W ostatnim artykule przeanalizowaliśmy kwestie związane z instalacją kotłów Nikloss na Varyag - większość internetowych bitew wokół elektrowni krążownika poświęcona jest tym jednostkom. Ale dziwne jest, że przywiązując tak dużą wagę do kotłów, przeważająca większość zainteresowanych tym tematem całkowicie pomija silniki parowe krążownika. Tymczasem wiąże się z nimi ogromna liczba problemów zidentyfikowanych podczas działania „Varyagu”. Ale żeby to wszystko zrozumieć, trzeba najpierw odświeżyć pamięć o konstrukcji okrętowych silników parowych pod koniec ubiegłego wieku.
W rzeczywistości zasada działania silnika parowego jest dość prosta. Jest cylinder (zwykle umieszczony pionowo w maszynach okrętowych), wewnątrz którego znajduje się tłok zdolny do poruszania się w górę iw dół. Załóżmy, że tłok znajduje się na górze cylindra - wtedy para pod ciśnieniem jest dostarczana do otworu między nim a górną pokrywą cylindra. Para rozpręża się, popychając tłok w dół iw ten sposób osiąga dolny punkt. Następnie proces jest powtarzany „dokładnie odwrotnie” – górny otwór jest zamknięty, a para jest teraz podawana do dolnego otworu. Jednocześnie wylot pary otwiera się po drugiej stronie cylindra i podczas gdy para popycha tłok od dołu do góry, para zużyta w górnej części cylindra zostaje przemieszczona do wylotu pary (ruch para wylotowa na schemacie jest oznaczona kropkowaną niebieską strzałką).
Tak więc silnik parowy zapewnia ruch posuwisto-zwrotny tłoka, ale w celu przekształcenia go w obrót wału śrubowego stosuje się specjalne urządzenie zwane mechanizmem korbowym, w którym wał korbowy odgrywa ważną rolę.
Oczywiście do zapewnienia pracy silnika parowego niezwykle potrzebne są łożyska, dzięki którym realizowana jest zarówno obsługa mechanizmu korbowego (przenoszenie ruchu z tłoka na wał korbowy), jak i mocowanie obracającego się wału korbowego.
Trzeba też powiedzieć, że zanim zaprojektowano i zbudowano Varyag, cały świat zajmujący się budową okrętów wojennych już dawno przestawił się na silniki parowe o potrójnej ekspansji. Pomysł na taką maszynę zrodził się, ponieważ para spływająca w cylindrze (jak widać na górnym schemacie) nie traciła całkowicie energii i mogła być ponownie wykorzystana. Dlatego też tak zrobili - najpierw świeża para wchodziła do cylindra wysokociśnieniowego (HPC), ale po zakończeniu jego pracy nie była "wrzucana" z powrotem do kotłów, ale wchodziła do następnego cylindra (średniego ciśnienia, czyli HPC) i ponownie wepchnął w nią tłok. Oczywiście ciśnienie pary wchodzącej do drugiego cylindra spadło, dlatego sam cylinder musiał być wykonany o większej średnicy niż HPC. Ale to nie wszystko – para, która wypracowała się w drugim cylindrze (LPC) weszła do trzeciego cylindra, zwanego cylindrem niskociśnieniowym (LPC), i już w nim kontynuowała swoją pracę.
Nie trzeba dodawać, że cylinder niskociśnieniowy musiał mieć maksymalną średnicę w porównaniu z resztą cylindrów. Projektanci zrobili to łatwiej: LPC okazał się zbyt duży, więc zamiast jednego LPC zrobili dwa, a maszyny stały się czterocylindrowe. Równocześnie jednak para była dostarczana jednocześnie do obu cylindrów niskociśnieniowych, to znaczy mimo obecności czterech cylindrów „rozprężnych” trzy pozostały.
Ten krótki opis wystarczy, aby zrozumieć, co było nie tak z silnikami parowymi krążownika Varyag. I „nie tak” z nimi było, niestety, tak wiele, że autorowi tego artykułu trudno jest dokładnie wiedzieć, od czego zacząć. Poniżej opisujemy główne błędy popełnione przy projektowaniu silników parowych krążownika i postaramy się ustalić, kto w końcu był za nie winny.
Tak więc problem nr 1 polegał na tym, że konstrukcja silnika parowego oczywiście nie toleruje naprężeń zginających. Innymi słowy, dobrych osiągów można było oczekiwać tylko wtedy, gdy silnik parowy był całkowicie wypoziomowany. Jeśli ta podstawa nagle zaczyna się wyginać, to tworzy to dodatkowe obciążenie na wale korbowym, który biegnie prawie na całej długości silnika parowego - zaczyna się wyginać, trzymające ją łożyska szybko się psują, pojawia się luz i wał korbowy zostaje przemieszczony, dlatego cierpią już łożyska korby - mechanizm korbowodu, a nawet tłoki cylindrów. Aby temu zapobiec, silnik parowy musi być zainstalowany na solidnym fundamencie, ale nie zrobiono tego na Varyag. Jego silniki parowe miały tylko bardzo lekki fundament i były w rzeczywistości przymocowane bezpośrednio do kadłuba statku. A ciało, jak wiadomo, „oddycha” na fali morskiej, to znaczy ugina się podczas toczenia - a te ciągłe zakręty doprowadziły do krzywizny wałów korbowych i „poluzowania” łożysk silników parowych.
Kto jest winien tej wady konstrukcyjnej Varyaga? Bez wątpienia odpowiedzialność za ten brak statku należy przypisać inżynierom firmy C. Crump, ale… są tu pewne niuanse.
Faktem jest, że taka konstrukcja parowozów (kiedy te bez sztywnego fundamentu były instalowane na kadłubie statku) była ogólnie akceptowana - ani Askold, ani Bogatyr nie mieli sztywnych fundamentów, ale silniki parowe działały na nich bez zarzutu. Czemu?
Oczywiście odkształcenie wału korbowego będzie tym większe, im większa jest jego długość, czyli im dłuższa jest długość samego silnika parowego. Varyag miał dwa silniki parowe, a Askold trzy. Te ostatnie z założenia były również czterocylindrowymi silnikami parowymi z potrójnym rozprężaniem, ale ze względu na znacznie mniejszą moc miały znacznie krótszą długość. Dzięki temu efektowi ugięcia nadwozia na maszynach Askolda okazały się znacznie słabsze - tak, były, ale powiedzmy "w granicach rozsądku" i nie prowadziły do deformacji, które wyłączałyby silniki parowe.
Rzeczywiście, pierwotnie zakładano, że całkowita moc maszyn Varyag miała wynosić odpowiednio 18 000 KM, moc jednej maszyny wynosiła 9 000 KM. Jednak później Ch. Crump popełnił bardzo trudny do wytłumaczenia błąd, mianowicie zwiększył moc parowozów do 20 000 KM. Źródła zwykle tłumaczą to faktem, że Ch. Crump zdecydował się na to, ponieważ MTK odmówiło użycia wymuszonego strzału podczas testów krążownika. Byłoby logiczne, gdyby Ch. Crump, jednocześnie ze wzrostem mocy maszyn, również zwiększył wydajność kotłów w projekcie Varyag do tych samych 20 000 KM, ale nic takiego się nie wydarzyło. Jedynym powodem takiego działania może być nadzieja, że kotły krążownika przekroczą moc ustaloną w projekcie, ale jak można to zrobić bez uciekania się do ich forsowania?
Tutaj już jedna z dwóch rzeczy - lub Ch. Crump wciąż miał nadzieję na naleganie na testy podczas forsowania kotłów i obawiał się, że maszyny nie „rozciągną” swojej zwiększonej mocy, lub z jakiegoś niejasnego powodu wierzył, że kotły Varyag i bez forsowania zostanie osiągnięta moc 20 000 KM. W każdym razie obliczenia Ch. Crump okazał się pomyłką, ale doprowadziło to do tego, że każdy krążownik miał moc 10 000 KM. Oprócz naturalnego przyrostu masy zwiększyły się oczywiście także gabaryty parowozów (długość dochodziła do 13 m), natomiast trzy maszyny Askold, które miały pokazywać 19 000 KM. moc znamionowa, powinna mieć tylko 6 333 KM. każdy (niestety ich długość jest niestety nieznana autorowi).
Ale co z „Bogatyrem”? W końcu był, podobnie jak Varyag, dwuwałowy, a każdy z jego samochodów miał prawie taką samą moc - 9750 KM. przeciwko 10 000 KM, co oznacza, że miał podobne wymiary geometryczne. Należy jednak zauważyć, że kadłub Bogatyra był nieco szerszy niż kadłub Varyaga, miał nieco mniejszy stosunek długości do szerokości i ogólnie wydawał się sztywniejszy i mniej podatny na ugięcia niż kadłub Varyaga. Ponadto możliwe jest, że Niemcy wzmocnili fundament w stosunku do tego, na którym stały silniki parowe Varyag, to znaczy, jeśli nie był podobny do tych, które otrzymały nowocześniejsze statki, nadal zapewniał lepszą siłę niż fundamenty Varyag. Jednak na to pytanie można odpowiedzieć dopiero po dokładnym przestudiowaniu planów obu krążowników.
Tak więc wina inżynierów firmy Crump nie polegała na tym, że postawili słaby fundament pod maszyny Varyag (jak wydaje się, że zrobili to reszta stoczniowców), ale że nie widzieli i nie zdawali sobie sprawy z potrzeby aby zapewnić „nieelastyczność »Maszyny o mocniejszym korpusie lub przejście do schematu z trzema śrubami. Świadczy o tym, że podobny problem został z powodzeniem rozwiązany w Niemczech i to nie tylko przez niezwykle doświadczonego Wulkana, który zbudował Bogatyra, ale także przez drugorzędnego i niemającego doświadczenia w budowie dużych okrętów wojennych według własnego projektu przez Niemcy. zdecydowanie nie na korzyść amerykańskich konstruktorów. Jednak uczciwie należy zauważyć, że MTK również nie kontrolowało tego momentu, ale należy rozumieć, że nikt nie postawił przed nim zadania monitorowania każdego kichnięcia Amerykanów, a to nie było możliwe.
Ale to tylko pierwsza, a może nawet nie najważniejsza wada silników parowych najnowszego rosyjskiego krążownika.
Problem nr 2, który najwyraźniej był głównym, dotyczył wadliwej konstrukcji silników parowych Varyag, które zostały zoptymalizowane pod kątem dużej prędkości statku. Innymi słowy, maszyny działały dobrze przy ciśnieniu zbliżonym do maksymalnego, w przeciwnym razie zaczęły się problemy. Faktem jest, że gdy ciśnienie pary spadnie poniżej 15,4 atmosfery, cylindry niskociśnieniowe przestały pełnić swoją funkcję - energia wchodzącej do nich pary nie była wystarczająca do napędzania tłoka w cylindrze. W związku z tym przy ruchach ekonomicznych „wóz zaczął jeździć koniem” - cylindry niskociśnieniowe, zamiast pomagać w obracaniu wału korbowego, same były przez niego wprawiane w ruch. Oznacza to, że wał korbowy otrzymywał energię z cylindrów wysokiego i średniego ciśnienia i wykorzystywał ją nie tylko na obrót śruby, ale także na zapewnienie ruchu tłoków w dwóch cylindrach niskiego ciśnienia. Należy rozumieć, że konstrukcja mechanizmu korbowego została zaprojektowana tak, aby to cylinder napędzał wał korbowy przez tłok i suwak, a nie na odwrót: w wyniku takiego nieoczekiwanego i nie- trywialne użycie wału korbowego, doświadczało dodatkowych naprężeń nieprzewidzianych w jego konstrukcji, co również doprowadziło do awarii utrzymujących go łożysk.
W rzeczywistości może nie było w tym szczególnego problemu, ale tylko pod jednym warunkiem - jeśli konstrukcja maszyn przewidywała mechanizm odłączający wał korbowy od cylindrów niskiego ciśnienia. Wtedy we wszystkich przypadkach pracy przy ciśnieniu pary niższym od zadanego wystarczyło "nacisnąć przycisk" - i LPC przestał obciążać wał korbowy, jednak takie mechanizmy nie były przewidziane w konstrukcji "Varyag". maszyny.
Następnie inżynier I. I. Gippius, który nadzorował montaż i regulację mechanizmów niszczyciela w Port Arthur, przeprowadził w 1903 roku szczegółowe badania maszyn Varyag i na podstawie jego wyników napisał cały artykuł badawczy, wskazał w nim, co następuje:
„Tutaj przypuszcza się, że zakład Crump, spiesząc się z przekazaniem krążownika, nie miał czasu na dostosowanie dystrybucji pary; maszyna szybko się zdenerwowała, a na statku oczywiście zaczęli naprawiać części, które ucierpiały bardziej niż inne pod względem ogrzewania, pukania, nie eliminując pierwotnej przyczyny. Ogólnie rzecz biorąc, niewątpliwie niezwykle trudnym, jeśli nie niemożliwym zadaniem jest wyprostowanie drogą morską pojazdu, który początkowo był uszkodzony w fabryce.”
Oczywistym jest, że za tę wadę elektrowni Varyag ponosi całkowitą winę Ch. Crumpa.
Problem numer 3 sam w sobie nie był szczególnie poważny, ale w połączeniu z powyższymi błędami dawał „skumulowany efekt”. Faktem jest, że przez pewien czas, projektując silniki parowe, projektanci nie brali pod uwagę bezwładności ich mechanizmów, w wyniku czego te ostatnie były stale narażone na nadmierne obciążenia. Jednak zanim powstał Varyag, teoria równoważenia sił bezwładności maszyn została zbadana i rozpowszechniona wszędzie. Oczywiście jego zastosowanie wymagało od producenta maszyn parowych dodatkowych obliczeń i stwarzało mu pewne trudności, co oznacza, że koszt całej pracy wzrósł. Tak więc MTC w swoich wymaganiach niestety nie wskazało obowiązkowego zastosowania tej teorii przy projektowaniu silników parowych, a Ch. Crump najwyraźniej postanowił na tym zaoszczędzić (trudno sobie wyobrazić, że on sam, a żaden z jego inżynierowie mają coś na ten temat, nie znali teorii). Ogólnie rzecz biorąc, albo pod wpływem chciwości, albo z powodu banalnej niekompetencji, ale przepisy tej teorii przy tworzeniu maszyn Varyag (i, nawiasem mówiąc, Retvizan) zostały zignorowane, w wyniku czego siły bezwładności „bardzo niekorzystne” (wg I. I. Gippiusa) działanie na cylindry średniego i niskiego ciśnienia, przyczyniające się do zakłócenia normalnej pracy maszyn. W normalnych warunkach (gdyby silnik parowy miał solidny fundament i nie było problemów z rozprowadzeniem pary) nie prowadziłoby to do awarii, a więc…
Winę za brak parowozów "Varyag" należało zapewne położyć zarówno na Ch. Crumpa, jak i MTK, które pozwoliły na niejasne sformułowanie rozkazu.
Problemem nr 4 było zastosowanie bardzo specyficznego materiału w łożyskach silników parowych. Wykorzystano do tego celu brązy fosforowe i manganowe, które, o ile autor wie, nie były szeroko stosowane w budownictwie okrętowym. W rezultacie wydarzyło się co następuje: z powyższych powodów łożyska maszyn „Varyag” szybko uległy awarii. Trzeba je było naprawić lub wymienić na to, co było pod ręką w Port Arthur, a tam niestety nie było takich rozkoszy. W efekcie powstała sytuacja, w której parowóz pracował z łożyskami wykonanymi z materiałów o zupełnie różnych właściwościach - przedwczesne zużycie jednych powodowało dodatkowe naprężenia w innych, a wszystko to przyczyniało się również do zakłócenia normalnej pracy maszyn.
Ściśle mówiąc, to chyba jedyny problem, którego „autorstwa” nie da się ustalić. Fakt, że dostawcy Ch. Crumpa wybrali taki materiał, nie mógł w żaden sposób wywołać negatywnej reakcji kogokolwiek - tutaj byli całkowicie zdani na siebie. Przyjęcie katastrofalnego stanu elektrowni Varyag, przewidzenie jego przyczyn i zaopatrzenie Port Arthur w niezbędne materiały było wyraźnie poza ludzkimi możliwościami, a dostarczenie tam niezbędnych gatunków brązu „na wszelki wypadek” było prawie niemożliwe. biorąc pod uwagę ogromną ilość wszystkich materiałów dla eskadry, których zapotrzebowanie było na pewno znane, ale którego potrzeb nie można było zaspokoić. Obwiniać inżynierów mechaników, którzy naprawili maszyny Varyag? Jest mało prawdopodobne, że mieli niezbędną dokumentację, która pozwoliłaby im przewidzieć konsekwencje swoich napraw, a nawet gdyby o tym wiedzieli, co mogliby zmienić? Wciąż nie mieli innych opcji.
Podsumowując naszą analizę elektrowni krążownika „Varyag”, musimy stwierdzić, że niedociągnięcia i błędy konstrukcyjne silników parowych i kotłów „wspaniale” się uzupełniały. Można odnieść wrażenie, że kotły i silniki parowe Nikloss zawarły pakt sabotażowy przeciwko krążownikowi, na którym zostały zainstalowane. Niebezpieczeństwo wypadków kotłowych zmusiło załogę do ustanowienia obniżonego ciśnienia pary (nie więcej niż 14 atmosfer), ale stworzyło to warunki, w których silniki parowe Varyag musiały szybko stać się bezużyteczne, a mechanicy statku nie mogli nic z tym zrobić. Jednak bardziej szczegółowo rozważymy konsekwencje decyzji projektowych maszyn i kotłów Varyag później, gdy przeanalizujemy wyniki ich działania. Następnie podamy ostateczną ocenę elektrowni krążownika.
