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.