Как указано в статье Тила, движитель состоит из двух плоских котлов с упругой верхней крышкой-мембраной размерами 915X610X13 мм, каждый из которых имеет по шесть керосиновых горелок. Из котлов за корму выходят по две трубы. Когда давление пара в котле становится больше давления забортной воды, пар выбрасывается через одну из труб, благодаря чему создается реактивная сила, движущая катер. Как 'только давление в котле падает, по второй трубе в него поднимается забортная вода, и процесс повторяется снова. Процесс совершается по первому закону термодинамики — переданное пару тепло расходуется на увеличение внутренней энергии пара, которая в свою очередь расходуется на внешнюю работу при истечении пара через трубки, т. е. на тяговое усилие.
Попытки создания гидромоторных движителей («паровых водометов») относятся еще к прошлому столетию. В 1883 году немецкий ученый Флейтер изобрел, построил и испытал такой движитель на пароходе «Гидромонитор». Его проект был рекомендован для применения в условиях мелководья.
Рассмотрим примерную схему гидромоторного движителя. Заборное отверстие канала движителя имеет заслонку (невозвратный клапан). Канал соединен с цилиндром, в который порциями подается пар. Роль поршня в цилиндре выполняет вода (у движителя Флейтера в цилиндрах помещались поршни). Пар давит и с силой выжимает ее в канал. При этом заслонка закрывается, и вода устремляется только в выходное отверстие — сопло, создавая реактивную силу. Так как в цилиндр подали только порцию пара, он частично уйдет с водой, а частично сконденсируется. Тогда в цилиндре образуется вакуум, невозвратный клапан откроется, и цилиндр снова заполнится водой.
Братья Ван дер Мерве заимствовали идею гидромоторного движителя, упростив до чрезвычайности его конструкцию (отсутствие невозвратного клапана на приемной трубе вызывает сомнение в работоспособности их детища).
Постараемся, не вникая в конструктивные детали, при помощи самых элементарных расчетов проверить возможность достижения высокой скорости, о которой рассказывает Д. Тил.
Итак, «Адская пыхтелка» обогнала лидера океанской гонки Каус—Торки в 1967 г. катер «Серфри» и первой подошла к финишу. Скорость «Серфри» на дистанции (по официальным данным) равнялась 85 км/час, следовательно, «Адская пыхтелка» должна была развивать скорость около 100 км/час. Возможно ли это?
При истечении пара через трубу происходит адиабатическое расширение от начального состояния до атмосферного. Допустив, что давление пара в котлах при открытых трубах не будет превышать 1 атмосферы, по диаграмме is найдем теплосодержание пара и теплоперепад ha=28 ккал/кг и определим скорость струи пара в трубе:
Из таблиц найдем остальные параметры пара: температуру t°=120° С и удельный объем пара υ"=0,9018 м3/кг.
Допустим, что диаметр трубы, по которой струя пара выходит из котла d=30 мм, а площадь поперечного сечения F=0,000706 м2. Тогда секундный расход пара из одной трубы будет равен:
Из двух труб в секунду будет истекать 0,754 кг пара.
«Паровой водомет» относится к тепловым гидрореактивным движителям, действие которых аналогично действию воздушно-реактивных двигателей, применяемых в авиации (для упрощения дела не будем учитывать то, что «пыхтелка» работает импульсами).
Найдем удельную тягу 1 кг пара:
где c1=485 м/сек — скорость струи пара, а с0=28 м/сек — скорость катера (исходя из предположения, что она равна 100 км/час).
Тяга «парового водомета» определяется по формуле:
А тяговую мощность легко получить по формуле:
Часовой расход пара:
Теоретическая паропроизводительная способность кг топлива по нормальному пару:
где Qнр — теплотворная способность керосина = 10000 ккал/кг; 1 кг керосина при сгорании образует 15,6 кг пара. Фактическая паропроизводительность с учетом к. п. д. котла ηk составит:
Следовательно, чтобы получить 2714 кг пара, необходимо сжечь в час 900 кг керосина, а братья заправились перед стартом всего 700 л; этого должно было хватить немногим больше чем на полчаса работы.
Чтобы лучше понять причины такого большого расхода топлива при малой мощности, рассмотрим коэффициент полезного действия «парового водомета», причем следует принять во внимание термический и тяговый к. п. д.
Термический к. п. д. реального цикла характеризует степень совершенства «парового водомета» как тепловой машины, предназначенной для преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию пара и учитывает все потери тепла в процессе этого преобразования. Потери тепла с выхлопным паром составляют примерно 80% от тепла, отданного топливом.
Потери тепла в окружающую среду при сгорании топлива также составляют внушительную величину, учитывая несовершенство «котельного агрегата», и достигают 80%.
Поэтому термический, к. п. д. «парового водомета» будет очень низким, в пределах ηt=0,14÷0,2.
Тяговый к. п. д., который учитывает потери кинетической энергии с паром, вышедшим из труб, зависит от отношения скорости истечения пара к скорости движения катера:
Полный к. п. д. «парового водомета»:
И это при условии, если скорость катера достигнет 100 км/час. При меньших скоростях полный к. п. д. будет значительно ниже.
А какую скорость могла развивать «Адская пыхтелка»? Воспользуемся формулой для определения скорости глиссирующего катера:
тде η — пропульсивный к.п.д.; N — мощность двигателя; К — гидродинамическое качество (примем среднее значение К=9); D — водоизмещение, принятое равным 1500 кг.
Так как вместо мощности двигателя мы подставляем в формулу тяговую мощность, то пропульсивный к. п. д. не учитывается. Тогда:
Следовательно, «Адская пыхтелка» не могла пройти и 25-ой доли дистанции гонок, а тем более обогнать лидера.
В заключение следует сказать, что гидрореактивные движители не являются утопией. По сообщению иностранной печати в США в 1953 г. был создан и испытан гидрореактивный движитель, работающий на твердом топливе и позволивший торпеде развить скорость свыше 100 узлов.
В настоящее время производятся изыскания в области пульсирующих гидрореактивных движителей, использующих электрогидравлический эффект и тепловую энергию ядерной реакции. Подобного рода движители могут найти применение на подводных лодках при скоростях, на которых другие виды движителей потеряют свою эффективность. Подобное явление имело место в авиации: когда скорости превысили 600—700 км/час, винты были вытеснены реактивными двигателями.
В конструктивном отношении будущие движители будут похожи на «паровой водомет» братьев Ван дер Мерве не более, чем телега на современный автомобиль.