Дизель-электрлік жүргізу жүйесі

Кіріспе

Көлік құралдарының қозғалтқыш жүйесі

Дизельдік-электрлік беріліс немесе дизельдік-электрлік қуат жүйесі – автомобиль, теміржол және теңіз көлігінде дизельді қозғалтқыштармен қоздырылатын көлік құралдарының беріліс жүйесі. Дизельдік-электрлік беріліс бензиндік-электрлік беріліске негізделген, ол бензинді қозғалтқыштарда қолданылатын беріліс жүйесі. Дизельдік-электрлік беріліс теміржолдарда дизельдік-электрлік локомотивтерде және дизельдік-электрлік көп бірліктерде қолданылады, себебі электрлік қозғалтқыштар 0 айналым/мин жылдамдықта толық айналу моментін бере алады. Дизельдік-электрлік жүйелер теңіз көлігінде, соның ішінде су асты кемелерінде, сондай-ақ кейбір құрлықтағы көліктерде де қолданылады.

Сипаттама

Дизельді-электрлік берілістің ерекшелігі – ол дизельді қозғалтқыштың механикалық күшін электр энергиясына (генератор арқылы) түрлендіріп, көлікті механикалық түрде қозғайтын жетек қозғалтқыштарын қуаттандыру арқылы беріліс қорабының қажеттілігін жояды. Жетек қозғалтқыштары тікелей немесе қайта зарядталатын аккумуляторлар арқылы қуат ала алады, бұл көлікті гибридтік электрлік көлік түріне айналдырады. Бұл беріліс әдісі кейде электрлік беріліс деп аталады, себебі ол бензинді қозғалтқыштармен жұмыс істейтін көліктерде қолданылатын бензинді-электрлік беріліске және газ турбиналарында қолданылатын турбиналық-электрлік беріліске ұқсас.

Артықшылықтары мен кемшіліктері

Дизельдік электрлік беріліс жүйелері – үздіксіз өзгермелі берілістің бір түрі. Қалыпты беріліс қорабының болмауы жылдамдықтарды ауыстыру қажеттілігін жояды, бұл біркелкісіз үдеуді, оның ішінде ажыратылған кездегі байланыстың үзілуінен туындағанды, болдырмайды. Қосымша аккумуляторлардың болуы қозғалтқыштарға тек электр қуатымен жұмыс істеуге мүмкіндік береді, мысалы, қозғалтқыш шуы немесе газдары таза ауа аймағында бұзылыс тудырғанда. Дизельдік электрлік берілістің кемшіліктері – күрделі болу мүмкіндігі, жоғары құны және энергия түрлендіруден туындаған тиімділіктің төмендеуі.

Кемелер

Бірінші дизельдік моторлы кеме сонымен бірге алғашқы дизельдік-электрлік кеме болды, ол 1903 жылы Бранобельдегі орыс танкері «Вандал» болды. Бу турбиналық-электрлік жетегі 1920 жылдардан бері қолданылып келеді, ал соңғы уақытта су үстіндегі кемелерде дизельдік-электрлік станцияларды қолдану артып келеді. 1928-1929 жылдары салынған фин жағалау қорғау кемелері «Илмаринен» және «Вяйнямёйнен» дизельдік-электрлік берілісті қолданған алғашқы су үстіндегі кемелердің қатарында болды. Кейіннен бұл технология дизельдік қуатпен жұмыс істейтін мұзжарғыш кемелерде қолданылды. Екінші дүниежүзілік соғыста АҚШ Әскери-теңіз күштері дизельдік-электрлік су үстіндегі соғыс кемелерін салды. Машина-жабдықтардың тапшылығына байланысты «The» және «Es» эсминецтері дизельдік-электрлік болды, олардың жобаланған қуатының жартысы құрады («The» және «Es» толық қуатты бу турбиналық-электрлік болды). Ал «S» эсминецтері дизельдік-электрлік жетегінің икемділігі мен зақымдануға төзімділігіне байланысты осы жүйемен жабдықталды. Кейбір қазіргі заманғы дизельдік-электрлік кемелер, оның ішінде круиздік кемелер мен мұзжарғыш кемелер, 360° айналуға мүмкіндік беретін азимуттық итергіштер деп аталатын қораптарда электр моторларын қолданады, бұл кеменің маневрлеу қабілетін арттырады. Мысалы, 2019 жылғы ең ірі жолаушылар кемесі – «Symphony of the Seas» кемесі. Газ турбиналары электр энергиясын өндіру үшін де қолданылады, ал кейбір кемелер олардың комбинациясын пайдаланады: «Queen Mary 2» кемесінің түбінде дизельдік қозғалтқыштар жиынтығы және негізгі түтікке жақын орналасқан екі газ турбинасы бар; барлығы электр энергиясын өндіру үшін қолданылады, соның ішінде винттерді қозғау үшін. Бұл турбинаның жоғары жылдамдығы мен төмен айналым моментін, артық азайту берілістерін қажет етпей, төмен жылдамдықты винтті қозғалтудың салыстырмалы түрде қарапайым тәсілін ұсынады.

Су асты кемелері

Алғашқы су асты кемелерінің көпшілігі жанармай қозғалтқышы мен винт арасындағы тікелей механикалық байланысты пайдаланды, беттік жүзу үшін дизельдік қозғалтқыштарға, ал су астында жүзу үшін электр қозғалтқыштарына ауысып отырды. Бұл, тиімді түрде, "параллель" гибридтік жүйе болды, себебі мотор мен қозғалтқыш бір біліктің (валдың) арқылы байланыстырылды. Бетте мотор (қозғалтқышпен қозғалатын) батареяларды зарядтау және басқа электрлік жүктемелерді қамтамасыз ету үшін генератор ретінде қолданылды. Су астында жұмыс істеу үшін қозғалтқыш өшіріліп, батареялар электр мотормен қуаттандырылып, барлық басқа қуатты да жеткізіп тұрды. Ал нағыз дизель-электрлік беріліс жүйесінде, керісінше, винт немесе винттер әрқашан бір немесе бірнеше электр моторларымен тікелей немесе айналдыру тісті доңғалақтары арқылы қозғалады, ал дизель генераторларының бірі немесе бірнешесі батареяларды зарядтау және моторларды қуаттандыру үшін электр энергиясын өндіреді. Бұл шешім дизельдік қозғалтқыш пен винт арасындағы бастапқыда кең таралған тікелей механикалық байланысқа қарағанда бірнеше кемшіліктері болғанымен, артықшылықтары ақырында маңыздырақ болып шықты. Маңызды артықшылықтардың бірі – бұл шулы қозғалтқыш бөлімін сыртқы қысым корпусынан механикалық түрде оқшаулау және су асты кемесі бетте болғанда оның дыбыстық қолтаңбасын (сигнатурасын) азайту. Кейбір ядролық су асты кемелері де реакторлық установканың буымен қозғалатын турбогенераторлармен ұқсас турбоэлектрлік жетекті жүйесін қолданады. Нағыз дизель-электрлік берілісті алғаш қолданғандардың бірі – 1904 жылы суға түсірілген және бастапқыда жартылай дизельдік қозғалтқышпен (негізінен керосинмен жұмыс істейтін ыстық шамдық қозғалтқыш) жабдықталған швед теңіз флотының алғашқы су асты кемесі HMS Hajen (кейін Ub No 1), кейін ол нағыз дизельмен ауыстырылды. 1909 жылдан 1916 жылға дейін швед теңіз флоты тағы жеті су асты кемесін үш түрлі класта (2-ші класс, Laxen класы және Braxen класы) суға түсірді, олардың барлығы дизель-электрлік беріліс жүйесін қолданды. Швеция 1910-шы жылдардың ортасында шетелден су асты кемелерін сатып ала бастағанда дизель-электрлік берілістен уақытша бас тартса, 1930-шы жылдардың ортасында Швеция өз су асты кемелерін қайта жобалай бастағанда технология бірден қайта енгізілді. Сол кезден бастап дизель-электрлік беріліс жүйесі шведтік су асты кемелерінің барлық жаңа кластарында тұрақты түрде қолданылды, бірақ 1988 жылы HMS Näcken-нен бастап Стирлинг қозғалтқыштарымен қамтамасыз етілген ауадан тәуелсіз жетекті (AIP) жүйесімен толықтырылды. Дизель-электрлік берілісті ерте қабылдаған тағы бір ел – АҚШ теңіз флоты, оның Бума инженерлік бюросы 1928 жылы оны пайдалануды ұсынды. Кейіннен ол S класының су асты кемелері S 3, S 6 және S 7-де сынақтан өтті, содан кейін 1930-шы жылдардың Porpoise класында өндіріске енгізілді. Сол кезден бастап ол АҚШ-тың көптеген конвенциялық су асты кемелерінде қолданыла бастады. Британдық U класынан және төмен жылдамдықпен жүру үшін жеке дизель генераторларын қолданған Жапон императорлық теңіз флотының кейбір су асты кемелерінен басқа, 1945 жылға дейін Швеция мен АҚШ-тан басқа көптеген теңіз флоты дизель-электрлік берілісті көп қолданған жоқ. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін, керісінше, ол конвенциялық су асты кемелері үшін басты жетектік режимге біртіндеп айналды. Алайда, оны қабылдау әрқашан жылдам болған жоқ. Атап айтарлықтай, Кеңес теңіз флоты 1980 жылға дейін Paltus класындағы су асты кемелерінде ғана дизель-электрлік берілісті енгізді.

Most early submarines used a direct mechanical connection between the combustion engine and propeller, switching between diesel engines for surface running and electric motors for submerged propulsion. This was effectively a "parallel" type of hybrid, since the motor and engine were coupled to the same shaft. On the surface, the motor (driven by the engine) was used as a generator to recharge the batteries and supply other electric loads. The engine would be disconnected for submerged operation, with batteries powering the electric motor and supplying all other power as well. In a true diesel–electric transmission arrangement, by contrast, the propeller or propellers are always driven directly or through reduction gears by one or more electric motors, while one or more diesel generators provide electric energy for charging the batteries and driving the motors. While this solution comes with a few disadvantages compared to direct mechanical connection between the diesel engine and the propeller that was initially common, the advantages were eventually found to be more important. One of several significant advantages is that it mechanically isolates the noisy engine compartment from the outer pressure hull and reduces the acoustic signature of the submarine when surfaced. Some nuclear submarines also use a similar turbo electric propulsion system, with propulsion turbo generators driven by reactor plant steam. Among the pioneering users of true diesel–electric transmission was the Swedish Navy with its first submarine, HMS Hajen (later renamed Ub no 1), launched in 1904 and originally equipped with a semi diesel engine (a hot bulb engine primarily meant to be fueled by kerosene), later replaced by a true diesel. From 1909 to 1916, the Swedish Navy launched another seven submarines in three different classes (2nd class, Laxen class, and Braxen class), all using diesel–electric transmission. While Sweden temporarily abandoned diesel–electric transmission as it started to buy submarine designs from abroad in the mid 1910s, the technology was immediately reintroduced when Sweden began to design its own submarines again in the mid 1930s. From that point onwards, diesel–electric transmission has been consistently used for all new classes of Swedish submarines, albeit supplemented by air independent propulsion (AIP) as provided by Stirling engines beginning with HMS Näcken in 1988. Another early adopter of diesel–electric transmission was the United States Navy, whose Bureau of Steam Engineering proposed its use in 1928. It was subsequently tried in the S class submarines S 3, S 6, and S 7 before being put into production with the Porpoise class of the 1930s. From that point onwards, it continued to be used on most US conventional submarines. Apart from the British U class and some submarines of the Imperial Japanese Navy that used separate diesel generators for low speed running, few navies other than those of Sweden and the US made much use of diesel–electric transmission before 1945. After World War II, by contrast, it gradually became the dominant mode of propulsion for conventional submarines. However, its adoption was not always swift. Notably, the Soviet Navy did not introduce diesel–electric transmission on its conventional submarines until 1980 with its Paltus class.

Темір жол локомотивтері

Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде жоғарыда түтін шығармайтын теміржол локомотивтеріне стратегиялық қажеттілік туды. Дизельдік технология жеткілікті деңгейде дамымағандықтан, бірнеше алдын ала әрекеттер жасалды, әсіресе француздар (Крохат Коллардо, 1912 жылғы патент, сондай-ақ танктер мен жүк машиналары үшін де қолданылды) және британдықтар (Дик, Керр & Co және British Westinghouse) тарапынан бензинді-электрлік берілістерді жасауға бағытталды. Соғыстың әртүрлі кезеңдерінде осы локомотивтердің шамамен 300 данасы, оның ішінде 96 стандартты калибрлі локомотив пайдаланылды. 1920 жылдары дизель-электрлік технология алғаш рет маневрлік локомотивтерде (Ұлыбританияда: шунтерлік локомотивтер) шектеулі қолданыс тапты, олар теміржол станцияларында вагондарды жылжыту, құрастыру және бөлшектеу үшін қолданылды. "Мұнай-электр" локомотивтерін ұсынған алғашқы компаниялардың бірі – American Locomotive Company (ALCO) болды. ALCO HH сериялы дизель-электрлік маневрлік локомотив 1931 жылы сериялық өндіріске шығарылды. 1930 жылдары бұл жүйе сол кездегі ең жылдам пойыздар – стримлайнерлерге бейімделді. Дизель-электрлік қондырғылардың танымал болуының себебі – қозғалтқыштан дөңгелектерге қуат беруді ыңғайластыру, тиімділігін арттыру және техникалық қызмет көрсетуді жеңілдету болды. Тікелей беріліс жүйелері, әсіресе локомотивтің әдетте төрт немесе одан да көп осі болғандықтан, өте күрделі болуы мүмкін. Сонымен қатар, тікелей дизельді локомотивтің қозғалтқышын тиімді қуат диапазонында ұстау үшін өте көп санды беріліс қажет болар еді; дизельді генераторға қосу бұл мәселені шешеді. Балама ретінде тікелей беріліс жүйесінде айналым моментін түрлендіргіш немесе сұйық байланыс қолданылуы мүмкін.

Автобустар

Дизельдік-электрлік автобустар да өндірілді, оның ішінде электр қуатын аккумуляторларда жұмыс істеп, сақтай алатын гибридтік жүйелер де бар. Дизельді-электрлік автобустарға арналған гибридтік жүйелерді ұсынатын екі негізгі жеткізуші – Allison Transmission және BAE Systems. New Flyer Industries, Gillig Corporation және North American Bus Industries компаниялары Allison EP гибридтік жүйелерінің ірі клиенттері, ал Orion Bus Industries және Nova Bus компаниялары BAE HybriDrive жүйесінің ірі клиенттері болып табылады. Mercedes Benz өздерінің Citaro модельдерінде қолданылатын дизельді-электрлік жетек жүйесін жасап шығарады. Тек бір дизельді-электрлік беріліспен жүретін жалғыз автобус – 1998 жылы ұсынылған Mercedes Benz Cito төмен қабатты концепт-автобусы.

Әскери көліктер

Дизельді-электрлік жетегі кейбір әскери техникаларда, мысалы, танктерде қолданылып келді. Екінші дүниежүзілік соғыстағы TOG1 және TOG2 супер ауыр танктерінің прототиптері V12 дизельдік қозғалтқыштарымен қуаттандырылатын екі генераторды пайдаланды. Жақындағы прототиптердің ішінде SEP модульді бронетранспортты машинасы және T95e бар. Болашақта танктер отынның тиімділігін арттыру мақсатында дизельді-электрлік жетегін қолдануы мүмкін, сонымен қатар электр станциясының өлшемдерін, салмағын және шуын азайтуға болады. Дөңгелекті әскери техникаларда дизельді-электрлік жетегін сынауға жасалған әрекеттердің ішінде ACEC Cobra, MGV және XM1219 қарулы роботтық машинасы сәтсіз аяқталды.