Samovarius
Ylipäällikkö
Mäntähöyrykoneiden terminen hyötysuhde on yleensä aika heikko, esmes höyryvetureillä puhutaan teoriassa noin 10 % ja käytännössä noin 7-8 % hyötysuhteeesta. Syitä on useita, joista osa on laivoissa ehkä paremmin ratkaistavissa, kuten suuren kattilan lämpövuoto ympäristöön ja mahdollisuus käyttää suurempaa työpainetta (lisäksi höyrykoneen hyötysuhteen määrittäminen ei ole aivan eksaktia, koska hiili tai polttopuu ei ole tasalaatuista kuten dieselöljy ja sen lämpöarvo on enemmän arvaus kuin tarkka mittaustulos - lisäksi joskus laskelma huomioi höyrynkehittimen hyötysuhteen, joskus ei). Laivoissa tosin ylijäämähöyry yleensä kondensoidaan ja vapautunut energia palautetaan lämmönvaihtimella boilerille, joten käytännön hyötysuhde voi noista jonnekin 10 ja 20 % välille. Syy miksi mäntähöyrylaiva oli kuitenkin käytännössä usein höyryturbiinialusta taloudellisempi, oli että ne todellisuudessa mm. Titanicin tavoin olivat kompoundilaivoja, eli mäntähöyrykoneiden yhä lämmin ylijäämähöyry ajettiin vielä turbiiniin missä se jo lähes kondensoitui. Mäntähöyrykoneessa sitä matalapaineisinta höyryä on vaikea käyttää hyväksi, koska yhteiselle kampiakselille kytkettyjen mäntien on oltava keskenään jokseenkin samantehoisia, eli paineen laskiessa puoleen pitää männän poikkipinta-ala kaksinkertaistaa. Laivan mäntäkoneessa onkin yleensä 3 tai 4 erikokoista mäntää. Turbiinipystyy käyttämään paineen hyödyksi läpi koko painekäyrän, vaikkakin sekin toimii parhaiten käyttämällä useampaa turbiinivaihetta, joilla on eri halkaisija ja lapakulma. Turbiiniin voidaan kytkeä niitä melko vaivattomasti yhteen samalle akselille.
Noin vertailun vuoksi, oikein hyväksi kilkuteltu höyryturbiini pääsee jokseenkin dieselkoneen hyötysuhteeseen, noin 30-33 %, siis aikalaiseensa verrattuna. Turbiini on parempi imenmään höyrystä energiaa erityisesti vakioteho-olosuhteissa, koska höyry pääsee paisumaan yhdessä prosessissa lähes tyystin eli luovuttaa melkein kaiken sisältämänsä energian. Lisäksi turbiini tuottaa suoraan haluttua pyörimisliikettä. ja näistä syistä voimalaitoksissa käytetään yksinomaan höyryturbiinia. Samasta syystä muuten myös kaasuturbiini on mäntäpolttomoottoria taloudellisempi - teoriassa. Oikein hyvin tehty kaasuturbiini saavuttaa 46 % termisen hyötyushteen, eli aavistksen paremmin kuin rekan dieselkone (noin 45 %). Ajoneuvokäytössä tilanne on kuitenkin käytännössä päinvastainen, sillä mäntäkoneet saavuttavat parhaan hyötysuhteensa vääntömomenttikäyränsä maksimilla eli juurikin käyttökelpoisella keskikierrosalueella, kun kaasuturbiini saavuttaa sen maksimitehollaan. Ajoneuvokäytössä tarvitaan juuri vääntöä, ja tästä syystä turbiinia näkee niissä harvoin. Kaasuturbiinilaivoissakin on yleensä matkatehoa varten keskikokoiset dieselit ja huipputehoa varten turbiinit, tai kaksi turbiinikoneistoa, eli pienet turbiinit kruisailuun ja suuret huippunopeuteen - turbiinia kun on taloudellisinta käyttää huipputehollaan. Suurissa matalakierrosdieseleissä, yleensä kaksitahtisissa, päästään jonnekin 54-55 % hyötysuhteeseen.
Voimalaitoksissa sitten kaasuturbiini on usein kytketty höyryturbiinin kanssa kompoundilaitokseksi, eli kaasuturbiini pyörittää generaattoria ja sen pakokaasu ajetaan lämmönvaihtimeen, millä tuotetaan höyryä höyrytubiinille, joka ajaa toista generaattoria. Tällainen voimalaitos saavuttaa yli 60 % hyötysuhteen. Jos laitoksen ylijäämälömpö, jonka lämpötila ei enää riitä höyrynkehittimelle, pumpataan toisen lämmönvaihtimen kautta kaukolämpöverkkoon tai muuhun matalan lämpötilan hyötyhäyttöön, puhutaan vastapainelaitoksesta jossa hyötysuhde on yli 90 %.
Käytännössä noissa maailmansotien välisissä aluksissa kokeiltiin lukuisia eri taposja voimansiirtoon, eikä yksikselitteistä ratkaisua joka olisi yli muiden onnistuttu löytämään. Niin suunnittelussa kuin konepajateollisuudessa oli omat rajoitteensa, ja kaikkien voimansiirto- ja moottoriratkaisujen kanssa oli aina ongelmia, ja moottoriteknologia oli muutenkin aika kehittymätöntä - kannattaa muistaa, että esmes autojen suursarjavalmistus oli alkanut vasta noin 20 vuotta aiemmin. Yleisin taistelulaivojen ja tukialusten ratkaisu oli käyttää höyryturbiinikoneistoa alennusvaihteen kautta potkuriakselille, mutta tähän pääsyy oli käsittääkseni se, että nämä alukset suunniteltiin suuri huippunopeus pääkriteerinään - tukialukset tarvitsevat vauhtia koneidensa siipien alle, ja taistelulaivojen on saatava kiinni kohteensa. Tällöin höyryturbiinin suuri tehotiheys ja suhteellinen yksinkertaisuus yleensä ratkaisivat asian, lisäks höyryturbiini oli jo suhteellisen maturea teknologiaa (niitä oltiin tehty vuosisadan taitteesta saakka) ja parempia turbiineja tuli jatkuvasti käyttöön, suuret generaattorit taas olivat hyvin raskaita, mikä aiheutti suuria ongelmia paitsi laivassa, mihin ne aiottiin asentaa, myös niiden kuljetuksessa tehtaalta telakalle. Amerikkalaiset kokeilivat turbiinisähköistä voimansiirtoa mm. Tennessee-luokan taistelulaivoissa ja Lexington-luokan tukilaivoissa. Tulokset eivät tiettävästi olleet yksiselitteisesti hyviä tai huonoja, mutta generaattorien suuri koko ja paino ilmeisesti sanelivat, että mekaanista voimansiirtoa käytettiin mieluummin (voi myös olla että se oli halvempi).
Noin vertailun vuoksi, oikein hyväksi kilkuteltu höyryturbiini pääsee jokseenkin dieselkoneen hyötysuhteeseen, noin 30-33 %, siis aikalaiseensa verrattuna. Turbiini on parempi imenmään höyrystä energiaa erityisesti vakioteho-olosuhteissa, koska höyry pääsee paisumaan yhdessä prosessissa lähes tyystin eli luovuttaa melkein kaiken sisältämänsä energian. Lisäksi turbiini tuottaa suoraan haluttua pyörimisliikettä. ja näistä syistä voimalaitoksissa käytetään yksinomaan höyryturbiinia. Samasta syystä muuten myös kaasuturbiini on mäntäpolttomoottoria taloudellisempi - teoriassa. Oikein hyvin tehty kaasuturbiini saavuttaa 46 % termisen hyötyushteen, eli aavistksen paremmin kuin rekan dieselkone (noin 45 %). Ajoneuvokäytössä tilanne on kuitenkin käytännössä päinvastainen, sillä mäntäkoneet saavuttavat parhaan hyötysuhteensa vääntömomenttikäyränsä maksimilla eli juurikin käyttökelpoisella keskikierrosalueella, kun kaasuturbiini saavuttaa sen maksimitehollaan. Ajoneuvokäytössä tarvitaan juuri vääntöä, ja tästä syystä turbiinia näkee niissä harvoin. Kaasuturbiinilaivoissakin on yleensä matkatehoa varten keskikokoiset dieselit ja huipputehoa varten turbiinit, tai kaksi turbiinikoneistoa, eli pienet turbiinit kruisailuun ja suuret huippunopeuteen - turbiinia kun on taloudellisinta käyttää huipputehollaan. Suurissa matalakierrosdieseleissä, yleensä kaksitahtisissa, päästään jonnekin 54-55 % hyötysuhteeseen.
Voimalaitoksissa sitten kaasuturbiini on usein kytketty höyryturbiinin kanssa kompoundilaitokseksi, eli kaasuturbiini pyörittää generaattoria ja sen pakokaasu ajetaan lämmönvaihtimeen, millä tuotetaan höyryä höyrytubiinille, joka ajaa toista generaattoria. Tällainen voimalaitos saavuttaa yli 60 % hyötysuhteen. Jos laitoksen ylijäämälömpö, jonka lämpötila ei enää riitä höyrynkehittimelle, pumpataan toisen lämmönvaihtimen kautta kaukolämpöverkkoon tai muuhun matalan lämpötilan hyötyhäyttöön, puhutaan vastapainelaitoksesta jossa hyötysuhde on yli 90 %.
Käytännössä noissa maailmansotien välisissä aluksissa kokeiltiin lukuisia eri taposja voimansiirtoon, eikä yksikselitteistä ratkaisua joka olisi yli muiden onnistuttu löytämään. Niin suunnittelussa kuin konepajateollisuudessa oli omat rajoitteensa, ja kaikkien voimansiirto- ja moottoriratkaisujen kanssa oli aina ongelmia, ja moottoriteknologia oli muutenkin aika kehittymätöntä - kannattaa muistaa, että esmes autojen suursarjavalmistus oli alkanut vasta noin 20 vuotta aiemmin. Yleisin taistelulaivojen ja tukialusten ratkaisu oli käyttää höyryturbiinikoneistoa alennusvaihteen kautta potkuriakselille, mutta tähän pääsyy oli käsittääkseni se, että nämä alukset suunniteltiin suuri huippunopeus pääkriteerinään - tukialukset tarvitsevat vauhtia koneidensa siipien alle, ja taistelulaivojen on saatava kiinni kohteensa. Tällöin höyryturbiinin suuri tehotiheys ja suhteellinen yksinkertaisuus yleensä ratkaisivat asian, lisäks höyryturbiini oli jo suhteellisen maturea teknologiaa (niitä oltiin tehty vuosisadan taitteesta saakka) ja parempia turbiineja tuli jatkuvasti käyttöön, suuret generaattorit taas olivat hyvin raskaita, mikä aiheutti suuria ongelmia paitsi laivassa, mihin ne aiottiin asentaa, myös niiden kuljetuksessa tehtaalta telakalle. Amerikkalaiset kokeilivat turbiinisähköistä voimansiirtoa mm. Tennessee-luokan taistelulaivoissa ja Lexington-luokan tukilaivoissa. Tulokset eivät tiettävästi olleet yksiselitteisesti hyviä tai huonoja, mutta generaattorien suuri koko ja paino ilmeisesti sanelivat, että mekaanista voimansiirtoa käytettiin mieluummin (voi myös olla että se oli halvempi).
