качестве критерия оценки берется мощность, передаваемая в анормальных условиях работы; вторая ошибка: проводится параллель между совершенно различными агрегатами, один из которых примитивен, а другой тщательно разработан; причем первый из них неспособен выполнять существенные функции второго. Когда исходные суждения оказываются неверными, это ведет к ошибочным выводам. Так и противники электрического привода пришли к выводу о том, что он менее эффективен, чем зубчатая передача, весит больше, стоит дороже и успешность его использования сомнительна. Сколько истины кроется в этих взглядах, станет ясным после тщательного изучения установленных фактов.
Результативность электрического привода применительно к работе корабля определяется целым 53 комплексом факторов. Для краткости они будут рассмотрены в виде следующих основных аспектов:
1) работа турбины;
2) мощность, передаваемая на гребной винт;
3) эффективность винта;
4) крейсирование в режиме малой мощности;
5) работа на полной мощности;
6) потребление топлива вспомогательным оборудованием и устройствами при эксплуатации судна;
7) общая экономия и
8) скорость и точность реакции управления всеми процессами - внутренними и внешними.
Современные турбины совершенно непригодны для использования в качестве корабельных силовых установок. Они являют собой поразительный пример устаревшего и малоценного изобретения, снискавшего себе репутацию исключительной коммерческой ценности благодаря основательным и глубоким исследованиям и поразительному техническому мастерству. Сотни тысяч тонких и легко ломающихся лопаток турбины, ее лопасти, которые из-за коррозии и эрозии быстро становятся бесполезными, небольшие зазоры между поверхностями, которые вращаются с огромными скоростями, - все это является источником постоянной опасности и риска.
Нереверсивные турбины.
Главный недостаток турбин заключается в их нереверсивности, что вызывает необходимость применения отдельных турбин для заднего хода. Помимо больших расходов и значительных потерь мощности на трение, турбины задают жесткие ограничения на температуру их рабочих тел. В столь склонных к быстрому разрушению системах исключено использование режимов очень высокого нагрева, которые так желательны при термодинамическом преобразовании, а допустимы температуры от 200 до 300 градусов по Фаренгейту.
При таких условиях работы турбина имеет преимущества при ее использовании в качестве привода для динамо-машины. Нагрев до температуры двести градусов по Фаренгейту обычно позволяет сэкономить до двадцати трех процентов пара и десяти процентов топлива. Однако эта выгода не будет единственной. Турбина, освобожденная от всех ограничений, налагаемых зубчатой передачей, может безопасно работать и на более высоких оборотах с соответствующим повышением ее производительности и выходной мощности. Таким образом, при использовании умеренного нагрева и других простых приемов, допускаемых техникой безопасности, турбина оказывается в состоянии производить на двадцать пять процентов больше мощности, расходуя то же самое количество топлива. Лишь одно это сделало бы электрический привод на голову выше его конкурентов.
Свидетельство мастерства машиностроителей.
Что касается мощности, передаваемой от турбины на гребной винт, то в свете всего вышесказанного может показаться, что зубчатая передача все же эффективнее электрического привода на пять процентов. Однако такое преимущество проявляется лишь в особых случаях - на испытаниях. При работе в реальном режиме все совершенно меняется. Это обстоятельство позволяет выявить происхождение ошибки тех, кто делает критерием оценки результаты, полученные при равномерной нагрузке. Совершенство современных скоростных зубчатых передач стало подлинным свидетельством мастерства машиностроителей. Это удивительный механизм, но в то же время у него есть свои неотъемлемые слабые места и недостатки. Поскольку в процессе длительной эксплуатации в нем практически постоянно происходят потери мощности, то даже при малой нагрузке здесь поглощается достаточно большое количество энергии. Более того, зубчатая передача очень чувствительна к ударам и вибрациям, которые разрушают слой поверхностно-активной смазки, имеющий жизненно важное значение для плавной работы. Сила сопротивления оказывается подвержена воздействию частых и внезапных колебаний, в результате чего имеет место большая потеря мощности. Замеры, проведенные мной на турбинах с зубчатыми передачами, показали: если при устойчивом нормальном режиме работы коэффициент полезного действия был равен девяноста шести процентам, то при быстро меняющейся нагрузке он достигал величины не более девяноста процентов. Именно этого и можно ожидать на практике. Любой, кто, находясь на борту парохода в бурном море, слышал звук агонизирующего судового двигателя, не мог не заметить, как меняются его обороты, когда судно испытывает бортовую и килевую качку, с трудом рассекает большие волны и противостоит подводным течениям. С подобными условиями может столкнуться и ведущий бой военный корабль. Об этом свидетельствуют последние морские бои, в ходе которых разрывы снарядов вздымали огромные, подобные горам, массы воды. В таких условиях зубчатая передача превращается в большое неудобство, в то время как электрический привод в гораздо меньшей степени оказывается восприимчив к этим трудностям. Итак, идея о том, что зубчатая передача передает на гребной винт больше исходной мощности, чем комбинация динамо-машины и электродвигателя, является в значительной степени иллюзорной. Имеется достаточно доказательств, полученных и экспериментально, и путем логических умозаключений, что истина заключается в обратном.
