Дизель-электрическая передача: принципы, применение и история развития.

Введение

Двигательная система для транспортных средств

Дизель-электрическая трансмиссия, или дизель-электрическая силовая установка, – это система передачи мощности для транспортных средств, приводимых в движение дизельными двигателями в автомобильном, железнодорожном и морском транспорте. Дизель-электрическая трансмиссия основана на бензиново-электрической трансмиссии, системе, используемой для бензиновых двигателей. Дизель-электрическая трансмиссия применяется на железных дорогах в дизель-электрических локомотивах и дизель-электрических моторвагонных секциях, поскольку электродвигатели способны обеспечивать полный крутящий момент при 0 оборотах в минуту. Дизель-электрические системы также используются в морском транспорте, включая подводные лодки, и на некоторых наземных транспортных средствах.

Описание

Определяющей характеристикой дизель-электрической трансмиссии является отсутствие необходимости в коробке передач: механическая сила дизельного двигателя преобразуется в электрическую энергию (с помощью генератора), которая затем используется для питания тяговых двигателей, приводящих транспортное средство в движение. Тяговые двигатели могут питаться напрямую или через аккумуляторные батареи, что делает транспортное средство разновидностью гибридного электромобиля. Этот способ передачи иногда называют электрической трансмиссией, поскольку он идентичен бензиново-электрической трансмиссии, применяемой в транспортных средствах с бензиновыми двигателями, и турбино-электрической трансмиссии, используемой для газовых турбин.

Преимущества и недостатки

Дизельные электрические трансмиссии являются типом бесступенчатой трансмиссии. Отсутствие механической коробки передач устраняет необходимость переключения передач, что предотвращает рывки при ускорении, вызванные размыканием сцепления. Благодаря вспомогательным аккумуляторам электродвигатели могут работать исключительно на электричестве, например, в зонах с ограничениями по выбросам и шуму. К недостаткам дизель-электрической трансмиссии относятся потенциальная сложность, высокая стоимость и снижение эффективности из-за потерь при преобразовании энергии.

Корабли

Первым дизельным судном был также первый дизель-электрический корабль, российский танкер «Вандал» компании Branobel, спущенный на воду в 1903 году. Электрический привод с паровой турбиной используется с 1920-х годов, а в последнее время возросло использование дизель-электрических установок на надводных судах. Финские корабли береговой обороны «Ilmarinen» и «Väinämöinen», заложенные в 1928–1929 годах, были одними из первых надводных кораблей, использовавших дизель-электрическую передачу. Позже эта технология была применена в дизельных ледоколах. Во время Второй мировой войны ВМС США построили дизель-электрические надводные военные корабли. Из-за нехватки оборудования эскортные миноносцы типа «И» и типа «Э» были дизель-электрическими, развивая половину своей проектной мощности (типы «И» и «Э» использовали полную мощность паровых турбин). Типы «S», напротив, проектировались с дизель-электрическим приводом из-за его гибкости и устойчивости к повреждениям. Некоторые современные дизель-электрические суда, включая круизные лайнеры и ледоколы, используют электродвигатели в поворотных колонках (азимутальных подруливающих устройствах), расположенных под корпусом, что обеспечивает вращение на 360° и значительно повышает маневренность. Примером является «Symphony of the Seas», крупнейший пассажирский корабль на 2019 год. Газовые турбины также используются для выработки электроэнергии, а некоторые корабли используют комбинированную установку: на «Queen Mary 2» установлены дизельные двигатели в нижней части судна и две газовые турбины рядом с главной дымовой трубой; все они используются для выработки электроэнергии, включая энергию, приводящую в движение винты. Это обеспечивает относительно простой способ использования высокой скорости и низкого крутящего момента турбины для привода винтов с низкой скоростью вращения, без необходимости использования сложной редукторной передачи.

Подводные лодки

Большинство ранних подводных лодок использовали прямое механическое соединение между двигателем внутреннего сгорания и винтом, переключаясь между дизельными двигателями для надводного хода и электродвигателями для подводного движения. Это фактически представляло собой "параллельную" гибридную схему, поскольку двигатель и мотор были соединены с одним и тем же валом. На поверхности мотор (приводимый в движение двигателем) использовался как генератор для зарядки аккумуляторов и питания других электрических потребителей. Для подводного хода двигатель отключался, а аккумуляторы питали электродвигатель, обеспечивая также и все остальные потребности в энергии. В настоящей дизель-электрической передаче, напротив, винт или винты всегда приводятся в движение непосредственно или через редукторные передачи одним или несколькими электродвигателями, в то время как один или несколько дизель-генераторов обеспечивают электрической энергией для зарядки аккумуляторов и питания двигателей. Хотя это решение имело некоторые недостатки по сравнению с прямой механической связью между дизельным двигателем и винтом, которая первоначально была распространена, преимущества в конечном итоге оказались более существенными. Одним из значительных преимуществ является то, что оно механически изолирует шумное машинное отделение от прочного корпуса и снижает акустическую заметность подводной лодки на поверхности. Некоторые атомные подводные лодки также используют аналогичную турбоэлектрическую систему привода, с турбогенераторами, приводимыми в движение паром от реакторной установки. Среди пионеров использования настоящей дизель-электрической передачи был шведский флот с его первой подводной лодкой HMS Hajen (позже переименованной в Ub No 1), спущенной на воду в 1904 году и первоначально оснащенной полудизельным двигателем (двигателем горячего типа, предназначенным главным образом для работы на керосине), который впоследствии был заменен настоящим дизелем. С 1909 по 1916 год шведский флот спустил на воду еще семь подводных лодок в трех различных классах (2-й класс, класс Laxen и класс Braxen), все использовавшие дизель-электрическую передачу. Хотя Швеция временно отказалась от дизель-электрической передачи, начав закупать проекты подводных лодок за рубежом в середине 1910-х годов, технология была немедленно вновь внедрена, когда Швеция возобновила самостоятельную разработку подводных лодок в середине 1930-х годов. С тех пор дизель-электрическая передача последовательно использовалась во всех новых классах шведских подводных лодок, хотя и дополнялась воздухонезависимой энергетической установкой (AIP) на основе двигателей Стирлинга, начиная с HMS Näcken в 1988 году. Еще одним ранним пользователем дизель-электрической передачи был ВМС США, чье Бюро паровой инженерии предложило ее использование в 1928 году. Затем она была испытана на подводных лодках класса S S3, S6 и S7, прежде чем была запущена в серийное производство с подводными лодками класса Porpoise 1930-х годов. С тех пор она продолжала использоваться на большинстве американских неатомных подводных лодок. Помимо британских подводных лодок класса U и некоторых подводных лодок Императорского японского флота, которые использовали отдельные дизель-генераторы для движения на малой скорости, немногие флоты, кроме шведского и американского, широко использовали дизель-электрическую передачу до 1945 года. После Второй мировой войны, напротив, она постепенно стала доминирующим способом привода для неатомных подводных лодок. Однако ее внедрение не всегда происходило быстро. В частности, советский флот не начал использовать дизель-электрическую передачу на своих неатомных подводных лодках до 1980 года с подводными лодками класса Paltus.

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.

Железнодорожные локомотивы

Во время Первой мировой войны возникла стратегическая потребность в железнодорожных локомотивах, не оставляющих за собой дымных следов. Дизельная технология ещё не была достаточно развита, но были предприняты отдельные попытки, особенно в области бензино-электрической передачи, французскими специалистами (Crochat Collardeau, патент 1912 года, также использовавшийся для танков и грузовиков) и британскими компаниями (Dick, Kerr & Co и British Westinghouse). Около 300 таких локомотивов, из которых только 96 были построены по стандартной колее, использовались на различных участках фронта. В 1920-х годах дизель-электрическая технология начала ограниченно применяться в маневровых локомотивах (в Великобритании: локомотивах-пушеры), используемых для перемещения составов на сортировочных станциях и их комплектации. Одной из первых компаний, предлагавших локомотивы "Oil Electric", была Американская локомотивная компания (ALCO). Серия дизель-электрических маневровых локомотивов ALCO HH поступила в серийное производство в 1931 году. В 1930-х годах система была адаптирована для скоростных поездов – стримлайнеров, самых быстрых поездов своего времени. Дизель-электрические установки стали популярными благодаря значительному упрощению передачи мощности к колесам, а также большей эффективности и сниженным требованиям к обслуживанию. Механические передачи могут быть очень сложными, особенно учитывая, что типичный локомотив имеет четыре или более оси. Кроме того, дизельному локомотиву с механической передачей потребовалось бы непрактичное количество передач для поддержания оптимального режима работы двигателя; подключение дизеля к генератору решает эту проблему. Альтернативным решением является использование гидротрансформатора или гидромуфты в механической системе передачи вместо коробки передач.

Автобусы

Также выпускались дизель-электрические автобусы, в том числе гибридные системы, способные работать как от дизельного двигателя, так и от электричества, накапливая энергию в аккумуляторах. Два основных поставщика гибридных систем для дизель-электрических автобусов – Allison Transmission и BAE Systems. Крупнейшими заказчиками гибридных систем Allison EP являются New Flyer Industries, Gillig Corporation и North American Bus Industries, а Orion Bus Industries и Nova Bus – основными заказчиками системы BAE HybriDrive. Mercedes-Benz производит собственную дизель-электрическую силовую установку, которая используется в их Citaro. Единственным автобусом, использующим дизель-электрическую трансмиссию без вспомогательного дизельного двигателя, является концепт-автобус Mercedes-Benz Cito с низким полом, представленный в 1998 году.

Военные машины

Дизель-электрическая трансмиссия была опробована на некоторых военных машинах, таких как танки. Прототипы сверхтяжелых танков TOG1 и TOG2 времен Второй мировой войны использовали два генератора, приводимые в действие дизельными двигателями V12. Более поздние прототипы включают модульный бронированный автомобиль SEP и T95e. В будущем танки могут использовать дизель-электрические трансмиссии для повышения топливной эффективности при одновременном уменьшении размеров, веса и уровня шума силовой установки. Попытки применения дизель-электрической трансмиссии на колесных военных машинах включают неудачные ACEC Cobra, MGV и вооруженный роботизированный аппарат XM1219.