Siłownia New Mexico technicalia

[Teller]

Marku T. -- serdeczne podziękowania za wyjaśnienia. Przepraszam za tą zgryźliwość, ale odkąd opanowałem technikę obsługi kalkulatora Lolek, nie posunąłem się specjalnie do przodu.
Zaraz ruszymy dalej. O ile mi się to uda. No, inna rzecz że dzisiaj wziąłem paszport i jestem w Republic of Poland legalnie . Wczoraj lazłem przez rzekę o półtora kilometra od strażnicy, a z powrotem i tak za mną gonili. Chyba rany po kulkach z kałasza szybko się goją, no nie?
PS. Nie ma to jak vyprażany syr z hranolkami a tatarskou omackou tudzież lany Pilzner

[Teller]

Dziwne słowa jakieś: "stojan", "silnik synchroniczny". Muszę iść się uczyć polskiego.

Wystarczy jakis podrecznik o silnikach pradu zmiennego

Gwoli korekty: we wzorze na predkosc obrotowa silnika p oznacza oczywiscie ilosc par biegunow - bo juz kazdy magnes ma dwa bieguny (N i S, czyli zarazem ich jedna pare).

Rzeczywiście, to słówko "par" uciekło mi, choć parę razy ten tekst czytałem -- to było za proste, abym to zauważył. Na usprawiedliwienie muszę powiedzieć, że ja na przekór kierunkowi studiów od dawna robię jako konstruktor mechanik, a nie elektryk. Poprawiłem to od ręki, teraz jest jak należy -- sobota godz. 18:00. T.. Co do innych spraw -- wyjaśniłbym to wszystko już wczoraj, ale jak napisałem, bez rysunków to nie miało sensu. Poza tym jak się chce czytać teksty o siłowniach turboelektrycznych, trochę wiedzy mieć trzeba. Ale...
Jeżeli ktoś czegoś nie zrozumie, proszę napisać, a postaram się to wytłumaczyć w kolejnych postach.

[Teller]

jakoś niezbyt mi się chce wierzyć w dwufazowe zasilanie

To akurat spróbuję wyjaśnić dzisiaj, jeżeli mi rysunki wejdą. Tu nie ma co wierzyć -- to można policzyć. Zasilanie dwufazowe jest dziwne, ale sądzę że wytłumaczę w moim opisie, dlaczego je zastosowano.

[Teller]

Łączem przesyłowym między dwoma zestawami generatorów parowych i czterema mocowanymi do wałów silnikami był dwufazowy prąd przemienny o napięciu 4242 V, z silnikami umieszczonymi daleko z tyłu.

W życiu codziennym tak bardzo przywykliśmy do stosowania układów trójfazowych, że właściwie nikt już nie pyta — po co w ogóle zawracać sobie głowę trzema fazami, skoro można byłoby stosować dwie albo nawet jedną, upraszczając układy i zmniejszając liczbę przewodów zasilających? Otóż gdyby elektryczność służyła wyłącznie do zasilania piecyków i żarówek, i owszem — byłoby to jak najbardziej możliwe. Kłopot w tym, że 90 procent wytwarzanej energii elektrycznej jest przeznaczone do wydawania mocy mechanicznej, a nie cieplnej (żarówka to też grzejnik, tyle że dość szczególny). Wytworzenie pola wirującego, niezbędnego dla prawidłowej pracy silnika, wymaga odpowiedniego układu faz i tak się składa, że najprostszym wygodnym systemem jest właśnie układ trójfazowy. Wynika to z pewnego niepodważalnego faktu — można na drodze matematycznej wykazać, że jest to w ogóle najmniejszy możliwy symetryczny układ wyrównany, zapewniający wytwarzanie pól wirujących.
Aby wyjaśnić osobom nie znającym elektrotechniki na czym polega "symetryczność" i "wyrównanie", zacznę od zaprezentowania tak zwanego wykresu wskazowego.



Jest to rzut wektorów napięcia U i prądu I na tzw. płaszczyznę Gaussa, wyznaczoną przez dwie osie — rzeczywistą Re oraz urojoną Im. Gdybyśmy mieli do czynienia z prądem stałym, wektory prądu i napięcia leżałyby równolegle do siebie na osi Re, lecz w przypadku prądu przemiennego mogą one posiadać dowolny kąt zarówno względem tej osi jak i względem siebie. Kąt między wektorami napięcia i prądu, oznaczony jako fi jest miarą współczynnika mocy czynnej, czyli zdolności danego zestawienia prądu i napięcia do wykonania rzeczywistej pracy. Wykonuje ją tzw. składowa czynna prądu, równoległa do wektora napięcia, oznaczona na rysunku jako I-R. W praktyce podaje się cosinus kąta fi; jak widać z przytoczonych na rysunku wzorów, przemnożenie wartości prądu wydawanego przez generator przez jego napięcie i cos fi pozwala na szybkie obliczenie mocy czynnej P generatora (wyjaśniam to na użytek Nali, który ongi napisał że generatory na Iowie wydają "prąd o cos = 0,8" — teraz będzie już wiedział, że ma to być "cos fi" i do czego ten cosinus służy). Jeżeli cos fi = 0 (czyli kąt między wektorami prądu i napięcia jest równy 90°), mamy do czynienia z mocą bierną (pojemnościową lub indukcyjną), jeżeli cos fi = 1 mamy do czynienia ze źródłem czynnym (kąt równy 0°) lub odbiornikiem rezystancyjnym (kąt równy 180°).
Gwoli uzupełnienia muszę wyjaśnić, skąd w ogóle biorą się wykresy wskazowe. Przebiegi prądów i napięć przemiennych mają kształt sinusoidalny. Jak być może jeszcze niektórzy pamiętają ze szkoły, wykres sinusoidy powstaje w wyniku obrotu promienia okręgu wokół jego środka podczas równoczesnego przesuwania samego okręgu tak, że obrotowi promienia o 2 pi odpowiada przesunięcie środka okręgu wzdłuż osi x również o 2 pi. Inżynierowie (ludek niesłychanie leniwy i niebywale wygodnicki) dawno temu wpadli na pomysł, by zamiast żmudnego wykreślania dwóch (lub dwustu) sinusoid przesuniętych względem siebie, narysować po prostu na płaszczyźnie Gaussa promienie tworzące te sinusoidy, zaczepiając je w punkcie 0 i potraktować je jako kręcące się wokół tego punktu wektory. Ponieważ w obwodach elektrycznych z reguły wszystkie prądy i napięcia mają jedną i tą samą częstotliwość (czyli prędkość obrotową na wykresie), w trakcie obrotu ich wzajemne położenie kątowe nie ulega zmianie. Dlatego wektory można "zatrzymać" i spokojnie zająć się ich analizą, nie kłopocząc się faktem że w rzeczywistości wykonują 50 (lub więcej) obrotów na sekundę. A zupełnie na marginesie — fakt, że moim wykresie grot wektora napięcia jest zaczerniony, a wektora prądu biały nie jest przypadkowy; tak się to prawidłowo rysuje.
Na powyższym wykresie przedstawiony jest układ jednofazowy, czyli posiadający tylko jeden prąd i jedno napięcie. W przypadku układów wielofazowych, ilość napięć i prądów jest równa ilości faz. Najprostszym przykładem takiego systemu jest układ dwufazowy symetryczny:



Jak widać, układ ten ma dwa napięcia U-1 i U-2, przesunięte względem siebie o 180° (pospolicie nazywane fazami, chociaż de facto są to napięcia fazowe; fazą jest kąt między wektorem a osią układu współrzędnych). Ważną zaletą takiego ustawienia wektorów napięć jest ich wyrównanie, czyli znoszenie się wektorów prądu. Gdyby uzwojenia, wydające oba te napięcia wyprowadzić ze wspólnego przewodu zerowego, prąd wyrównawczy w tym przewodzie (będący sumą wektorową prądów fazowych) równałby się zeru. Niestety układ ten ma jedną istotną wadę — ustawione o 180° napięcia nie są w stanie wygenerować pola wirującego, a jedynie pole pulsujące i wirnik umieszczony w takim polu magnetycznym albo stałby w miejscu, albo chaotycznie kręciłby się na przemian w jedną i drugą stronę.
Wady tej nie ma układ dwufazowy niesymetryczny:



W układzie tym kąt między wektorami napięć U-1 i U-2 wynosi 90°, co zapewnia powstanie wirującego pola magnetycznego. Co więcej, przy spełnieniu warunku równości prądów I-1 oraz I-2, pole to ma charakter kołowy a nie eliptyczny, dzięki czemu wytworzony przez nie moment obrotowy jest stały. Jednak i ten system nie jest idealny — nie jest on wyrównany i jak można łatwo zauważyć, konsekwencją asymetrycznego położenia wzajemnego wektorów prądów fazowych jest powstanie dużego prądu zerowego I-n, w przypadku gdy I-1 = I-2 = I wynoszącego 2^(1/2) • I (pierwiastek kwadratowy z dwóch razy I). Pomimo tej wady układ dwufazowy asymetryczny znalazł zastosowanie w siłowni typu New Mexico z jednej banalnej przyczyny — w porównaniu z układem trójfazowym ma on tylko 2/3 uzwojeń w stojanie, co oznacza niebagatelne uproszczenie schematu elektrycznego i zmniejszenie wymiarów — cechy nadzwyczaj przydatne w i tak skomplikowanym silniku zmiennobiegunowym.
Swoistym podsumowaniem powyższych rozważań niech będzie prezentacja najprostszego symetrycznego układu wyrównanego o polu wirującym, czyli układu trójfazowego — spotkamy się z nim przy omawianiu siłowni typu Tennessee (a prawdę mówiąc, spotykamy się z nim codziennie):



Układ ten ma trzy napięcia, przesunięte co 120°. Oznaczyłem je tradycyjnie jako U-R, U-S i U-T, aczkolwiek zgodnie z obecnymi normami powinno być U-1, U-2 i U-3 (podobnie jak wielu staroświeckich elektrotechników nie bardzo się tą rewolucją przejąłem). Dzięki 120-stopniowemu rozstawowi napięć układ ten jest zdolny do wytwarzania pól wirujących, a zarazem prąd wyrównawczy w obwodzie zerowym jest równy 0 — wyraźnie widać to na powyższym rysunku gdzie prąd wypadkowy I-RS jest dokładnie lustrzanym odbiciem "kasującego" go prądu I-T. Połączenie obu tych cech sprawiło że układy trójfazowe znalazły powszechne zastosowanie i obecnie można spotkać je prawie wszędzie (poza New Mexico i trzema Coloradami).

[Teller]

Jako jednostki pomocnicze służyły dwa generatory prądu stałego o mocy 300 kW do wzbudzania pól magnetycznych generatorów głównych i do napędzania różnych innych napędzanych silnikami urządzeń pomocniczych, były także dwa napędzane silnikami prądu stałego prądnice dodawcze, dla zmian pól magnetycznych generatorów głównych bez konieczności zmiany napięcia wytwarzanego przez wzbudnice. [Trzykrotne powtórzenie słowa "napędzany" w tym zdaniu to nie moja wina; Rippon nie grzeszy nadmiarem synonimów — przyp. Teller] Musiało ono być niezmienne dla zasilanych przez nie urządzeń pomocniczych.

Jak już napisałem, wirnik generatora prądu przemiennego (zwłaszcza o dużej mocy) ma elektromagnesy zasilane prądem stałym. Prąd ten jest wytwarzany przez pomocnicze generatory prądu stałego, zwane wzbudnicami (ang. exciter). Często generatory te są umieszczone na wspólnym wale napędowym z generatorem głównym (tworzy to tak zwany układ samowzbudny o prostej konstrukcji od strony mechanicznej), niekiedy jednak mają odrębne turbiny napędowe.
Zasilanie elektromagnesów wirnika prądnicy to dość złożone zagadnienie. Ujmując rzecz skrótowo, w miarę wzrostu prądu obciążenia spada napięcie na zaciskach generatora. Aby temu przeciwdziałać konieczne jest zwiększenie strumienia magnetycznego, generowanego przez prąd płynący w uzwojeniu elektromagnesu wirnika. Związek natężenia prądu, płynącego w uzwojeniu elektromagnesu, z wytwarzanym przezeń polem magnetycznym nie jest liniowy — wynika to z charakterystyk obwodów magnetycznych generatora, a mówiąc ściślej z tzw. krzywej histerezy. Ujmując rzecz skrótowo, utrzymanie stałego napięcia na zaciskach generatora wymaga (nieproporcjonalnego) wzrostu natężenia prądu w elektromagnesie.
Zgodnie ze znanym powszechnie (?) wzorem I = U / R (gdzie I — prąd w obwodzie w amperach, U — napięcie na zaciskach źródła w woltach, R — całkowity opór obwodu w omach) zwiększenie natężenia prądu w obwodzie o stałym oporze osiąga się przez wzrost napięcia, wydawanego przez wzbudnicę. Na ogół nie stanowi to problemu, gdyż normalną praktyką w elektrowniach zawodowych jest przydzielanie każdemu generatorowi osobnej wzbudnicy, którą można regulować zależnie od doraźnych potrzeb. Jeżeli jednak, tak jak to miało miejsce w przypadku typu New Mexico, wzbudnica pełni zarazem rolę generatora potrzeb własnych, jej napięcie nie może ulegać zmianom gdyż zakłócałoby to pracę pozostałych odbiorów. Dlatego konieczne jest włączenie do obwodu wirnika dodatkowej małej prądnicy dodawczej (ang. booster), w razie potrzeby wytwarzającej dodatkowe napięcie. Zaletą takiego rozwiązania jest zmniejszenie masy układu, gdyż zamiast czterech dużych generatorów (dwóch potrzeb własnych i dwóch wzbudnic) mamy tylko dwa duże i dwa małe.
Swoją drogą, ten passus Rippona jest wcale ciekawy, gdyż dowodzi że na przekór często głoszonym tezom o "przemienności" sieci zasilającej na amerykańskich pancernikach (i co za tym idzie jej wyższości nad resztą świata), wcale spora liczba odbiorów była zasilana prądem stałym. Suliga w swej monografii Linkory typa Niu Meksiko podaje że okręty miały po cztery generatory po 300 kW, lecz nie precyzuje czy dotyczyło to wyłącznie okrętów z siłowniami klasycznymi (Mississippi i Idaho, czy też całej trójki (no i nie podaje jaki prąd wydawały — stały czy przemienny). Tak czy owak, co najmniej połowa odbiorów na pancerniku New Mexico była bez wątpienia zasilana prądem stałym.

[Teller]

Każdy generator był wyposażony w odłącznik dwupołożeniowy; w jednym ustawieniu uzwojenia były połączone szeregowo, a w drugim można było utworzyć połączenie równolegle. Ta pierwsza pozycja była stosowana, gdy jeden generator zasilał dwa silniki, zapewniając maksymalne napięcie 4242 V; ta druga była stosowana gdy jeden generator zasilał wszystkie cztery silniki, dając maksymalne napięcie 3000 V. Ten układ umożliwiał generatorowi wykorzystanie najlepszej zalety zdolności do pracy dwuprądowej [zwrot double current ablity można także tłumaczyć jako podwójnej wydajności prądowej; takie są uroki tłumaczeń technicznych — przyp. Teller] w obwodzie silników gdy pracowały wszystkie cztery silniki; dzięki temu była poprawiana całkowita sprawność przekazu mocy.

Zacznijmy od zaprezentowania owego "cudu techniki":



Generator czterofazowego prądu przemiennego jest maszyną synchroniczną wyposażoną w wirujący elektromagnes, którego pole magnetyczne wytwarza prąd przemienny w uzwojeniach stojana. Rzucający się w oczy górny okrąg A z pięknymi, kolorowymi strzałkami to stojan z uzwojeniami twornika w układzie czterofazowym z dwoma odrębnymi punktami zerowymi (ten układ połączeń można zmienić, ale o tym za chwilę). Cztery zygzaki to właśnie uzwojenia, a strzałki przy nich oznaczają napięcia poszczególnych faz. W dolnej części uzwojenia są zwarte po dwa, tworząc dwa odrębne punkty zerowe dwóch różnych obwodów. Z generatora wychodzi więc sześć przewodów zasilających (cztery fazowe, oznaczone literami L-1 ÷ L-4 oraz dwa zerowe N-1 i N-2) i można sobie sprawdzić że to samo jest na skanie uprzejmie przesłanym przez Andrzeja J. Kolory napięć i oznaczeń faz nie zostały dobrane przypadkowo — mają one ułatwić mniej wprawnym Czytelnikom odnalezienie ich na dalszych rysunkach, gdzie zachowano ten sam sposób oznaczeń faz kolorami.
Dolny okrąg B z jednym "zygzakiem" to wirnik generatora, napędzany turbiną parową T za pośrednictwem wału napędowego. Sam zygzak to uzwojenie elektromagnesu wzbudzenia dwubiegunowego wirnika generatora. Jest ono podłączone do osadzonych na przedłużeniu wału napędowego pierścieni C, do których przylegają szczotki D, połączone z zasilającym elektromagnes obwodem prądu stałego.
Obwód ten składa się ze wzbudnicy W i prądnicy dodawczej P. Napędzana pomocniczą turbiną parową T-1 wzbudnica (o mocy 300 kW) jest podstawowym źródłem energii dla elektromagnesu wirnika i innych odbiorów stałoprądowych, które symbolicznie reprezentują silnik S, żarówka i opornik po prawej stronie rysunku. Wydawane przez wzbudnicę napięcie U nie ulega zmianom, dzięki czemu odbiory stałoprądowe mogą pracować bez zakłóceń. Do zmian prądu wzbudzenia elektromagnesu generatora głównego służy mała prądnica dodawcza P, napędzana silnikiem elektrycznym M, jak widać zasilanym z obwodu odbiorów stałoprądowych. Jest ona włączona w szereg ze wzbudnicą i elektromagnesem wirnika, dzięki czemu wytwarzane przez nią napięcie Up nie przenosi się do obwodu w którym pracują inne odbiory stałoprądowe. Taki sposób włączenia w obwód prądnicy dodawczej zapewnia natomiast wygodną regulację napięcia wzbudzenia elektromagnesu Uw, które jest sumą napięć U i Up.
Zajmijmy się teraz sposobami pracy tego generatora. Na pierwszy ogień niech pójdzie równoczesne zasilanie czterech silników, gdyż wbrew pozorom jest ono łatwiejsze do wyjaśnienia:



Po prawej stronie znajduje się stojan naszego generatora (tym razem dla zmniejszenia rozmiarów rysunku narysowany w formie prostokąta). Oznaczyłem go jako G-A, gdyż w siłowni okrętowej są dwie takie prądnice. Z elektrycznego punktu widzenia uzwojenia generatora są połączone równolegle, a przynajmniej tak się wydaje Ripponowi. W rzeczywistości dolne zaciski uzwojeń są połączone z przewodami zerowymi, a górne z przewodami fazowymi (nawiasem mówiąc, w znakomitej większości maszyn indukcyjnych nic nie stoi na przeszkodzie by zewrzeć górne zaciski, a przewody fazowe wyprowadzić z dolnych — należy to tylko zrobić w sensowny sposób, o czym jeszcze powiem).
Z generatora wybiega sześć przewodów — cztery fazowe Li dwa zeroweN — dla lepszej przejrzystości podzielonych na dwie grupy, odpowiadające dwóm układom dwufazowym. Po lewej stronie schematu cztery prostokąty oznaczają stojany silników napędowych M-A, M-B, M-C i M-D. Każdy z nich ma dwa uzwojenia fazowe elektromagnesów, oznaczone literami Z. Litera indeksu oznacza numer silnika, a cyfra — numer fazy, do której podłączone jest dane uzwojenie (przykładowo Z-D4 oznacza uzwojenie silnika M-D podłączone do fazy L-4). Silniki są podzielone na dwie pary, z których każda jest podłączona do jednego z dwóch układów dwufazowych; silniki M-A i M-B są zasilane fazami L-1 i L-2, zaś prąd zerowy wraca do generatora przewodem N-1. Analogicznie wygląda zasilanie silników M-C i M-D fazami L-3 i L-4 z przewodem zerowym N-2. Tak więc w układzie połączeń równoległych generator G-A pełni w zasadzie rolę dwóch generatorów dwufazowych, mających jeden i ten sam obwód magnetyczny stojana i wirnika, oraz napędzanych tą samą turbiną.
Wykres wskazowy takiego sposobu zasilania jest bardzo prosty



Jak widać, generator wydaje cztery napięcia fazowe U-1, U-2, U-3 i U-4, każde o wartości 3 kV. Tworzą one dwa asymetryczne układy dwufazowe (U-1 z U-2 oraz U-3 z U-4), w obu przypadkach o kącie napięć 90°. Punkty zerowe obu układów są izolowane od siebie (przyczynę tego można zobaczyć na prezentowanym wyżej wykresie wskazowym pojedynczego układu dwufazowego — płyną do nich silne prądy zwrotne), co na wykresie symbolicznie zaznaczyłem małym ukośnym prostokątem (wyłącznie na użytek Czytelników, bo w wykresach wskazowych z reguły się takich znaczków nie stawia). W teorii oba prądy zwrotne powinny się właściwie znosić; wymaga to jednak pełnej symetrii obciążeń w obu układach dwufazowych, gdyż w przeciwnym razie powstaje nie zrównoważony prąd wypadkowy… no, ale to już trochę za poważna elektrotechnika.
W takim układzie zasilania każde z dwóch uzwojeń Z silnika otrzymuje napięcie 3 kV, co oznacza że przy pracy na pół gwizdka (2,7 MW mocy czynnej, czyli 1,35 MW na uzwojenie) płynie w nim prąd 0,53 kA. Czytelnikowi, który zawrzaśnie że przecież 1350000 / 3000 to 450 a nie 530 przypominam, że mamy do czynienia z układami prądu przemiennego, w których wektor prądu nie musi się pokrywać z wektorem napięcia (znów kłania się tu słynny cosinus fi — tym razem założyłem że silniki mają cos fi równy 0,85). Po przemnożeniu podanej przeze mnie wartości prądu przez owe 0,85 dostaniemy żądane 0,45 kA, będące składową czynną wektora prądu (równoległą do wektora napięcia). Gwoli wyjaśnienia, asynchroniczny silnik indukcyjny nigdy nie ma cos fi równego 1, gdyż jest z elektrycznego punktu widzenia układem cewek, a te zawsze mają tzw. składową reaktancyjną impedancji… ale tu znów włażę za głęboko w temat.
Przejdźmy teraz do zasilania dwóch silników zwiększonym napięciem:



Ze strony silników nic nie ulega zmianie — jednostki M-A i M-B nadal są zasilane fazami L-1 i L-2 z przewodem zerowym N-1 (silniki M-C i M-D przejął pod kuratelę drugi generator G-B). Całkowitej zmianie uległ natomiast sposób łączenia uzwojeń w stojanie generatora G-A. Jak widać, tym razem Rippon ma więcej racji, bo uzwojenia są rzeczywiście łączone po dwa w szereg, czyli koniec jednego uzwojenia łączy się z początkiem drugiego — przynajmniej w przypadku uzwojeń U-1 i U-2, bo w przypadku uzwojeń U-3 i U-4 jest trochę inaczej. Dlaczego są one połączone "na odwrót", wyjaśni nam wykres wskazowy:



Zacznijmy od sensowniej połączonych faz U-1 i U-2. W wyniku zwarcia zacisku górnego uzwojenia U-1 z zaciskiem dolnym uzwojenia U-2 napięcia generowane w tych uzwojeniach zsumowały się, oczywiście w sposób wektorowy, dając napięcie U(1+2). Jego wartość można bez trudu policzyć, wykorzystując reguły geometrii — jeżeli napięcia U-1 i U-2 są sobie równe, wynosi ono dokładnie cosec 45° czyli po prostu pierwiastek kwadratowy z 2. Jeżeli napięcia U-1 i U-2 wynoszą po 3 kV, to napięcie U(1+2) będzie równe 4242 V, czyli dokładnie tyle, ile podaje Rippon (jest to nawiasem mówiąc dowód że nasze założenie o kącie międzyfazowym 90° jest prawidłowe, gdyż w przypadku innego kąta między napięciami wynik ich sumy wektorowej byłby inny i ufam, że nie muszę wyjaśniać dlaczego).
Sposób połączenia uzwojeń U-3 i U-4 na pozór wydaje się dość dziwny, lecz przypominam Czytelnikom że mamy tu do czynienia z prądem przemiennym który zachowuje się cokolwiek inaczej niż prąd stały. Podłączenie uzwojenia U-4 "na odwrót" oznacza jedynie że przebieg sinusoidy napięcia zostanie "odbity" o 180° — innymi słowy tam, gdzie było maksimum funkcji będzie teraz jej minimum i na odwrót. W konsekwencji wektor napięcia zmieni swój zwrot o 180° i dlatego na wykresie został oznaczony jako U(–4).
Przyczyna takiego postępowania jest nader prosta. Gdybyśmy połączyli uzwojenia U-3 i U-4 podobnie jak w przypadku uzwojeń U-1 i U-2, wypadkowe napięcie U(3+4) utworzyłoby z napięciem U(1+2) kąt międzyfazowy 180°, czyli jak to wykazałem o parę akapitów wyżej układ wytwarzający pole magnetyczne pulsujące, a nie wirujące. Chcąc zachować korzystny z punktu widzenia silników indukcyjnych kąt międzyfazowy 90°, musimy "zanegować" jedno z czterech napięć układu czterofazowego, jak widać to na wykresie. Dlatego wypadkowe napięcie między tymi uzwojeniami oznaczyłem jako U(3–4). Jego wartość, podobnie jak w przypadku napięcia (U1+2) wynosi oczywiście 4,242 kV. Pozwolę sobie zwrócić uwagę, że tym razem przewód fazowy L-2 jest wyprowadzony z zacisku "dolnego"; Czytelnik może się teraz przekonać że taki sposób połączeń jest najzupełniej możliwy — o ile wiemy jak to sensownie zrobić.
Powróćmy do naszych silników. Do uzwojeń Z są teraz przyłożone napięcia międzyfazowe, U(1+2) na fazie L-1 i U(3–4) na fazie L-2, o pierwiastek z 2 większe od napięć fazowych U-1 ÷ U-4. Ponieważ wartości oporu uzwojeń Z nie uległy zmianie, zgodnie ze wzorem I = U/R (wzór ten obowiązuje także w obwodach prądu przemiennego, aczkolwiek w sposób wektorowy) taki przyrost napięcia powoduje wzrost prądu I w obwodzie również o pierwiastek z 2. W obwodzie prądu przemiennego moc czynna P = U • (I-R) (przypominam, że I-R to składowa czynna prądu I), a zatem przyrost zarówno wartości prądu jak i napięcia w obwodzie o pierwiastek z 2 ipso facto powoduje dwukrotny wzrost mocy silnika.
Słabszych Czytelników zapewne zwali z nóg oczywiste dla każdego elektrotechnika stwierdzenie, że ten potężny skok mocy uzyskujemy przez zwykłe przełożenie paru blaszek zwierających zaciski, bez żadnych sztuczek ze wzrostem mocy turbiny i innych podejrzanych numerów! Gwoli ścisłości, moi drodzy Panowie — w powszechnie stosowanym układzie trójfazowym ta banalna zmiana ustawienia styków (przełączenie gwiazda-trójkąt) daje nawet trzykrotny wzrost mocy! Oczywiście to "cudowne pomnożenie" jest pozorne — jak widać cała moc generatora jest teraz przekazywana na dwa, a nie na cztery silniki, tak więc z punktu widzenia fundamentalnej zasady zachowania energii wszystko jest w porządku. Dwa pozostałe silniki, M-3 i M-4 są teraz zasilane przed drugi generator G-B, połączony dokładnie tak samo jak pierwszy, pobierając całą moc wytwarzaną przez drugą turbinę. A tak zupełnie na marginesie, przyjęta przeze mnie kolejność opisu sposobów pracy generatora jest zgodna z normalną procedurą rozruchu siłowni turboelektrycznej — nawet jeżeli dowódca okrętu wyda polecenie "cała naprzód", w celu zmniejszenia prądu rozruchowego silników włącza się je najpierw na napięcia fazowe, a dopiero później na międzyfazowe, dwukrotnie zmniejszając w ten sposób prąd rozruchowy.
Pozostaje do wyjaśnienia sygnalizowana przez Rippona kwestia poprawy sprawności przekazu mocy. W obwodach prądu przemiennego głównym źródłem strat jest nagrzewanie się obwodów. Jest ono zależne od kwadratu natężenia prądu, w myśl wzoru Pc = R • I^2 (gdzie Pc — straty cieplne w watach, R — opór obwodu w omach, I — natężenie prądu w amperach). Jak nietrudno policzyć, gdybyśmy chcieli zwiększyć dwukrotnie moc silnika nie zmieniając napięcia, musielibyśmy dwukrotnie zwiększyć prąd czyli straty cieplne w przewodach byłyby czterokrotnie większe. Dzięki sztuczce ze wzrostem napięcia, w naszym konkretnym przypadku straty cieplne rosną tylko dwukrotnie, co jest niewątpliwym zyskiem. Nawiasem mówiąc, z tych samych przyczyn standardowe napięcie w krajowej sieci przesyłowej wynosi 230 kV, czyli tysiąc razy więcej niż w naszych gniazdkach — taki wzrost napięcia (co prawda uzyskiwany nie przez przekładanie styków, lecz przez transformatory o gabarytach domków jednorodzinnych) umożliwia zmniejszenie strat przesyłowych aż milion razy. Koszt budowy linii wysokiego napięcia jest duży, ale jak widać skórka jest warta wyprawki.
No i powiedzcie, czy ci elektrycy to nie są cwani faceci? Ja sam jestem elektrykiem.

[Teller]

Główne silniki były zaprojektowane do wydawania mocy łącznej 29 tysięcy shp (21,6 MW mocy mechanicznej na wałach = 4 • 5,4 MW — przyp. Teller) przy 167 obr/min, co było odpowiednikiem prędkości okrętu równej 21 węzłów.

Omawiając nieco wyżej zasadę działania silnika asynchronicznego wspomniałem, że jej ważnym wyróżnikiem jest poślizg, czyli różnica prędkości między polem wirującym stojana a klatką wirnika, umożliwiająca indukowanie w tej ostatniej SEM. Tamże podałem opis zmiany ilości par biegunów, jednego z podstawowych sposobów redukcji prędkości obrotowej wału silnika względem pola wirującego (czyli de facto wału turbiny, napędzającej generator — te wszystkie długaśne opisy maszyn synchronicznych oraz asynchronicznych miały swój cel i jeżeli ktoś nie zrozumie tego akapitu, proponuję by wrócił się do wspomnianych opisów i jeszcze raz porządnie je sobie przeczytał).
Podsumowując dane z tekstu Rippona, generatory okrętowe obracały się z prędkością 2100 obr/min, zaś maksymalna prędkość obrotowa wałów napędowych wynosiła tylko 167 obr/min. Spróbujmy na podstawie tego wyznaczyć wzajemny stosunek ilości biegunów silnika i generatora. Gdyby nasz silnik miał charakter synchroniczny, stosunek ten musiałby być liczbą całkowitą, gdyż nie istnieje coś takiego jak ćwiartka bieguna magnetycznego. Teraz załóżmy na chwilę że nasz silnik jest synchroniczny i podzielmy przez siebie obie cytowane liczby. 2100 / 167 = 12,575… co paru Czytelników mogłoby uznać za ewidentny dowód błędu w moim rozumowaniu. Pozwolę sobie jednak przypomnieć, że nasz silnik nie jest maszyną synchroniczną i jego wirnik obraca się nieco wolniej od pola wirującego stojana. A zatem wynik dzielenia również powinien być "nieco" większy od liczby całkowitej, gdyż mianownik ułamka (prędkość obrotowa silnika) jest w tym przypadku mniejszy.
Oczywistym wnioskiem z powyższego dzielenia jest stosunek ilości par biegunów silnika i generatora, wynoszący 12. W takim przypadku prędkość obrotowa pola wirującego w stojanie silnika wyniesie 2100 / 12 = 175 obr/min. Ponieważ wirnik silnika osiąga jedynie 167 obr/min w myśl wzoru s = (N – n) / N, gdzie s — poślizg (wartość bezwymiarowa), N — prędkość pola wirującego w obr/min, n — prędkość wirnika w obr/min, poślizg wynosi (175 – 167) / 175 = 0,046… co odpowiada typowym wartościom eksploatacyjnym dla silników asynchronicznych i raz jeszcze dowodzi, że nasze wstępne przypuszczenia były słuszne (aczkolwiek z wartości poślizgu wynika, że silniki mają duże obciążenie na wale — standardowo dla maszyn o wielkiej mocy s = 0,01 ÷ 0,02).

Uwaga z dnia 17 lipca 2010 roku: Cały dalszy ciąg mojego rozumowania był oparty na informacji, podanej przez Sławka Lipieckiego w artykule o pancernikach typu Big Five, iż pancerniki amerykańskie miały śruby nastawne (o zmiennym skoku), a która ostatecznie okazała się nieprawdziwa. W rzeczywistości siłownia wykorzystywała przekładnię elektryczną w taki sam sposób, jak mechaniczną, czyli bez zmiany ilości par biegunów i przy zmiennej prędkości obrotowej wałów turbin, czyli od zera do wartości maksymalnej, z tym tylko, że dla turbin były to tysiące, a dla śrub setki obrotów na minutę.
Mimo to zdecydowałem się pozostawić cały dalszy opis, dla wygody zainteresowanych, z zastrzeżeniem iż nie ma on zastosowania w okrętowej praktyce.

Gdyby pancerniki pływały jedynie z prędkościami maksymalnymi, na tym moglibyśmy zakończyć nasze rozważania. Problem polega jednak na tym, że tak nie jest, a prawdę mówiąc pancernik przez większą część swego żywota pływa z prędkościami ekonomicznymi. A zatem nie wystarczy wyposażyć siłownię okrętową w silniki o 24 biegunach (stosunek ilości par biegunów wynosi 12, ale generator musi mieć co najmniej dwa bieguny; tu znów przypominam, że nie istnieje coś takiego jak pojedynczy biegun magnetyczny — jeżeli Panowie znajdą coś takiego w swoich rupieciach proponuję przesłać go do Oslo, a nagroda Nobla za udowodnienie istnienia monopolu magnetycznego będzie murowana ). W celu dalszego zmniejszania prędkości obrotowej silników konieczne jest zwielokrotnienie ich liczby.
W skomplikowanych silnikach wielobiegowych stosuje się dwa uzwojenia, z których każde można połączyć na dwa sposoby — uzyskując dzięki temu p lub 2p biegunów. Ponieważ w naszym konkretnym przypadku pierwszą wielokrotnością jest p = 12 (167 obr/min lub 21 węzłów), druga to p = 24, co daje prędkość obrotową 87 obr/min czyli 10,5 węzła (zakładając że prędkość liniowa okrętu jest z grubsza proporcjonalna do prędkości obrotowej śrub — sprawdza się to przynajmniej w przypadku HMS Hood, dla którego mam stosowne dane). Odstęp między tymi dwiema prędkościami jest dość duży, dlatego dobrze byłoby go wypełnić przełożeniem pośrednim. Drugie uzwojenie silnika powinno więc mieć p = 18 par biegunów. W tym przypadku prędkość obrotowa wyniesie 111 obr/min (lub 14 węzłów), a przy zdwojonej wartości 36 par biegunów otrzymamy prędkość 56 obr/min czyli 7 węzłów.
Nie jest to jakiś rewelacyjny zakres zmian (ewentualnie można zastosować jeszcze trzecie uzwojenie, ale kolejna sensowna wartość to p = 30 i 2p = 60 par biegunów, co odpowiada prędkościom 8,4 i 4,2 węzła — ta ostatnia miałaby zastosowanie tylko przy manewrach portowych, a poza tym 120 biegunów w stojanie to już chyba lekka przesada) . Mam zresztą wrażenie, że skoro na telegrafach maszynowych są cztery pozycje (cała, pół, mała i wolno) to chyba omówione powyżej cztery "biegi" wystarczą, tym bardziej że turboelektryczny układ napędowy musi mieć jeszcze jeden sposób regulacji prędkości — choć formalnie służy on do czegoś zupełnie innego.
Jak dotąd zajmowaliśmy się jedynie związkiem prędkości obrotowej ze zmianą ilości par biegunów przy stałej mocy wydawanej przez silnik. Czas teraz przyjrzeć się skutkom redukcji mocy o połowę, wywołanymi przełączeniem uzwojeń silnika z napięć międzyfazowych na fazowe, czyli przejściem z zasilania dwóch silników jednym generatorem, na zasilanie czterech silników z jednego generatora.
Zgodnie ze wzorem P = 9,55 M • n (gdzie P — moc wydawana w watach, M — moment obrotowy w Nm, n — prędkość obrotowa w obr/min, 9,55 — współczynnik zmiany jednostki z rad/s na obr/min) zmiana mocy wydawanej ma wpływ zarówno na moment jak i na prędkość obrotową. Aby zbadać skutki tej zmiany, załóżmy że gwałtownie zmniejszamy moc silnika okrętowego, którego wał z umocowaną na końcu śrubą obraca się z prędkością n. W pierwszej chwili wał obraca się nadal z tą samą prędkością, więc zgodnie z przytoczonym wzorem zmniejszenie mocy silnika powoduje spadek momentu obrotowego i w konsekwencji siły, wywieranej na wodę przez skrzydła śruby. W rezultacie opór, stawiany przez środowisko wodne, nie będzie już zrównoważony siłą przyłożoną do skrzydeł i wał, do którego podłączony jest wirnik, zacznie zwalniać do chwili ponownego zrównoważenia momentu obrotowego i momentu oporowego przy niższej prędkości obrotowej n’.
W przypadku okrętów można przyjąć że spadek mocy o 50 % oznacza redukcję prędkości o mniej więcej 20 %. Dla turbiny parowej, która ma względnie duży zakres regulacji obrotów i równie przyzwoicie sprawuje się zarówno przy 2000 jak i 1000 obrotach na minutę, taka zmiana prędkości obrotowej nie jest specjalnie groźna, lecz w silniku indukcyjnym sprawy mają się inaczej. Podczas gdy zmiany prędkości obrotowej wirnika są proporcjonalne do zmian mocy, o prędkości obrotowej pola wirującego stojana decyduje wyłącznie omówiony już stosunek częstotliwości sieci (w siłowni New Mexico równej 35 Hz) do ilości biegunów silnika. Dlatego zmniejszenie mocy spowoduje wzrost różnicy między obu tymi prędkościami, czyli zwiększenie poślizgu.
Kłopot w tym, że wartość poślizgu silnika asynchronicznego nie może wzrosnąć powyżej pewnej wartości. Silnik wchodzi wtedy w zakres pracy niestabilnej, w którym przy dalszym spadku prędkości obrotowej moment zamiast rosnąć, maleje i w konsekwencji dochodzi do zatrzymania silnika. Gwałtowny spadek prędkości wirnika powoduje duży wzrost SEM indukowanej w jego uzwojeniu i co za tym idzie płynących w nim prądów. Włączony do sieci silnik z nieruchomym wirnikiem wchodzi w stan zwarcia, co grozi jego zniszczeniem. Dlatego silniki asynchroniczne mają pewną graniczną wartość poślizgu, zależną od wewnętrznych parametrów elektrycznych danej maszyny, lecz na ogół nie przekraczającą 0,2 ÷ 0,06.
Jak zachowa się silnik w naszym konkretnym przypadku? Jeżeli nie zmienimy obciążenia na wale, po przełączeniu napięć z międzyfazowych na fazowe w wyniku dwukrotnego zmniejszenia mocy prędkość obrotowa wirnika spadnie o 20 %, gdy momenty oporowy i obrotowy ponownie się zrównoważą. Ponieważ prędkość pola wirującego nie ulega zmianie, oznacza to wzrost poślizgu z 0,046 do 0,245. Jest to wartość o wiele za duża — silnik nieuchronnie wchodzi w zakres niestabilny i zatrzymuje się. Dlatego przy redukcji mocy silnika konieczne jest równoczesne proporcjonalne zmniejszenie momentu oporowego na wale, dla skompensowania spadku momentu obrotowego i utrzymania stałej prędkości obrotowej.
Najwygodniejszym rozwiązaniem tego problemu jest śruba nastawna o regulowanym skoku skrzydeł. Przy uproszczonym założeniu, że opór stawiany przez śrubę jest wprost proporcjonalny do sinusa kąta natarcia skrzydła, zachowanie stałej prędkości obrotowej wału przy dwukrotnym spadku mocy wymaga zmniejszenia kąta ustawienia skrzydeł tak, by arc sin A = 0,5 arc sin B (gdzie A, B — kąty natarcia odpowiednio po i przed zmianą mocy). Dla niedużych kątów, przy których przebieg funkcji sinus jest zbliżony do liniowego, można założyć że A = 0,5 B. Oczywistym skutkiem takiej zmiany kąta jest spadek prędkości liniowej okrętu, gdyż zmniejszenie naporu wody na skrzydła śruby powoduje spadek siły, wywieranej przez wał na łożysko oporowe.
Jakkolwiek podstawowym zadaniem śruby nastawnej jest ochrona silników okrętu przed przeciążeniem, warto zauważyć, że "przy okazji" daje ona możliwość płynnej regulacji prędkości okrętu. Płynne zmniejszanie kąta natarcia powoduje proporcjonalny spadek prędkości, wygładzając skokową charakterystykę jej zmian przez zwiększanie ilości biegunów. Można również nieco zwiększyć kąt natarcia w stosunku do jego wartości znamionowej, choć tu konieczna jest daleko większa ostrożność — w przypadku silnika asynchronicznego nawet niewielkie przeciążenia są niepożądane.
Warto również zauważyć, że przełączenie czterech silników na pracę jednogeneratorową (przy 50 % wydawanej mocy) z równoczesnym zmniejszeniem kąta natarcia skrzydeł umożliwia uzyskanie czterech kolejnych prędkości znamionowych, równych około 0,8 prędkości przy pracy dwugeneratorowej. A zatem, wykorzystując do zasilania tylko jeden generator, zmieniając ilość biegunów otrzymamy prędkości okrętu równe 17 w, 12 w, 9 w i 6 w.
Porównując kombinacje prędkości przy pracy dwu- i jednogeneratorowej nietrudno dojść do wniosku, że w zasadzie można by zrezygnować z uzwojenia o 18/36 parach biegunów, uzyskując stopnie prędkości 21 w (4,24 kV, 12 par biegunów), 17 w (3 kV, 12 par biegunów), 11 w (4,24 kV, 24 pary biegunów) i 9 w (3 kV, 24 pary biegunów), ale jak widać pojawiłaby się wtedy dość częsta konieczność włączania na przemian jednego i dwóch generatorów. To w konsekwencji wymusiłoby utrzymywanie pod parą całej siłowni niezależnie od ilości pracujących w danej chwili generatorów — i zaprzeczałoby jednej z głównych zalet siłowni turboelektrycznej jaką jest oszczędność paliwa; w końcu nie po to przepływa się ocean na trzech kotłach, by tuż przed portem rozpalać kolejne trzy wyłącznie w celu zwiększenia zakresu zmian prędkości przy manewrach w porcie. Dlatego "czterobiegowy" układ uzwojeń pomimo komplikacji ma swoje zalety, a w połączeniu ze śrubami nastawnymi zapewnia bardzo płynną regulację prędkości.

[Teller]

Późniejsze okręty US Navy zostały zaprojektowane do trójfazowego przekazu mocy; na typie Tennessee napięcie wynosiło 3,4 kV, a na typie Colorado 5 kV.

Przytoczona przez Rippona teza jest podług mnie dość kontrowersyjna, tym bardziej że Suliga w swojej monografii twierdzi jakoby na typie Colorado powrócono do układu dwufazowego . Z porównania wydawanych mocy (typ Tennessee 28 600 hp, a typ Colorado 28 900 hp) rzeczywiście wynika, że powodem wzrostu napięcia z 3,4 do 5 kV mogło być ponowne zastosowanie układu dwufazowego. Miał on wprawdzie parę wad (duże prądy zwrotne, złożona budowa generatora i tablic rozdzielczych), lecz wymagał mniejszej ilości uzwojeń w silnikach i dawał korzystniejszy stosunek mocy przy przejściu z zasilania napięciem międzyfazowym na fazowe (1:2 zamiast 1:3).
Układ n-fazowy można w gruncie rzeczy traktować jako n układów jednofazowych, a co za tym idzie całkowita moc P silnika wielofazowego dzieli się na P / n mocy poszczególnych uzwojeń fazowych. Na pancerniku New Mexico przy napięciu fazowym 3 kV uzyskanie mocy 2,7 MW (po 1,35 MW z fazy) wymagało prądu fazowego 0,53 kA. Spróbujmy uzyskać tą samą moc w układzie trójfazowym, ale bez zmiany wartości prądu fazowego. Ponieważ ilość faz rośnie z 2 do 3, więc każda z nich będzie wydawała 2/3 mocy. Dlatego napięcie powinno zostać zmniejszone w tym samym stosunku — z 3 kV do 2 kV.
Analogicznie wygląda zagadnienie zmniejszenia ilości faz z trzech do dwóch — chcąc zachować ten sam prąd w przewodach fazowym, musimy zwiększyć napięcie w stosunku 3:2. Jak można sobie policzyć, 3400 V • 1,5 = 5100 V, co jest wartością bardzo podobną do podawanej przez Rippona. Wydaje mi się więc, że rację ma tu Suliga, a nie Rippon.

[Teller]

Był on [stawiacz min HMS Adventure — przyp. Teller] wyposażony w turbiny Parsonsa z jednostopniowymi przekładniami zębatymi na dwóch wałach, z dodatkowym układem marszowym, złożonym z dwóch ośmiocylindrowych czterosuwowych silników wysokoprężnych Vickersa o mocy po 2300 bhp (1715 kW), napędzających generatory trójfazowego prądu przemiennego. Silniki napędowe były indukcyjnymi silnikami pierścieniowymi z czterobiegunowymi wirnikami i były połączone przez przekładnie napędu głównego.

Podsumowując nasze dotychczasowe ustalenia (i zakładając że jakikolwiek Czytelnik dotrwał do tego miejsca — za co składam serdeczne wyrazy uznania ) możemy krótko powiedzieć, że w tym przypadku nie stosowano "wielobiegowej" redukcji prędkości przez stopniowe zwiększanie ilości biegunów — silniki pierścieniowe po prostu do tego się nie nadają, gdyż mają z góry ustalony układ uzwojenia w wirniku. W najlepszym przypadku możliwa była stała dwukrotna redukcja prędkości, jeżeli generator miał dwa bieguny. Biorąc pod uwagę obecność przekładni, prawdopodobną przyczyną zastosowania układu dieslowsko-elektrycznego była chęć odseparowania silników wysokoprężnych od przekładni (z uwagi na brak miejsca lub hałaśliwość i drgania) oraz uzyskanie wygodniejszej zmiany kierunku obrotów i możliwości zastopowania bez konieczności wyłączania diesli. Regulacja prędkości obrotowej raczej nie wchodziła w rachubę, gdyż metody stosowane w silnikach pierścieniowych (włączanie do obwodu wirnika dodatkowych oporników) powodują znaczny spadek sprawności, co kłóci się z podstawową przyczyną stosowania układów marszowych, którą jest właśnie chęć uzyskania ekonomicznej charakterystyki napędu.

[Teller]

Na zakończenie pragnąłbym powrócić jeszcze do sprawy bilansu mocy, pobieranej przez silniki indukcyjne oraz ich poślizgu. Czytelnik po przeczytaniu powyższego tekstu może ze zdumieniem skonstatować, że w gruncie rzeczy siłownia pancernika New Mexico pracowała wyłącznie przy pełnej i połówkowej mocy, podczas gdy po siłowni okrętowej należałoby spodziewać się raczej płynnego przyrostu mocy od zera do wartości maksymalnej. I jest to konstatacja najzupełniej prawidłowa.
Zasada działania siłowni "wielobiegowej" jest podobna do pracy silnika samochodowego sprzężonego ze skrzynią biegów. Moc wydawana przez silnik zależy od stopnia wzbogacenia mieszanki paliwowej, dostarczanej przez gaźnik, a nie od stopnia przełożenia skrzyni biegów. Przy założeniu, że silnik otrzymuje przez cały czas nie zmienioną mieszankę, oznacza to że przy czterech lub pięciu różnych prędkościach (zależnie od ilości biegów) pracuje on z dokładnie tą samą mocą.
Uważny Czytelnik zauważy, że zmiana przełożenia powoduje jednak przyrost bądź spadek momentu obrotowego, lecz jak się za chwilę przekonamy, ma to jedynie wpływ na dopasowanie prędkości. Silnik bez obciążenia (czyli na biegu jałowym) osiąga pewną "nominalną" prędkość obrotową, która po włączeniu określonego biegu spada, do chwili zrównoważenia momentów oporowych ruchu pojazdu z momentem napędowym, wydawanym przez skrzynię biegów. Ponieważ przy niższych przełożeniach moment napędowy jest większy, zrównoważenie to następuje wcześniej i w konsekwencji rzeczywista prędkość jazdy silnika (a co za tym idzie prędkość obrotowa silnika) jest bliższa "nominalnej".
Podobne zjawisko zachodzi w silniku asynchronicznym. W przypadku ustawienia ilości par biegunów stojana na prędkość 7 węzłów, czyli trzykrotnie mniejszą od znamionowej, moment obrotowy na wale rośnie trzykrotnie, a zatem silnik szybciej osiągnie stan zrównoważenia momentów napędowego i oporowego. Ze tzw. wzoru Klossa (ale nie tego Klossa ) można wyznaczyć, że w takim przypadku poślizg wyniesie tylko 0,008. Podobnie dla prędkości 14 węzłów poślizg wyniesie 0,015 a dla 11 węzłów 0,012 (przypominam że dla prędkości 21 w poślizg wynosi 0,046 i jak widać, prawdopodobnie nie jest wartością znamionową). Natomiast moc wydawana przez turbinę praktycznie nie ulegnie zmianie, nie licząc niewielkiego spadku strat pary, przeznaczonej na wytwarzanie prądu wzbudzenia turbiną T-1.
Sytuacja ta jest analogiczna do jazdy samochodem bez manipulowania pedałem gazu; w takim przypadku silnik pracuje wciąż z tą samą mocą i jego zużycie paliwa zależy nie od prędkości (która samoczynnie dostosowuje się do zmiennych oporów ruchu) lecz jedynie od czasu pracy. Oczywiście bardzo uważny Czytelnik zauważy, że spadek prędkości obrotowej przy mniejszym momencie napędowym to zmniejszenie ilości cykli pracy silnika w ciągu minuty, a co za tym idzie spadek zużycia paliwa w funkcji czasu, lecz w praktyce są to wartości kilkuprocentowe, o ile nie jeździmy po afrykańskich wertepach (bądź przeciętnej polskiej drodze, jak wiadomo składającej się z dziur rozdzielonych wąskimi pasemkami popękanego asfaltu ). Na odruchową sugestię że przecież silnik przy wzroście obciążenia "zwiększa zużycie paliwa" odpowiem krótko że silnik nie może sam nacisnąć pedału gazu — to my go naciskamy, wzbogacając mieszankę, by wzrost mocy zrównoważył przyrost momentu obciążenia. Jeżeli tego nie zrobimy, samochód zwolni bądź silnik po prostu zgaśnie.
Jak w tym porównawczym modelu wygląda odpowiednik pracy czterech silników asynchronicznych, zasilanych jednym generatorem? Otóż jest to sytuacja, w której nasz silnik spalinowy ma włączone tylko dwa z czterech cylindrów. W takiej sytuacji zrównoważenie oporów ruchu wystąpi oczywiście przy mniejszej prędkości, co odpowiada wzrostowi różnicy między prędkością "nominalną" a rzeczywistą. Silnik spalinowy, podobnie jak indukcyjny, ma jednak pewną minimalną prędkość obrotową poniżej której gaśnie, więc wspomniana różnica nie może być nazbyt wielka. Rzecz ciekawa, rozwiązaniem tego problemu jest zmniejszenie średnicy opon, powodujące skrócenie ramienia momentu oporowego kół. Bardzo dobrze odpowiada ono redukcji skoku śruby w przypadku siłowni okrętowej i podobnie jak na okręcie powoduje spadek prędkości. Moc silnika (a co za tym idzie zużycie paliwa) jest w tym przypadku dwukrotnie mniejsza i znów jedynie w niewielkim stopniu zależna od rzeczywistej prędkości liniowej.

[Teller]

W podsumowaniu spróbujmy porównać siłownię turboelektryczną z nowocześniejszą od niej siłownią przekładniową. Ta ostatnia w teorii daje lepszą oszczędność paliwa, gdyż moc turbiny zmienia się płynnie w zakresie od zera do wartości maksymalnej, lecz trzeba pamiętać że paliwo zużywa nie turbina tylko kotły. Pancernik nie może "trochę" rozpalonego kotła — po pierwsze palący się na "małym ogniu" kocioł zużywa proporcjonalnie więcej paliwa na jednostkę wydawanej pary, po drugie nie jest w tym przypadku zdolny do osiągnięcia znamionowego ciśnienia i temperatury pary (co nie tylko zmniejsza sprawność turbiny, ale w dodatku prowadzi do erozji kawitacyjnej łopatek), a po trzecie niektóre kotły w ogóle mają problemy z normalną pracą przy niepełnej mocy, gdyż zbyt mała ilość wytwarzanych gazów spalinowych i pary upustowej nie jest w stanie napędzić ich osprzętu pomocniczego. Poza tym wraz ze spadkiem mocy turbiny głównej siłowni rośnie procentowy udział pary, zużywanej na tak zwane potrzeby własne (napędy parowe urządzeń pomocniczych, wentylatorów i prądnic) oraz udział strat — dobitnie przekonali się o tym Brytyjczycy w typie King George V. Skutek jest więc taki, że w normalnej praktyce ruchowej utrzymuje się pod parą określoną ilość kotłów (zwykle połowę), czyli w praktyce tyle samo co w siłowni turboelektrycznej.
Reasumując, siłownia turboelektryczna jest oszczędna o tyle, że umożliwia wygodną i pozostającą w zakresie ekonomicznym pracę przy połowie mocy wydawanej przez kotły. Dlatego sumaryczny zysk, związany z jej wykorzystaniem, nie jest aż tak wielki jak mogłoby się wydawać, a w porównaniu z dobrze zaprojektowaną siłownią przekładniową ma ona niewiele zalet. Nie oznacza to rzecz jasna, że układ napędowy z wykorzystaniem silników elektrycznych nie mają dzisiaj przyszłości — są one jednak zbudowane zupełnie inaczej i z wykorzystaniem o wiele bardziej zaawansowanej elektrotechniki, niż omówiona tutaj, zaprojektowana w 1915 roku siłownia pancernika New Mexico.

[Teller]

Tu prośba: niech ktoś mający skaner wrzuci skan tekstu hasla z systemem Leonarda i rysunek z "Nowej encyklopedii powszechnej PWN", sześciotomowej z ok. 1996, t.3, s.708.

W związku z prośbą MiKo i Andrzeja J. jako swoiste post scriptum zamieszczam także możliwie dokładny schemat tak zwanego układu Leonarda, umożliwiającego płynną regulację prędkości obrotowej silnika na prąd stały. Narysowałem go w wersji nieco innej niż się to spotyka w podręcznikach, by dać uczestnikom Forum pogląd na jego zastosowanie w siłowni okrętowej, w której źródłem mocy mechanicznej jest turbina parowa, a nie zwykle stosowany silnik indukcyjny trójfazowy.



W naszym konkretnym przypadku układ Leonarda składa się z trzech maszyn elektrycznych i jednej mechanicznej. Są to
• wzbudnica W, wytwarzająca prąd stały dla elektromagnesów w stojanach wszystkich trzech maszyn elektrycznych.
• turbina parowa T, połączona wałem napędowym ze wzbudnicą i generatorem.
• generator P, wytwarzający prąd stały dla elektromagnesu w wirniku silnika napędowego.
• silnik napędowy M, połączony wałem ze śrubą napędową.
Nie obeznany z elektrotechniką Czytelnik zapewne zauważy, że oprócz tych czterech ustrojstw na rysunku jest również masa innych dziwnych kresek, zygzaków i liter o zupełnie nieznanym przeznaczeniu. W rzeczywistości większość z nich to wewnętrzne podzespoły opisanych powyżej maszyn — tak się je rozrysowuje na schematach elektrycznych. Koła z narysowanymi po bokach czarnymi klockami, które na pierwszy rzut oka mogą wydawać się korpusami silników są w rzeczywistości ich wirnikami, a same "klocki" to szczotki komutatora. Wyprowadzone z nich zaciski (puste kółka) mają zgodnie z Polskimi Normami oznaczenia A i B. Zacisk B łączy się z krótkim pionowym zygzakiem, oznaczającym uzwojenie tak zwanych biegunów komutacyjnych, służących do poprawy warunków pracy komutatora. Końce tego uzwojenia z mocy PN są oznaczone literami G i H.
Z boku każdego wirnika narysowane jest uzwojenie stojana w formie poziomego zygzaka. Wzbudnica, która jest maszyną samowzbudną (czyli nie wymagającą osobnego zasilania stojana podczas pracy), ma uzwojenie stojana włączone równolegle z uzwojeniem wirnika (innymi słowy zaciski + obu uzwojeń łączy się ze sobą, podobnie jak zaciski –). Taki rodzaj uzwojenia, fachowo nazywany bocznikowym, jest oznaczany literami C i D (gdyby wzbudnica miała szeregowe uzwojenie stojana, byłoby ono oznaczone literami E i F). Pozostałe dwie maszyny mają obcowzbudne uzwojenia stojanów (czyli zasilane ze źródła zewnętrznego, którym w naszym przypadku jest wspomniana wzbudnica), zgodnie z normami opisane jako I i K.
Prostopadły do szczotek sposób rysowania "zygzaków" uzwojeń stojanów może się wydawać Czytelnikom dość niewygodny (czemu pan tego nie narysujesz równolegle, panie Teller, będzie więcej miejsca na schemacie), lecz wynika on z norm technicznych — ustawienie uzwojenia stojana względem osi szczotek (czarnych prostokątów) odpowiada tak zwanemu kątowi elektrycznemu między tymi elementami, który wynosi 90°. Z tych samych powodów uzwojenie komutacyjne jest narysowane równolegle do osi szczotek. A tak na marginesie, również kształt czworokąta turbiny T wynika z norm; szerszy koniec czworokąta odpowiada stopniowi niskiego ciśnienia, a węższy stopniowi wysokiego ciśnienia.
Pozostałe trzy zygzaki to oporniki regulacyjne prądu wzbudzenia oznaczone symbolami Rrw. Ich zaciski (dla uproszczenia wyrysowałem je tylko przy wzbudnicy) mają zwykle oznaczenia q, s i t. Z tych trzech oporników, włączony do obwodu stojana wzbudnicy opornik Rrw służy do regulacji prądu wzbudzenia w stojanie wzbudnicy, w celu utrzymania stałego napięcia na zaciskach + i –, co z kolei zapewnia zachowanie stałej wartości strumienia magnetycznego wszystkich stojanów niezależnie od obciążenia pozostałych maszyn — i dalej nie będziemy się nim zajmować. Zasadniczą rolę w układzie Leonarda odgrywa opornik Rrw1, za pomocą którego regulujemy wartość prądu wzbudzenia, płynącego w obwodzie stojana generatora P. Szczegółowiej działanie tego opornika omówię w następnym akapicie, tu wyjaśnię jedynie że poprzez zmianę jego ustawienia możemy płynnie regulować wydawane przez generator napięcie U, zasilające uzwojenie wirnika w silniku M. Zmianie napięcia U odpowiada płynna zmiana prędkości obrotowej silnika M w zakresie od 0 do prędkości znamionowej. Jeżeli chcemy osiągnąć prędkość większą, niż osiągana przy napięciu znamionowym, za pomocą regulatora Rrw2 zmieniamy wartość prądu stojana w silniku M.
Regulator Rrw1 w wygodny sposób umożliwia również zmianę kierunku obrotów silnika M. Aby to wyjaśnić, przyjrzyjmy się bliżej temu regulatorowi. Jak widać, składa się on z dwóch oporników (na schemacie przedstawionych w formie zygzaków na wycinku koła), po których przesuwają się połączone mechanicznie (ale odizolowane elektrycznie!) styki ślizgowe regulatora (dwie ukośne kreski połączone okręgiem). Jak zapewne (nie) wiedzą Czytelnicy, wartość spadku napięcia w obwodzie, do którego szeregowo włączymy opornik liniowy, jest odwrotnie proporcjonalna do długości tego opornika (wynika to ze wzoru na oporność R = q • L/S, gdzie R — opór w omach, q — współczynnik przewodności własnej danego materiału, L — długość opornika w m, S — pole przekroju opornika w m^2). Jeżeli oba styki ślizgowe ustawimy w położeniu neutralnym (poziomo na naszym rysunku), to wskutek identycznej długości "czynnych" odcinków obu oporników, wartości spadków napięć po obu stronach będą identyczne i prąd w obwodzie stojana prądnicy nie popłynie wcale. W konsekwencji napięcie U będzie równe 0 i silnik M będzie stał w miejscu.
Przekręcenie styków w prawo powoduje wydłużenie "czynnego" odcinka opornika po lewej stronie i skrócenie go z prawej strony. W rezultacie zwiększamy napięcie (lub mówiąc ściślej — zmniejszamy spadek napięcia) w przewodzie po prawej stronie, a zarazem zmniejszamy napięcie w przewodzie po lewej. W wyniku tego prąd w stojanie generatora P płynie od styku I do styku K, wytwarzając napięcie U, które wprawia silnik M w ruch obrotowy. Im dalej przekręcimy styki od punktu neutralnego, tym większa będzie różnica spadków napięć, powodując wzrost prądu wzbudzenia generatora, co skutkuje wzrostem napięcia U i wzrostem prędkości obrotowej silnika. Jeżeli przekręcimy styki w lewo od punktu neutralnego, sytuacja ulegnie odwróceniu — prąd popłynie od styku K do styku I, powodując zmianę kierunku napięcia U i w konsekwencji zmianę kierunku obrotów silnika M.
Czytelnicy (zwłaszcza ci starsi, pamiętający czasy Składnicy Harcerskiej i nierozłącznie z nią związanych modeli kolejek firmy PIKO) mogą zauważyć, że przypomina to trochę sterownik w kolejkach elektrycznych, ale tylko częściowo — sterownik jest ręcznie ustawianym autotransformatorem z prostownikiem i układem wygładzającym na zaciskach wyjściowych. Natomiast regulacja prędkości i kierunku jazdy kolejki elektrycznej rzeczywiście opiera się na tej samej zasadzie zmiany wartości i kierunku prądu wirnika w silniku napędowym.
Układ Leonarda jest bardzo wygodny, gdyż prąd wzbudzenia w obwodzie stojana generatora P jest względnie mały, więc zamieniane w ciepło straty na oporniku Rrw1 są niewielkie w porównaniu z mocą całego układu (a w dodatku niezależne od ustawienia regulatora). Nie będę tu szczegółowo omawiał zasady działania maszyn komutatorowych prądu stałego o charakterystyce bocznikowej i obcowzbudnej, bo na długo ugrzęźlibyśmy w mocno zaawansowanej elektrotechnice, dlatego jedynie krótko wyjaśnię że w maszynach tych prąd w obwodzie stojana jest z reguły zdecydowanie mniejszy niż prąd w obwodzie wirnika — pole magnetyczne stojana jest na tyle słabe, że w silnikach o małej mocy stosuje się zwykłe magnesy zamiast elektromagnesów. Dzięki temu regulowanie wartości prądu wzbudzenia z wykorzystaniem oporników ma mały wpływ na ogólną sprawność układu.
Oprócz niewątpliwych zalet układ Leonarda ma również kilka wad. W układach "lądowych" najważniejszą z nich jest konieczność stosowania kilku maszyn, zamiast jednego silnika zasilanego wprost z sieci. Jednak w siłowni okrętowej argument ten ma małe znaczenie, gdyż i tak musi się w niej znajdować generator ze wzbudnicą i silnik. W czasie gdy projektowano siłownie typu New Mexico poważniejszą wadą była zbyt mała moc układu w stosunku do potrzeb, gdyż uboczne zjawiska komutacji (wyładowania łukowe przy wychodzeniu sekcji komutatora poza styki szczotek) sprawiały podówczas spore kłopoty przy napięciach powyżej 1 kV. Oznaczało to, że chcąc uzyskać moc 21,6 MW z czterech jednostek napędowych należało dostarczyć do każdego silnika prąd o natężeniu 5,4 kA (a co za tym idzie każdy generator musiał wydawać 10,8 kA). Był to bardzo duży prąd, powodujący znaczne straty w szynach przesyłowych, które przy tak wysokim natężeniu po prostu silnie się nagrzewały. Dlatego pomimo wygodnej i płynnej regulacji obrotów układ Leonarda nie znalazł zastosowania w wymagających dużych mocy siłowniach okrętowych.

[Teller]

Sorki za mały offtopic. Teller - o jakiej pseudomonografii Richelieu mówisz?

Pewien matołek przetłumaczył artykuł z Briza (z potwornymi błędami, w tym językowymi) i usiłował się pod nim podpisać. Na szczęście nie wyszło to poza e-rękopis. Niestety nie mogę podać szczegółów, bo to nieoficjalne sprawy.

[CIA]

No to juz wiem co będę robił w całym przyszłym tygodniu - będę czytał i analizował posty Tellera

[RyszardL]

Ja będę robił to samo i zacznę juz dzisiaj, ale zastanawiam się, czy od czasu siłowni "New Mexico", zbudowanej na prąd zmienny, udało się osiągnąć wystarczający postęp technologiczny, aby budować siłownie okrętowe na prąd stały? Mam na mysli płynną regulację obrotów silnika no i zmianę kierunku.
(postęp podobny do napędu lokomotyw elektrycznych, gdzie, mimo zasilania prądem przemiennym z sieci, napęd na osie zapewniają silniki prądu stałego)

Pozdrawiam
Ryszard

[Gość]

Ja będę robił to samo i zacznę juz dzisiaj, ale zastanawiam się, czy od czasu siłowni "New Mexico", zbudowanej na prąd zmienny, udało się osiągnąć wystarczający postęp technologiczny, aby budować siłownie okrętowe na prąd stały? Mam na mysli płynną regulację obrotów silnika no i zmianę kierunku.
(postęp podobny do napędu lokomotyw elektrycznych, gdzie, mimo zasilania prądem przemiennym z sieci, napęd na osie zapewniają silniki prądu stałego)

Pozdrawiam
Ryszard

To zależy gdzie. W Polszcze po dziś dzień jest to (o ile mnie pamięć nie myli) 3,4 kV prądu stałego. Poza tym wcale nie mam pewności czy lokomotywy na prąd przemienny mają przetworniki półprzewodnikowe na prąd stały, czy raczej układy zmiany częstotliwości.