Средства улучшения маневренных характеристик судна

Винто-рулевой комплекс судов не обеспечивает их необходимую маневрен­ность при движении на малых скоростях. Поэтому на многих судах для улучшения маневренных характеристик используются средства активного управления, которые позволяют создавать силу тяги в направлениях, отличных от направления диаметральной плоскости судна. К ним относятся: активные рули, подруливающие устройства, поворотные винтовые колонки и раздельные поворотные насадки.

Активный руль – это руль с установленным на нем вспомогательным винтом, расположенным на задней кромке пера руля (рис. 1). В перо руля встроен электродвигатель, приводящий во вращение гребной винт, который для защиты от по­вреждений помещен в насадку. За счет поворота пера руля вместе с гребным вин­том на определенный угол возникает поперечный упор, обусловливающий поворот судна. Активный руль используется на малых скоростях до 5 узлов. При маневри­ровании на стесненных акваториях активный руль может использоваться в каче­стве основного движителя, что обеспечивает высокие маневренные качества судна. При больших скоростях винт активного руля отключается, и перекладка руля осу­ществляется в обычном режиме.

Раздельные поворотные насадки (рис. 2). Поворотная насадка – это сталь­ное кольцо, профиль которого представляет элемент крыла. Площадь входного отверстия насадки больше площади выходного. Гребной винт располагается в наибо­лее узком ее сечении. Поворотная насадка устанавливается на баллере и поворачивается до 40° на каждый борт, заменяя руль. Раздельные поворотные насадки уста­новлены на многих транспортных судах, главным образом речных и смешанного плавания, и обеспечивают их высокие маневренные характеристики.

Подруливающие устройства (рис. 3). Необходимость создания эффектив­ных средств управления носовой оконечностью судна привела к оборудованию судов подруливающими устройствами. ПУ создают силу тяги в направлении, перпендикулярном диаметральной плоскости судна независимо от работы главных движителей и рулевого устройства. Подруливающими устройствами оборудовано большое количество судов самого разного назначения. В сочетании с винтом и ру­лем ПУ обеспечивает высокую маневренность судна, возможность разворота на месте при отсутствии хода, отход или подход к причалу практически лагом. Ис­пользование подруливающих устройств эффективно до скорости судна 4-5 узлов.

Общие сведения об AZIPOD

В последнее время получила распространение электродвижущаяся система AZIPOD (Azimuthing Electric Propulsion Drive), которая включает в себя дизель-генератор, электромотор и винт (рис. 4).

AZIPOD (от англ. – azimuth (азимутальный) и pod (стручок) или азимуталь­ный электрический Погруженный гребной Двигатель (АЗИПОД)) является брен­дом шведско-швейцарской компании «ABB» (Asea Brown Boveri Ltd.) и представ­ляет собой размещенный в гондоле главный электрический движитель и рулевой механизм, приводящий в движение винт фиксированного шага с различными ско­ростными режимами.

Принцип действия движителя AZIPOD

Винто-рулевая колонка AZIPOD состоит из высокомоментного электродви­гателя, расположенного в отдельном корпусе – поде (рис. 5). Гребной винт уста­новлен непосредственно на валу электродвигателя, что позволило передавать вращающий момент с двигателя непосредственно на винт, минуя промежуточные ва­лы или редукторы. Электроэнергия для AZIPOD подается от судовой электростан­цииСудовые электростанции на буксирных судах с помощью гибких кабелей. Отказ от промежуточных элементов пропульсивной системы позволил исключить потери энергии, возникающие в них при переда­че энергии с вала двигателя на винт. Установка закреплена вне корпуса судна с по­мощью шарнирного механизма и может вращаться вокруг вертикальной оси на 360°, что позволяет получить лучшую маневренность судна как по курсу, так и по скорости по сравнению с обычными движительными установками. Система пово­рота – гидравлическая.

Модификации модулей «AZIPOD», их обозначения и установка на разных типах судов

Компанией АВВ создано несколько типов модулей AZIPOD, различающихся между собой по следующим признакам:

• виду;
• предполагаемой среде использования;
• диаметру гребного двигателя;
• длине гребного двигателя;
• типу гребного двигателя.

Каждому модулю присваивается свой код, который несёт в себе вышеизложенную информацию. Код формируется по следующей схеме (рис. 6):

Например, код модуля «AZIPOD® VI 1600 A» означает AZIPOD для использования во льдах с мощностью на валу в нижних пределах диапазона мощности (например, 5 МВт), построенный с асинхронным гребным двигателем.

Далее представлены примеры некоторых модулей AZIPOD и способы их установки на различных судах (рис. 7 – 11):

Основные преимущества и недостатки комплексов AZIPOD

Основными преимуществами движителя AZIPOD являются:

1. Сочетание в себе нескольких функций одновременно. Она одновременно явля­ется двигателем, движителем и средством управляемости судна.
2. Повышенная маневренность в тяжелых ледовых условиях. Возможность по­ворота на 360° обеспечивает полный крутящий момент и тягу в любом направлении, полный крутящий момент доступен даже при остановке гребно­го винта и при реверсировании.
3. Прочная механическая конструкция. Один короткий вал и отсутствие кониче­ских зубчатых передач означает, что максимальный крутящий момент элек­трического двигателя может быть полностью использован без механических ограничений.
4. Прочность и жесткость. Корпус AZIPOD с рамной конструкцией и короткий жесткий валопровод выдерживают резкие изменения тяги и высокие ударные нагрузки во время дробления льда.
5. Свобода при проектировании судов. AZIPOD обеспечивает высокую проект­ную гибкость и возможность разработки судов с отличными эксплуатацион­ными характеристиками как для операции во льдах так и на открытой воде.
6. Экономия топлива на 15 %.
7. Возможность судна двигаться во льдах кормой вперед. При этом движении происходит существенное снижении требуемой мощности. Обычно танкер, требующий мощность 10 МВт при движении в открытой воде будет требовать установленной мощности в 20 МВт для движения во льдах носом вперед. Ес­ли же его конструкция будет предусматривать движение во льдах кормой впе­ред, требуемая мощность будет снижена до 12 МВт.
8. Простота силовой передачи. В то время как механические движители имеют сложную трансмиссию с зубчатыми колесами и валами, AZIPOD имеет только электрические кабели между источником электрического питания и электро­двигателем. Это позволяет построить крайне прочное гребное устройство, объединяющее в себе простоту, прочность и надежность для наиболее слож­ных ледовых условий и судов любого ледового класса.
9. Экономность. Эта установка не только оптимально размещает весь винто­рулевой комплекс в подводной части судна, но и значительно упрощает ком­поновку машинного отделения обслуживающими системами и механизмами. Исходя из этого, удалось сократить размеры машинного отделения, стоимость постройки, а также упростить ряд технологических операций.
10. Соответствие требованиям. Новая компактная установка AZIPOD спроек­тирована так, чтобы удовлетворить все предъявляемые требования по обеспе­чению маневренности с возможностью работы в диапазоне мощностей от 400 кВт до 5 МВт. При этом выдерживаются требования экономической целесо­образности применения на небольших типах судов.
11. Плавное изменение скорости. Применение частотного преобразователя энер­гии позволяет плавно изменять скорость, а также обеспечивать контроль кру­тящего момента.
12. Небольшой диаметр винта. Удалось уменьшить внешний диаметр гребного винта, сохранив все его гидродинамические характеристики.
13. Высокая пропульсивная эффективность. Работа всех устройств и механизмов имеет низкую шумность и вибрацию.
14. Модернизация конструкции. Усовершенствование конструкции электродвига­теля позволило значительно сократить потери мощности, а также эффективно применить систему охлаждения. Наиболее оптимальным стало использование воды в качестве охлаждающей среды.
15. Система контроля. Она позволяет постоянно контролировать скорость двига­теля, держа угол атаки винта в заданном режиме работы, и не превышать пре­дельно допустимых значений. Частота вращения винта может изменяться пу­тем регулировки уровня тока, подаваемого на электродвигатель. Сам электро­привод низковольтный, рассчитан на напряжение 690 В.

Основными недостатками комплекса AZIPOD являются высокая стоимость установки и трудность ремонта в рейсе.

Система управления AZIPOD

Установки AZIPOD применяются на контейнеровозахСпециализированные суда для перевозки сухих грузов, балкерах, пассажир­ских судах и т. д. В подавляющем большинстве это достаточно крупные суда. Немаловажным фактором является большая возможность использовать пропульсивные установки AZIPOD для ледоколов и судов ледового плавания.

Один из примеров использования AZIPOD – танкер двойного действия (рис. 12), который на открытой воде двигается как обычное судно, а во льдах двигается кормой вперёд как ледокол, для чего кормовая часть такого судна оснащена ледо­вым подкреплением для ломки льда.

Современные суда ледового плавания, как правило, имеют навигационный мостик закрытого типа во всю ширину судна. Две консоли управления модулями AZIPOD расположены в центре мостика (в передней части для управления судном при движении вперёд и в задней части при движении кормой вперёд) и по одной на каждом их крыльев (рис. 13). Консоли, установленные на крыльях мостика, поз­воляют капитану одновременно управлять модулями и контролировать окружаю­щую обстановку у борта судна, например, во время таких сложных операций как швартовка к причалу, подход к которому затруднён из-за льда. Консоль управле­ния, как правило, оборудована монитором рабочей станции, средствами связиМорская сигнализация и связь, те­леграфом и джойстиками ручного управления движителями AZIPOD (рис. 14).

С помощью джойстиков (рис. 15) капитан может изменить скорость судна, увеличив или уменьшив количество оборотов движителей маленькой рукояткой (телеграфом), и установить необходимый угол поворота движительных модулей для изменения направления тяги винтов, повернув джойстик вокруг своей оси. Положение модулей также контролируется на специальных индикаторах возле джойстиков.

Предлагается к прочтению:
Влияние гребного винта регулируемого шага (ВРШ) и руля на управляемость судна
Влияние гребного винта фиксированного шага (ВФШ) и руля на управляемость судна