ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ДЛЯ ВОЕННЫХ КОРАБЛЕЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ДЛЯ ВОЕННЫХ КОРАБЛЕЙ

«Нью-Йорк Геральд», 25 февраля 1917.

Идеальная простота асинхронного электродвигателя, его безупречная обратимость и другие уникальные качества делают его особенно подходящим для использования в качестве силовой установки на судах. С того момента, как я представил вниманию.

Американского общества инженеров-электриков мою систему передачи энергии, я упорно настаивал на ее использовании с этой целью. В течение многих лет этот проект объявлялся неосуществимым, а я подвергался нападкам столь же злобным, сколь некомпетентным. В 1900 году, когда в «Сенчьюри мэгэзин» вышла моя статья в защиту электрического привода, «Марин инжиниринг» назвал этот проект «верхом глупости», а сами мои предложения вызвали такую ярость, что редактор другого технического журнала подал в отставку и порвал всякие отношения с изданием, чтобы не участвовать в публикации таких нападок.

Похожий прием был оказан и моему проекту радиоуправляемого катера, неоднократно описанному в «Геральд» в 1898 году. Сроки действия патентов 48 на эти изобретения уже истекли, и теперь они являются всеобщим достоянием. Между тем абсурдное неприятие и невежество в отношении этих проектов сменились услужливым вниманием и признанием их ценности. Недавно военно-морское министерство заключило контракты общей стоимостью 100 000 000 долларов на строительство семи военных кораблей с асинхронными электродвигателями в качестве силовых установок. Точно такая же сумма выделена на покрытие расходов от постройки четырех больших линейных крейсеров, которые должны быть оснащены таким же образом. Этот последний проект встретил сопротивление со стороны некоторых кораблестроителей, производителей турбин, поставщиков электрооборудования и инженеров, которые, опасаясь того, что правительство допустило фатальную ошибку, а также поддавшись ура-патриотическим настроениям, убеждали власти в необходимости применения неэлектрического привода - турбины с зубчатой передачей.

Противоречивая переписка.

Члену сенатского комитета по военно-морским делам К.А. Свенсону были направлены многочисленные письма протеста, но результат этой переписки крайне противоречив и ничего не дает тем, кто ищет информацию. Вызывает сожаление, что этот вопрос пришлось поднимать в такой критический момент, когда общепризнанным императивом стали ускоренные приготовления, направленные против опасностей, угрожающих нации, и в свете этого нельзя допускать возникновения в общественном сознании каких-либо сомнений относительно превосходства 49 боевой техники, рекомендованной военно-морскими экспертами. Ниже я попытаюсь сделать эту мысль более понятной для рядового читателя.

Наиболее эффективным корабельным движителем является реактивная струя воды, выбрасываемая за корму судна. Хотя теоретические законы, которым подчиняется данное действие, были точно описаны Ранкином^{10} пятьдесят лет тому назад, в среде инженеров и авторов учебников по гидравлике все еще господствует странное и необъяснимое предубеждение в отношении данного принципа. Но люди дальновидные проявляют острый и живой интерес к скрывающимся здесь возможностям. И хотя наши современные энергетические ресурсы не позволяют использовать преимущества реактивной струи, можно с уверенностью предсказать, что в скором времени она послужит орудием в деле более полного освоения Мирового океана. Я твердо верю, что в то время, когда пишутся эти строки, данный движитель уже применяется в субмаринах, совершающих опустошительные рейды в океанах, поскольку только его бесшумностью можно объяснить, почему они так легко избегают своего, казалось бы, простого обнаружения при прослушивании глубин с помощью микрофонных устройств. Звук, издаваемый подводной лодкой, является ее ахиллесовой пятой. Снижение его уровня ощутимо увеличивает боевую эффективность этого нового оружия.

Спиралевидный гребной винт.

В сложившихся условиях на всех типах надводных судов наилучшие результаты дает спиралевидный гребной винт, который приводится в движение четырьмя различными способами. Первый: непосредственно от вала двигателя; второй: через зубчатую передачу; третий: через гидротрансформатор; четвертый: с помощью электрической трансмиссии.

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.

Превосходство электрического привода.

Если принять во внимание то, что КПД гребного винта отличается от величины мощности, изначально сообщаемой трансмиссии турбиной, то становится ясно, что он будет предположительно выше при использовании электрического привода. Данный вывод всецело основан на лучшей приспособляемости и гибкости этой системы. Но есть и более веские основания, которые следует учесть. Установка между турбиной и гребным винтом электромагнитных устройств значительно снижает потери мощности, вызываемые ударами, вибрацией, набором оборотов судовым двигателем и другими внешними воздействиями. Происходит это благодаря присущим этим устройствам упругости и ударной вязкости и тенденции к самостабилизиции. Тем самым сохраняется значительный объем энергии, следствием чего оказывается высокая скорость корабля в условиях бурного моря.

Экономичность при крейсировании является одним из наиболее желательных качеств военного корабля, которое сказывается на его повседневном использовании, поскольку шансы на то, что корабль когда-либо примет участие в настоящем морском бою, незначительны. Самые ярые противники электрического привода не отрицают того, что он превосходит все остальные по работе именно в этом режиме, на который главным образом и указывает производитель, гарантируя расход горючего на 10-12 процентов меньший, чем при использовании зубчатой передачи. Последняя безнадежно обречена из-за ее неспособности подстраиваться под меняющуюся скорость и неэкономичность при крейсировании, а электрический привод в то же время легко поддается адаптации и экономичен в любых условиях. Еще одно свойство электрического привода, которое может оказаться особенно ценным в бою, - это его способность безопасно переносить большие перегрузки благодаря природе соединения между турбиной и гребным винтом, как это уже объяснялось выше. Зубчатая передача отличается жесткостью и неподатливостью, и любое возрастание оборотов, особенно внезапное, может вызвать ее поломку.

Экономия энергии.

Если говорить о вспомогательном судовом оборудовании, которое потребляет приблизительно 20 процентов расходуемого топлива, то и здесь внедрение электрического привода даст весьма существенную экономию энергии.

Кроме того, подача тока от электростанции будет способствовать оперативному снижению других потерь - можно будет избавиться от многих вспомогательных устройств, что снова даст существенный прирост экономии в целом.

Однако с военной точки зрения наиболее существенными из выигранных преимуществ, вероятно, станут быстрота, простота и точность управления.

Все можно будет устроить так, чтобы нажатие кнопки вызывало немедленное выполнение операции. Реверсированием судового двигателя можно будет остановить идущий полным ходом корабль, так чтобы он не прошел при этом расстояния, превышающего длину его корпуса. Станет возможным заставить судно выполнять все эволюции с необычайной скоростью, а сами маневры корабля будут выполняться с совершенством, о котором раньше нельзя было даже мечтать.

Делая предварительную оценку относительной массы электрического привода от турбины на винт, защитники зубчатой передачи совершают одну курьезную ошибку. Едва ли есть необходимость в том, чтобы доказывать несправедливость, если не абсурдность простого сравнения устройств, столь разных по характеру и возможностям. Здесь следует сопоставлять лишь те свойства, которые способны давать сходные результаты. В таком случае аналогичная электрическому приводу зубчатая передача должна состоять из четырех основных турбин с зубчатыми передачами, четырех реверсивных турбин той же мощности и еще восьми малых приводных и реверсивных турбин для крейсирования. Это скопление сложных и не слишком прочных машин со сплетением водных, воздушных и масляных шлангов, клапанов, насосов и приспособлений будет намного превышать по весу предлагаемый электрический привод и потребует к тому же повышенной защиты всех ее систем, не говоря уже о присущих ей дефектах и недостатках.

Проблема массы.

Впрочем, следует заметить, что масса судовых устройств должна учитываться в ее отношении к массе корабля. Один механизм может быть тяжелее другого, но если он оказывается более эффективным и тем самым снижает вес топлива и другого груза, тогда в конечном случае именно он оказывается и более легким из двух сравниваемых.

Это так же верно и в отношении денежных расходов. Сравниваемые цифры не значат ничего. Весь вопрос в том, оправдает ли себя вложение средств в затеваемое предприятие. Уже достаточно было сказано в пользу того, что с учетом во всех отношениях равноценных результатов (если допустить, что такое равенство вообще возможно) зубчатая передача будет более дорогостоящей, несмотря на все заверения в обратном.

Утверждение о том, что электрический привод является экспериментальным образцом и непредсказуем в работе, является наименее логичным из недоброжелательных откликов. Прежде всего он уже сегодня успешно применяется на ряде судов, и еще большее число таких кораблей сейчас строится.

Кроме того, установлено, что этот тип привода в состоянии обеспечить более высокий КПД, чем любой другой. Но даже все это абсолютно несущественно.

Уверенность в том, что все ожидаемые результаты будут реализованы на современном этапе, основывается не на нескольких демонстрациях нового привода, а на многолетнем опыте работы электростанций, с того самого времени, когда была доказана коммерческая состоятельность моей системы. Сейчас по всему миру используются асинхронные электродвигатели (как и десятки миллионов лошадиных сил, кроющихся в них суммарно), и здесь до сих пор еще не было зафиксировано ни одного отказа.

Требования к новым крейсерам.

Каждому из новых крейсеров потребуется суммарная мощность 180 000 лошадиных сил, которая в случае необходимости может быть выработана четырьмя силовыми установками по 45 000 лошадиных сил каждая. Турбины такой мощности уже выпущены и работают сегодня. Динамо-машины с соответствующей выходной мощностью установлены в нескольких местах и снабжают светом и энергией большие города и округа. Промышленный выпуск асинхронных электродвигателей мощностью 15 000 лошадиных сил налажен, при этом по желанию они могут иметь любые габариты, поскольку из всех типов электромоторов данный наиболее прост и надежен. Данная система давно разработана и с тех пор уже доведена до полного совершенства в мельчайших деталях. Этот проект колоссален, но он может быть без труда реализован любым из тех концернов, которые обладают соответствующим оборудованием. Для этого даже не потребуется создавать нового оборудования. В электрическом приводе нет ничего неопробованного или рискованного.

Много шума вызвали сообщения в прессе, достоверность которых еще необходимо проверить, о том, что этот тип привода отвергли Англия и Германия.

Однако и это не имеет значения. Его и здесь не раз отвергали. Кроме того, в воздухе Европы тогда пахло войной, и это было совсем неподходящее время для радикальных инноваций.

Вдобавок к этому в тот самый момент неясные перспективы появились у двигателя Дизеля, и проходило опробование гидродинамической передачи д-ра Феттингера. Впрочем, рано или поздно, но где-нибудь все же придется давать начало внедрению электрического привода на кораблях, и было бы весьма печально, если бы последними здесь оказались Соединенные Штаты, в которых это изобретение увидело свет, а затем нашло самое широкое применение. Такие ошибки происходят слишком часто.

Военные флоты иных государств не имеют привычки информировать прессу о том, что у них происходит, и можно с уверенностью предсказать: если прогресс в этой стране будет сильно тормозиться, следует ожидать повторения уже имевших место ранее разочарований.

Не стоит останавливаться на других возражениях, которые не столь важны и не имеют никакого принципиального значения. Не вдаваясь в утомительную дискуссию по техническим вопросам, можно утверждать, что электрический привод, если он вдумчиво спроектирован, сэкономит не менее двадцати пяти процентов топлива, и благодаря этому, а также в силу его специфических и бесценных преимуществ будет легче, дешевле и во всех отношениях надежнее, чем зубчатая передача. Я считаю возможным создание такой схемы, в которой все жизненно важные элементы электрического привода будут находиться ниже ватерлинии. В связи с этим остается надеяться, что министр военно-морского флота не станет обращать внимания на протесты противников электрического привода (насколько бы «патриотическими» они ни были), но употребит всю свою власть на то, чтобы содействовать завершению этого благого дела.

Все это следует воспринимать как отражение современного положения вещей. Пришествие реверсивной турбины глубоко изменит ситуацию в пользу зубчатой передачи. Такая турбина была создана и описана в номере «Геральд» от 15 октября 1911 года. Это легчайший из всех когда-либо созданных судовых двигателей, и им легко управлять, поскольку здесь отсутствует опасность возникновения быстрого и сильного перегрева, и в связи с этим достигается весьма высокая экономия в процессе преобразования тепловой энергии. Я предвижу ее быстрое и повсеместное распространение в качестве корабельных силовых установок. Однако хотя таким образом и будет получен идеально простой и недорогой тип судового привода, веские основания в пользу внедрения электрического привода на военных кораблях по-прежнему сохранятся. Чтобы рассеять все сомнения, возникающие в сознании людей под влиянием многообразия плодов инженерной мысли, я привел всего лишь один из доводов. Он сам по себе является достаточно логичным и убедительным, позволяя обойтись без дополнительных аргументов.

Разоружение невозможно.

Бессмысленно мечтать о разоружении и всеобщем мире перед лицом ужасающих событий, которые разворачиваются сейчас. Они убедительно доказывают, что ни одной стране не будет позволено править всеми остальными каким бы то ни было образом. Прежде чем все народы смогут ощутить безопасность своего существования и прежде чем утвердится всеобщая мировая гармония, необходимо устранить некоторые препятствия, главными из которых являются германский милитаризм, британское владычество на море, надвигающийся из России многомиллионный людской вал, «желтая опасность»^{11} и власть денег в Америке. Устранение этих препятствий будет медленным и болезненным в полном соответствии с законами природы. Международные трения и вооруженные конфликты еще долго не исчезнут с лица земли. Впрочем, продвижение человечества по пути прогресса не было бы столь значительным, если бы энергию войны можно было удерживать исключительно в потенциальной форме. Это состояние возможно, и оно будет достигнуто через повсеместное внедрение беспроводной энергетики. Тогда вся энергия разрушения без особых усилий окажется под контролем жизнеутверждающих сил мира.

Содержание и техническое обслуживание военных кораблей и других видов вооружений ведет к ужасающему расточительству. Корабль стоимостью двадцать миллионов долларов становится фактически бесполезным по истечении короткого десятилетнего срока, устаревая со средней скоростью два миллиона долларов в год, а о том, чтобы он приносил доход, не может быть и речи. И едва ли хотя бы одному из пятидесяти таких военных кораблей удается послужить своему истинному предназначению. Чтобы уменьшить эти разорительные потери и использовать некоторые изобретения, я разработал несколько лет тому назад подробный план. Он был признан разумным, но трудновыполнимым в финансовом и в других отношениях. Теперь, когда бережливость и боеготовность стали животрепещущими общенациональными вопросами, этот план обретает особый смысл и значимость.

Использование военных кораблей в мирных целях.

Основная мысль заключается в том, чтобы приспособить военные корабли для использования с выгодой в мирных целях, с их одновременным улучшением по ряду качеств. Я знаком с внесенным недавно предложением использовать их в качестве перевозчиков товаров, но этот план нереален, и он стал бы препятствием на пути их дальнейшего совершенствования. Мой проект главным образом предполагал установку электрического привода и использование турбодинамо-машин для освещения, энергоснабжения, а также для изготовления различной полезной продукции на борту корабля или на берегу. Он стал бы шагом вперед в сторону наблюдаемого сегодня развития, направленного на решение двух задач: повышения боеготовности и подготовки промышленности. Более того, я намеревался работать над созданием нового типа судна, построенного на совершенно иных принципах, который оказался бы ценным вложением средств и в дни мира, и весьма мощным средством разрушения во время войны.

Новые крейсера, если их оснастить в соответствии с планами министерства военно-морского флота, образуют четыре плавучие электростанции, каждая мощностью 180 000 лошадиных сил. Их турбины и динамо-машины рассчитаны на максимальную эффективность и действуют в наиболее благоприятном режиме. Рыночная стоимость электроэнергии, которую они способны выработать, равняется нескольким миллионам долларов в год, и ее можно использовать с выгодой там, где без труда можно найти топливо для судов и будет удобно его на них доставлять. Эти электростанции могли бы оказаться исключительно полезными в случае возникновения чрезвычайных ситуаций. Их можно было бы быстро направлять в любую точку на побережье Соединенных Штатов или в любое другое место, и это позволило бы правительству в случае необходимости быстро оказывать помощь тем, кому она требуется.

Но и это еще не все. Существует другой, даже более убедительный довод в пользу принятия электрического привода. Он основан на понимании того, что в недалеком будущем благодаря появлению новых видов использования электричества революционные изменения претерпят и ныне существующие средства и методы ведения войны.