HP, IHP, SHP, ITD
: 2010-01-06, 02:04
Z powodu dyskusji o tekście o Scharnhorście popełniłem krótkie wyjaśnienie skąd się wzięły powyższe skróty:
W chwili pojawienia się pierwszych maszyn parowych pojawiło się bardzo praktyczne pytanie, jak porównywać nowe urządzenia zarówno pomiędzy sobą, jak i z dominującym ówcześnie "silnikiem" - koniem. Różni inżynierowie zaproponowali obliczanie "końskiego ekwiwalentu" maszyny parowej, czyli liczby koni, które mogła zastąpić i nazwali tę wielkość "horse-power" danej maszyny. Dominująca na przełomie XVIII i XIX wieków pozycja firmy Boulton & Watt sprawiła, że ostatecznie przyjęto definicję Watta mówiącą, ze maszyna o wydajności równej koniowi ma podnosić masę 33000 lbs na wysokość jednej stopy w ciągu minuty. Celowo unikam współczesnego pojęcia "moc", bo w przeciwieństwie do układu SI definicja operowała nie abstrakcyjnym systemem wielkości i jednostek, ale konkretami uchwytnymi zarówno dla inżyniera jaki i mniej biegłego w technice inwestora. Horse-power nie był jednostką w współczesnym rozumieniu tego słowa, ale wielkością mierzoną, a właściwą "jednostką" było uśrednione zwierzę i wynik pomiaru wyrażano w liczbie niemianowanej ("Horse-power of machine equals 100"). Taki zapis przetrwał w literaturze anglosaskiej bardzo długo. Współczesna definicja hp=550 ft*lbs/s mimo iż równoważna sformułowaniu Watta odwołuje się do nieistniejącego wtedy aparatu pojęciowego pozwalającego konstruować jednostki pochodne jako funkcje jednostek podstawowych.
W Niemczech po wprowadzeniu w XIX w. miar metrycznych upowszechniła się nieco inna definicja Pferdstärke mówiąca o masie 4500kg podnoszonej w ciągu minuty na wysokośc metra (albo 75 kG*m/s). Polski KM jest identyczny z niemieckim PS. Użyte wyrażenie siły przez ciężar było mało precyzyjne i zależało od lokalnego przyciągania ziemskiego. W chwili, gdy angielski "funt siły" i kontynentalny "kilogram siły" zostały unormowane, okazało się że hp i PS dzieli różnica ok. 2%.
Pomiar rzeczywistej mocy maszyny nie zawsze był tak prosty jak w przypadku napędów pomp i maszyn wyciągowych. Aby rozwiązać ten problem, pojawiły się rozmaite formuły pozwalające w prosty sposób obliczyć przybliżoną moc na podstawie łatwych do zmierzenia rozmiarów cylindrów, średniej prędkości tłoków itp, w tym "moc nominalna" Admiralicji (N.H.P. - ktrórej faktycznym mymiarem był stosunek objętości do czasu). W 1826 została ujawniona zasada działania indykatora, kreślącego wykres ciśnienia w cylindrze. Indykator był używany do celów diagnostycznych, przede wszystkim do kontroli pracy rozrządu, ale pozwalał też na dosyć prosty pomiar rzeczywistej mocy oddawanej w silniku przez parę. W czasie prób odbiorczych zbierano wykresy dla wszystkich cylindrów, potem całkowano numerycznie (ręcznie, później z użyciem planimetru) co dawało pracę wykonaną w cyklu i dzielono przez obroty maszyny w jednostce czasu. Tak obliczoną moc nazywano indykowaną (I.H.P.). Ze względu na duże mechaniczne straty w cylindrach i ślizgowych łożyskach silnika moc indykowana była dla dobrze utrzymanego silnika ok. 15-20% większa od mocy dostępnej w punkcie wyprowadzenia napędu.
Wraz z użyciem napędu parowego na wodzie pojawił się dużo trudniejszy problem z określeniem mocy napędu wymaganej aby projektowana jednostka osiągnęła założona prędkość. Tym problemem zajął się w II połowie XIX wieku W. Froude i jego następcy. Froude zapoczątkował systematyczne pomiary modeli jednostek w basenie pomiarowym, sformułował prawa skalowania dla oporu kadłubów poruszających się po powierzchni wody i wprowadził pojęcie "mocy efektywnej".
Po koniec XIX wieku inżynier przystępując do wyboru napędu dla śrubowego parowca zlecał wykonanie w skali modelu kadłuba "gołego" (naked hull). Pomiar oporu modelu po skalowaniu dawał tzw. moc efektywną (E.H.P.). Następnie projektant korygował E.H.P. przez uwzględnienie kolejno oporu dodatków (appendages, czyli stępek przeciwprzechyłowych, sterów, wałów i wsporników śrub itp.), obniżenie sprawności srub pracujących w wodzie zaburzonej przez kadłub i sprawność śrub pracujących w wodzie niezaburzonej. To dawało moc wymaganą na końcu wału do napędu śruby, czyli Shaft Horse-Power (S.H.P.). Po uwzględnieniu 2-3% strat na łożyskach wału i 15% strat mechanicznych w maszynie otrzymywał wymaganą moc indykowaną, zwykle około dwukrotnie większą od mocy efektywnej. Wylicznia przepływu energii można ciągnąć dalej przez wymiary cylindrów, parametry pary, powierzchnię ogrzewalną kotła, rozmiar rusztu, aż do zapasu paliwa. Z rozmaitymi modyfikacjami taka metoda projektowania obowiązuje do dziś.
Po wprowadzeniu turbin wrócił problem pomiaru mocy. Z pomocą przyszły momentomierze, zwykle mierzące skręcenie elementu wału (torsjometry). Sama idea była stara, ale praktycznie użyteczne torsjometry weszły do użycia w latach 1905-8. Moc mierzona na wale była określana jako S.H.P., mimo iż różniła się nieznacznie od zdefiniowanej przez Froudego mocy przekazywanej na śrubę. Moc mierzona stanowisku diagnostycznym (hamowni) producenta bywała czasem określana jako Brake Horse-Power. Dla silników spalinowych początkowo kontynuowano praktykę mierzenia mocy indykowanej, później zastąpione przez pomiar mocy na wyprowadzeniu napędu, którą czasem określano także jako S.H.P., ale w praktyce brytyjskiej przyjeło się B.H.P. dla silników i S.H.P. dla turbin, co pozwalało na łatwe odróżnienie jednostek wyposażonych w napęd turbinowy i dieslowski.
Koń mechaniczny od dawna nie był już "równoważną liczbą koni", a stał się jednostką mocy co prowadziło do zamieszania pomiędzy wielkością mierzoną a jednostką. W okresie z grubsza I połowy XX w. obok zapisu niemianowanego np. IHP=1000, SHP=850 był równolegle używany mylący zapis power=1000ihp czy 850shp, który sugerował użycie nieistniejacych jednostek (właściwą jednostka był hp). Dopiero upowszechnienie układu SI uporządkowało nazewnictwo.
To jest barbarzyński skrót i nie gwaranuję ścisłości pierwszeństwa i dat. Jeśli kogoś interesuje do czego powyższe liczby służyły w praktyce, powinien zajrzeć do podręcznika architektury okrętowej, rozdziały o oporze i obliczaniu napędów, najlepiej zarówno współczesnego jak i z epoki.
W chwili pojawienia się pierwszych maszyn parowych pojawiło się bardzo praktyczne pytanie, jak porównywać nowe urządzenia zarówno pomiędzy sobą, jak i z dominującym ówcześnie "silnikiem" - koniem. Różni inżynierowie zaproponowali obliczanie "końskiego ekwiwalentu" maszyny parowej, czyli liczby koni, które mogła zastąpić i nazwali tę wielkość "horse-power" danej maszyny. Dominująca na przełomie XVIII i XIX wieków pozycja firmy Boulton & Watt sprawiła, że ostatecznie przyjęto definicję Watta mówiącą, ze maszyna o wydajności równej koniowi ma podnosić masę 33000 lbs na wysokość jednej stopy w ciągu minuty. Celowo unikam współczesnego pojęcia "moc", bo w przeciwieństwie do układu SI definicja operowała nie abstrakcyjnym systemem wielkości i jednostek, ale konkretami uchwytnymi zarówno dla inżyniera jaki i mniej biegłego w technice inwestora. Horse-power nie był jednostką w współczesnym rozumieniu tego słowa, ale wielkością mierzoną, a właściwą "jednostką" było uśrednione zwierzę i wynik pomiaru wyrażano w liczbie niemianowanej ("Horse-power of machine equals 100"). Taki zapis przetrwał w literaturze anglosaskiej bardzo długo. Współczesna definicja hp=550 ft*lbs/s mimo iż równoważna sformułowaniu Watta odwołuje się do nieistniejącego wtedy aparatu pojęciowego pozwalającego konstruować jednostki pochodne jako funkcje jednostek podstawowych.
W Niemczech po wprowadzeniu w XIX w. miar metrycznych upowszechniła się nieco inna definicja Pferdstärke mówiąca o masie 4500kg podnoszonej w ciągu minuty na wysokośc metra (albo 75 kG*m/s). Polski KM jest identyczny z niemieckim PS. Użyte wyrażenie siły przez ciężar było mało precyzyjne i zależało od lokalnego przyciągania ziemskiego. W chwili, gdy angielski "funt siły" i kontynentalny "kilogram siły" zostały unormowane, okazało się że hp i PS dzieli różnica ok. 2%.
Pomiar rzeczywistej mocy maszyny nie zawsze był tak prosty jak w przypadku napędów pomp i maszyn wyciągowych. Aby rozwiązać ten problem, pojawiły się rozmaite formuły pozwalające w prosty sposób obliczyć przybliżoną moc na podstawie łatwych do zmierzenia rozmiarów cylindrów, średniej prędkości tłoków itp, w tym "moc nominalna" Admiralicji (N.H.P. - ktrórej faktycznym mymiarem był stosunek objętości do czasu). W 1826 została ujawniona zasada działania indykatora, kreślącego wykres ciśnienia w cylindrze. Indykator był używany do celów diagnostycznych, przede wszystkim do kontroli pracy rozrządu, ale pozwalał też na dosyć prosty pomiar rzeczywistej mocy oddawanej w silniku przez parę. W czasie prób odbiorczych zbierano wykresy dla wszystkich cylindrów, potem całkowano numerycznie (ręcznie, później z użyciem planimetru) co dawało pracę wykonaną w cyklu i dzielono przez obroty maszyny w jednostce czasu. Tak obliczoną moc nazywano indykowaną (I.H.P.). Ze względu na duże mechaniczne straty w cylindrach i ślizgowych łożyskach silnika moc indykowana była dla dobrze utrzymanego silnika ok. 15-20% większa od mocy dostępnej w punkcie wyprowadzenia napędu.
Wraz z użyciem napędu parowego na wodzie pojawił się dużo trudniejszy problem z określeniem mocy napędu wymaganej aby projektowana jednostka osiągnęła założona prędkość. Tym problemem zajął się w II połowie XIX wieku W. Froude i jego następcy. Froude zapoczątkował systematyczne pomiary modeli jednostek w basenie pomiarowym, sformułował prawa skalowania dla oporu kadłubów poruszających się po powierzchni wody i wprowadził pojęcie "mocy efektywnej".
Po koniec XIX wieku inżynier przystępując do wyboru napędu dla śrubowego parowca zlecał wykonanie w skali modelu kadłuba "gołego" (naked hull). Pomiar oporu modelu po skalowaniu dawał tzw. moc efektywną (E.H.P.). Następnie projektant korygował E.H.P. przez uwzględnienie kolejno oporu dodatków (appendages, czyli stępek przeciwprzechyłowych, sterów, wałów i wsporników śrub itp.), obniżenie sprawności srub pracujących w wodzie zaburzonej przez kadłub i sprawność śrub pracujących w wodzie niezaburzonej. To dawało moc wymaganą na końcu wału do napędu śruby, czyli Shaft Horse-Power (S.H.P.). Po uwzględnieniu 2-3% strat na łożyskach wału i 15% strat mechanicznych w maszynie otrzymywał wymaganą moc indykowaną, zwykle około dwukrotnie większą od mocy efektywnej. Wylicznia przepływu energii można ciągnąć dalej przez wymiary cylindrów, parametry pary, powierzchnię ogrzewalną kotła, rozmiar rusztu, aż do zapasu paliwa. Z rozmaitymi modyfikacjami taka metoda projektowania obowiązuje do dziś.
Po wprowadzeniu turbin wrócił problem pomiaru mocy. Z pomocą przyszły momentomierze, zwykle mierzące skręcenie elementu wału (torsjometry). Sama idea była stara, ale praktycznie użyteczne torsjometry weszły do użycia w latach 1905-8. Moc mierzona na wale była określana jako S.H.P., mimo iż różniła się nieznacznie od zdefiniowanej przez Froudego mocy przekazywanej na śrubę. Moc mierzona stanowisku diagnostycznym (hamowni) producenta bywała czasem określana jako Brake Horse-Power. Dla silników spalinowych początkowo kontynuowano praktykę mierzenia mocy indykowanej, później zastąpione przez pomiar mocy na wyprowadzeniu napędu, którą czasem określano także jako S.H.P., ale w praktyce brytyjskiej przyjeło się B.H.P. dla silników i S.H.P. dla turbin, co pozwalało na łatwe odróżnienie jednostek wyposażonych w napęd turbinowy i dieslowski.
Koń mechaniczny od dawna nie był już "równoważną liczbą koni", a stał się jednostką mocy co prowadziło do zamieszania pomiędzy wielkością mierzoną a jednostką. W okresie z grubsza I połowy XX w. obok zapisu niemianowanego np. IHP=1000, SHP=850 był równolegle używany mylący zapis power=1000ihp czy 850shp, który sugerował użycie nieistniejacych jednostek (właściwą jednostka był hp). Dopiero upowszechnienie układu SI uporządkowało nazewnictwo.
To jest barbarzyński skrót i nie gwaranuję ścisłości pierwszeństwa i dat. Jeśli kogoś interesuje do czego powyższe liczby służyły w praktyce, powinien zajrzeć do podręcznika architektury okrętowej, rozdziały o oporze i obliczaniu napędów, najlepiej zarówno współczesnego jak i z epoki.