Е.В. Фальмонов, инженер-конструктор

ВОЗВРАЩЕНИЕ КОЛЕСА

· Автор Фальмонов Е.В.

· 05.03.2013 20:17

· размер шрифта

· Печать

· Эл. почта

Оцените материал

· 1

· 2

· 3

· 4

· 5

(1 Голосовать)

Е.В. Фальмонов, инженер-конструктор

Немного истории

Основным движителем самоходных речных судов в течение 100 лет, с середины 19 до середины 20 века, являлись гребные колеса. Колесные суда обеспечивали решение транспортных задач на речных магистралях: буксиры могли буксировать возы барж до 35 тысяч тонн, а пассажирские колесники перевозили пассажиров и грузы со скоростью 25 и более км/час.

Успешная эксплуатация этих судов обеспечивалась возможностями паровой машины дать при необходимости двукратное увеличение мощности на любых оборотах в рабочем диапазоне, а также высокими гидродинамическими характеристиками гребных колес. Любому инженеру понятна эта закономерность: чем больше гидравлическое сечение движителя и чем меньше приращение скорости в нем, тем меньше потери и тем выше его эффективность. При возрастании сопротивления движению и падении скорости гребное колесо способно удвоить тягу, чего не может обеспечить ни винт, ни водомет. Для работы колеса достаточно глубины равной 1/4 его диаметра. Малое приращение скорости воды в колесном движителе обеспечивает щадящее воздействие на акваторию. Преимущество гребных колес по характеристике удельного упора и КПД в сравнении с винтом и водометом возрастает с уменьшением осадки судна, а для глубин менее 1 метра разница упора на единицу мощности может отличаться в разы.

Да, применявшиеся в прошлом гребные колеса с поворотными плицами имели трудоемкую в изготовлении, дорогостоящую, уязвимую конструкцию, что и явилось основной причиной отказа от этого типа движителя в пользу винтов. Другими причинами были большие габариты колес и ограждающих конструкций, недостаточная управляемость колесного судна, отрицательное влияние изменения осадки и крена судна на работу колесного движителя, низкая, почти одинаковая в тот период, стоимость дизельного топлива и мазута, что делало паровую машину неконкурентоспособной в сравнении с двигателями внутреннего сгорания, а также отсутствие простой и надежной передачи мощности от дизеля к гребному колесу.

Век XXI

Но прошло полтора века! Сегодня все эти недостатки могут быть устранены общепроектными и конструкторскими решениями, в которых два гребных колеса с независимо управляемым приводом выполнены цельносварными с винтовой формой плиц и установлены на раме, шар-нирно закрепленной на кормовом транце судна с возможностью подъема-опускания. Геометрия плиц и раздельный привод колес обеспечивают управляемость судна без традиционного рулевого устройства, а возможность изменения заглубления колеса - максимальный КПД движителя для различных случаев загрузки судна, а также самоснятие с мели путем опускания колес на грунт.

Поскольку в описанном случае гребные колеса обеспечивают и движение и управление судном, мы получаем новый тип дви-жительно-рулевого комплекса - «Колесный ДРК» или КДРК, конструкция которого признана изобретением (Российский патент № 2225327 от 30.11.2001).

Работоспособность и надежность КДРК подтверждена опытом многолетней эксплуатации двух колесных паромов построенных на Красноярской судоверфи и парома, работающего на Оке.

Многие специалисты, видевшие эти суда в работе, считают, что для условий рек с глубинами менее 1,3 м, протяженность которых в нашей стране около 60 тысяч километров, КДРК вообще не имеет альтернативы. Применение колесного ДРК обеспечивает:

- повышенную безопасность плавания за счет динамики, суперманевренности и равной управляемости на переднем и заднем ходу,

- повышенную эксплуатационную надежность за счет отсутствия в подводной части корпуса уязвимых выступающих частей и отверстий, благодаря прочной цельносварной конструкции гребных колес и шарнирному креплению рамы КДРК к транцу судна,

- щадящее воздействие на флору и фауну акватории и самоснятие с мели,

- применение новых архитектурно-компоновочных решений речных пассажирских судов, при которых достигается резкое снижение удельных характеристик водоизмещения, мощности при улучшенных показателях комфортабельности (подробно журнал «Речной транспорт» №2 2012 г. статья «Архитектура - категория экономическая»).

В навигацию 2012 года в Нижнем Новгороде началась опытная эксплуатация экспериментального пассажирского колесного судна «Сура» для малых рек. Сочетание новых конструкторских и дизайнерских решений позволило на судне длиной 35,5 м разместить 40 пассажиров в двухместных каютах с санблоками. Полузакрытую верхнюю палубу превращать в банкетный зал. При этом иметь осадку около 0,7 м, не бояться мелей и осуществлять комфортную посадку-высадку пассажиров у необорудованного берега.

В 2008 году в числе пяти перспективных судов для речного транспорта в Федеральную целевую программу «Развитие гражданской морской техники (2009-2016 годы) включен предложенный Минтрансу эскизный проект 200-местного пассажирского колесного судна «Золотое кольцо» для кольцевой линии по Оке и Волге Москва - Нижний Новгород.

К сожалению, на дальнейшее проектирование и постройку судна денег не нашлось.

Благодаря новым архитектурным и конструкторским решениям судно могло бы обладать новыми эксплуатационными качествами:

- повышенная динамика (разгон - торможение);

- повышенные маневренные качества, в т. ч. на мелководье;

-эффективная управляемость на переднем и заднем ходу;

- низкий уровень внешнего шума и шума в обитаемых помещениях;

- повышенная экономичность и сниженная экологическая нагрузка на окружающую среду в сравнении с существующими судами;

- подход к необорудованному берегу, удобный сход по носовой аппарели (возможность работы без дебаркадеров);

- малый надводный габарит для прохода под мостами;

- возможность осмотра и ремонта ДРК без докования;

- наличие пассажирского лифта;

- низкая удельная мощность и водоизме-щение на одного пассажира;

На этом возможности и область применения КДРК не заканчивается.

Автор убежден, что наибольший эффект может быть получен, если создать колесные суда ледового плавания. Сначала речные толкачи-буксиры водоизмещением от 100 тонн, а затем, с накоплением опыта эксплуатации и проектирования, более крупные суда для магистральных рек и работы на шельфе Северных морей. Конечная цель - ледокол для прокладки канала 45-50 м при толщине льда до 3 м и осадке 6-7 м.

Колесный ледокол - ледофрез

Десятилетия эксплуатации ледоколов в различных условиях дали опыт и ряд новых технических решений. Таких, как обмыв корпуса струями воды, специальные обводы и воздушная смазка подводной части корпуса. Изучены типы ледяного покрова и свойства льда. Известно, что лед имеет различную прочность на изгиб и на срез. Причем прочность и, соответственно, энергозатраты при разрушении льда деформацией среза в пять раз ниже (!), чем при изгибе. Это знание учтено в разработке фирмы «Тиссен-Ваас» (ФРГ), по предложению которой в 80-е годы были переоборудованы два ледокола - «Мудъюг» и «Капитан Сорокин». На них заменили носовую оконечность традиционной формы на новую. Установленные по бортам резаки должны были обеспечить прокладку канала с ровными кромками и сниженными энергозатратами, разрушая лед с использованием деформации среза. Испытания на гладком льду расчетной толщины показали увеличение ледопроходи-мости в 1,5 раза, что подтвердило верность пути снижения энергозатрат на прокладку и очистку канала. Но за улучшение одной характеристики в узком диапазоне эксплуатационных ситуаций была заплачена непомерная цена: судно потеряло мореходность на чистой воде, не способно было работать в битом льду и шуге (они набиваются в носовом подзоре и останавливают судно), бортовые резаки не позволяют двигаться назад и разворачиваться при выполнении ледокольной работы.

Было замечено, что движение винтами вперед повышает ледопроходи-мость за счет взаимодействия движителя со льдом. Носовой винт для этой цели имел «дедушка» русских ледоколов знаменитый «Ермак», имеют носовые винты многие ледоколы Балтики. В 2002 году в Финляндии по заказу компании «Лукойл» построен первый (а вскоре второй) танкер ледового класса г/п 120 тыс. т с шириной корпуса 44 м, длиной 252 м. Особенность их конструкции - винто-рулевая поворотная колонка «Азипод» с подводным электродвигателем, которая способна поворачиваться вокруг вертикальной оси на ЗбОо и выдерживать ледовые нагрузки. Специальная ледокольная форма кормы и конструкция движительно-рулевого комплекса обеспечили возможность двигаться во льдах кормой вперед более эффективно, чем носом и при этом иметь нормальное управление.

Приведенные пример позволяют сформулировать задачу по созданию эффективного судна для работы в ледовых условиях:

1. Разрушение ледового поля должно вестись с максимальным использованием его деформации на срез;

2. Движитель должен участвовать в разрушении льда: а) создавая разрежение под кромкой льда; б) контактируя со льдом для более эффективного его разрушения и снижения скольжения движителя.

3. Конструкция корпуса и ДРК должны обеспечивать очистку канала от льда.

4. Ледокольное судно должно эффективно работать в любой реальной ледовой обстановке, иметь хорошую управляемость на переднем и заднем ходу.

5. Ширина прокладываемого канала
должна быть не меньше ширины проводимых судов.

Использование гребных колес традиционной конструкции на судах ледового плавания исключалось вследствие уязвимости их конструкции. Но установка на судно ледового плавания Колесного ДРК, имеющего прочность достаточную для работы в качестве ледоразрушающего устройства, позволяет создать высокоэффективный ледокол нового типа - ледофрез. При движении судна носом вперед гребные колеса будут обеспечивать повышенный удельный упор. А при движении колесами (кормой) вперед эффективность ледокольной работы возрастет, по следующим причинам:

• Колеса, имеющие форму косозубой фрезы, будут при вращении создавать разрежение под кромкой льда, которое будет способствовать его разрушению в основном путем деформации среза;

• Взаимодействие гребных колес со льдом и шугой снижает скольжение движителя и, соответственно, повышает его КПД;

• Куски льда, притопленные плицей отбрасываются далеко в сторону боковой составляющей упора вместе с большой массой воды, исключая налипание льда к корпусу судна и его попадание под днище. Ширина по колесам больше, чем ширина корпуса по КВЛ, судно движется в чистом канале, не испытывая трения о лед;

• Гребные колеса, установленные на раме шарнирно закрепленной к транцу судна при встрече с непреодолимым препятствием выкатятся на него, не испытывая разрушающих нагрузок;

•Ледофрез может иметь осадку 20-25% диаметра гребного колеса или 2-3 расчетных толщин

льда;

•Поскольку разрушение льда определяется формой, конструкцией КДРК и подводимой мощностью, то форма корпуса и инерционные характеристики судна становятся второстепенными. А значит, обводы корпуса могут быть упрощенными, а водоизмещение уменьшенным;

•Развал борта до 45° снижает ледовые нагрузки и в сочетании с КДРК обеспечивает управляемость и маневренность в ледовой обстановке.

Математический анализ, который не приводится здесь ввиду формата журнала (но оставлен в статье на сайте) показывает, что в рабочем диапазоне скоростей и толщин льда эффективность ледофреза выше, чем у ледокола той же ширины примерно в полтора - два раза, если учитывать только замену способа разрушения льда. Если же учесть, что Колесный ДРК будет работать в ледовых условиях с увеличением КПД по сравнению с работой в чистой воде (за счет снижения скольжения), обеспечит очистку канала и снижение сопротивления трения льда, обеспечит мобильность и управляемость ледокольному судну при меньшей его массе и упрощенных обводах корпуса, то общий выигрыш может быть значительно выше.

В мае 2009 года на обращение автора с просьбой дать оценку предложению о применении гребных колес для судов ледового плавания, ведущий специалист в области проектирования и эксплуатации ледоколов Д.Д. Максутов ответил:

«Ваше предложение о замене гребного винта гребным колесом очень интересно и заслуживает серьёзного исследования и испытания.... Для речного транспорта Ваше предложение имеет огромное значение - особенно там, где есть реки с малыми глубинами и где в нужных местах нет мостов или их недостает и где необходимо круглогодичное плавание.... Известно, что гребной винт не является идеальным движителем и у мощных ледоколов это самое уязвимое место, ибо поломка во льду лопасти винта выводит ледокол /или обычное судно/ из эксплуатации, а замена съёмной лопасти или винта целиком в море на плаву, это очень сложная операция. Поэтому гребное колесо прочной конструкции является очень заманчивым предложением и для мощных ледоколов, но это надо ещё доказать... В целом я полностью поддерживаю Вашу идею о замене гребного винта специальными колёсами, установленными в оконечностях судна, особенно для мелководных рек, в которых колёсному движителю нет альтернативы и по конструкции и по стоимости, особенно если этот движитель будет способен работать круглогодично».

«Дорожная карта» для нового старого

Колесным движительно-рулевым комплексом могут быть оборудованы суда различного назначения и размерении, в том числе и ледового плавания. Конечная цель - создание ледофрезов, судов имеющих водоизмещение и мощность существующих атомных ледоколов и способных обеспечить непрерывное движение в арктических льдах за счет новой конструкции и нового принципа прокладки и очистки канала. Для этого потребуется проведение ряда научно-исследовательских работ. Накопить необходимый опыт и знания с меньшими затратами финансов и времени позволит испытание масштабных моделей, проектирование и строительство речных мелкосидящих колесных судов ледового класса качественно новой конструкции и архитектуры. Потребность в судах, способных обеспечить надежную работу в ледовой обстановке на глубинах от 1 м на реках России и на морском шельфе существует уже сегодня. Выполненные автором проработки ледофрезов дают представление об их архитектурно-конструктивном типе и возможных характеристиках. Самый важный аспект - это надежность конструкции КДРК и привода гребных колес. На этот вопрос ответ можно получить лишь по результатам испытаний натурной модели колесного ледокола -ледофреза. Такой моделью может явиться колесный буксир-ледокол водоизмещением 120-160 т, мощностью 300-400 кВт. Диаметр гребных колес такого буксира будет 4-4,5 м, а ожидаемая ледопроходимость не менее 0,4 м при осадке около 1 м. Геометрические параметры гребных колес в первом приближении могут быть определены с помощью известных расчетных методик колесного движителя. Прочность элементов КДРК будет обеспечена объемной конструкцией колес и применением прочных материалов.

В этом случае нет риска потерять затраченные на создание экспериментального судна деньги, т.к. его работоспособность может быть гарантирована, а эффективность ледокольной работы в условиях, недоступных для других судов, определится в результате натурных испытаний. Комплексные испытания буксира-ледоф-реза позволят получить данные для разработки расчетных методик и проектирования ледофрезов больших размеров, отработки наиболее важных узлов нового судна и приблизить создание эффективного судна для движения непрерывным ходом при толщинах льда до трех метров, что обеспечит круглогодичное и регуляное транспортное сообщение на всем протяжении Северного Морского Пути.