От шеста до азипода — Балтийский Ллойд

От шеста до азипода

 

Каждое самоходное плавающее средство приводится в движение при помощи движителя. Устройство приводящее в движение судно называется судовым движителем.

Для судна, оборудованного двигателем, судовой движитель – это устройство при помощи которого производится преобразование выработанной двигателем энергии, в полезную работу, направленную на перемещение судна в нужном направлении.

Период до парового двигателя

 

Первым движителем, которым пользовались люди для перемещения первых плав средств был шест. Ему на смену пришло весло и осталось можно сказать на долго, на очень долго. Веслом пользуются не только спортсмены и любители, весло является обязательным элементом в составе снабжения надувных спасательных плотов, которые обязательны для всех коммерческих судов, выходящих в море.

Название движущей части весла, лопасть, перешло и к гребному колесу, и к гребному винту, и к крыльчатому движителю, то есть, во всех применяемых в наше время судовых движителях, используется лопасть, а в водометных движителях — лопатка. Вот каким необходимым для человечества оказалось простое весло.

По мере увеличения размеров судов, весла стало не хватать и человек приспособил в качестве движителя парус. Парус так же, как и весло оказался долгожителем среди судовых движителей, и, хотя для коммерческих целей он не используется (единичные случаи его использования некоторыми чудаками в расчет принимать не будем), для спортивных и учебных парусных судов, парус вполне себе актуален. Человек до сих пор не утратил надежды приспособить дармовую энергию ветра в качестве энергии для судового движителя. Да и с заботой о защите окружающей среды и ограничении вредных выбросов в атмосферу энергия ветра он очень даже гармонично вписывается.

В эпоху пара – гребное колесо и гребной винт

 

В начале 19-го века паровой двигатель был установлен на судно и в качестве судового движителя было использовано гребное колесо, вернее будет сказать, два колеса – по одному с каждого борта. Первые колеса были установлены на одном валу и вращались синхронно. Разумеется, что первые гребные колеса были неудобными для использования на судах и по мере накопления опыта их эксплуатации в различных погодных и эксплуатационных условия в них вносились изменения и усовершенствования, что в общем то нормально и, само собой разумеется. Гребные колеса устанавливались, да и в наше время также устанавливаются как в средней части по бортам, так и в кормовой части одно или два колеса. Если устанавливается два гребных колеса, то для лучшей маневренности судна они делаются асинхронными, то есть они могут вращаться в разные стороны. Гребное колесо хоть и обладает существенными недостатками, а в качестве движителя для морского судна так и совсем не пригодно, однако долгое время, почти до второй половины 20-го века широко использовалось в качестве движителя на речных буксирах. В Советском Союзе еще в 50-х годах строились речные колесные буксиры.

Как это не покажется странным, но в наше время находятся в эксплуатации не только сохранившиеся в качестве почти музейных экспонатов речные колесные пассажирские суда, а совершенно новые, построенные на Волге колесные дизель-электроходы. Это суда проекта ПКС-40, типа «Сура», которые были построены на Городецком судоремонтном заводе. У них, разумеется, нет никакого парового двигателя, а установлены обычные дизель-генераторы, а два гребных колеса, установленных на корме судна, вращаются электромоторами. Данные пассажирские суда очень удобны для эксплуатации на реках и водоемах с маленькими глубинами, в случае посадки судна на мель, гребные колеса опускаются на грунт при помощи специального гидравлического устройства и при вращении цепляясь за грунт позволяют судну достаточно легко сойти с мели на «глубокую» воду. В данном типе судна гребное колесо является, можно сказать, оптимальным судовым движителем, так как установка винта, при эксплуатации на малых глубинах почти всегда сопряжена с риском его частого повреждения, что будет неизбежно приводить к частому выводу судна из эксплуатации для ремонта или смены винта, а то и гребного вала или дейдвудного уплотнения.

В нашей стране, кроме колесных теплоходов типа Сура, продолжает эксплуатироваться на реке Северная Двина колесный пароход «Николай Гоголь», который был построен в 1911 г на заводе «Сормово» в Нижнем Новгороде. Разумеется, в мире, находятся в эксплуатации в качестве туристических судов, десятки колесных пароходов и теплоходов, их можно встретить на реках и озерах Европы и Северной Америки. И нет никаких предпосылок, что в обозримом будущем их стало меньше, совсем наоборот, пример появления колесного дизель-электрохода проекта ПКС – 40 показывает, что их число будет только увеличиваться.

Уже первые опыты с гребным колесом показали его существенные, или, вернее сказать, критические недостатки, в качестве судового движителя для морских судов и механики начали искать ему замену. Долго искать не пришлось, так как при всем многообразье выбора, альтернативы для винта в то время попросту не существовало. Даже использование винта в качестве судового движителя потребовало годы эксплуатации и накопления первоначального опыта, позволившего создать приемлемую схему паровой двигатель – гребной вал – винт, тем более, что необходимо было еще создать дейдвудную трубу, то есть трубу в корпусе судна для гребного вала и сальниковое уплотнение, или уплотнение, обеспечивающее скользящее вращение гребного вала и герметичность, не позволяющую забортной воде поступать внутрь корпуса судна. Современные системы типа «Симплекс», «Цедерваль», «Гудрича», Вяртсиля и им подобные, проделали очень длинный путь от примитивных уплотнений, даже не обеспечивающих полную герметичность и требующих почти непрерывной работы водоотливной (осушительной) помпы (насоса), до современных дейдвудных уплотнений, контроль за состоянием которых осуществляет электронная мониторинговая система, например в уплотнении финской компании Вяртсиля.

Винт на долгое время стал основным судовым движителем для торговых, военных и других судов и кораблей. Гребной винт также, как и любое другое устройство прошел эволюционный путь, который не закончился и в наше время, и будет продолжаться всегда, пока он будет находить применение. Гребные винты бывают двухлопастные и много лопастные (число лопастей более двух). Количество лопастей зависит от назначения судна или корабля. На современных быстроходных крупнотоннажных судах устанавливаются пяти лопастные гребные винты.

Большой проблемой для гребных винтов была кавитация, то есть разрушение поверхности винта, в основном лопастей. Однако со временем с этой проблемой научились справляться и в настоящее время она уже не представляет сколько-нибудь значимую угрозу для винтов.

Кроме кавитации другим существенным недостатком гребных винтов является создаваемая ими вибрация, которая оказывает отрицательное влияние на судно и находящихся на нем людей. Со временем и с вибрацией научились бороться, путем увеличения числа лопастей и придание им соответствующей формы.

В настоящее время в эксплуатации находится очень большое множество разновидностей винтов, которые отличаются формой и размером лопастей, углом разворота лопастей, формой и конструкцией ступицы винта, дисковым отношением, направлением вращения. В качестве материала для изготовления винта применяется сталь, нержавеющая сталь, бронзовые и алюминиевые сплавы. Для судов, работающих в тяжелых ледовых условиях, винты изготавливают из никель-алюминий-бронзового сплава, например компания Роллс-Ройс изготовила из такого сплава, винт регулируемого шага фирмы Камева диаметром 6,5 метров и весом 45 тонн, который был установлен на канадский балкер, работающий в Арктике.

На отечественных ледоколах устанавливаются винты из нержавеющей высокопрочной стали.

В настоящее время самый большой гребной винт изготовлен немецкой компанией MecklenburgerMetallgussGmbH, мировым лидером производства судовых гребных винтов. Вес винта составляет 140 тонн, а диаметр винта 11,3 метра. Техническое оснащение предприятия позволяет изготавливать винты весом до 160 тонн и диаметром 11,6 метра.

Как правило на судах устанавливается один винт, однако на некоторых типах судов или когда требуется большая мощность или скорость, то устанавливается большее число винтов, два, три и более.

Как мы уже упомянули кроме видимых отличий гребные винты различаются направлением вращения, различают гребные винты правого вращения и левого вращения.  Для определения направления вращения винта рассматривают его вращение если смотреть в направлении от кормы в сторону носа. В этом случае вращение лопастей винта по часовой стрелке означает винт правого вращения, а против часовой стрелки – винт левого вращения. Направление вращения винта имеет большое значение при управлении судном, так например, у судна с винтом правого вращения, при его вращении на задний ход корма судна обычно отклоняется влево, а нос вправо; у судна с винтом левого вращения все будет наоборот – корма будет уклоняться вправо, а нос влево.

Все гребные винты делятся на два вида, винты фиксированного шага и винты регулируемого шага.

винтОбычный винт, у которого лопасти неподвижны и представляют одно целое со ступицей, называются винтами фиксированного шага (ВФШ).

Винты, у которых лопасти съёмные и разворачиваются при помощи вспомогательной системы, обычно гидравлической, называются винтами регулируемого шага (ВРШ).

Как это не покажется странным, но винты регулируемого шага появились почти сразу после того, как обычный винт стали использовать на первых пароходах в качестве судового движителя. Первые ВРШ применялись для того, чтобы устранить неудобства, которые возникали при движении винтового судна под парусами. А все первые винтовые суда естественно имели парусное вооружение, вот и пришлось англичанам придумывать как уменьшить негативное влияние винта на судно, идущее под парусами. Известно, что уже в 1844 году Вудкрофт сконструировал винт с поворотными лопастями, а за ним в 1848 г Модслей, в 1849 г Гриффитс, в 1869 г Бевис, предложили свои конструкции винтов.

фото

В России удачный ВРШ создали на Балтийском заводе в 1894 г конструкторы Савельев, Васильев, Лихачев, под руководством Ивана Григорьевича Бубнова. Их ВРШ был установлен на учебном парусно-винтовом корабле «Верный», который вступил в строй в 1896 г и прослужил аж до 1948 года! В 1948 году судно переделали в несамоходную плавбазу и гребной винт естественно демонтировали. В качестве базы «Верный» прослужил еще десять лет.

корабль

Однако надежные ВРШ именно в качестве судовых движителей появились только в середине 30-х годов 20-го века. В 1934 г на Женевском озере началась эксплуатация теплохода с ВРШ, сконструированного швейцарской фирмой «Эшер-Висс» и успешно продолжалась в течении многих лет. В 1937 г шведская компания «КаМеВа» установила свой первый ВРШ на теплоход «Рейн». В 1940 г свои первые ВРШ установили на корабли американские компании «Морган-Смит» и «Дженерал Моторс». В настоящее время винт регулируемого шага установлен практически на каждом морском грузовом судне дедвейтом до 20000 тонн. Винты фиксированного шага устанавливают на судах большого тоннажа с реверсивными двигателями большой мощности.

Изготовление гребных винтов фиксированного шага относится к одним из самых высокотехнологических процессов.

Развитие гребных винтов продолжается и в настоящее время, так ведь оно и понятно, пределов для совершенства нет, а это значит, что мы увидим новые формы и конструкции винтов.

Применение гребного винта в качестве судового движителя, как и любое другое устройство, кроме очевидных достоинств имеет и недостатки, которые вынуждали и вынуждают кораблестроителей и эксплуатационников, искать способы как уменьшить или совсем устранить влияние недостатков винта на эффективную и безопасную эксплуатацию судов.

Для предохранения винтов от повреждения при плавании судна во льдах, особенно в арктических, вокруг винта, особенно регулируемого шага, стали устанавливать защитные кожухи в виде цилиндрической насадки. На российских атомных ледоколах четырех лопастные винты фиксированного шага делают сборными, то есть каждая лопасть крепится к ступице болтами. Это позволяет в случае повреждения отдельной лопасти сравнительно легко поменять её на запасную.

Применение гребного винта в насадке получило применение не только для защиты винта от повреждения, но даже в большей степени в качестве совместного движительно-рулевого комплекса.

Такая схема позволила значительно улучшить маневренные характеристики судов, особенно речных и река-море плавания без использования носовых подруливающих устройств.

В движительно-рулевом комплексе, насадка делается поворотной и поворачивается в нужную сторону при перекладке руля, если он предусмотрен, или вместо руля, если он не предусмотрен. Использование на речных судах и судах река-море плавания двух поворотных насадок позволяет эффективно и безопасно управлять судами длиной до 140 метров без использования носовых подруливающих устройств и разворачивать их на стесненной акватории на месте.

Первоначально на судах устанавливались синхронные поворотные насадки, которые при перекладке руля одновременно поворачиваются в туже сторону, однако это не совсем удобно, поэтому значительно улучшает поворотливость судов применение асинхронных поворотных насадок, что позволяет перекладывать каждую насадку отдельно в нужную сторону. Разумеется, в этом случае возникает некоторое усложнение в рулевом устройстве и его удорожание, однако значительное улучшение эксплуатационной эффективности, сводит данный негативный эффект на нет.

Возможно, что именно применение гребного винта в поворотной насадке натолкнуло инженеров на мысль и они стали разрабатывать винто-рулевые колонки.

Винто-рулевая колонка объединяет в себе судовой движитель и рулевое устройство. Таким образом, на судне, на одно устройство становится меньше, а это уже хорошо.

Суда, оборудованные винто-рулевыми колонками, обладают повышенной маневренностью, что особенно важно для судов часто эксплуатирующихся в стесненных условиях, например речные суда и суда река-море плавания, суда технического флота и специального назначения, суда которым по характеру выполняемой работы необходимо довольно продолжительное время маневрировать на ограниченной акватории или на одном месте.

Кроме этого, такие суда более устойчивы на курсе, так как у них почти отсутствует сила бокового упора.

В винто-рулевых колонках могут применяться как винты фиксированного шага, так и винты регулируемого шага.

В настоящее время на судах устанавливаются винто-рулевые колонки нескольких известных производителей, например немецкой компании Schottel, а также компании Rolls-Royce, в которую входит шведская компания Kamewa, финская Aquamaster, норвежская Ulstein.

В винто-рулевой колонке вращение гребного винта осуществляется при помощи редуктора и системы валов с шестеренками.

На первый взгляд такая конструкция выглядит сложным и, следовательно, дорогим устройством. Однако производители винто-рулевых колонок добились такого уровня надежности всех деталей и узлов в устройстве, что их эксплуатация в конечном оказывается дешевле чем традиционной схемы – судовой движитель и рулевое устройство, а эксплуатационная эффективность таких судов выше, чем у судов с классической схемой.

Дальнейшим развитием винто-рулевых колонок, стало создание финской компанией Вяртсиля (Wartsila), устройства, в котором гребной винт фиксированного шага вращается электромотором, расположенным в одном корпусе с валом и винтом. Такое устройство получило название «Азипод» (Azipod – Azimuthing Podded Drive).

Данное устройство было впервые создано в конце 80-х годов компанией Kvaerner Mas-Yards в сотрудничестве с компанией ABB Stromberg Drives. Уже в декабре 1990 г первый Азипод мощностью 1,5 МВт был установлен на судно «Seili». А в 1994 году Азипод мощностью 11,4 МВт был установлен на арктическом танкере «Uikku», дедвейтом 16000 тонн.

Суда с азиподами – это дизель-электроходы, так как их главный или главные двигатели, вращают не гребные валы, а генераторы, которые вырабатывают переменный ток, который через выпрямители и управляющие системы вращает электромотор, на валу которого установлен гребной винт. Корпус, в котором находится электромотор на вал которого установлен винт, имеет каплеобразную форму и вращается на 360 градусов. Таким образом, в обычном положении азипод отбрасывает струю и толкает судно вперёд, а если его развернуть на 180 градусов, то он будет «тянуть» судно. Причем, что интересно, судно оборудованное азиподом, лучше преодолевает льды, двигаясь кормой вперед.

Кроме перечисленных судовых движителей существуют и применяются на судах водометные движители и крыльчатые движители.

В водомётном движителе судно приводится в движение за счет выталкиваемой струи воды. Водометные движители устанавливаются на быстроходные небольшие суда и суда, которые эксплуатируются в условиях, при которых существует высокий риск повредить винт, например на судах, занимающихся сплавом леса. Надежные водометные движители выпускает шведская компания Камева, которая входит в английскую компанию Роллс-Ройс.

Крыльчатые движители выпускает немецкая компания Voith Schneider Propellers (VSP). Крыльчатые движители позволяют судну перемещаться в любом направлении, путем разворота лопастей. Суда оборудованные крыльчатыми двигателями обладают очень хорошей поворотливостью, поэтому их устанавливали в основном на портовых буксирах.


Автор капитан В. Н. Филимонов