Подводные лодки. Submarine.itishistory.ru
ПОДЛОДКИ МОДЕЛИ ТАНКИ ИСТОРИЯ

Первые двигатели для подводных лодок

Можно сказать, что проблемы двигателей и движителей для первых конструкторов подводных лодок не существовало: шест, весло да парус, мускульная сила да ветер, — вот все «разносолы» технического прогресса того времени. Правда, Корнелий ван Дреббель попытался использовать для движения своего первого подводного судна еще и шесты. С таким движителем подводная лодка должна была буквально ползти в нескольких метрах от дна, огибая все его неровности, а удержать судно на глубине с такой точностью тогда просто не умели. Поэтому Дреббель очень быстро от шестов отказался и посадил в свою подводную галеру 12 всем привычных гребцов. Но и здесь первопроходца подстерегали проблемы. Вспомните свои прогулки на лодочке по пруду в парке. Сначала вы замахиваетесь веслами в воздухе, потом погружаете их в воду и отталкиваетесь от нее, затем вынимаете весла из воды и снова замахиваетесь… Таким образом, холостой ход весла (замах) происходит в воздухе и никак на движение лодки не влияет. А под водой? Там обратный ход весла также происходит в воде, и получается, что вы просто «дергаете» подлодку на одном месте.

 

Работа «гребков» на подводной лодке Шильдера

 

Выход нашли быстро, помог уже многовековой опыт эксплуатации гребных судов — при обратном ходе лопасть весла поворачивали на 90°, так чтобы оно не оказывало сопротивление воде. Но и этот движитель все же был неудобен. Поэтому на своей подлодке К. А. Шильдер установил гребки, сконструированные по аналогии с утиными лапками: при рабочем ходе лопасти раскрывались, а при холостом — складывались.

схема работы гребного винта

У «лапок» Шильдера век оказался коротким, так как буквально через несколько лет в судостроении началось внедрение гребного винта, он и стал на последующие времена основным движителем подводных лодок.

Само по себе появление винта не изменило двигатель— им оставалась мускульная сила человека. Правда, были идеи, например, затащить в подлодку мулов, но до этого дело не дошло. В 1801 г. произошло знаковое событие в истории подводного судостроения. Во Франции спустили на воду подлодку Роберта Фултона, будущего создателя парохода. Но тогда он отличился тем, что его детище стало первым подводным судном, имевшим раздельные двигатели для подводного и надводного хода. И хотя первым был все тот же человек, а вторым традиционный для того времени ветер, но именно эта концептуальная схема главной энергетической установки оказалась единственно приемлемой на последующие полтора столетия.

Следующим принципиальным шагом вперед стала попытка внедрить в подводном судостроении пневматические двигатели. В отечественном флоте их применил в 1886г. на своей подлодке И. Ф. Александровский. Две двухцилиндровые «духовые» машины конструкции инженера Барановского работали сжатым до 60—100 атмосфер воздухом. Он размещался в 200 четырнадцатидюймовых резервуарах.

 

Подводная лодка Р. Фултона.

Подводная лодка Р. Фултона. Мачта, укрепленная на шарнире, быстро демонтировалась и укладывалась в специальный желоб. Подлодка развивала скорость под водой до 1,5 узла, а под парусом 3—4 узла

 

Во время испытаний подлодка смогла пройти за 2,5 часа 9 миль со средней скоростью 3,5 узла. По этому параметру она явно превзошла всех своих предшественниц.

За рубежом первая пневматическая машина появилась на подводной лодке «Плонжер», спроектированной во Франции инженером Брюна и морским офицером Буржуа. Она сошла на воду в 1863 г. Ее двухцилиндровая машина работала от сжатого до 12 атмосфер воздуха, но его давление быстро падало до 1,5 атмосферы, и расчетная мощность двигателя 68 л. с. почти сразу понижалось до 5. На испытаниях «Плонжер» еле-еле достиг скорости хода 3 узла. В целом подлодку признали неудачной, и после попытки Александровского никто всерьез больше к идее пневматической машины не возвращался.

Сразу с появлением в середине XIX в. промышленных образцов электродвигателей, на них немедленно обратили внимание конструкторы подводных лодок. Однако их внедрению на первых порах препятствовало отсутствие источника электроэнергии. Существовавшие гальванические элементы имели очень большую удельную массу, и в достаточном количестве их просто невозможно было разместить на сравнительно небольшом судне. Но желание воспользоваться двигателем, полностью независимым от воздушной среды, было столь велико, что в 1854г. наши соотечественники предложили проект подлодки с электродвигателем, получавшим электроэнергию по проводам от батареи с сопровождавшего надводного судна. Наконец, в 1870-х гг. появилась аккумуляторная батарея.

 

Принципиальная схема электрического двигателя

Принципиальная схема электрического двигателя

 

Гальванический элемент— это первичный химический источник электрического тока, основанный на необратимых электрохимических процессах. Первый гальванический элемент, имеющий практическое значение, создал А. Вольт в 1800г., а первый сухой элемент, столь привычный в карманных фонарях, — француз Лекланше в 1868г. Теоретически из гальванических элементов можно было сформировать батарею, достаточную для питания силового электродвигателя в течение какого-то времени, но после разряжения требовалась ее полная замена. Ни по цене, ни по времени это было совершенно неприемлемо для боевой подлодки. Ситуация резко изменилась к лучшему с изобретением аккумулятора. Его появление относится к середине 1870-х гг. Первый аккумулятор русского ученого В. Н. Чиколева состоял из свинцовых пластин, покрытых суриком. Пластины, разделенные прокладками из пергамента, собирались в пакеты и заливались раствором из кислоты. Позже, по предложению русского флотского офицера Е. П. Твертинова, пластины стали делать решетчатыми, что уменьшило общий вес аккумуляторов.

 

Аккумуляторный элемент: 1 — контакты; 2 — пробка; 3 — свинцовые пластины с впрессованной в них активной массой

Аккумуляторный элемент: 1 — контакты; 2 — пробка; 3 — свинцовые пластины с впрессованной в них активной массой

 

В общем случае свинцово-кислотный аккумулятор представляет из себя эбонитовый бак с серной кислотой определенной плотности, в котором находятся две свинцовые пластины. Если к ним подвести постоянный ток, то под воздействием электрохимических процессов на пластине, соединенной с положительным полюсом источника тока, будет образовываться перекись свинца, а на другой, соединенной с отрицательным полюсом, — губчатый свинец. Таким образом, электрическая энергия в процессе зарядки аккумулятора преобразуется в химическую. Если после окончания зарядки зажимы аккумулятора соединить проводником, по нему пойдет ток. В процессе разряда перекись свинца на положительной пластине и губчатый свинец на отрицательной переходят в окись свинца, то есть процесс протекает в обратном направлении с превращением химической энергии в электрическую.

И все же первая электрическая подлодка аккумуляторов так и не дождалась. Шла гражданская война в Америке, а ложка, как говорится, хороша к обеду… В 1863г. завершается постройка подлодки американского изобретателя-северянина Ольстита. В боевых действиях она не участвовала, но все равно осталась знаменательным событием в истории подводного судостроения. Впервые после Фултона подлодка опять получила раздельные двигатели для надводного и подводного хода.

В качестве первого выступала паровая машина, а в качестве второго — два электромотора. Что касается паросиловой главной энергетической установки для подводных лодок, то об этом обстоятельный разговор еще впереди. Но здесь интересно то, что к тому времени имелись не только промышленные образцы электродвигателей,  но и генераторов. Однако последние, несмотря на наличие паровой машины, оказались невостребованными — не существовало еще заряжаемых аккумуляторов, и электродвигатели запитывались от гальванических элементов, которые после разрядки нужно было менять в базе.

 

Схема соединения аккумуляторных элементов в аккумуляторную батарею подводной лодки

Схема соединения аккумуляторных элементов в аккумуляторную батарею подводной лодки

 

Первым установил аккумулятор на своей подводной лодке С.К. Джевецкий в 1885г. Через год аналогично поступил француз Клод Губэ. По некоторым данным, его детище смогло пройти под водой 25 миль со скоростью до 5,5 узла. Результаты вдохновили, и французы строят еще две экспериментальные чисто электрические подлодки, предназначавшиеся для отработки техники торпедных стрельб. А вот спущенный на воду в 1898 г. «Нарвал» уже являлся боевым кораблем. По схеме главной энергетической установки он напоминал подлодку Ольстита: паровая машина плюс электродвигатель. Однако наличие аккумуляторных батарей в принципе изменили ситуацию — теперь подводная лодка могла заряжать источники электроэнергии в море. Причем для этой цели, то есть в качестве генератора, сразу стали применять гребной электродвигатель. Таким образом именно на «Нарвале» энергетическая установка для подводного хода приняла законченный вид и стала классической.

Двигатель судовой

Двигатель судовой — это механизм, преобразующий какой-либо вид энергии в механическую работу. По роду преобразования энергии они делятся на первичные и вторичные. Первичные преобразуют в работу непосредственно природные энергетические ресурсы: энергию ветра или воды, тепловую энергию, выделенную из химического или ядерного топлива. Вторичные двигатели преобразуют энергию первичных в работу каких-либо приводов: электрических, пневматических, гидравлических и т. д. Для эпохи гребного и парусного флота не только ветер, но и человека можно считать своего рода двигателями.

Движитель — это устройство, преобразующее работу двигателя или внешнего источника энергии (например, ветра) в полезную тягу, обеспечивающую поступательное движение корабля.

 

Подводная лодка Ольстита:

Подводная лодка Ольстита:

1 — баллон со сжатым воздухом; 2 — паровая машина;

3 — телескопическая дымовая труба; 4 — паровой котел; 5 — рубка; 6 — леерное

ограждение; 7 — помещение для воздушных баллонов; 8 — носовые горизонтальные

рули; 9 — гальванические элементы; 10 — цистерна главного балласта;

11 — угольная яма; 12 — гребные электродвигатели

 

В общем случае винт состоит из ступицы с расположенными на ней лопастями. В основе его работы лежит гидродинамическая сила, создаваемая разностью давлений на сторонах лопастей. Любое концентрическое сечение лопастей представляет собой элемент несущего крыла. Поэтому при вращении винта на каждом элементе лопасти возникают такие же силы, как и на крыле.

Поток, обтекающий выпуклую сторону лопасти (засасывающая сторона), слегка поджимается, и вследствие этого движение его ускоряется. Поток, обтекающий плоскую (иногда слегка вогнутую) сторону лопасти (нагнетающая сторона), встречая на своем пути препятствие, подтормаживается и несколько замедляет скорость. В соответствии с законом Бернулли, на засасывающей стороне лопасти давление потока падает и возникает зона разрежения. В то же время на нагнетающей стороне лопасти напротив, возникает зона давления. Вследствие разности давлений на стороны лопасти, образуется гидродинамическая сила. Теорией и экспериментальными исследованиями установлено, что основная часть гидродинамической силы — 70—75 % — создается за счет разрежения на засасывающей стороне лопастей винта и только 30—25 % — за счет давления на нагнетающей стороне лопастей. Проекция гидродинамической силы на ось винта представляет собой упор винта. Эта сила воспринимается лопастями, которые через ступицу и гребной вал передают ее кораблю.

 

Подводная лодка «Нарвал»

Подводная лодка «Нарвал»

 

Поскольку лопасти имеют винтообразную поверхность, при вращении винта вода не только отбрасывается назад, но и закручивается в сторону вращения лопастей. Между тем задача движителя — только отбрасывать воду, не вращая ее, создавая реактивный импульс — силу тяги. На закручивание потока и на преодоление сопротивления вращения винта в воде затрачивается значительная доля мощности, подводимой к нему от двигателя. Поэтому коэффициент полезного действия винта, равный отношению мощности, затраченной на создание тяги винта(полезная мощность), ко всей мощности, затраченной на вращение винта, всегда будет меньше единицы.

КПД гребных винтов колеблется в диапазоне 0,5—0,7. Верхний предел считается очень высоким и достижим на малооборотных винтах большого диаметра. Для быстроходных винтов небольшого диаметра КПД редко превышает 0,5—0,55. Но это в наши дни, а в прошлом гребные винты подбирались обычно по прототипу или опытным путем и имели значительно меньший КПД.

Гребной винт всегда согласован с двигателем, в противном случае будет происходить бесцельная потеря мощности. Однако еще на заре подводного судостроения, конструкторы столкнулись с двумя сложно разрешимыми в то время техническими проблемами. Первая заключалась в том, что еще не существовало электродвигателей с переменной частотой вращения, а нужно было как-то менять скорость корабля. Другая проблема была вызвана неумением согласовывать частоту вращения двигателей надводного и подводного хода при размещении их на одном валу. В обоих случаях выходом из положения оказался гребной винт регулируемого шага. В его ступице располагается механизм, поворачивающий лопасти на заданный угол и удерживающий их в этом положении. Поворот лопастей позволяет изменять тяговое усилие при постоянной частоте вращения гребного вала и наоборот — сохранять постоянное тяговое усилие при разных частотах вращения вала, обеспечивать, а также вообще изменять направление упора (реверс) при неизменном направлении вращения гребного вала.

Проблема с изменением скорости подводного хода породила гребной винт регулируемого шага на французской чисто электрической подводной лодке «Морзе», а проблема согласования двигателей — на всех дореволюционных российских, начиная с «Миноги». По своей конструкции, по крайней мере в то время, они были относительно дороги, сложны и малонадежны. Поэтому в более поздних проектах подводных лодок гребные винты переменного шага почти не применялись, так как нашли другие технические решения проблем, их породивших.

Предыстория Подводной лодки

Первые двигатели для Подводных лодок

Первое оружие Подводных лодок

Почему Подводная Лодка не тонет

Первые работоспособные Подводные лодки

Тактико-технические элементы первых Подводных лодок

Первые двигатели сгорания на Подводных Лодках

Создание первых Торпед для подводных лодок

Жилое помещение на Подводной лодке

Подводные лодки на Войне

Позиционные Подводные лодки

Подводные минные заградители

Паросиловые установки на Подводной лодке

Погружение Подводной лодки

Перископ на Подводной лодке

Гидроакустика на Подводной лодке

Эхопеленгование на Подводной лодке

Радиолокация на Подводной лодке

Торпеда — главное оружие Подводной лодки

Подводные лодки Крейсера

Основные тактико-технические элементы подводных крейсеров

Подводные Авианосцы

Вентиляционные трубы Подводной лодки

Спасательный комплекс Подводной лодки

Анализ Подводных лодок после Второй мировой войны

Двигатели для Подводной лодки

Разработки двигателей для Подводной лодки

Схема электродвижения Подводной лодки

Первые Подводные лодки с ядерной энергетической установкой

Многоцелевые атомные Подводные лодки

Подводные лодки с баллистическими ракетами

Баллистические ракеты Подводных лодок

Подводные лодки с ядерной энергетической установкой

Минно-торпедное оружие Подводных лодок

Крылатые ракеты Подводных лодок

Спасательная камера Подводной лодки

Конструкция корпусов современных Подводных лодок

Центральный пост дизельной подводной лодки

Навигационное вооружение Подводных лодок

Летопись подводного флота

Основы теории корабля

Модель торпедного катера

Модель тральщика

Модель подводной лодки

Модель противолодочного корабля

Модель эскадренного миноносца

Модель крейсера

Двигатели для моделей кораблей

Гребной винт для модели корабля