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

Первые двигатели сгорания на Подводных Лодках

Несмотря на то что на момент вступления в строй французский «Нарвал» считался наиболее совершенным подводным кораблем, еще за полтора десятка лет до этого у него появился конкурент. В 1881г. начинаются испытания подводной лодки Голланда «Фениан Рэм» с двигателем внутреннего сгорания для надводного хода. Устранение явных недостатков проекта заняло еще пятнадцать лет, и с 1897 г. начинается серийное строительство кораблей, головной из которых, названный в честь своего изобретателя, вошел в состав ВМС США в 1900 г. Хотя еще не совсем осознанная, но уже классика подводного кораблестроения привлекла внимание многих стран, и вслед за США лицензию на постройку или отдельные корабли этого типа закупили Великобритания, Австро-Венгрия, Швеция, Япония, Голландия и Россия.

 

Подводная лодка «Фениан Рэм»

Подводная лодка «Фениан Рэм»

 

Преимущества двигателя внутреннего сгорания по отношению к паросиловой установке очевидны, но бензиновые моторы также были небезупречны. Прежде всего это малая агрегатная мощность. Например, паровая машина «Нарвала» имела мощность 250л. с., а керосиновый двигатель «Голланда» — 50л. с. Установка более мощных бензиновых моторов усугубила другой недостаток этих двигателей — высокую взрыво и пожароопасность. 28 апреля 1902г. во время перехода будущего «Сома», а тогда еще «Фултона» из Нью-Йорка в Вашингтон произошел взрыв паров бензина, несколько человек получили ожоги. В дальнейшем взрывы на подлодках с бензиновыми моторами происходили с удручающей неизбежностью. Чаще отделывались ожогами, а иногда гибли люди и сами корабли. 26 апреля 1904г. на итальянской подлодке «Фока» гибнут 16 человек, 5 февраля 1905г. на британской А-5 два взрыва — убито 6 человек, 15 октября того же года гибнет от взрыва паров британская А-4. Не минула эта учесть и отечественные подводные лодки. Например, 5 мая 1905г. во Владивостоке от взрыва затонул «Дельфин».

 

Подводная лодка «Сом»:

Подводная лодка «Сом»:

1, 8, 9 — резервуары воздуха высокого давления; 2 — торпедозаместительная цистерна; 3 — компас; 4 — главная балластная цистерна; 5 — трюмный насос; 6 — аккумуляторная яма; 7 — топливная цистерна; 10 — торпедный аппарат; 11 — дифферентная цистерна; 12 — уравнительная цистерна; 13, 18 — вспомогательная цистерна; 14 — кингстон; 15 — бензиновый двигатель Отто-Дейц; 16 — муфта; 17 — упорный подшипник; 19 — гребной электромотор

 

В 1878г. на третьей Всемирной выставке в Париже уже известный германский изобретатель Николаус Отто выставил свой новый газовый двигатель, позже названный его именем. Двигатель запускался от постороннего источника. Схема его работы такова. Пока поршень двигается вниз, выпускной клапан закрыт, а впускной открыт, и через него в цилиндр всасываются газ и воздух, образующие горючую смесь. К концу первого такта впускной клапан закрывается. При обратном движении поршня — второй такт — горючая смесь сжимается. В конце хода поршня с помощью электрической искры сжатая смесь воспламеняется и быстро сгорает с выделением теплоты. Горячий газ расширяется, перемещая вниз поршень, который через кривошипный механизм приводит во вращение коленчатый вал с закрепленным на нем маховиком — это третий такт, он же — рабочий ход поршня. В ходе четвертого такта — при открытом выпускном клапане — поршень выталкивает отработавшие газы в атмосферу. О термодинамическом совершенстве цикла дает представление КПД двигателя, составлявший около 22 %. Для сравнения самые эффективные котломашинные установки имели КПД не более 10 %.

 

Схема четырехтактного цикла двигателя Отто

Схема четырехтактного цикла двигателя Отто:

1 — впуск; 2 — сжатие; 3 — рабочий ход; 4 — выхлоп

 

Начало XX в. ознаменовалось созданием нового двигателя внутреннего сгорания, получившего наименование в честь своего создателя германского инженера Рудольфа Дизеля. Его явные преимущества перед бензиновыми моторами, а в некоторых случаях и перед паросиловыми установками — повышенная взрыво-пожаробезопасность и экономичность сразу привлекли внимание судостроителей. Уже в 1903 г. начало постоянную навигацию первое в мире дизельное судно — российский танкер «Вандал». Но дизеля были еще нереверсивными, то есть не могли изменять сторону вращения гребного вала. Поэтому на «Вандале» они работали на генератор постоянного тока, а уже выработанный им ток питал гребные электромоторы. Чтобы изменить сторону вращения гребного вала, нужно было просто поменять полюса на клеммах электродвигателей. Осталось только добавить аккумуляторные батареи, и главная энергетическая установка подводной лодки готова. Кстати, в конце Второй мировой войны появились подводные лодки именно с такой компоновкой, когда дизель не связан с электромотором единым гребным валом.

Первой дизельной подводной лодкой стала французская «Эгретт», спущенная на воду в 1904г. В отечественном флоте такой стала «Минога». Впоследствии и на кораблях более ранней постройки, по возможности, бензомоторы заменили на дизеля. Именно с их внедрением завершилось создание классической дизель-электрической подводной лодки. Именно дизель превратил подводную лодку из корабля береговой обороны в главную ударную силу на морских и океанских коммуникациях.

Первоначально на подводных лодках применялись четырехтактные дизеля, но по мере освоения двухтактных моторов предпочтение стало отдаваться им. Например, все первые отечественные дизеля являлись разновидностями четырехтактных двигателей германской фирмы MAN. К ним относились и первые советские двигатели 42БМ мощностью 1100 л. с. при 425 об/мин для подлодок типа Д. Такие дизеля назывались среднеоборотными (до 1000 об/мин), в отличие от малооборотных (300 об/мин) и высокооборотных (более 1000 об/мин). На подлодках применялись только среднеоборотные дизеля. Усовершенствованная модификация 42БМ ставилась на XI и XIII сериях типа Л. Эти дизеля, как и их дореволюционные предшественники, являлись компрессорными.

 

Схема газотурбонаддувочного агрегата:

Схема газотурбонаддувочного агрегата:

1 — выхлопной коллектор; 2 — газовая турбина; 3 — центробежный насос; 4 — наддувочный коллектор

 

В первых дизелях топливо впрыскивалось в цилиндр сжатым воздухом и сгорало там при почти постоянном давлении. Так как воздух для распыления нагнетался компрессором, приводившимся в движение от самого двигателя, то такие дизеля назывались компрессорными. Наличие компрессора увеличивало массу двигателя и усложняло его обслуживание. Еще в годы Русско-японской войны в России создали первые бескомпрессорные дизеля, но их мощность не превышала 30 л. с. Только в Первую мировую войну в Германии и Великобритании появились бескомпрессорные дизеля большой мощности. Но работали они крайне ненадежно и начали внедрятся на кораблях лишь в 1930-х гг. Во Вторую мировую войну все ведущие военно-морские державы вступили, имея исключительно бескомпрессорные дизеля, где распыление топлива производится механическим путем с помощью насосов высокого давления.

Первым отечественными корабельным бескомпрессорным дизелем становится 38В-8 мощностью 675л. с. и 38К-8 мощностью 800л. с. для подлодок серий V и X серий типа Щ, а также VI и XII серий типа М. На подлодках типа К впервые появились отечественные двухтактные дизеля марки 9ДКР51/55 мощностью 4200л. с.

В 1938г. на подлодках типа С и серии XIII-38 типа Л устанавливаются четырехтактные дизеля марки 1Д мощностью 2000л. с. Их особенностью являлось наличие наддува воздуха. Это позволяло сжигать в цилиндре большее количество топлива, в результате чего увеличивалась масса продуктов сгорания, а следовательно, давление на поршень, и возрастала мощность двигателя. В прототипе воздуходувка приводилась в действие от вала двигателя, потребляя часть развиваемой им мощности. В серийном дизеле 1Д для этой цели применили газотурбонаддувочный агрегат, газовая турбина которого работала на отработавших газах дизеля.

Двигатель внутреннего сгорания

КПД и мощность двигателя внутреннего сгорания возрастают по мере увеличения степени сжатия горючи смеси. Но при этом увеличивается и температура смеси, которая может достигнуть такой величины, при которой она самовоспламеняется (детонирует) еще до конца такта сжатия и появления искры. Поэтому степень сжатия в двигателях внутреннего сгорания, работающих по циклу Отто, не превышает 7, то есть перед воспламенением горючая смесь сжимается до одной седьмой части своего первоначального объема. Отсюда и ограниченная агрегатная мощность двигателей этого типа.

 

Общее устройство четырехтактного дизеля

Общее устройство четырехтактного дизеля:

1 — шатун; 2 — цилиндр; 3 — поршень; 4 — выхлопной клапан; 5 — коромысло; 6 — всасывающий клапан; 7 — коленчатый вал; В — воздух; ДГ — дымовые газы

 

Но моторы Отто могли работать только на светильном газе, что делало их совершенно непригодными для использования на транспорте. Нужно было найти другое, более транспортабельное топливо. Эту задачу решил переселившийся в конце 1870-х гг. из Сербии в Россию инженер-механик Огнеслав (Игнатий) Степанович Костович. Он сконструировал 8-цилиндровый бензиновый мотор, всасывающий в цилиндры топливно-воздушную смесь, приготовленную в специальном устройстве, позднее названном карбюратором. В 1884 г. мотор с фантастически малой для того времени удельной массой — 3 кг/л. с. был построен и испытан, в 1892 г. Костович получил патент на бензиновый двигатель внутреннего сгорания.

Одним из первых его оценил технический директор завода по изготовлению газовых двигателей Отто инженер Готлиб Даймлер. Организовав собственное предприятие, Даймлер сконструировал и построил бензиновый двухцилиндровый двигатель, запатентовав в 1885г. его применение на автомобиле, мотоцикле и моторной лодке. Именно в то время двигатель внутреннего сгорания и попал на подлодку Голланда.

Отличие двигателя Дизеля от бензинового

Принципиальное отличие двигателя Дизеля от бензинового в том, что у него в цилиндре сжимается воздух, а не горючая смесь. Работает он следующим образом. При движении поршня вниз выпускной клапан закрыт, а впускной открыт и через него в цилиндр поступает атмосферный воздух, который затем, при движении поршня вверх и закрытых клапанах, сжимается до давления, когда температура воздуха возрастает до величины, необходимой для воспламенения топлива. В конце сжатия впрыскивается топливо и сгорает в среде раскаленного воздуха. Образовавшиеся газы толкают поршень вниз — рабочий ход. Вторичным движением поршня вверх газы выталкиваются из цилиндра наружу через открытый выпускной клапан.

Сжатие в цилиндре чистого воздуха, а не его смеси с топливом позволяет практически вдвое увеличить степень сжатия, так как исключена возможность детонации (преждевременного воспламенения топлива). Возрастает экономичность и, что очень важно, становится возможным существенно увеличить агрегатную мощность двигателя.

Все многообразное семейство корабельных дизелей делится на четырехтактные и двухтактные. У первых весь рабочий цикл совершается за уже известные нам четыре хода поршня. У двухтактных же дизелей весь рабочий цикл совершается за два хода поршня (вверх и вниз) — один оборот коленчатого вала. Первый такт цикла начинается с движения поршня вверх от нижней мертвой точки. Первыми закрываются выпускные клапаны, впуск же воздуха в цилиндр продолжается. Затем движущийся поршень закрывает продувочные окна и в цилиндре начинается сжатие. При дальнейшем движении поршня вверх свежий заряд воздуха сжимается до 35—40 кг/см2 и его температура поднимается до 550—650 °С. В конце такта сжатия, когда поршень еще не дошел до верхней мертвой точки, в цилиндр впрыскивается топливо.

 

Общее устройство двухтактного дизеля:

Общее устройство двухтактного дизеля:

1 — продувочный насос; 2 — воздушная камера; 3 — продувочные окна; В — воздух; ДГ — дымовые газы

 

Оно самовоспламеняется и сгорает. Начинается второй такт цикла. Поршень под действием давления газов движется вниз, совершая рабочий ход. Когда он проходит примерно две трети расстояния от верхней до нижней мертвой точки, открываются выпускные клапаны и начинается выпуск отработавших газов. Давление в цилиндре продолжает понижаться. Дальнейшее движение поршня вниз открывает продувочные окна, в цилиндр начинает поступать продувочный воздух, который почти полностью выдувает отработавшие газы.

Итак, рабочий цикл в двухтактном дизеле совершается за один оборот коленчатого вала, а не за два, как в четырехтактном. Значит, при прочих равных условиях мощность первого должна быть в два раза больше мощности второго? К сожалению, это не так. Она больше всего в 1,5—1,7 раза. Объясняется это главным образом тем, что часть цилиндра двухтактного дизеля занята продувочными окнами, за счет чего уменьшается полезный ход поршня. Нельзя забывать и о том, что часть мощности дизеля затрачивается на вращение продувочного насоса.

В двухтактном дизеле рабочие процессы отличаются большей напряженностью, чем в четырехтактном. Ведь в нем топливо сгорает в цилиндрах при каждом обороте коленчатого вала, а не через один оборот. Значит, средняя температура деталей двухтактного дизеля более высокая. Отсюда и более быстрый выход из строя теплонапряженных деталей: поршней, поршневых колец, выпускных клапанов. А следовательно, для их изготовления требуется применять более качественные и теплоустойчивые материалы. Мощность и экономичность работы двухтактного дизеля зависит от качества продувки цилиндров. При хорошей продувке достигается наиболее полная очистка цилиндра, вводится полный заряд свежего воздуха, требующий наименьшей затраты энергии на сжатие.

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