Nell'ultimo articolo, abbiamo esaminato i problemi relativi all'installazione delle caldaie Nikloss sul Varyag: la maggior parte delle battaglie su Internet intorno alla centrale elettrica dell'incrociatore è dedicata a queste unità. Ma è strano che, attribuendo così grande importanza alle caldaie, la stragrande maggioranza di coloro che sono interessati a questo argomento trascuri completamente i motori a vapore dell'incrociatore. Nel frattempo, a loro sono associati un numero enorme di problemi identificati durante il funzionamento del "Varyag". Ma per capire tutto questo, è necessario prima rinfrescare la memoria della progettazione dei motori a vapore delle navi alla fine del secolo scorso.
In effetti, il principio di funzionamento di un motore a vapore è abbastanza semplice. C'è un cilindro (di solito posizionato verticalmente sulle macchine navali), all'interno del quale si trova un pistone in grado di muoversi su e giù. Supponiamo che il pistone si trovi nella parte superiore del cilindro, quindi il vapore viene fornito sotto pressione al foro tra esso e il coperchio superiore del cilindro. Il vapore si espande spingendo il pistone verso il basso e raggiungendo così il punto più basso. Successivamente, il processo viene ripetuto "esattamente il contrario": il foro superiore è chiuso e il vapore viene ora fornito al foro inferiore. Allo stesso tempo, l'uscita del vapore si apre dall'altra parte del cilindro e mentre il vapore spinge il pistone dal basso verso l'alto, il vapore esausto nella parte superiore del cilindro viene spostato nell'uscita del vapore (il movimento del vapore di scarico nel diagramma è indicato dalla freccia blu tratteggiata).
Pertanto, il motore a vapore fornisce il movimento alternativo del pistone, ma per convertirlo in rotazione dell'albero a vite, viene utilizzato un dispositivo speciale chiamato meccanismo a manovella, in cui l'albero motore svolge un ruolo importante.
Ovviamente, per garantire il funzionamento del motore a vapore, sono estremamente necessari cuscinetti, grazie ai quali vengono eseguiti sia il funzionamento del manovellismo (trasmissione del moto dal pistone all'albero motore) che il fissaggio dell'albero motore rotante.
Va anche detto che quando il Varyag fu progettato e costruito, il mondo intero nella costruzione di navi da guerra era passato da tempo ai motori a vapore a tripla espansione. L'idea di una macchina del genere è nata perché il vapore speso nel cilindro (come mostrato nel diagramma in alto) non ha perso completamente la sua energia e potrebbe essere riutilizzato. Pertanto, lo hanno fatto: il primo vapore fresco è entrato nel cilindro ad alta pressione (HPC), ma dopo aver completato il suo lavoro, non è stato "ributtato" nelle caldaie, ma è entrato nel cilindro successivo (media pressione o HPC) e di nuovo spinto il pistone in esso. Ovviamente la pressione del vapore in ingresso nel secondo cilindro è diminuita, motivo per cui il cilindro stesso doveva essere realizzato con un diametro maggiore dell'HPC. Ma non era tutto: il vapore che si era formato nel secondo cilindro (LPC) è entrato nel terzo cilindro, chiamato cilindro a bassa pressione (LPC), e ha continuato a funzionare già al suo interno.
Va da sé che il cilindro a bassa pressione doveva avere un diametro massimo rispetto al resto dei cilindri. I progettisti l'hanno fatto più facilmente: l'LPC si è rivelato troppo grande, quindi invece di un LPC ne hanno fatti due e le macchine sono diventate quattro cilindri. Allo stesso tempo, il vapore veniva comunque fornito contemporaneamente ad entrambi i cilindri a bassa pressione, ovvero, nonostante la presenza di quattro cilindri "di espansione", ne rimanevano tre.
Questa breve descrizione è abbastanza per capire cosa c'era di sbagliato nei motori a vapore dell'incrociatore Varyag. E "sbagliato" con loro, c'era, purtroppo, così tanto che l'autore di questo articolo trova difficile sapere esattamente da dove cominciare. Di seguito descriviamo i principali errori commessi nella progettazione dei motori a vapore dell'incrociatore e cercheremo di capire di chi, dopotutto, era la colpa.
Quindi il problema n. 1 era che il design del motore a vapore ovviamente non tollerava le sollecitazioni di flessione. In altre parole, ci si poteva aspettare buone prestazioni solo quando il motore a vapore era completamente in piano. Se questa base inizia improvvisamente a piegarsi, questo crea un carico aggiuntivo sull'albero motore, che corre lungo quasi l'intera lunghezza del motore a vapore: inizia a piegarsi, i cuscinetti che lo tengono si deteriorano rapidamente, appare il gioco e l'albero motore si sposta, ecco perché i cuscinetti della manovella soffrono già: il meccanismo della biella e persino i pistoni del cilindro. Per evitare che ciò accada, il motore a vapore deve essere installato su una base solida, ma ciò non è stato fatto sul Varyag. I suoi motori a vapore avevano solo una base molto leggera ed erano infatti attaccati direttamente allo scafo della nave. E il corpo, come sai, "respira" sull'onda del mare, cioè si piega durante il rotolamento - e queste curve costanti hanno portato alla curvatura degli alberi a gomito e all'"allentamento" dei cuscinetti dei motori a vapore.
Di chi è la colpa di questo difetto di progettazione del Varyag? Senza dubbio, la responsabilità di questa mancanza della nave dovrebbe essere assegnata agli ingegneri della ditta di C. Crump, ma … ci sono alcune sfumature qui.
Il fatto è che un tale progetto di motori a vapore (quando quelli senza fondamenta rigide erano installati sullo scafo della nave) era generalmente accettato: né Askold né Bogatyr avevano fondamenta rigide, ma i motori a vapore funzionavano perfettamente su di essi. Come mai?
Ovviamente, la deformazione dell'albero motore sarà tanto più significativa quanto maggiore sarà la sua lunghezza, cioè tanto maggiore sarà la lunghezza della macchina a vapore stessa. Il Varyag aveva due motori a vapore, mentre l'Askold ne aveva tre. In base alla progettazione, questi ultimi erano anche motori a vapore a tripla espansione a quattro cilindri, ma a causa della loro potenza significativamente inferiore, avevano una lunghezza significativamente più corta. A causa di questo effetto, la deflessione del corpo sulle macchine Askold si è rivelata molto più debole - sì, lo erano, ma, diciamo, "entro limiti ragionevoli" e non ha portato a deformazioni che avrebbero disabilitato i motori a vapore.
In effetti, si presumeva originariamente che la potenza totale delle macchine Varyag fosse di 18.000 CV, rispettivamente, la potenza di una macchina fosse di 9.000 CV. Ma in seguito Ch. Crump ha commesso un errore molto difficile da spiegare, vale a dire, ha aumentato la potenza dei motori a vapore a 20.000 CV. Le fonti di solito lo spiegano con il fatto che Ch. Crump lo ha scelto a causa del rifiuto dell'MTK di utilizzare l'esplosione forzata durante i test dell'incrociatore. Sarebbe logico se Ch. Crump, contemporaneamente all'aumento della potenza delle macchine, aumentasse anche la produttività delle caldaie nel progetto Varyag agli stessi 20.000 CV, ma non è successo nulla del genere. L'unico motivo per un atto del genere potrebbe essere la speranza che le caldaie dell'incrociatore superino la capacità stabilita dal progetto, ma come farlo senza ricorrere a forzature?
Qui già una delle due cose - o Ch. Crump sperava ancora di insistere sui test quando forzava le caldaie e temeva che le macchine non avrebbero "allungato" la loro maggiore potenza, o per qualche ragione poco chiara, credeva che le caldaie del Varyag e senza forzare si raggiungerà una potenza di 20.000 CV. In ogni caso, i calcoli del cap. Crump si è rivelato sbagliato, ma ciò ha portato al fatto che ogni macchina da crociera aveva una potenza di 10.000 CV. Oltre al naturale aumento di massa, ovviamente, aumentarono anche le dimensioni delle macchine a vapore (la lunghezza raggiunse i 13 m), mentre le tre macchine Askold, che avrebbero dovuto mostrare 19.000 CV. potenza nominale, dovrebbe avere solo 6 333 CV. ciascuno (ahimè, la loro lunghezza è, purtroppo, sconosciuta all'autore).
Ma che dire di "Bogatyr"? Dopotutto, era, come la Varyag, a due alberi e ciascuna delle sue auto aveva quasi la stessa potenza: 9.750 CV. contro 10.000 CV, il che significa che aveva dimensioni geometriche simili. Ma va notato che lo scafo del Bogatyr era leggermente più largo di quello del Varyag, aveva un rapporto lunghezza/larghezza leggermente inferiore e, nel complesso, sembrava essere più rigido e meno soggetto a flessione rispetto allo scafo del Varyag. Inoltre, è possibile che i tedeschi abbiano rafforzato le fondamenta rispetto a quello su cui si trovavano i motori a vapore del Varyag, cioè, se non era simile a quelli ricevuti dalle navi più moderne, forniva comunque una forza migliore di le fondamenta del Varyag. Tuttavia, a questa domanda si può rispondere solo dopo uno studio dettagliato dei progetti di entrambi gli incrociatori.
Quindi, la colpa degli ingegneri della società Crump non era di aver posto una base debole per le macchine Varyag (come, a quanto pare, hanno fatto il resto dei costruttori navali), ma che non hanno visto e non si sono resi conto della necessità per garantire la inflessibilità »Macchine con un corpo più forte o una transizione a uno schema a tre viti. Il fatto che un problema simile sia stato risolto con successo in Germania, e non solo dal vulcaniano estremamente esperto, che costruì il Bogatyr, ma anche dal mediocre e non avendo esperienza nella costruzione di grandi navi da guerra secondo il proprio progetto da parte della Germania, testimonia tutt'altro che a favore dei costruttori americani. Tuttavia, in tutta onestà, va notato che nemmeno MTK ha controllato questo momento, ma dovrebbe essere chiaro che nessuno gli ha assegnato il compito di monitorare ogni starnuto degli americani, e questo non è stato possibile.
Ma ahimè, questo è solo il primo e forse nemmeno il più significativo inconveniente dei motori a vapore del nuovo incrociatore russo.
Il problema n. 2, che apparentemente era il principale, era il design difettoso dei motori a vapore Varyag, che erano ottimizzati per l'alta velocità della nave. In altre parole, le macchine funzionavano bene vicino alla pressione massima del vapore, altrimenti iniziavano i problemi. Il fatto è che quando la pressione del vapore scende al di sotto di 15,4 atmosfere, i cilindri a bassa pressione cessano di svolgere la loro funzione: l'energia del vapore che entra in essi non è sufficiente per azionare il pistone nel cilindro. Di conseguenza, nelle mosse economiche, il "carro ha iniziato a guidare il cavallo" - i cilindri a bassa pressione, invece di aiutare a ruotare l'albero motore, sono stati essi stessi messi in movimento da esso. Cioè, l'albero motore ha ricevuto energia dai cilindri ad alta e media pressione e l'ha spesa non solo per la rotazione della vite, ma anche per garantire il movimento dei pistoni in due cilindri a bassa pressione. Va inteso che il design del meccanismo a manovella è stato progettato per il fatto che era il cilindro che avrebbe guidato l'albero motore attraverso il pistone e il cursore, ma non viceversa: a causa di un tale inaspettato e non- uso banale dell'albero motore, ha subito sollecitazioni aggiuntive non previste dal suo design, che hanno portato anche al cedimento dei cuscinetti che lo trattengono.
In effetti, potrebbe non esserci stato un problema particolare in questo, ma solo a una condizione: se il design delle macchine prevedeva un meccanismo che disconnette l'albero motore dai cilindri a bassa pressione. Quindi, in tutti i casi di funzionamento a una pressione del vapore inferiore a quella impostata, è stato sufficiente "premere il pulsante" - e l'LPC ha smesso di caricare l'albero motore, tuttavia, tali meccanismi non erano previsti dal design del "Varyag "macchine.
Successivamente, l'ingegnere I. I. Gippius, che supervisionò l'assemblaggio e la regolazione dei meccanismi dei cacciatorpediniere a Port Arthur, eseguì un esame dettagliato delle macchine Varyag nel 1903 e scrisse un intero documento di ricerca basato sui suoi risultati, in cui indicò quanto segue:
“Qui l'ipotesi è che lo stabilimento Crump, nella fretta di consegnare l'incrociatore, non abbia avuto il tempo di regolare la distribuzione del vapore; la macchina si è subito capovolta e sulla nave, naturalmente, hanno iniziato a riparare le parti che hanno sofferto più di altre in termini di riscaldamento, bussare, senza eliminare la causa principale. In generale, è senza dubbio un compito estremamente difficile, se non impossibile, raddrizzare via nave un veicolo che inizialmente era difettoso dalla fabbrica.
È ovvio che Ch. Crump è interamente responsabile di questa mancanza della centrale elettrica di Varyag.
Il problema numero 3, di per sé, non era particolarmente grave, ma in combinazione con gli errori di cui sopra ha dato un "effetto cumulativo". Il fatto è che per qualche tempo, durante la progettazione di motori a vapore, i progettisti non hanno tenuto conto dell'inerzia dei loro meccanismi, a causa della quale questi ultimi erano costantemente esposti a stress eccessivi. Tuttavia, al momento della creazione del Varyag, la teoria del bilanciamento delle forze d'inerzia delle macchine era stata studiata e diffusa ovunque. Naturalmente, la sua applicazione ha richiesto calcoli aggiuntivi da parte del produttore del motore a vapore e ha creato alcune difficoltà per lui, il che significa che il costo del lavoro nel suo insieme è aumentato. Quindi MTC nei suoi requisiti, sfortunatamente, non ha indicato l'applicazione obbligatoria di questa teoria nella progettazione di motori a vapore, e Ch. Crump, a quanto pare, ha deciso di risparmiare su questo (è difficile immaginare che lui stesso, e nessuno dei suoi gli ingegneri hanno qualcosa su questo non conoscevano la teoria). In generale, o sotto l'influenza dell'avidità, o per banale incompetenza, ma le disposizioni di questa teoria durante la creazione delle macchine Varyag (e, tra l'altro, Retvizan) sono state ignorate, a causa della quale le forze di inerzia resero azione "molto sfavorevole" (secondo I. I. Gippius) sui cilindri di media e bassa pressione, contribuendo all'interruzione del normale funzionamento delle macchine. In condizioni normali (se il motore a vapore fosse dotato di una base affidabile e non ci fossero problemi con la distribuzione del vapore) ciò non porterebbe a guasti, e quindi …
La colpa di questa mancanza di motori a vapore "Varyag" dovrebbe, molto probabilmente, essere attribuita sia a Ch. Crump che all'MTK, che ha permesso la vaga formulazione dell'ordine.
Il problema n. 4 era l'uso di un materiale molto specifico nei cuscinetti per motori a vapore. A tale scopo furono utilizzati bronzi al fosforo e al manganese, che, per quanto ne sa l'autore, non erano ampiamente utilizzati nella costruzione navale. Di conseguenza, è successo quanto segue: a causa dei motivi di cui sopra, i cuscinetti delle macchine "Varyag" si sono rapidamente rotti. Dovevano essere riparati o sostituiti con ciò che era a portata di mano a Port Arthur, e lì, ahimè, non c'erano tali delizie. Di conseguenza, si è verificata una situazione in cui il motore a vapore ha funzionato con cuscinetti realizzati con materiali di qualità completamente diverse: l'usura prematura di alcuni ha causato ulteriori sollecitazioni in altri e tutto ciò ha anche contribuito all'interruzione del normale funzionamento delle macchine.
A rigor di termini, questo è forse l'unico problema la cui "autorialità" non può essere stabilita. Il fatto che i fornitori di Ch. Crump abbiano scelto tale materiale non poteva in alcun modo causare una reazione negativa da parte di nessuno: qui erano completamente nel loro diritto. Era chiaramente al di là delle capacità umane assumere lo stato catastrofico della centrale elettrica di Varyag, prevederne le cause e fornire a Port Arthur i materiali necessari, ed era difficilmente possibile fornire i gradi di bronzo necessari "per ogni evenienza" lì, data l'enorme quantità di tutti i materiali per lo squadrone, il cui bisogno era sicuramente noto, ma i cui bisogni non potevano essere soddisfatti. Incolpare gli ingegneri meccanici che hanno riparato le macchine Varyag? È improbabile che avessero la documentazione necessaria che permettesse loro di prevedere le conseguenze delle loro riparazioni e, anche se lo sapessero, cosa potrebbero cambiare? Non avevano ancora altre opzioni.
Riassumendo la nostra analisi della centrale elettrica dell'incrociatore "Varyag", dobbiamo affermare che le carenze e gli errori di progettazione dei motori a vapore e delle caldaie si sono "splendidamente" complementari. Si ha l'impressione che le caldaie e le macchine a vapore di Nikloss abbiano stretto un patto di sabotaggio contro l'incrociatore su cui erano installate. Il pericolo di incidenti alla caldaia ha costretto l'equipaggio a stabilire una pressione del vapore ridotta (non più di 14 atmosfere), ma questo ha creato condizioni in cui i motori a vapore del Varyag dovevano diventare rapidamente inutilizzabili e i meccanici della nave non potevano farci nulla. Tuttavia, considereremo più in dettaglio le conseguenze delle decisioni di progettazione delle macchine e delle caldaie Varyag in seguito, quando analizzeremo i risultati del loro funzionamento. Poi daremo la valutazione finale della centrale elettrica dell'incrociatore.
