Глава 6. Механические парогазовые пропульсивные установки.

§6.1. Особенности парогазовых торпед.

В этом типе энергодвигательных установок подводных аппаратов поршневой двигатель или турбина приводит во вращение гребные винты либо водометы, которые лопастями отбрасывают массу воды в сторону, противоположную движению торпеды. По закону равенства действия и противодействия такая же по величине сила тяги толкает торпеду вперед.

Двигатель торпеды, в котором тепловая (электрическая) энергия преобразуется в механическую работу вращения гребных винтов, является одним из ее главных агрегатов. Он определяет основные тактико-технические данные торпеды — скорость, дальность, следность, шумность хода.

Как уже отмечалось выше, торпедные двигатели имеют ряд специфических особенностей, которые отражаются на конструкции и организации их рабочего процесса:

— кратковременность работы;

— работа без доступа атмосферного воздуха в водной среде;

— практически мгновенный запуск с выходом на режим полной мощности в минимальное время;

— строгое постоянство заданного режима работы (обычно не более двух—трех режимов);

— возможность работы с высоким противодавлением выпуска;

— минимальный вес и габариты при заданной мощности;

— минимальные удельные расходы компонентов топлива.

В прошлом наибольшее распространение в торпедах получили поршневые расширительные машины следующих трех конструктивных схем: горизонтального, звездообразного и вертикального расположения.

К основным достоинствам горизонтально расположенных машин следует отнести: сравнительно большой литраж цилиндров, дающий возможность повысить мощность в известных пределах; наличие закрытого картера, повышающего жесткость схемы и позволяющего исключить сальники на гребных винтах и повысить мощность за счет увеличения давления впуска и числа оборотов.

Недостатки схемы: значительная сложность механизмов двигателя, большой вес и объем силовой установки, неуравновешенность двигателя вследствие наличия значительных нескомпенсированных инерционных сил.

Большинство двигателей данной схемы двухцилиндровые.

За рубежом параллельно с горизонтальными двигателями развивались конструктивные схемы звездообразных двигателей. Основные достоинства таких схем: малая длина, позволяющая установить в торпедах несколько рядов двигателей; большая уравновешенность сил инерции и жесткость конструкции. Однако ввиду того, что все цилиндры работают на один вал, необходима установка кормового дифференциала.

Двигатели вертикального типа не нашли широкого применения в торпедах главным образом из-за сложности устройства, значительного веса и объема.

§ 6.2. Рабочий процесс парогаза в цилиндре поршневого двигателя. Индикаторная диаграмма.

Парогазовая смесь, поступающая из ПГГ, подводится посредством золотников (клапанов) то в одну, то в другую полость цилиндра, заставляя поршень со штоком и ползуном совершать возвратно-поступательное прямолинейное движение, которое затем с помощью шатуна и кривошипа преобразуется во вращательное движение гребных валов с винтами.

График, изображающий сочетание элементарных термодинамических процессов, из которых состоит цикл парогаза в двигателе, называется индикаторной диаграммой.

Рассмотрим теоретическую индикаторную диаграмму рабочего процесса поршневого двигателя с начальным давлением Р₁и противодавлением Р₄(рис. 8). При крайнем левом положении поршня открывается клапан на впуск и свежий парогаз заполняет так называемое вредное (мертвое) пространствоV₀. Под действием упругости парогаза поршень будет перемещаться вправо, а цилиндр — заполняться свежим парогазом (линия1-2). После отсечки впуска в цилиндре начнется расширение парогаза, которое закончится с приходом поршня в крайнее правое положение (линия2-3). В этот момент открывается клапан на выпуск, давление в цилиндре падает доP₄ (линия3-4) и оставшийся парогаз выталкивается из цилиндра (линия4-5). Прекращение выталкивания парогаза до прихода поршня в крайнее положение и сжатие отработавшего парогаза (линия5-6) необходимы как для создания упругого буфера в цилиндре, так и для плавного хода машины. Кроме того, это приводит к повышению температуры парогаза, вследствие чего поступающий в цилиндр свежий парогаз будет подвергнут меньшему охлаждению и конденсации.

В крайнем левом положении поршня открывается впускной клапан и происходит впуск свежего парогаза в цилиндр, давление в котором увеличивается до значения Р₁ (линия6-1).

Таким образом, теоретический рабочий процесс поршневой машины осуществляется за два хода поршня, т. е. за один оборот кривошипа (коленчатого вала), а теоретическая индикаторная диаграмма его представляется циклом 1234561. Если машина имеет вторую рабочую полость с правой стороны, то аналогичный цикл будет осуществлен и в этой области.

Действительная индикаторная диаграмма не совпадает с теоретической, так как в действительном процессе имеется ряд потерь (рис. 2.3). Открытие и закрытие впускных клапанов происходят не мгновенно, а постепенно, при этом имеет место мятие парогаза, сопровождающееся некоторым понижением давления.

Действительная линия расширения (и сжатия) отклоняется от теоретической, так как процесс расширения (и сжатия) сопровождается теплообменом и поэтому не является адиабатным. Начало выпуска отработавшего парогаза и впуска свежего начинается с некоторым опережением, т е. до прихода поршня в крайнее положение. В результате этих особенностей получается круговой цикл, который и представляет собой действительную индикаторную диаграмму поршневой машины.

Следовательно, действительная индикаторная диаграмма (рис. 9.) вписывается в теоретическую диаграмму и по площади меньше последней на величину заштрихованных площадок.

Участки действительной индикаторной диаграммы соответствуют следующим физическим процессам: 1-2 — наполнение или впуск,2-3 — расширение парогаза,3-4 — предварение выпуска,4-5 — выпуск,5-6 — сжатие,6-1 — предварение впуска.

В расчетах удобнее оперировать не с абсолютными величинами объемов Vi, а с относительными величинами, выражающими отдельные фазы газораспределения. Для этого каждый из помеченных объемов относят к рабочему объему цилиндраV_ц и получают относительные объемыε_i,.

В процессе разработки торпедных двигателей надлежит построить индикаторную диаграмму и выбрать значения ε_i; такими, чтобы двигатель мог обеспечить необходимую мощность.