Przyjrzawszy się dość dokładnie przytoczonemu przez Andrzeja J. schematowi ideowemu siłowni pancernika New Mexico, oraz zdecydowanie dokładniej przeczytawszy
radosną twórczość Panów Dyskutantów pozwolę sobie na kilka uwag.
Zacznijmy od schematu. Jak na razie z tych opisów wyłania się obraz następujący:
W górnej środkowej części rysunku znajduje się sekcja prądu stałego. Widać tam cztery wzbudnice
Exciter napędzane po dwie wspólnym wałem, oraz cztery prądnice dodawcze
Booster, również sprzężone po dwie. Pod nimi znajduje się tablica rozdzielcza prądu stałego
Direct Current Switchboard, z której w dół wybiegają obwody zasilające dmuchaw
To Blowers, oraz głównych obwodów sekcji prądu przemiennego. Są tam:
Pole Changing, zmiana biegunów,
Reversing, zmiana kierunku obrotów oraz
Field, zasilanie elektromagnesów generatorów prądu przemiennego.
Steam to chyba zasilanie automatyki kotłów.
Po bokach tej części wyrysowano obie elektrownie prądu przemiennego. Składają się one z turbiny (o nie ustalonym podziale na stopnie, ale niewątpliwie jednowałowej), oraz połączonego z nią wałem generatora prądu przemiennego. Wał ten dalej (co już nie jest narysowane, ale tak się to robi) jest połączony ze wzbudnicami w sekcji prądu stałego. Sieć prądu przemiennego (6 przewodów z każdego generatora) przez wyłączniki
Generator Disconnecting Switches biegnie do głównej tablicy rozdzielczej
Main Switchboard gdzie znajdują się przełączniki zmiany biegunów
Pole Changing Switches, zmiany kierunku obrotów
Reversing Switches oraz wyłącznik sprzęgła
Bus Tie Switch).
Znakomitej większości uczestników naszego forum winien jestem wyjaśnienie, iż "sprzęgło" w elektrotechnice jest czymś zupełnie innym niż w mechanice. Jest to krótki układ przewodów, łączących ze sobą dwa obwody zasilające w taki sposób, że w razie potrzeby źródło mocy jednego z nich może zasilać odbiorniki obu obwodów. Fachowo taki sposób łączenia nazywa się układem
H, w którym pionowe kreski to właściwe obwody (u góry zasilanie, u dołu odbiory), a pozioma poprzeczka to właśnie sprzęgło. Z tablicy wychodzą cztery obwody zasilania silników, biegnące przez wyłączniki silników
Motor Disconnecting Switches. Każdy silnik jest zasilany trzema przewodami, z czego wynikałoby że układ faz jest różny dla wewnętrznych i zewnętrznych silników (przypomnę, że z każdego generatora wychodzi sześć przewodów). Każdy silnik ma też dwie dmuchawy
Blowers, zasilane z obwodów prądu stałego.
Andrzej J. słusznie zauważa, że przedziały silników są bardzo długie. Moim zdaniem generatory i turbiny mieściły się w wewnętrznych przedziałach, choć wyprowadzam to bardziej z reguł bezpieczeństwa niż z konkretnych danych. Trudno mi powiedzieć, co mieściło się w siłowniach zewnętrznych (może tablice rozdzielcze?). Trzeba jednak pamiętać, że układ turboelektryczny wmontowano na próbę do kadłuba, projektowanego pod siłownię klasyczną, a zatem podział wyposażenia między poszczególnymi przedziałami wcale nie musiał być racjonalny. Przykładowo umieszczenie generatora i turbiny w tym samym przedziale co silnik nie było zbyt mądrym rozwiązaniem. Poza tym zaciekawiają mnie dwa małe "schodki" między pomieszczeniem generatorów a wewnętrznymi przedziałami silników, wyglądające trochę jak przepustnice wałów w grodziach. Na rysunku w rosyjskiej monografii elementy te nie występują.
Generalnie na podstawie tego rysunku mogę stwierdzić, że była to siłownia dość podobna do stosowanych w elektrowniach lądowych, lecz z bardziej rozbudowanymi możliwościami zmiany układu połączeń stojanów.
Przejdźmy teraz do sugestii poszczególnych Panów Dyskutantów. Przeprowadzona przez Andrzeja J. analiza jest zupełnie sensowna, aczkolwiek prowadzona trochę od końca. Zgodnie z moimi danymi New Mexico miał dziewięć kotłów Babcock & Wilcox w trzech kotłowniach (co się w pełni zgadza z rysunkiem) oraz dwie turbiny akcyjne (Curtisa) po 13 750 KM (10,25 MW), napędzające dwa generatory
dwufazowego prądu przemiennego po 12,5 MW (16 750 KM), które zasilały cztery silniki elektryczne o mocy po 5,2 MW (7000 KM). Napięcie sieci wynosiło 4242 V. Turbiny obracały się z prędkością 2100 obr/min, co daje znamionową częstotliwość sieci równą 35 Hz. Ponieważ znamionowa prędkość obrotowa silników wynosiła 173 obr/min, można stąd wyznaczyć że stosunek ilości biegunów wynosił 12.
Odrębny problem to pewna niezgodność tych danych; formalnie dla silnika synchronicznego prędkość obrotowa powinna wynosić 175 obr/min, zaś z drugiej strony poślizg pól wirujących między 173 a 175 obr/min jest trochę mały dla poprawnej pracy silnika asynchronicznego. No i ta ilość faz — w układzie dwufazowym albo wirnik stoi w miejscu (dla kąta fazowego 180°), albo napięcie w przewodzie zerowym ma potworne skoki (dla kąta 90°). Poza tym mam wątpliwości co do przytoczonych tu mocy; o ile moc silników elektrycznych z grubsza odpowiada mocy turbin, o tyle moc generatorów jest trochę za duża. Może to wynikać z pomylenia mocy czynnej z mocą pozorną, bądź odnosić się do wartości znamionowych, większych niż eksploatacyjne. Dzięki dużemu postowi Andrzeja J. spróbuję coś wydumać (zasadniczo ten tekst pisałem jeszcze zanim AJ go podesłał).
Przyczyną rezygnacji z silników elektrycznych podczas modernizacji typu
New Mexico w latach 30-tych był przede wszystkim postęp techniczny w dziedzinie turbozespołów z przekładnią, lecz również względy logistyczne — zastosowanie trzech identycznych siłowni zmniejszało ilość potrzebnych części zamiennych i pozwalało ujednolicić zapasy magazynowe dla wszystkich trzech pancerników. Poza tym upraszczało to szkolenie załóg, gdyż obsługa siłowni turboelektrycznej jest zupełnie inna niż siłowni turbinowej. Oszczędności rzędu 0,3 mln $ nie były tu jakimś wielkim argumentem; w latach 30-tych był to ułamek całkowitego kosztu pancernika.
Trajan pisze: Zasadniczym problemem w przypadku siłowni turboelektrycznych była ich podatność na uszkodzenia w postaci zwarć. Gdzieś czytałem, że lotniskowiec Saratoga trafiony japońską torpedą przejściowo został całkowicie unieruchomiony w rezultacie takiego właśnie uszkodzenia (część urządzeń napędowych była wprawdzie sprawna, ale wywołane wybuchem zwarcia w układach sterujących uniemożliwiały ich uruchomienie). Spowodowało to całkowite wyłączenie układu napędowego na ok. pół godziny…
To była trochę bardziej złożona sprawa. Torpeda eksplodowała dokładnie pomiędzy wręgami na wysokości rozdzielni. Przypadkowo to miejsce trafienia spowodowało przeniesienie siły trafienia w wystarczającym stopniu, by uszkodzić mocowania przeciwwibracyjne szyn zasilających, co spowodowało zwarcie prowadzące do wyłączenia napędu. Po kilku minutach ominięto uszkodzenie i chociaż doszło jeszcze do kilku zwarć i krótkich przerw w zasilaniu (w sumie trwających mniej niż pięć minut) przez trzy godziny Saratoga płynęła o własnych siłach. Następnie silniki celowo odstawiono, by odłączyć od sieci zwarty generator i drugi uszkodzony przez pierwszy. Trzeci generator także odłączono, gdyż przeciążał pierwszy generator. Trwający dwie i pół godziny przestój był wymuszony jedynie wcześniejszą (nie związaną ze storpedowaniem) awarią skraplacza turbiny, która napędzała sprawny czwarty generator.
eSDe pisze: Przy założeniu tezy że był to napęd AC-DC ponieważ:
• silniki prądu stałego gwarantują stabilną pracę napędu już od 5% mocy znamionowej;
• układ napędowy przy takich silnikach potrzebuje krótszego czasu na przesterowanie z naprzód na wstecz;
• na podstawie rysunku zacytowanego przez Andrzeja J. na schemacie są "excitery" i to dokładnie tyle ile silników napędowych;
to problem z niezawodnością mógłby być związany właśnie z wyżej wymienionymi "exciterami", lub z samą konstrukcją silników (czyli ze szczotkami i szczotkotrzymaczami). Oba te elementy były bardzo podatne na uszkodzenia od wstrząsów. Dodatkowo pył węglowy ze szczotek osiadając na uzwojeniach zmniejszał chłodzenie i przy manewrowaniu (czyli częściowym przeciążaniu) powodował spadek niezawodności. To wszystko to tylko luźne dywagacje z warunkiem wstępnym AC-DC.
Ufffff… I cóż ja mam z tym począć? Wyjaśniłem już, że taki układ napędowy nie miałby sensu — po co produkować prąd przemienny i zamieniać go na stały, skoro można
od razu wytwarzać prąd stały? Ja zresztą właśnie tak postąpiłbym. Układ napędowy prądu przemiennego potrzebuje dokładnie tyle samo czasu na zmianę kierunku obrotów, gdyż (przynajmniej w układzie trójfazowym) po prostu zamienia się ze sobą fazy R i S, zaś w układzie prądu stałego plus z minusem. "Excitery" jak już wyjaśniłem to
wzbudnice, wytwarzające prąd stały dla wirników generatorów (a w przypadku użycia silników synchronicznych także dla ich wirników). Aby wytworzyć prąd elektryczny, konieczne jest przemieszczanie przewodu w polu magnetycznym, czyli w praktyce obracanie magnesu wewnątrz układu cewek. Wirniki generatorów są wyposażone w elektromagnesy, zasilane właśnie prądem stałym, wytwarzanym przez wzbudnice. Na pytanie, skąd wzbudnica bierze prąd stały dla własnego elektromagnesu, odpowiem krótko — ze zjawiska samowzbudności, wywołanego magnetyzmem szczątkowym rdzenia elektromagnesu (brzmi to strasznie fachowo i rzeczywiście takowe jest; dokładne tłumaczenie co, jak i dlaczego się dzieje przy rozruchu maszyn samo- i obcowzbudnych to gruby rozdział w podręcznikach elektrotechniki).
Sugestii eSDe w temacie "szczotek i szczotkotrzymaczy" (te ostatnie nazywa się zresztą uchwytami szczotek) nie bardzo mogę pojąć. Prawidłowo skonstruowany komutator jest dość odporny na wstrząsy (na pewno bardziej niż zawieszenie łożyskowe wirnika). Nie bardzo też mogę sobie wyobrazić jakiś związek między osiadaniem pyłu węglowego na uzwojeniu a zmniejszeniem chłodzenia, tudzież "spadkiem niezawodności przy częściowym przeciążeniu". Pył grafitowy (węgiel kamienny nie jest tu stosowany) zanieczyszcza głównie działki samego komutatora, choć z drugiej strony zapewnia jego smarowanie. Nie ma go raczej aż tyle, by zapychać kanały chłodzenia w stojanie i wirniku. Wpływ oporu przejścia na styku szczotki z komutatorem na pracę przy niepełnym obciążeniu (jak mniemam, na tym polega owo "częściowe przeciążenie") również nie jest ważny, zwłaszcza przy napięciu rzędu paru kV.
Andrzej J. pisze: (…) takie same problemy musiałyby być na Big Five, a nigdy nie zamierzano zmieniać całości napędu, Siłownia Mexa, nawet jeśli była prototypowa, to chyba nie odbiegała od B5, poza tym że był o jeden kocioł więcej
Kotły nie miały tu nic do rzeczy; układ cieplny siłowni to coś zupełnie innego niż układ elektryczny. Z porównania typów New Mexico, Tennessee i Colorado widać, że US Navy nieustannie eksperymentowała z ilością faz i napięciami. Od strony elektrycznej siłownia New Mexico dość znacznie różniła się od siłowni Tennessee, choć o dziwo była bardziej podobna do typu Colorado.
eSDe pisze: Z uwagi że rozpatruję ogólny system w rozważaniach wziąłem pod uwagę wyłącznie ostatni stopień napędu związany z prądem stałym. Absolutnie nie wykluczam występowania problemów w sekcji prądu przemiennego czy pary.
Ze schematu, jaki podesłał Andrzej J., widać wyraźnie że "ostatni stopień napędu" tzn. silniki elektryczne są nierozerwalnie związane z prądem przemiennym. Z prądem stałym związane są napędy wentylatorów, tudzież pole magnetyczne generatora.
Smok Eustachy pisze: Względem technikaliów okrętowych to mam pytanie: Czy ustalenia badaczy zachodnich są na tyle niewystarczające, ze trzeba oddzielne polskie przeprowadzać?
A są jakieś zachodnie ustalenia? Przytocz mi je. Z tego co ja widzę, zachodni (i wschodni) Autorzy zwyczajnie nie wnikają w takie niuanse jak ilość faz i kąt międzyfazowy (zakładając że w ogóle dostrzegają znaczenie tego ostatniego pojęcia dla momentu obrotowego silnika). Mam głupie wrażenie, że większość z nich stara się te zagadnienia omijać szerokim łukiem.
Sam mam taki prywatny problem (choć z zupełnie innej beczki) — jak był dzielony główny pokład pancerny na Richelieu. Przekopałem kilka obcojęzycznych monografii tego pancernika i nie znalazłem żadnych wyjaśnień w tym zakresie; zwyczajnie nikogo to nie obchodzi. Tymczasem nie wierzę by pod płytami pancernymi o grubości 15 cm nie było żadnej warstwy konstrukcyjnej, tym bardziej że na Dunkerque (i praktycznie wszystkich innych pancernikach) taka warstwa 10 – 20 mm była. Ale jak interpretować tą podawaną w monografiach grubość 150 mm? 150 + jeszcze dodatkowe 15 mm, czy sumarycznie 150 = 135 + 15 mm? Jeżeli zdołam to w sposób nie budzący wątpliwości wyjaśnić, to będę chyba pierwszym facetem który w ogóle się tym zainteresował.