Летящие над волной

Опубликовано: 27 июня 2010
Просмотров: 132270

 

У. Фруд решил задачу, но не проблему

 

Трудами Фруда и его предшественников задача определения мощности энергетической установки на стадии проектирования корабля была в принципе решена. Это, разумеется, способствовало достижению более высоких скоростей в кораблестроении, но лишь способствовало.

Каждому ясно, что скорость корабля желательно иметь возможно большей, но при этом возникают препятствия, главным из которых является лишь частичное использование мощности машин, «расходуемой на преодоление кораблем сопротивления воды. Чем это вызвано?»

Чтобы корабль двигался с постоянной скоростью, необходима тяга движителя, равная величине преодолеваемого кораблем полного сопротивления и направленная в противоположную сторону. Работа, совершаемая силой тяги в единицу времени при движении корабля со скоростью v, равна мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления воды, которую называют буксировочной Ne (л. с.) и определяют по формуле Ne = Rtv/75.

Зная Ne, можно определить валовую мощность, которую нужно подвести к движителю Nw =Ne/nd, где nd—пропульсивный коэффециент — важнейший показатель, характеризующий степень использования мощности энергетической установки для получения заданной скорости, т. е. показывающий, какая часть мощности расходуется на движение корабля. Остальная мощность теряется при ее передаче от двигателя и при преобразовании в упор, создаваемый движителем. Потери в основном определяются КПД движителя, его взаимодействием с корпусом корабля и в меньшей мере трением в подшипниках валопровода и передачи.

Следовательно, при увеличении пропульсивного коэффициента на корабле с заданным водоизмещением можно снизить мощность энергетической установки, не уменьшая скорости, либо увеличить скорость при сохранении мощности установки.

Пропульсивный коэффициент колеблется в диапазоне 0,5—0,7, а это значит, что от 50 до 30 % мощности машин в создании силы тяги не участвуют и безвозвратно теряются. Естественно, что в рассматриваемый период времени (конец XIX в.), когда теория гребного винта находилась в зачаточном состоянии, пропульсивный коэффициент был значительно меньше.

Этим трудности достижения больших скоростей не ограничиваются. Из-за известного нам резкого возрастания сопротивления с увеличением скорости корабля мощность энергетической установки в грубом приближении изменяется пропорционально кубу скорости. Значит, если корабль, например, имеет скорость 12 уз при мощности энергетической установки 5000 л. с, то с увеличением скорости вдвое мощность установки должна быть увеличена в восемь раз. Следовательно, на том же корабле без изменения водоизмещения придется разместить установку мощностью 40 тыс. л. с. и соответственно возросший запас топлива, что просто нереально. Отсюда ясно, что увеличить скорость корабля не только в два раза, а даже на несколько узлов, на один только узел — задача чрезвычайно сложная.

И на этом не заканчивается перечень препятствий на пути увеличения скорости кораблей. Теоретически скорость корабля желательно иметь неограниченно большой. Аналогичное пожелание можно отнести и к дальности плавания. Однако, как и скорость, дальность плавания приходится ограничивать весьма жестким пределом. Оказывается, быстроходный корабль может в считанные часы израсходовать весь запас топлива и пройти при этом небольшое расстояние, по сравнению с тем, которое тот же корабль с тем же запасом топлива может пройти в течение нескольких суток.

Допустим, корабль без пополнения запаса топлива должен пройти полным 18-узловым ходом 1000 миль. При мощности энергетической установки 5500 л. с. и удельном расходе угля 1,3 кг/(л. с.-ч) расход топлива за переход составит: (1000: 18) X (1.3-5500) = 397.2 т. А теперь посмотрим, что произойдет, если тот же корабль совершит переход со скоростью 9 уз. Время перехода возрастет в два раза. Мощность установки изменится пропорционально кубу скорости и составит 694 л. с. При этом расход топлива за переход составит (1000 : 9) X (1.8' -694) = 138,6 т. Таким образом, преодолев те же 1000 миль со скоростью, уменьшенной в два раза, тот же корабль израсходует почти в три раза меньше угля.

' Удельный расход топлива 1.8кг/(л.с.-ч)принят сугубо ориентировочно исходя из того, что при снижении мощности установки удельный расход топлива возрастает.

Характер зависимости расхода топлива от скорости корабля.

На графике представлен характер зависимости расхода топлива от скорости. Обращает на себя внимание, что на какой-то определенной скорости, гораздо меньше полной, расход топлива будет минимальным. Для разных кораблей эта наиболее экономичная скорость может существенно различаться, так как зависит от ряда конструктивных особенностей каждого конкретного корабля, в частности, таких, как водоизмещение, скорость полного хода, типы энергетической установки и движителя.

На первый взгляд решение напрашивается само собой: плавать с той скоростью, при которой расход топлива будет минимальным. Однако, как показывает опыт войн на море, корабли плавают с самыми разными скоростями и лишь в течение очень короткого времени развивают полную и близкие к ней скорости. Но оперативно-тактическая обстановка в любой момент может измениться, кораблю потребуется развить полный ход, и такая возможность должна быть обеспечена. Этими соображениями и руководствуются на практике.

При проектировании корабля конкретного класса наряду со скоростью полного хода задается значительно меньшая скорость, при которой обеспечивается наибольшая дальность плавания корабля при определенной готовности оружия и технических средств, на что также требуется определенный расход энергии, а следовательно, и топлива. Для условного обозначения такого режима плавания существует понятие «экономический ход». Выход из положения далеко не лучший, но единственно возможный в условиях применения на кораблях энергетических установок на органическом топливе.

Через много лет энергия ядерного распада позволит иначе решить эту проблему. Но это будет через много лет.