Историческая справка о развитии колоснрго флота

ИСТОРИЧЕСКАЯ  СПРАВКА О РАЗВИТИИ КОЛЕСНОГО ФЛОТА

Малая плотность  населения нашей страны и сезонность работы речного транспорта препятствуют поднятию его рентабельности. В этих условиях для повышения эффективности  речных судов необходимо приспособить их к естественным условиям - уменьшить  осадку судов, оптимизировать их размеры, повысить их маневренные качества, дать при необходимости ледовый  или ледокольный класс, обеспечить возможность работы без причальных сооружений и при этом снизить  удельные показатели мощности энергетической установки. Для решения такой  задачи необходимы новые технические  решения. И они имеются.

Для грузового  и транспортного флота - это новый  движительно-рулевой комплекс с  применением гребных колес - Колесный ДРК или КДРК.

Реки России - транспортные артерии страны, были свидетелями зарождения и развития самоходного колесного флота, совершенствования  гребного колеса и паровой машины в течение более ста лет (начиная  с 1815 года, когда был построен первый в России пароход Берда).

Колесные суда, созданные русскими мастерами, имели  высокие эксплуатационные качества. Так буксирный пароход «Редедя  князь Косогский» (после революции  «Степан Разин»), построенный в 1889 году в Перми имел рекордную на протяжении всего своего существования  мощность 2000 (после капремонта 1800) л.с. и был способен буксировать воз  водоизмещением до 35 тыс. тонн.

Уже на рубеже IXX - XX веков строились комфортабельные пассажирские пароходы, развивавшие скорость 25-27 км/час.

Колесные пароходы составляли основной костяк речного  буксирного и пассажирского флота  страны вплоть до 50-х годов прошедшего столетия.

В 30-е - 50-е годы XX века флот, состоявший из национализированных  колёсных пароходов пополнился новыми судами, спроектированными на более  высоком уровне (буксирные пароходы пр. 733 мощностью 200 л.с., пр.732 мощностью 400 л.с., типа «Индустриализация» мощностью 1200 л.с.)

Развитие гребных  колес приостановилось в конце 50-х, начале 60-х годов, когда на речном транспорте стал внедряться метод вождения барж толканием.

Вновь строящиеся винтовые толкачи с дизельной  силовой установкой, упорами, автосцепным  устройством, поворотными насадками  гребных винтов в гораздо большей  степени отвечали поставленным задачам, чем старые колесные буксиры. Они  имели более высокую прочность  и мореходность, что было существенно  в условиях появившегося каскада  водохранилищ.

У многих речников и судостроителей в ту пору сложилось  мнение, что колесный движитель несовершенен и применялся лишь потому, что раньше не умели строить винтовые суда. Это была субъективная причина, по которой  о гребном колесе забыли на десятилетия. К объективным причинам неприменения в речном судостроении колёсного  движителя можно отнести следующие: фомоздкие размеры гребных колес  и обносов;

уязвимая конструкция  и дорогостоящий ремонт гребных  колес с поворотными плицами; недостаточная управляемость колесного  судна в качестве толкача;

низкая и почти  одинаковая в тот период стоимость  дизельного топлива и мазута, что  делало паровую машину неконкурентоспособной  в сравнении с ДВС;

отсутствие простой, надежной и экономичной передачи мощности от дизеля к гребному колесу ; увеличение предельной осадки судов  в связи с созданием водохранилищ, при которой гребной винт может  быть не менее эффективен, чем гребное  колесо.

Рис. 1. Двухопорное гребное  колесо с поворотными  плицами

Опыт эксплуатации колесных буксиров, исследования колёсного  движителя, выполненные в канун  Великой Отечественной войны  Одесским институтом водного транспорта, а также исследования 80-х лет  Новосибирского института водного  транспорта убедительно доказывают, что для осадок менее 1,5 м колесный движитель обеспечивает буксирному судну существенные преимущества.

По данным натурных испытаний 14-ти колесных буксиров, приведенных  в книге М.Я. Алферьева «Судовые движители» (изд. «Водный транспорт» 1938 г. стр. 496), у колесных речных буксиров КПД буксировки получается на 30-35% выше, чем у винтовых при средней  осадке (0,8 - 1,47 м) и средних скоростях  буксировки около 9 км/ч. Большой интерес  представляют исследования Новосибирского института водного транспорта, давшие рекомендации по созданию колесного  движителя с неповоротными плицами, имеющего высокий пропульсивный  КПД, (почти такой же, как у гребных  колес с поворотными плицами) и высокое упорное давление (более  высокое, чем для колес с поворотными  плицами). Такой движитель с плицами, жестко установленными под й

углом к оси  колеса, осуществлен на заднеколесном  толкаче пр.81470 мощностью 150 л.с.

Новосибирского  филиала ЦТКБ (головное судно построено  в 1990 году). В 70-е годы были ч

построены и  успешно эксплуатируются колесные теплоходы-буксиры для реки Лены и реки

Иртыш.

ОПИСАНИЕ  КОНСТРУКЦИИ И  ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОТЫ КОЛЁСНОГО

ДРК

(Российский  Патент №2225327 от 30.11.2001 г)

Конструкция колёсного ДРК.

Принципиальная  схема предлагаемого ДРК очень  проста: пара гребных колёс, имеющих  симметричную конструкцию с жёстко установленными винтовыми плицами, с раздельно управляемым приводом, установлена в оконечности судна. Поскольку в данном случае гребные  колёса являются одновременно движителем и органом управления судном, мы имеем новый тип движительно-рулевого комплекса, который предлагается назвать  «колёсным ДРК», сокращённо КДРК. Колёсный ДРК содержит устройство для регулирования  заглубления гребных колёс, выполненное  в виде рамы, шарнирно закрепленной на транце судна, с приводом её подъёма - опускания. 

Рис. 2. Гребное колесо с винтовыми плицами  на раме перед установкой на судно.

)яeлJ 

При использовании КДРК на буксирах - толкачах для повышения его пропульсивных  качеств, рама гребных колес может  быть оборудована волновыпрямителем  с устройством регулирования  угла атаки крыла и поднятия его  над уровнем воды.

Для повышения  эффективности работы в случае применения КДРК на пассажирских судах, форма гребных  колёс может быть выполнена в  виде усеченных конусов с наружным ободом меньшего диаметра, чем обод внутренний (ближний к ДП судна). При этом плица имеет аксиально-винтовую форму с оптимальным углом  входа кромки в воду у наружного  обода колеса и оптимальным углом  выхода кромки плицы из воды у внутреннего  обода колеса (для расчётной скорости хода судна).

Для использования  в особо тяжёлых условиях (например, для судов ледового класса) гребные  колёса выполняются в виде объёмной конструкции с внутренним набором  из высокопрочных материалов.

Управляемость и манёвренность судна, оборудованного колёсным ДРК.

Колесный движитель обладает замечательным  качеством: при возрастании сопротивления  движению и при падении скорости резко увеличивается удельный упор, приходящийся на единицу мощности. Характер зависимости относительного тягового усилия кг/лс от скорости движения судна (состава) V км/ч показан для  гребного колеса, винта и водомета на графике рис. 9

Рис.ЯГрафик  зависимости тягового усилия от скорости движения судна

• кривая, построенная  по данным натурных испытаний 14-ти колесных буксиров

(взято  из книги «Судовые движители»  М.Я. Алферьева, стр.497);

• — — — - кривая для водомётного судна;

—* • - кривая для винтового буксира. 

Как видно  из графика, в режиме маневра, возросшего сопротивления движению (встречный  ветер, мелководье), в режиме торможения, колесное судно имеет несомненные  преимущества перед винтовым.

Конструкция колёсного  ДРК обеспечивает изменение величины и направления вектора тяги путём  изменения соотношения числа  оборотов и направления вращения гребных колёс. Как видно на схеме  управляемости (рис. 4), максимальный момент, разворачивающий судно, может быть достигнут при вращении гребных  колёс на максимальных оборотах в  противоположном направлении. Управляемость  судна на переднем и заднем ходу будет идентична.

Величина  разворачивающего судно момента  зависит от угла а разворота плиц относительно оси колеса и расстояния оси гребных колёс от центра массы  судна или толкаемого состава. При  установке плиц под углом к  оси колёс а = 17° (угол, соответствующий  максимальному КПД КДРК) момент, разворачивающий судно в сравнении  со случаем а = 0° возрастает для  судна - толкача в 2,5-3 раза, для толкаемого состава толкач + баржа в 5-6 раз, для  состава толкач + две баржи в  кильватер в 10-12 раз.

Винтовая форма  плиц при вращении колёс в разные стороны обеспечивает рулевую силу, соизмеримую с упором ДРК. Если плицы  не имеют разворота (а = 0°), то боковая  составляющая упора отсутствует, и  управляемость судна, в отличие  от предлагаемой конструкции КДРК, не может быть обеспечена без традиционного  рулевого устройства.

L/2

И

Рис. 4 Схема управляемости  судна.

Разворачивающий момент при вращении колес в разные стороны:

Л/ = 2Р • (—sin а + —cos а) = P(L sin а + b cos а)

2 2 '

где Р - величина упора на одном гребном  колесе;

L/2 - расстояние от центр массы судна (состава) до оси гребных колес;

b - расстояние между центрами плиц;

а - угол разворота плиц.

для а = 0 МО = РЬ;

для а = 17°, оптимального с точки зрения КПД движителя)

М17 = Р  (L- 0,32 + Ь- 0,94) 

Данная схема  ДРК испытывалась на модели, самоходном снаряде для добычи сапропеля, паромах  и дала хорошие результаты.

При маневрировании на малых скоростях данный ДРК  особенно эффективен, так как удельная тяга на каждом колесе может быть очень  высокой.

 Тяговые и  скоростные характеристики, обеспечиваемые колёсным ДРК.

Из практики известно, что удельные тяговые характеристики гребных колёс при возрастании  сопротивления движению увеличиваются  в 1,5-2 раза. При одинаковой мощности судно с колёсным ДРК будет  быстрее набирать и гасить скорость в сравнении с судном, имеющим  винтовой или водомётный ДРК.

Разворот плиц относительно оси колёс, кроме обеспечения  управляемости, способствует повышению  пропульсивного КПД ДРК и получению  высоких тяговых характеристик  за счёт подгребания воды с бортов и обжатия струи. Для уменьшения потерь и повышения скорости отбрасываемой  струи (а значит и скорости судна) колёса ДРК выполняются в виде усечённого конуса.

Частицы воды, захваченные  плицей, в момент гребка перемещаются вдоль её поверхности от борта  к ДП судна и получают ускорение  т.к. диаметр гребного колеса, а значит и окружная скорость плиц возрастает от борта к ДП. Возросшая скорость отбрасываемой струи снижает  образование водяного вала за колесом, подъём воды плицами. Этому также  способствует аксиально-винтовая форма  плиц. На всех режимах движения судна  обеспечивается максимальный КПД ДРК  за счет оптимальной величины заглубления  гребных колес, регулируемой приводом подъёма-опускания рамы. При создании заднеколесного буксира-толкача может  быть использован волновыпрямитель, который обеспечит повышение  буксировочного коэффициента до 25% («Судовые движители», М.Я. Алферьев, стр.526).

Работа колёсного  ДРК в условиях мелководья, засоренной акватории и в ледовых условиях. Отсутствие уязвимых элементов - поворотных плиц, перьев рулей - обеспечивают колёсному  ДРК повышенную надежность на предельном мелководье, вплоть до использования  его в качестве грунтозацепов  путем опускания на дно, например, при посадке на мель.

Конструкция колесного  ДРК может быть выполнена настолько  прочной, что сможет использоваться в качестве ледоразрушающего устройства. Для этого гребные колеса, симметричные относительно ДП судна и имеющие  раздельный привод, изготавливаются  в виде косозубой фрезы с жесткими объемными плицами из прочной  стали достаточной толщины, с  внутренними ребрами жесткости.

Оболочечная конструкция  обеспечивает колесу высокую прочность  и жесткость и приемлемые весовые  характеристики (практически одинаковые по весу с колесами с поворотными  стальными плицами). Следует отметить, что эффективность при движении во льду колёсами вперед для данного  судна будет выше, так как при  этом будут наблюдаться следующие  положительные эффекты:

 Колесо, работающее у кромки льда, создаёт под ней  разрежение, способствующее обламыванию  кусков льда при ударе по кромке плицей.

 Лёд будет  разрушаться в основном путём  деформации среза, а не изгиба (колесо по форме - фреза), благодаря чему энергозатраты  на разрушение льда снизятся, т. к. прочность  льда на сре»в 5 раз ниже, чем на изгиб.

  Куски льда притагшиваются плицей и боковой  составляющей упора  вместе с большой массой воды отбрасываются в сторону от канала под кромку льда.

  Судно движется в чистом канале; сопротивление  трения о лед. составляющее до 15% ледового сопротивления ледоколов традиционной конструкции, практически отсутствует.

  При движении в тяжёлом  льду от ударов колёс  о лёд появится вибрация оконечности, что приведёт к  падению сопротивления  трения штевня о лёд. При выходе на чистую воду вибрация автоматически  исчезнет.

  В отличие от традиционных ледоколов, подминающих  лед, судно может  преодолевать ледяные  заторы на реках, управляться  в битом и сплошном льду, двигаться носом  и кормой вперед, не опасаясь за поломку  ДРК.

  Если  для винтового  и водомётного  движителя взаимодействие со льдом и шугой  приводит к ухудшению  условий их работы и снижению тяговых  характеристик, то для  колёсного ДРК  это взаимодействие даёт уменьшение скольжения, а, следовательно  повышение КПД  движителя. Ледокольное  судно, оборудованное  колёсным ДРК, может  разрушать лёд  и управляться, двигаясь вперёд носом и  кормой, разворачиваться  во льду на месте, имея осадку около 20% диаметра гребного колеса. Надежность ДРК обеспечивается тем, что гребные  колеса при ударе  о препятствие (кромку ледяного поля, мель) выкатываются на него и гасят энергию  удара, не допуская разрушающих  напряжений в конструкции. Наличие активного  ледоразрушающего устройства делает инерционные  и формообразующие  характеристики корпуса  судна второстепенными. Ожидается, что ледокол  с колёсным ДРК  одинаковой ледопроходимости с традиционным ледоколом  будет иметь меньшие  в 1,5-2 раза мощность и водоизмещение.

Это означает, что строительная стоимость и эксплуатационные расходы уменьшатся, примерно, вдвое.

Технологические и экологические  особенности колёсного  ДРК.

Гребные колеса КДРК имеют  сварную прочную  конструкцию, могут  изготавливаться  в цехе и в готовом  виде устанавливаться  на судно. Требования к точности изготовления не превосходят существующие в судостроительной промышленности. В  последние годы разработаны  несколько проектов небольших судов  с подобными колёсами. По массе эти колёса могут быть меньше, чем колёса с поворотными  плицами тех же размеров, если не требуется  ледовый класс. Конструкция  технологична в изготовлении и надёжна в  эксплуатации.

Колёсный  ДРК, в отличие  от винтового, допускает  осмотр и ремонт без  докования судна.

Кроме технических преимуществ  колёсный ДРК будет  иметь и экологические, оказывая щадящее  воздействие на флору  и фауну акватории, т.к. добавленные  скорости частиц воды, проходящих через  гребные колёса на порядок ниже, чем  в винте. Малая  осадка и способность  самостоятельного снятия с мели судов с  КДРК снижают требования к объёму дноуглубительных работ.

Требования  колёсного ДРК  к энергетической установке и силовой  передаче.

 Колесный  движитель и схема  управления накладывают  специфические требования к энергетической установке и приводу  гребных колес. Для  малых судов наиболее простой и дешевой  является цепная передача крутящего момента  от ведущих звездочек  правого и левого борта энергетической установки, роль которой  может выполнять  установленный на фундаменте гусеничный трактор со снятыми  гусеницами.

 Для судов средних  и больших размеров может быть применен электропривод с  использованием узлов  и агрегатов самосвала  «БелАЗ».

 Наиболее  подходящей по весовым  и гидромеханическим  свойствам для  привода гребных  колес можно считать  гидравлическую передачу с использованием высокомоментных  гидромоторов, которая  безболезненно переносит  ударные нагрузки, обеспечивает максимальный крутящий момент, начиная  с нуля оборотов колес. Недостаток данной передачи - более высокая  стоимость. Современный  уровень развития техники, в частности  аппаратуры гидравлики и гидравлических приводов позволяет  создать симбиоз  паровой поршневой  машины и гидравлического  привода. Объемная гидропередача  с паровым гидронасосом позволит использовать паровые котлы, работающие на любом виде топлива. При нынешнем соотношении  цен на мазут и  дизельное топливо 1/3, паровая машина уже  не проигрывает дизелю по экономичности. А  если учесть больший  моторесурс, пониженные шум и вибрацию, попутное решение  вопросов отопления  и горячего водоснабжения, возможность форсирования мощности в 1,5-2 раза, то паровая машина вновь становится привлекательной.

 Дня создания мощных колесных ледоколов мог>т  быть использованы паропроизводжщнс установки с утилизированных  атомных подводных  лодок.

Особенности компоновки и архитектуры  судов с колесным ДРК.

Установка в  оконечности судна блока колесного  ДРК, составляющего 10-12 % доковой массы, делает сложной задачу его удифферентования.

Если для паромов  и грузовых судов задача решается размещением груза, то для буксиров- толкачей, ледоколов, пассажирских судов  требуется максимальное удаление от гребных колес судового оборудования, жилья, запасов. Но и этого недостаточно. Форма корпуса должна обеспечивать значительное смещение в сторону  гребных колес ЦВ - центра приложения подъемной силы погруженной части  судна. Заднеколесные суда будут  иметь острый мореходный нос, и полную корму, что согласуется с требованиями ходкости корабля. Корпус толкача и ледокола будет иметь клиновидную форму в плане с максимальной шириной в районе колес, что позволит разместить в корме движитель с большим гидравлическим сечением, обеспечить управляемость при движении колесами вперед в сплошном льду.

 Новые конструктивные решения вызовут рождение новых  архитектурных форм. Наличие работающих гребных колес, создающих облако брызг и шум падающей воды, оживляет и делает притягательным образ нового судна. Динамика и оригинальность внешнего вида подчеркивает уникальные эксплуатационные возможности судов с КДРК, что  еще выше поднимает их конкурентоспособность.

 ПРОЕКТЫ И ПРОЕКТНЫЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ  СУДОВ С КОЛЁСНЫМ ДРК.

 В течение  последнего десятилетия осуществлены несколько проектов и выполнен ряд  проработок судов с колёсным ДРК. В качестве образца и натурной модели при разработке судов с  колесным ДРК могут служить два  парома ПКР-25, построенных в 1996 и 1997 году на Красноярской судоверфи.

 По результатам  заводских испытаний, при водоизмещении  парома в грузу 75 тонн, была получена скорость 14,7 км/ч, радиус циркуляции равен  длине судна, время циркуляции на 360° - 90 сек, выбег при реверсе гребных  колес - чуть более половины габаритной длины судна.

 Это очень  высокие характеристики, учитывая, что мощность парома, для которого даны эти цифры, всего 95 л.с. (трактор  ДТ-75).

ВЫВОДЫ  О ЦЕЛЕООБРАЗНОСТИ  И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОЛЕСНОГО ДРК.

 На основании  накопленного материала и проведённого анализа может быть сделан вывод, что на качественно новом уровне может быть создан ряд судов с  малой осадкой, с новым типом  ДРК, энергетической установки, силовой  передачи, с новой конструкцией корпуса  и архитектурой, обладающих повышенной маневренностью и управляемостью, не боящихся мелей, приспособленных к  работе в условиях продленной навигации  и в качестве ледокола.

 Доработка конструкции  и технических качеств колесного  ДРК с конечной целью создания эффективного арктического ледокола может  осуществляться поэтапно путем постройки  и испытания речных колёсных судов, без значительных вложений в научно-исследовательские  и опытно-конструкторские работы. Создание эффективного мелкосидящего  ледокольного флота класса река-море позволит продлить календарные сроки  эксплуатации Северного морского пути и Великих Северных рек, решить экономические  и социальные проблемы Крайнего Севера.

Требования РРР  предъявляемые к гребным электрическим  установкам

1. Общие требования
1. Генераторы гребных электрических установок допускается использовать для

питания вспомогательных  электрических машин и устройств  при условии обеспечения стабильности напряжения и частоты на всех режимах, в том числе и маневровых. Под  электрическими двигателями гребных  установок и главными генераторами должно быть стационарное освещение,

2. Часть гребных электрических машин (двигателей и генераторов), расположенная под настилом, должен иметь степень зашиты не менее 1РХ6. Если они помещаются в сухом отсеке или защищены от попадания воды водонепроницаемым фундаментом и если, кроме того, имеется сигнализация, срабатывающая при попадании воды в этот отсек, то может быть допущена степень защиты 1РХЗ.
3. Питание контрольных, защитных и сигнальных цепей системы электродвижения допускается от возбудителей главных машин электродвижения.
4. Все элементы, составляющие гребную электрическую установку постоянного тока, должны быть рассчитаны на работу в режиме стоянки гребных электрических двигателей под током в течение 1 мин.
2. НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ
1. Напряжение в системе гребной электрической установки не должно превышать значений, приведенных в табл. 2.1 Применение более высоких напряжений является в каждом отдельном случае предметом специального рассмотрения Речным Регистром,

   Таблица 2.1

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

1. Главные электрические машины с замкнутой системой вентиляции должны быть оборудованы термометрами для контроля температуры отходящего воздуха и воды.

2. Должна быть обеспечена световая и звуковая сигнализация. При повышении температуры главных электрических машин сверх значений, установленных технической документацией, должна срабатывать световая и звуковая сигнализация.
3. Гребные электрические двигатели с воздушным охлаждением следует оборудовать двумя вентиляторами принудительной вентиляции, каждый из которых должен иметь подачу, достаточную для обеспечения нормальных условий работы электрического двигателя. Следует предусматривать световую сигнализацию о работе и звуковую сигнализацию об остановке вентиляторов.
4. Каждый прокачиваемый водой воздухоохладитель электрической машины должен иметь вентили на нагнетательной и отливной магистралях и устройство для осушения воздухоохладителя.
5. Генераторы гребных электрических установок и гребные электрические двигатели должны иметь обогрев для поддержания температуры воздуха внутри машины по меньшей мере на 3°С выше температуры окружающего воздуха.

4. ЗАЩИТА В ЦЕПЯХ ГРЕБНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

1. Гребные электрические установки должны иметь защиту от замыкания токоведущих частей на корпус. Устройство защиты должно быть рассчитано так, чтобы ток утечки не превышал 20 мА.

2. В главных цепях электрических двигателей гребных установок не допускается применение плавких предохранителей в качестве защиты.

3. Гребная электрическая установка должна иметь нулевую защиту от самопроизвольного пуска после срабатывания любой защиты.
4. Г ребная электрическая установка должна иметь максимальную защиту от токов короткого замыкания и защиту от перегрузок. Действию защиты от перегрузок должно предшествовать включение звуковой и световой сигнализации.
5. Должны быть приняты меры по ограничению и использованию электрической энергии» вырабатываемой электрическим двигателем гребной установки, при переходных режимах либо при изменении направления вращения гребного винта, если эта энергия может вызвать чрезмерное увеличение частоты вращения первичных двигателей.
6. При самопроизвольной остановке первичного двигателя одного из генераторов, работающего параллельно на общие шины или на один электрический двигатель гребной установки, этот генератор должен автоматически отключаться всеми полюсами или фазами, при этом питание гребной установки не должно прерываться.