W rzeczywistości zasada działania silnika parowego jest bardzo prosta. Jest cylinder (zwykle umieszczony pionowo na 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 rozszerza się, popychając tłok w dół i osiąga najniższy punkt. Następnie proces jest powtarzany „dokładnie odwrotnie” – górny otwór jest zamknięty, a para jest teraz podawana do dolnego otworu. W tym samym czasie odpowietrznik pary otwiera się po drugiej stronie cylindra i podczas gdy para popycha tłok od dołu do góry, para odprowadzana w górnej części cylindra jest wciskana do odpowietrznika (ruch para wylotowa jest oznaczona kropkowaną niebieską strzałką na schemacie).
Tak więc silnik parowy zapewnia ruch posuwisto-zwrotny tłoka, ale w celu przekształcenia go w obrót wału napędowego stosuje się specjalne urządzenie zwane mechanizmem korbowym, w którym wał korbowy odgrywa ważną rolę.
Oczywiście dla zapewnienia pracy silnika parowego niezbędne są łożyska, dzięki którym realizowana jest praca mechanizmu korbowego (przenoszenie ruchu z tłoka na wał korbowy) oraz 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 powstał, ponieważ para, która wypracowała się w cylindrze (jak pokazano na górnym schemacie) nie straciła jeszcze całkowicie swojej energii i mogła być ponownie wykorzystana. Dlatego zrobili to - najpierw świeża para wchodziła do cylindra wysokociśnieniowego (HPC), ale po wykonaniu swojej pracy nie była „wrzucana” z powrotem do kotłów, ale wchodziła do następnego cylindra (średniego ciśnienia lub TsSD) i ponownie wcisnął tłok już w nim. 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 (TsSD) dostała się do trzeciego cylindra, zwanego cylindrem niskiego ciśnienia (LPC), i już w nim kontynuowała swoją pracę.
Nie trzeba dodawać, że cylinder niskociśnieniowy musiał mieć maksymalną średnicę w porównaniu z innymi cylindrami. Projektanci zrobili to łatwiej: LPC okazał się zbyt duży, więc zamiast jednego LPC zrobili dwa, a samochody stały się czterocylindrowe. W tym samym czasie para była nadal dostarczana jednocześnie do obu cylindrów niskociśnieniowych, czyli pomimo obecności czterech cylindrów „przedłużających”, trzy pozostały.
Ten krótki opis wystarczy, aby zrozumieć, co było nie tak z silnikami parowymi krążownika Varyag. Ale „nie tak” z nimi, niestety, było tak wiele rzeczy, że autorowi tego artykułu trudno jest od czego dokładnie zacząć. Poniżej opiszemy główne błędy popełnione przy projektowaniu silników parowych krążownika i spróbujemy dowiedzieć się, 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 stał na absolutnie równym podłożu. 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 stają się bezużyteczne, pojawia się luz i wał korbowy zostaje przesunięty , dlatego cierpią już łożyska korbowe - mechanizm korbowodu, a nawet tłoki cylindrów. Aby temu zapobiec, silnik parowy musi być zainstalowany na solidnym fundamencie, ale nie zrobiono tego w Varyag. Jego silniki parowe miały tylko bardzo lekki fundament i były właściwie przymocowane bezpośrednio do kadłuba statku. A kadłub, jak wiadomo, „oddycha” na fali morskiej, to znaczy ugina się podczas kołysania - a te ciągłe załamania doprowadziły do krzywizny wałów korbowych i „luzu” łożysk silników parowych.
Kto jest winien tej wady konstrukcyjnej „Varyag”? Bez wątpienia odpowiedzialność za tę wadę statku należy przypisać inżynierom firmy Ch. Krampa, ale… są tu pewne niuanse.
Faktem jest, że taka konstrukcja silników parowych (kiedy były instalowane na kadłubie statku bez sztywnego fundamentu) była ogólnie przyjęta - ani Askold, ani Bogatyr nie mieli sztywnych fundamentów, ale silniki parowe działały na nich bezbłędnie. Czemu?
Oczywiste jest, że odkształcenie wału korbowego będzie tym większe, im większa jego długość, czyli im większa 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 kadłuba na maszynach Askold okazały się one znacznie słabsze - tak, były, ale powiedzmy "w granicach rozsądku" i nie prowadziły do deformacji uniemożliwiających pracę silników parowych.
Rzeczywiście pierwotnie zakładano, że całkowita moc maszyn Varyag miała wynosić odpowiednio 18 000 KM, moc jednej maszyny wynosiła 9 000 KM. Ale później C. Crump popełnił bardzo trudny do wytłumaczenia błąd, a mianowicie zwiększył moc parowozów do 20 000 KM. Zazwyczaj źródła tłumaczą to faktem, że C. Crump zdecydował się na to, ponieważ ITC odmówiło użycia wymuszonego wybuchu podczas testów krążownika. Byłoby logiczne, gdyby Ch. Kramp, wraz ze wzrostem mocy maszyn, zwiększył również 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 określoną w projekcie, ale jak można to zrobić bez uciekania się do ich forsowania?
Oto jedna z dwóch rzeczy - albo C. Crump nadal miał nadzieję na naleganie na testowanie podczas forsowania kotłów i obawiał się, że maszyny nie „rozciągną” ich zwiększonej mocy, albo z jakiegoś niejasnego powodu uważał, że kotły Varyag i bez forsowania osiągnięto moc 20 000 KM. W każdym razie obliczenia C. Crumpa okazały się błędne, ale doprowadziło to do tego, że każdy krążownik miał moc 10 000 KM. Oprócz naturalnego przyrostu masy zwiększyły się oczywiście także gabaryty parowozów (długość sięgała 13 m), natomiast trzy maszyny Askold, które miały pokazywać 19 000 KM. moc znamionowa, powinna mieć tylko 6 KM każdy. 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 - 9 KM. przeciwko 750 10 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 Wariag. 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 wytrzymałość niż fundamenty Wariag. Jednak na to pytanie można odpowiedzieć dopiero po dokładnym przestudiowaniu rysunków obu krążowników.
Tak więc wina inżynierów Krampa nie polegała na tym, że postawili słaby fundament pod maszyny Varyag (wydaje się, że tak zrobiła reszta stoczniowców), ale że nie widzieli i nie zdawali sobie sprawy z potrzeby zapewnienia „nieelastyczności”. » maszyny o mocniejszym korpusie lub przejście na schemat trójślimakowy. To, że podobny problem został z powodzeniem rozwiązany w Niemczech, i to nie tylko przez niezwykle doświadczonego Vulkana, który zbudował Bogatyra, ale także przez drugorzędną i niedoświadczoną budowę wielkich okrętów wojennych według własnego projektu przez Niemcy, jest daleki od na korzyść amerykańskich projektantów. Jednak uczciwie należy zauważyć, że MTC również nie kontrolował tego momentu, ale należy rozumieć, że nikt nie postawił przed nim zadania monitorowania każdego kichnięcia Amerykanów, a to nie było możliwe.
Niestety, to tylko pierwsza, a może nawet nie najważniejsza wada silników parowych najnowszego rosyjskiego krążownika.
Problem numer 2, który najwyraźniej był głównym, dotyczył wady konstrukcyjnej 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 spadło poniżej 15,4 atmosfery, cylindry niskociśnieniowe przestały pełnić swoją funkcję - energia wchodzącej do nich pary była niewystarczająca, aby wprawić w ruch tłok w cylindrze. W związku z tym w ruchach ekonomicznych „wóz zaczął napędzać konia” - napędzane były przez niego cylindry niskociśnieniowe, zamiast pomagać w obracaniu wału korbowego. 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 wprawiał w ruch wał korbowy za pomocą tłoka i suwaka, ale nie odwrotnie: w wyniku tak nieoczekiwanego i nietrywialne użytkowanie wału korbowego powodowało dodatkowe naprężenia, których nie przewidywała jego konstrukcja, co również prowadziło do awarii utrzymujących go łożysk.
W rzeczywistości może nie było w tym szczególnego problemu, ale tylko pod jednym warunkiem - jeśli konstrukcja maszyn przewidywała mechanizm, który odłącza wał korbowy od cylindrów niskiego ciśnienia. Następnie we wszystkich przypadkach pracy przy ciśnieniu pary poniżej ustawionego wystarczyło „nacisnąć przycisk” - a LPC przestał ładować wał korbowy, jednak takie mechanizmy nie były przewidziane w konstrukcji maszyn Varyag.
Następnie inżynier I.I. Gippius, który kierował montażem i regulacją mechanizmów niszczyciela w Port Arthur, który w 1903 r. przeprowadził szczegółowe badania maszyn Varyag i na podstawie ich wyników napisał cały artykuł badawczy, wskazał w nim, co następuje:
„Tutaj nasuwa się przypuszczenie, że fabryka Krampa, spiesząc się z przekazaniem krążownika, nie miała czasu na zweryfikowanie 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, prostowanie drogą morską maszyny, która została początkowo zwolniona z fabryki z wadliwą, jest niezaprzeczalnie zadaniem niezwykle trudnym, jeśli nie niemożliwym.
Oczywiście za tę wadę elektrowni Varyag ponosi całkowitą winę Ch. Kramp.
Problem #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 swoich mechanizmów, w wyniku czego te ostatnie były stale poddawane nadmiernemu obciążeniu. Jednak zanim powstał Varyag, teoria równoważenia sił bezwładności maszyn została zbadana i rozpowszechniona wszędzie. Oczywiście jego użycie wymagało od producenta silnika parowego dodatkowych obliczeń i stwarzało mu pewne trudności, przez co praca jako całość stała się droższa. Tak więc w swoich wymaganiach MTK niestety nie wskazał obowiązkowego zastosowania tej teorii przy projektowaniu silników parowych, a C. Crump najwyraźniej postanowił na tym zaoszczędzić (trudno sobie wyobrazić, że on sam i żaden z jego inżynierów nie miał nic teorii nie było znane). Ogólnie rzecz biorąc, albo pod wpływem chciwości, albo z powodu banalnej niekompetencji, ale postanowienia tej teorii zostały zignorowane przy tworzeniu maszyn Varyag (i, nawiasem mówiąc, Retvizan), w wyniku czego siły bezwładności miały „bardzo niekorzystny” (według I. I. Gippiusa) wpływ na cylindry średniego i niskiego ciśnienia, przyczyniający się do zakłócenia normalnej pracy maszyn. W normalnych warunkach (gdyby silnik parowy miał solidny fundament i nie było problemów z rozprowadzaniem pary), nie prowadziłoby to do awarii, ale ...
Winę za ten brak parowozów "Varyag" należy podobno zrzucić na Ch.Krampa i MTK, którzy dopuścili do nieprecyzyjnego sformułowania rozkazu.
Problemem nr 4 było zastosowanie bardzo specyficznego materiału do produkcji łożysk do silników parowych. Wykorzystano w tym celu brązy fosforowe i manganowe, które, o ile autor wie, nie były powszechnie stosowane w przemyśle stoczniowym. W rezultacie wydarzyło się co następuje: z powodów podanych powyżej 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 dodatków. 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 C. Crump wybrali taki materiał, nie mógł w żaden sposób wywołać negatywnej reakcji ze strony nikogo - tutaj mieli całkowicie swoje prawa. Zakładanie katastrofalnego stanu elektrowni Varyag, przewidywanie jego przyczyn i dostarczanie Port Arthur niezbędnych materiałów wyraźnie przekraczało ludzkie możliwości, a umieszczenie tam niezbędnych gatunków brązu „na wszelki wypadek” było prawie niemożliwe, biorąc pod uwagę ogromna ilość wszelkiego rodzaju materiałów dla eskadry, których zapotrzebowanie było pewne, ale których nie można było zaspokoić. Obwiniać inżynierów mechaników, którzy naprawili maszyny Varyag? Jest mało prawdopodobne, aby posiadali niezbędną dokumentację, która pozwoliłaby im przewidzieć konsekwencje przeprowadzonych napraw, a nawet gdyby o tym wiedzieli, co mogliby zmienić? Nie mieli innych opcji.
Podsumowując naszą analizę elektrowni krążownika Varyag, musimy przyznać, że niedociągnięcia i błędy konstrukcyjne silników parowych i kotłów „doskonale” 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 ustawienia obniżonego ciśnienia pary (nie więcej niż 14 atmosfer), ale stworzyło to warunki, w których silniki parowe Varyag musiały szybko stać się bezużyteczne, a mechanicy statków nie mogli nic z tym zrobić. Jednak bardziej szczegółowo rozważymy konsekwencje rozwiązań konstrukcyjnych maszyn i kotłów Varyag później, gdy przeanalizujemy wyniki ich działania. Następnie podamy ostateczną ocenę elektrowni krążownika.
Ciąg dalszy nastąpi...