Крейсер «Варяг». Бой у Чемульпо 27 января 1904 года. Часть 4. Паровые машины

В прошлой статье мы рассмотрели вопросы, связанные с установкой на «Варяг» котлов Никлосса – именно этим агрегатам посвящена основная масса интернет баталий вокруг энергетической установки крейсера. Но странно, что, придавая столь большое значение котлам, подавляющее большинство интересующихся данной темой совершенно упускают из вида паровые машины крейсера. Между тем огромное количество проблем, выявленных при эксплуатации «Варяга», связано именно с ними. Но для того, чтобы разобраться во всем этом, необходимо сперва освежить в памяти конструкцию корабельных паровых машин конца прошлого века. 

На самом деле принцип работы паровой машины весьма прост. Есть цилиндр (на корабельных машинах обычно расположенный вертикально), внутри которого расположен способный перемещаться вверх и вниз поршень. Допустим, поршень находится в верхней точке цилиндра – тогда в отверстие между ним и верхней крышкой цилиндра подается под давлением пар. Пар расширяется, толкая поршень вниз и так он доходит до нижней точки. После этого процесс повторяется «с точностью до наоборот» — верхнее отверстие закрывается, и пар подается теперь в нижнее отверстие. В это же время с другой стороны цилиндра открывается пароотвод, и в то время, пока пар толкает поршень снизу-вверх, отработавший свое пар в верхней части цилиндра вытесняется в пароотвод (движение отработанного пара на схеме указано пунктирной синей стрелкой).

Таким образом паровая машина обеспечивает возвратно-поступательное движение поршня, ну а для того, чтобы преобразовать его во вращение вала винта, используется специальное устройство под названием кривошипно-шатунный механизм, в котором важную роль играет коленчатый вал. 

Очевидно, что для обеспечения работы паровой машины крайне необходимы подшипники, благодаря которым осуществляется и работа кривошипно-шатунного механизма (передача движения от поршня на коленвал), и крепление вращающегося коленчатого вала. 

Надо сказать еще и о том, что ко времени проектирования и постройки «Варяга» весь мир в строительстве военных кораблей давно уже перешел на паровые машины тройного расширения. Идея такой машины возникла потому, что отработавший в цилиндре (как показано на верхней схеме) пар вовсе еще не утрачивал свою энергию полностью и мог быть использован повторно. Поэтому сделали так – сперва свежий пар поступал в цилиндр высокого давления (ЦВД), но после выполнения своей работы не «выбрасывался» обратно в котлы, а поступал в следующий цилиндр (среднего давления, или ЦСД) и вновь толкал поршень уже в нем. Конечно, давление поступившего во второй цилиндр пара понижалось, отчего сам цилиндр приходилось изготавливать большего диаметра, чем ЦВД. Но и это было еще не все – отработавший свое во втором цилиндре (ЦСД) пар поступал в третий цилиндр, называвшийся цилиндром низкого давления (ЦНД), и продолжал свою работу уже в нем.

Само собой, что цилиндр низкого давления должен был иметь максимальный диаметр в сравнении с остальными цилиндрами. Конструкторы поступили проще: ЦНД получался слишком большим, поэтому вместо одного ЦНД сделали два и машины стали четырехцилиндровыми. При этом пар все же подавался одновременно в оба цилиндра низкого давления, то есть несмотря на наличие четырех цилиндров «расширений» осталось три. 

Этого короткого описания вполне достаточно для понимания того, что же было не так с паровыми машинами крейсера «Варяг». А «не так» с ними, было, увы, настолько много всего, что автор настоящей статьи затрудняется, с чего именно следует начать. Ниже мы опишем основные просчеты, допущенные при проектировании паровых машин крейсера, и постараемся разобраться, кто же, все-таки, был в них виноват.

Итак, проблема №1 заключалась в том, что конструкция паровой машины, очевидно, не терпит напряжений на изгиб. Иными словами, хорошей работы можно было ожидать лишь тогда, когда паровая машина стоит на абсолютно ровном основании. Если же это основание начинает вдруг изгибаться, то это создает дополнительную нагрузку на коленчатый вал, проходящий практически по всей длине паровой машины – его начинает выгибать, удерживающие его подшипники быстро приходят в негодность, появляются люфты и коленчатый вал получает смещение, отчего страдают уже подшипники кривошипно-шатунного механизма и даже поршни цилиндра. Для того, чтобы этого не происходило, паровую машину необходимо устанавливать на прочный фундамент, но вот этого-то на «Варяге» сделано не было. Его паровые машины имели лишь очень легкий фундамент и фактически крепились непосредственно к корпусу корабля. А корпус, как известно, на морской волне «дышит», то есть прогибается во время качки – и вот эти-то постоянные перегибы приводили к искривлению коленчатых валов и «разбалтыванию» подшипников паровых машин.

Кто виноват в этом конструкционном недостатке «Варяга»? Вне всякого сомнения, ответственность за этот недостаток корабля следует возложить на инженеров фирмы Ч. Крампа, но… здесь имеются определенные нюансы. 

Дело в том, что подобная конструкция паровых машин (когда те без жесткого фундамента устанавливались на корпус корабля) была, в общем, общепринятой – жестких фундаментов не имели ни «Аскольд», ни «Богатырь», но на них паровые машины работали безукоризненно. Почему? 

Очевидно, что деформация коленчатого вала будет тем существеннее, чем больше его длина, то есть чем больше будет длина самой паровой машины. На «Варяга» было две паровых машины, а вот у «Аскольда» — три. По конструкции последние также были четырехцилиндровыми паровыми машинами тройного расширения, но за счет значительно меньшей мощности имели существенно меньшую длину. За счет этого воздействия прогиба корпуса на машины «Аскольда» оказались намного слабее – да, они были, но, скажем так, «в пределах разумного» и не приводили к деформациям, выводящим паровые машины из строя. 

И действительно – первоначально предполагалось, что общая мощность машин «Варяга» должна была составить 18 000 л.с., соответственно, мощность одной машины – 9 000 л.с. Но впоследствии Ч. Крамп допустил очень сложно объяснимую ошибку, а именно – увеличил мощность паровых машин до 20 000 л.с. Обычно источники это объясняют тем, что Ч. Крамп пошел на это из-за отказа МТК использовать форсированное дутье во время испытаний крейсера. Это было бы логично, если Ч. Крамп одновременно с ростом мощности машин увеличил также и производительность котлов в проекте «Варяга» до тех же 20 000 л.с., но ничего такого не произошло. Единственным основанием для такого поступка могла быть надежда на то, что котлы крейсера превысят установленную проектом мощность, но как это можно было сделать, не прибегая к их форсированию? 

Здесь уже одно из двух – или Ч. Крамп все-таки рассчитывал настоять на проведении испытаний при форсировании котлов и опасался, что машины «не вытянут» их возросшей мощи, или же он по каким-либо неясным причинам полагал, что котлы «Варяга» и без форсировки достигнут мощности 20 000 л.с. В любом случае, расчеты Ч. Крампа оказались ошибочными, но это привело к тому, что каждая машина крейсера имела мощность 10 000 л.с. Помимо естественного роста массы, увеличились, разумеется, и габариты паровых машин (длина достигала 13 м) в то время как три машины «Аскольда», которые должны были показать 19 000 л.с. номинальной мощности, должны были иметь всего лишь по 6 333 л.с. каждая (увы, их длина автору, к сожалению, неизвестна). 

Но как же «Богатырь»? Ведь он был, как и «Варяг», двухвальным, причем каждая его машина имела почти такую же мощность – 9 750 л.с. против 10 000 л.с., а значит обладала схожими геометрическими размерами. Но нужно отметить, что корпус «Богатыря» был несколько более широким, чем у «Варяга», имел несколько меньшее соотношение «длина/ширина» и в целом как будто оказался более жестким и менее склонным к прогибу, чем корпус «Варяга». Кроме этого, не исключено что немцы усилили фундамент относительно того, на котором стояли паровые машины «Варяга», то есть если он и не был подобен тем, что получили более современные корабли, то все же обеспечивал лучшую прочность, чем фундаменты «Варяга». Впрочем, на этот вопрос можно будет ответить только после детальнейшего изучения чертежей обоих крейсеров. 

Таким образом, вина инженеров фирмы «Крамп» заключалась не в том, что они поставили слабый фундамент под машины «Варяга» (так, похоже, поступали и остальные кораблестроители), а в том, что они не увидели и не осознали необходимости обеспечить «несгибаемость» машин более крепким корпусом или же переходом на трехвинтовую схему. Тот факт, что аналогичная проблема была успешно решена в Германии, причем не только чрезвычайно опытным «Вулканом», строившим «Богатырь», но и второразрядной и не имеющей опыта строительства крупных боевых кораблей по собственному проекту «Германией», свидетельствует далеко не в пользу американских конструкторов. Впрочем, справедливости ради следует отметить, что и МТК данный момент не проконтролировал, однако следует понимать, что перед ним никто и не ставил задачи следить за каждым чихом американцев, да это и не было возможно. 

Но увы, это только первый и, быть может, даже не самый существенный недостаток паровых машин новейшего русского крейсера.

Проблема №2, являвшаяся, по всей видимости, основной, заключалась в порочности конструкции паровых машин «Варяга», которые были оптимизированы на высокую скорость корабля. Иными словами, машины работали хорошо при давлении пара, близкого к максимальному, в противном случае начинались проблемы. Дело в том, что при падении давления пара ниже 15,4 атмосфер цилиндры низкого давления переставали выполнять свою функцию – энергии поступающего в них пара было недостаточно для того чтобы приводить в движение поршень в цилиндре. Соответственно, на экономических ходах «телега начинала управлять лошадью» — цилиндры низкого давления, вместо того, чтобы помогать вращать коленчатый вал, сами приводились им в движение. То есть коленвал получал энергию от цилиндров высокого и среднего давления, и тратил ее не только на вращение винта, но и на обеспечение движения поршней в двух цилиндрах низкого давления. Нужно понимать, что конструкция кривошипно-шатунного механизма была рассчитана на то, что именно цилиндр будет посредством поршня и ползуна приводить коленвал в движение, но никак не наоборот: в результате столь неожиданного и нетривиального использования коленвала он испытывал дополнительные, не предусмотренные его конструкцией напряжения, что также приводило к выходу из строя удерживающих его подшипников. 

На самом деле, особой проблемы в этом могло и не быть, но только при одном условии – если бы конструкцией машин был предусмотрен механизм, отсоединяющий коленчатый вал от цилиндров низкого давления. Тогда, во всех случаях эксплуатации при давлении пара ниже установленного, достаточно было «нажать на кнопку» — и ЦНД переставали нагружать коленвал, однако такие механизмы конструкцией машин «Варяга» предусмотрены не были. 

Впоследствии инженер И.И. Гиппиус, руководивший в Порт-Артуре сборкой и наладкой механизмов миноносцев, осуществивший в 1903 г подробнейшее обследование машин «Варяга» и написавший по ее результатам целую научно-исследовательскую работу, указал в ней следующее:

«Здесь само-собой напрашивается догадка, что завод Крампа, спеша сдать крейсер, не успел выверить парораспределение; машина быстро расстроилась, а на судне, естественно, стали исправлять части, которые более других страдали в смысле нагрева, стука, не устранив коренной причины. Вообще выправить судовыми средствами машину, выпущенную первоначально неисправной с завода, бесспорно, задача крайне сложная, если не невозможная».

Очевидно, что в данном недостатке энергетической установки «Варяга» целиком и полностью виноват Ч. Крамп. 

Проблема №3, сама по себе не была особенно серьезной, но в сочетании с вышеизложенными ошибками дала «кумулятивный эффект». Дело в том, что в течение некоторого времени при проектировании паровых машин конструкторы не учитывали инерционности их механизмов, в результате чего последние постоянно подвергались излишнему напряжению. Однако к моменту создания «Варяга» теория уравновешивания сил инерции машин была изучена и распространена повсеместно. Разумеется, ее применение требовало от производителя паровой машины дополнительных расчетов и создавала ему определенные сложности, а значит – и удорожало работу в целом. Так вот МТК в своих требованиях, к сожалению, не указал обязательность применения этой теории при конструировании паровых машин, а Ч. Крамп, по всей видимости, решил сэкономить на этом (трудно представить, что он сам, и никто из его инженеров ничего об этой теории не знали). В общем, то ли под влиянием жажды наживы, то ли из-за банальной некомпетентности, но положения этой теории при создании машин «Варяга» (и, кстати, «Ретвизана») были проигнорированы, в результате чего силы инерции оказывали «весьма неблагоприятное» (по словам И. И. Гиппиуса) действие на цилиндры среднего и низкого давления, способствуя нарушению нормальной работы машин. В обычных условиях (если бы паровой машине было обеспечено надежное основание и не имелось проблем с парораспределением) это не привело бы к поломкам, а так…

Вину за этот недостаток паровых машин «Варяга» следует, по всей видимости, возложить и на Ч. Крампа и на МТК, допустившего неконкретную формулировку заказа. 

Проблема №4 заключалась в использовании очень специфического материала при изготовлении подшипников для паровых машин. Для этой цели использовалась фосфористая и марганцовистая бронзы, которые, насколько известно автору, не использовались сколько-то широко в кораблестроении. В результате произошло следующее: в силу изложенных выше причин, подшипники машин «Варяга» достаточно быстро выходили из строя. Их приходилось чинить или менять на то, что имелось под рукой в Порт-Артуре, а там подобных изысков, увы, не водилось. В результате сложилась ситуация, когда паровая машина работала с подшипниками, выполненными из материалов совершенно разных качеств – преждевременный износ одних вызывал дополнительные напряжения в других и все это также способствовало нарушению нормальной работы машин. 

Строго говоря, это, пожалуй, единственная проблема, «авторство» которой невозможно установить. То, что поставщики Ч. Крампа выбрали такой материал, никак не могло вызвать ни у кого негативной реакции – здесь они были полностью в своем праве. Предположить катастрофическое состояние энергетической установки «Варяга», провидеть ее причины и обеспечить Порт-Артур необходимыми материалами было явно за пределами человеческих возможностей, а поставить туда нужные сорта бронзы «на всякий случай» было вряд ли возможно с учетом огромного количества всяких материалов для эскадры, о необходимости которых было известно точно, но потребности в которых не могли быть удовлетворены. Винить инженеров-механиков, осуществлявших ремонт машин «Варяга»? Вряд ли у них была необходимая документация, которая позволила бы им предвидеть последствия проводимых ими ремонтов, а даже если они об этом и знали, то что могли изменить? Других вариантов-то у них все равно не было. 

Подводя итог нашего анализа энергетической установки крейсера «Варяг», приходится констатировать – недостатки и конструктивные просчеты паровых машин и котлов «великолепно» дополняли друг друга. Складывается впечатление, что котлы Никлосса и паровые машины заключили вредительский пакт против крейсера, на котором они были установлены. Опасность аварий котлов вынудила экипаж установить пониженное давление пара (не более 14 атмосфер), но тем самым создавались условия, при которых паровые машины «Варяга» должны были быстро прийти в негодность, и ничего с этим поделать корабельные механики не могли. Впрочем, более подробно последствия конструктивных решений машин и котлов «Варяга» мы рассмотрим позднее, когда будем разбирать результаты их эксплуатации. Тогда же мы дадим окончательную оценку энергетической установке крейсера. 

Продолжение следует…
 

http://wpristav.com/publ/istorija/krejser_varjag_boj_u_chemulpo_27_janvarja_1904_goda_chast_4_parovye_mashiny/4-1-0-201