Единственным качеством паровых Pz.Kpfw.I, однозначно положительно оценённым в рапорте Генерального штаба сухопутных сил вермахта, составленном 30 марта 1939 года по итогам применения танка в Испании, стала его надёжность
Содержание:
Предпосылки к созданию машины
Если взяться проектировать средние, а тем более – тяжелые танки вермахта под паровой двигатель, то чтобы разместить паровую машину приемлемой мощности в забронированном объеме, конструктору неизбежно придется поднимать параметры пара, повышать обороты машины, идти на всяческие ухищерения. А это – цена и время разработки, сложность и цена изготовления. И при дальнейшем развитии БТТ, требования к силовой установке настолько возрастут, что уже придется отказаться от паровых машин и перейти га ДВС или ГТД, либо строить гибридную установку (напр. дизель+ПМ).
Другое дело – легкие танки. Там и требования другие – минимальная цена, максимальная простота и надежность, противопульная броня и скорость по шоссе не менее 20 км/ч.
Такие требования выдвинул Генштаб, планирующий маневренную войну. Как они собираются воевать такими игрушечными “танками” – этот вопрос оставим на совести генералов. Мы же рассмотрим вариант реализации этих требований в металле. Вообще-то вариантов должно быть много: конструкция легкого танка оставляет простор в выборе технических решений. Тем более странно, что на данном сайте, да и вообще в сети вопрос конструкции легких паровых танков так слабо проработан.
Предложим свою конструкцию парового танка PzKpfw-I.
Описание машины
Многие любители истории наверняка замечали характерную стальную полосу, приклепанную к опорным каткам танка Pz-I Ausf A. Что это за полоса и зачем она? По нашему разумению, это – рудимент, доставшийся РИ-танку от его парового АИ прототипа. Так как у АИ танка примерно в той-же области (внутри гусеничного обвода) располагается паровая машина. См. рис.
Может показаться, что паровой привод Pz-I позаимствован у паровоза. Это верно лишь отчасти – цилиндры правого и левого борта через кривошипно-шатунную передачу вращают один вал, как на паровозе. Но ведущие колеса сцепляются с валом через бортовые фрикционы, как и положено на танке. Что позволяет разворачивать и даже полностью останавливать танк при работающей паровой машине. Дисковые тормоза установлены на направляющих (задних) колесах.
Также от главного вала приводятся клапанная коробка, вентилятор, конденсатный и питательный насосы, электрогенератор и лебедка.
Обратите внимание, что парораспределение осуществляется не золотниковой системой, а клапанной коробкой. Что позволяет убрать эту самую уязвимую часть системы в заброневой объем, а также сильно упрощает переключение машины на задний ход.
Машина двухходовая (благо место позволяет установить длинные цилиндры), крейцкопфная, проточная, конденсаторного типа. Естественно, машина низкооборотная, так как вращение передается прямо на ведущие колеса. См. рис.
Характерной особенностью данного танка является расположение силовой установки как бы “вокруг” экипажа. Паровые цилиндры – по бортам, котел, угольный ящик и водяной бак – спереди, конденсатор – сзади. Расположение котла и угольного ящика вызвано тем, что водитель выполняет также обязанности кочегара и должен иметь возможность подбрасывать уголь или дрова в топку, не отвлекаясь от дороги. И плюс дополнительная защита экипажа с передней проекции.
Тема конденсаторов и водяных баков
По просьбе коллег и со всем удовольствием рассмотрим тему кругооборота воды и пара. Тем более это уместно здесь, так как паровой Pz-I был первым в Германии (а, возможно, и в мире) танком с замкнутым водо-паровым циклом.
Все расчеты базируются на таблице свойств водяного пара, изданной в Берлине в 1906 году. Однако, надо принять во внимание объем вычислений – при проектировании Pz-I конструктора извели кубометр бумаги и ушатали в хлам две логарифмические линейки.
Любители стимпанка сами смогут повторить все эти расчеты, но для удобства читаемости статьи, мы будем вынуждены их опустить. Ограничимся лишь исходными условиями и результатами.
А условия такие.
Танк, массой 5000 кг должен двигаться по дороге со скоростью 20 км/ч.
Отсюда мощность двигателя, требуемая для движения — 33 лс или 24 кВт.
Добавим сюда отбор мощности на воздуходувку (2 кВт), питательный насос (0,5 кВт), клапанную коробку и электрогенератор ( по 0,2 кВт) и конденсатный насос (0,1 кВт).
Отсюда полная мощность силовой установки – 27 кВт.
Примем бюджетный вариант исполнения силовой установки. Котел – водотрубный из трубки Ø10х1, конденсатор – из трубки Ø20х1, сталь конструкционная.
Отсюда параметры перегретого пара 10 атмосфер и до 300ºС. Выше нагревать нельзя, так как тогда потребуется жаропрочная сталь, а это будет намного дороже.
Принимая, что диаметр цилиндров 200 мм, а кривошипно-шатунный механизм установлен прямо на ведущих колесах, получаем тягу ходовой части от 500 до 1500 кгс, что составляет от 10 до 30% веса машины. Не сильно много, но ехать будет.
Принимая, что диаметр колес 0,6 м, а номинальные обороты паровой машины 200 об/мин, получаем скорость движения по шоссе 22 км/ч. Зер гут.
Теперь рассмотрим термодинамические циклы.
Синий цвет – собственно, Pz-I
Красный — Pz-II
Зеленый – паровой тягач Dampf Pflug Fabrik со сбросом пара в атмосферу.
Серые линии – теоретическая возможность дорасширения пара при создании вакуума.
Розовые линии – влажнопаровые мечты о промежуточном перегреве для Pz-II.
Все параметры, всякие там килоджоули и мегапаскали, досужий читатель найдет на диаграмме.
Мы же сразу перейдем к результатам.
Оказывается, КПД синего, красного и зеленого циклов практически совпадают, и составляют 16…17%. (17% — у Pz-II).
У парового тягача и у Pz-I КПД по 16%, несмотря на перегрев и конденсацию пара у последнего. Из картинки вполне понятно, почему это так. Потому что перегрев очень небольшой, а конденсатор не обеспечивает вакуум.
Зато – перегрев обеспечивает сухость пара, а конденсация возвращает питательную воду обратно в цикл.
Поскольку (мы рассматриваем Pz-I) мощность на валу 27 кВт, а работа пара составляет 420 кДж/кг, то расход питательной воды (и острого пара) составит 230 кг/ч. Чтобы сконденсировать такое количество пара, потребуется конденсатор мощностью примерно 130 кВт.
Конденсатор состоит из двух У-образных трубных пучков с общей поверхностью теплообмена 12 м². Температурный напор составляет 90º, коэффициент теплоотдачи – 85 Вт/м²*К.
Суммарная тепловая мощность – 90 кВт (а требуется 130!). Не хватает.
Мощность можно повысить. Например, перейти на трубку Ø10х0,5. Сразу повысит площадь теплообмена в два раза, но это будет дорого. Или поставить на трубу-двадцатку небольшое оребрение. Тупо обмотать стальной проволокой Ø1 с шагом 2 мм – мощность теплообмена увеличится минимум в полтора раза. То-есть до 135 кВт. Как раз хватит.
Кстати, оценим величину подогрева прокачиваемого воздуха. Воздуходувка гонит примерно 5 кубов в секунду. Отсюда подогрев – всего 26 градусов. Если на входе температура 20, то на выходе – 46. Ну, и теплый воздух сбрасывается назад по ходу танка, так что условия работы экипажа вполне комфортные. Не жарко.
Теперь разберемся, зачем нужна вся эта канитель с конденсаторами, воздуходувками и оребрением.
Расход питательной воды, мы помним, 230 кг/ч. А угля – 20 кг/ч. В передней части танка установлены бак на 200 л воды и угольный ящик на 200 кг угля. Получается, что запаса угля хватит на 10 часов, а воды (если ее не возвращать в цикл) не хватит и на час.
То есть, запас хода по воде – меньше 20 км. Для танка это неприемлемо.
Да, можно выкинуть конденсатор, и вместо него поставить еще один водяной бак. Литров на 200 или даже на 400. Как раз кондюк вместе в воздуходувкой весит порядка 200 кг. Тогда запаса воды хватит на 2,5 часа. Это всего 50 км пробега по шоссе. Маловато.
Далее, у тягача котел дымогарный, ему пойдет и обычная вода. Для танка требуется бидистиллят. И где его брать по 230 кг/ч?
Поэтому поставлен конденсатор и запаса по топливу и воде хватает на 10 часов.
Запас хода в 200 км – это очень неплохо. Годится для маневренного танка.
Теперь рассмотрим цикл Pz-II, красная линия на диаграмме.
Так как его масса 7000 кг, а требуемая скорость – 40 км/ч, то требуемая мощность силовой установки – 70 кВт. Соответственно, мощность котла и конденсатора тоже будут выше примерно в 2,5 раза. Все это можно сделать, хотя и непросто.
Мы же рассмотрим вариант с промежуточным перегревом.
Поскольку в Pz-II установлена машина двойного расширения (это сделано для улучшения тяговых характеристик), то можно допустить возможность перегрева пара после ЦВД. Что и отображено розовой линией на диаграмме.
Оказывается, при применении промежуточного перегрева с указанными параметрами, КПД повышается всего с 17 до 18%. Усложнение конструкции не оправдывается.
Может быть, при повышении параметров острого пара до 30 атмосфер и 400ºС промежуточный перегрев и даст более заметный результат, но вряд ли большой – все ограничивает невозможность поддержания вакуума в конденсаторе.
Но для любителей стимпанка, чтобы было не так грустно, укажем ситуацию, когда поддержание вакуума в конденсаторе становится возможно. Зимой! В случае морозной зимы с температурой воздуха градусов двадцать-тридцать, температура конденсации пара будет порядка 65ºС, а это 25 кПа! Соответственно, КПД термодинамических циклов рассматриваемых танков повышается до 30%!
На самом деле, такое повышение КПД для зимнего времени возможно лишь теоретически – проектные размеры проточной части ПМ не позволяют расширить пар до такой степени. Можно (теоретически) установить зимний комплект цилиндров большего диаметра, это позволит расширить пар до более низких давлений. Соответственно, немного увеличится КПД. Зато возникнет проблема подсоса воздуха в конденсатор. Вот уж этого точно не хотелось бы. Поэтому термодинамические циклы и зимой и летом будут одинаковые.
Но зимой можно установить зимнюю крыльчатку в воздуходувку. Существенно уменьшится отбор мощности и шумность танка. Еще можно регулировать специальные окошки в теплоизоляции котла, что обеспечит отопление боевого отделения. Еще у данной компоновки имеется неочевидный, но важный “зимний” бонус. Так как клапанная коробка и питательный насос установлены рядом с котлом, то можно оставить танк ночью на морозе с погашенной топкой. (Только надо открыть сливные клапана) За ночь вода в коллекторах и водяном баке промерзнет, но это не вызовет повреждения системы. Для запуска силовой установки достаточно разжечь топку и прогреть систему в течении десяти минут. И можно ехать.
Еще один “зимний” бонус – возможность получения талой питательной воды из снега.
Производство и экспорт
Одним из требований ТЗ на разработку танка были условия технологичности и минимальной цены. Предполагалось также, что танк будет выпускаться большими сериями по 100…200 машин в год. Конструкторам удалось спроектировать машину, удовлетворяющую указанным требованиям, и в 1930 году танк был запущен в серийное производство.
В указанный период основными танками, поставляемыми на экспорт, были французский и британский шеститонники, а также советский Т-19. Паровой Pz-I составил жесткую конкуренцию этим моделям. Французский FT-17 уже устарел, но его охотно покупали бедные страны (типа Афганистана), так как он продавался по цене металлолома.
Остальные модели были сопоставимы по цене, но Pz-I выигрывал по надежности, и по простоте ТО и по доступности топлива. Кроме того, в левой амбразуре экспортного варианта Pz-I могла устанавливаться 20-мм АП или ПТР. Так что формально танк становился пушечным. Особенно заценили Pz-I скандинавские страны, а также Испания и Китай.
Боевое применение
Первое боевое применение состоялось в Испании. Германские советники настаивали на массированном применении легких танков. Местное командование старалось “размазать” танки по всему фронту, полагая, что так пользы будет больше. Трудно сказать, кто был прав. Так или иначе, все танки были быстро потеряны. А экипажам (что характерно) наоборот – удалось избежать потерь.
В Китае применение Pz-I началось в 37-м году, как раз когда японская армия получила на вооружение ПТР Тип 97. Поэтому и здесь все танки тоже были быстро потеряны. Хотя и внесли свой вклад в борьбу с захватчиками.
Первое применение в составе Вермахта произошло 1-го сентября 39-го года в ходе знаменитой атаки польской кавалерии на германский пехотный батальон, расположившийся на привал. Атака была сорвана благодаря наличию в саперной роте нескольких Pz-I.
Во время Зимней войны активно действовали танки-“кукушки”. Кукушками их прозвали советские бойцы, так как эти Pz-I могли подкрадываться по зимнему лесу совершенно бесшумно, а сигнал атаки финский командир подавал, имитируя пение кукушки.
Дальнейшее развитие — Pz-II
Как уже говорилось, в экспортной комплектации Pz-I могла устанавливаться 20-мм пушка или 20-мм ПТР. Но для германских панцерваффен такой вариант комплектации не предусматривался, так как малому танку-единичке пушечное вооружение не положено. Das ist gegen die Kleiderordnung.
Но, на основе Pz-I был разработан танк-разведчик Pz-II, уже штатно с пушечным вооружением. Внешне эти танки очень похожи. Отличить двойку визуально можно только по 20-мм пушке и по количеству опорных катков.
Катков стало пять, а подвеска поставлена торсионная. Потому что машина стала более тяжелая и более скоростная. Толщина брони увеличена с 10 до 15 мм.
Компоновка агрегатов сохранилась, но котел, машины и конденсатор установлены новые – повышенной мощности. Мощность котла повышена за счет оребрения теплообменных поверхностей и установки наддува. Мощность машины увеличена за счет увеличения давления пара (см. диаграмму), машина, как уже говорилось, двойного расширения.
В результате всех этих доработок получился легкий пушечный танк с приличным противопульным бронированием и максимальной скоростью 40 км/ч.
Насколько такой танк оказался востребованным, можно судить по количеству построенных машин — Pz-I -1500, а Pz-II – 3500 штук.
Продолжение следует.
