Рис. Экспериментальное судно-площадка «Форель»

Сегодня перед страной как никогда стоит задача индустриального подъема, и в частности развития водного транспорта. Для обновления флота нужны новые эффективные технические и архитектурные решения. Основу для них можно найти, обратившись к истории развития флота.

Евгений Фальмонов, инженер-конструктор, изобретатель

Так, до середины прошлого века на реках страны абсолютное большинство самоходных судов было оборудовано паровыми машинами и гребными колесами. Мощные буксиры обеспечивали транспортировку барж общим водоизмещением до 35 тыс. тонн, а пассажирские пароходы ходили со скоростью 25 км/час.

Суда прошлого, оборудованные гребными колесами, имеющими высокие гидродинамические качества, тем не менее имели недостатков больше, чем преимуществ. Это было связано с общим уровнем развития техники и технологий того времени.

Колесники прошлого

Преимущества:

1. Малая осадка.

2. Высокая удельная тяга.

3. Незначительный эффект присасывания днища корпуса на мелководье.

4. Возможность осмотра и ремонта движителя без докования судна.

Недостатки:

1. Большие габариты гребных колес.

2. Большая ширина судна при бортовом размещении колес.

3. Незащищенность бортовых гребных колес.

4. Отрицательное влияние крена на работу бортовых колес.

5. Отрицательное влияние изменения осадки на работу гребных колес.

6. Недостаточная управляемость.

7. Исключение ледового плавания.

Новая конструкция

В 2001 году была подана заявка и получен патент РФ № 2225327 на изобретение «Колесный движительно-рулевой комплекс» (КДРК), в описании которого предлагалось устройство, содержащее 2 гребных колеса с винтовой формой плиц, с независимо управляемым приводом, установленных на раме, шарнирно или жестко закрепленной на транце судна. Новая конструкция обеспечивала высокие тяговые характеристики, новый способ управления судном и способ самоснятия с мели, в ледовых условиях – способ прокладки и очистки ледового канала.

Рис. 1. КДРК на пассажирском колесном судне «Сура» пр. ПКС40

Рис. 2. Ледокольный КДРК. Проработка толкача

Рис. 3. Схема КДРК

Изобретение позволяет создавать новые эффективные суда для работы на мелководье и в ледовых условиях.

Доказанное на практике преимущество – КДРК обеспечивает эффективную управляемость без рулей, т.к. рулевую силу на ходу создают оба колеса: одно за счет увеличения оборотов, а второе, заторможенное, за счет набегающего потока. Плечо разворачивающего момента составляет половину длины судна или состава.

Соотношение преимуществ и недостатков новых судов с КДРК резко поменялось.

Колесные суда с КДРК

Рис. 4.

Преимущества

1. Малая осадка.

2. Высокая удельная тяга.

3. Незначительный эффект присасывания днища корпуса на мелководье.

4. Возможность осмотра и ремонта движителя без докования судна.

5. Гребные колеса размещены в пределах ширины корпуса и защищены от встречных волн, плавающих предметов.

6. Снижено отрицательное влияние крена на работу.

7. Возможность регулирования заглубления гребных колес, исключающего отрицательное влияние изменения осадки судна на их работу.

8. Возможность использования гребных колес в режиме грунтозацепа.

9. Эффективная работа в ледовых условиях с прокладкой чистого канала.

Недостатки

1. Большие габариты гребных колес.

Поэтому говорить о новых колесниках, что это «хорошо забытое старое», могут либо незнающие, либо нечестные люди.

Морские колесники

Кроме того, многие уверены, что колесные суда немореходны, не способны развивать большую скорость. История колесников, которые строились и эксплуатировались на американских Великих озерах в первой половине XX века, опровергает это мнение. Регулярно они совершали 15-часовой переход между Детройтом и Буффало по озеру Эри даже в жестокие осенние шторма. Эксплуатационная скорость парохода 19 узлов. На испытаниях показана скорость 22 узла (почти 41 км/час).

Быстроходный вариант

Суда с КДРК также могут быть быстроходными. Для достижения скоростей 20 км/час и больше предложен «Колесный движительно-рулевой комплекс с поворотными плицами», патент РФ № 2999486 от 26.06.2017. Колеса вдвое легче моргановских, работают на повышенных оборотах с повышенным КПД.

Устройство обеспечивает эффективную управляемость на переднем и заднем ходу без традиционных рулей. Малый вес упрощает проектную задачу удифферентовки заднеколесного судна. Новые технические решения породили новые архитектурно-компоновочные схемы судов с КДРК.

Корпус освободился от валовых линий, отсутствует самое уязвимое рулевое устройство, использование объемов корпуса и надстройки стало более рациональным. Привод ГК выполнен электромеханическим с применением частотного управления гребными асинхронными двигателями. Обеспечена высокая степень автоматизации и компьютерное управление судном. В результате получено кратное снижение водоизмещения и мощности на одного пассажира.

Рис. 5. КДРК с поворотными плицами

Таблица удельных показателей

В ледовых условиях

Для работы в ледовых условиях радиальные гребные колеса с объемными плицами и привод ледокольного КДРК могут быть рассчитаны и изготовлены на необходимую прочность.

Ледокольный КДРК обеспечивает максимальный эффект при движении колесами на лед за счет контакта движителя со льдом и создания чистого канала. Оценочный расчет показывает, что при движении колесами на лед толщиной до 10% диаметра колеса для разрушения льда достаточно массы ледокольного КДРК, а затраты энергии в 1,5-2 раза ниже, чем у ледокола, т.к. разрушение льда осуществляется в основном деформацией среза, а предел прочности льда на срез в 2-5 раз ниже, чем на изгиб.

Рис. 6. Ледокольный КДРК

Если ширина по колесам больше, чем корпуса по КВЛ, то исключается заклинивание и трение корпуса в канале. Контакт лопасти с кромкой ледового поля повышает КПД колеса. Энергия удара распределяется на разрушение льда и на движение судна. Винтовая форма лопастей обеспечивает выведение битого льда с массой воды в стороны от проложенного канала.

Реакция от горизонтальной составляющей силы взаимодействия со льдом на форштевне направлена против движения судна, а на ледокольном колесе – по направлению движения.

Окружная скорость кромки лопасти колеса на порядок выше скорости движения корпуса судна, разрушение льда может осуществляться даже при отсутствии движения. При работе ледокольных колес «враздрай» судно сможет маневрировать, разрушая лед торцом колеса.

Рис. 7.

Для изучения нового способа прокладки ледового канала предлагается построить и испытать натурную модель – колесную платформу ледопроходимостью 20 см. Строительная стоимость модели примерно 20 млн рублей. Столько же стоят испытания модели в ледовом бассейне Крыловского центра, но натурные испытания могут дать более точные результаты. Колесная платформа имеет простую конструкцию и универсальное применение. На нее уже имеется потенциальный покупатель. Результаты испытаний позволят реализовать другой инновационный проект: типоряд колесных буксиров-толкачей.

Буксир-толкач

Типоряд толкачей включает 6 модификаций судна, имеющих одинаковую габаритную длину, идентичную форму корпуса при разной габаритной ширине за счет продольной цилиндрической вставки, унифицированные энергетические установки при разном количестве однотипных двигателей, при наличии или отсутствии ледового класса. Осадка не более 1,5 м. По заявке на изобретение «Способ постройки колесных толкачей» получен патент РФ № 2794505 от 08.06.2022.

Типоряд толкачей покрывает диапазон мощности потребных линейных толкачей для внутреннего водного транспорта. Идентичность конструкции и судового оборудования обеспечит снижение затрат как при строительстве, так и при эксплуатации разных вариантов типоряда.

Для привода гребных колес базового варианта БТК-800 может быть применено мотор-колесо БелАЗа-7558. Для БТК-1200 и БТК-1600 подойдет привод БелАЗа-75131.

Рис. 8.

Промышленное освоение производства буксиров-толкачей нового типа с повышенными эксплуатационными и технологическими качествами позволит решить проблему обновления речного флота. Инновационные решения, заложенные в проектном предложении, могут быть применены для речных транспортных судов других типов. Предлагаемый способ прокладки и очистки канала с помощью ледокольного КДРК, новый архитектурно-конструктивный тип ледокольного толкача с малой осадкой, сниженными удельными энергозатратами на ледокольную работу, очисткой канала от битого льда позволит при серийной постройке таких судов осуществлять продленную навигацию с гарантированными сроками начала и окончания.

Рис. 9.

Буксиры-толкачи ледового класса можно будет использовать для организации зимних дноуглубительных работ, для решения экстренных транспортных задач в ледовых условиях. Конструкция и технология постройки толкачей различной мощности и класса РРР максимально унифицированы, что позволяет без затратной переналадки производить толкачи типоряда на одном предприятии.

Отработка на толкачах конструкции и технологии работы ледокольных КДРК обеспечит дальнейшее применение новшества на реках, шельфе и трассах СМП.

Севморпуть без ледоколов

Появление супертанкера-газовоза «Кристоф де Маржери» с шириной корпуса 50 м и водоизмещением, которое недостижимо для ледоколов, перевозящих вместо полезных грузов воду (на атомном ледоколе «Арктика» пр. 22220 балласта 8000 т, на проектируемом «Лидере» – 17 000 т), обозначило закат эры ледоколов.

Танкерное судно типа «ЯМАЛМАКС» имеет ледопроходимость кормой вперед 2,1 м. Если бы была поставлена проектная задача кроме перевозки груза обеспечить проводку караванов судов по трассам Арктики, то путем повышения мощности его ледопроходимость могла быть доведена до 3-4 м. Увеличение строительной стоимости танкера многократно ниже затрат на строительство атомных ледоколов.

Рис. 10. Танкер СПГ – ледофрез «Иван Кулибин», вид на корму

*

Но есть и другой вариант – создание транспортного ледокольного судна-ледофреза. Если вместо импортных азиподов установить на корпус супертанкера ледокольный колесный ДРК с колесами диаметром около 30 м (всего на 3,5 м больше высоты борта), то при той же мощности он сможет прокладывать чистый канал во льдах до 3 м, двигаться с большей скоростью и вести караваны судов с минимальным ледовым классом. При толщине льда меньше метра судно может двигаться быстрее, чем по чистой воде. Еще одно преимущество – в рейсе порожнем не нужен балласт для заглубления винтов.

Экономический эффект от применения новой технологии трудно определить, но если предлагаемый способ и организация ледовых проводок позволят отказаться от строительства атомных суперледоколов, то уже это сотни миллиардов рублей. Но главный эффект – это резкое снижение пошлин за проводку или их обнуление, обусловленное приходом в Арктику большого числа транспортных судов, имеющих ледопроходимость 3-4 м и ширину 50 м и более. Ледокольные транспортные суда нового типа возьмут на себя проводку караванов как дополнительную функцию, позволят повысить интенсивность и снизить риски судоходства в Арктике.

Рис. 11. Сравнительная таблица характеристик танкера-ледофреза и ледоколов

СМП без ледоколов и пошлин за проводку, но с большим количеством крупных ледокольных транспортных судов с ледокольным КДРК, способных создавать и поддерживать 60-метровый чистый от битого льда канал, может составить конкуренцию Южному пути и Суэцкому каналу.

Морские вести России №16 (2023)