Характерными особенностями современного развития морских пассажирских судов являются рост скоростей хода, увеличение пассажировместимости (и грузоподъемности) при одновременном повышении комфортности — улучшении условий пребывания пассажиров на борту судна.Соответственно возрастают размерения и энерговооруженность судов, в связи с чем возникает проблема реализации все больших мощностей энергетической установки (ЭУ).
Построены и находятся в эксплуатации высокоскоростные и относительно крупные суда со скоростью хода 40-50 узлов, причем суммарная мощность ЭУ на них достигает 50 000 — 70 000 кВт. Столь высокие мощности не всегда могут быть эффективно реализованы при помощи традиционных гребных винтов (ГВ). Возникают технологические трудности при изготовлении крупногабаритных винтов и монтаже валопроводов, усложняется и проблема размещения таких ГВ за корпусом. При скоростях более 30 узлов неизбежно возникновение кавитации на лопастях, которая приводит не только к снижению КПД движителя, но и к возникновению эрозионных повреждений ГВ, повышению шумности и вибрации корпуса.
Необходимо также отметить, что при использовании одно- или двухвальных ЭУ большой мощности возрастает гидродинамическая нагрузка на винт, вследствие чего также снижается его КПД и уменьшается пропульсивный коэффициент судна. Одним из средств решения именно этой проблемы является применение многовальных пропульсивных установок — с тремя и более движителями. Это позволяет снизить нагрузку на винт и тем самым повысить его КПД. Кроме того, повышается живучесть движительного комплекса, улучшаются маневренные качества судна, обеспечивается большая экономичность эксплуатации ЭУ на промежуточных режимах движения судна.
В течение двух последних десятилетий на быстроходных морских судах наряду с ГВ все более широкое применение получают водометные движители (ВД), причем характерно применение именно многовальных водометных установок в сочетании как с однотипными двигателями, так и с комбинированной ЭУ, составленной из двигателей различного типа. Это стало возможным благодаря созданию ВД на мощность до 20 000 кВт. Ведущей в мире по изготовлению ВД шведской фирмой «KaMeWa» разрабатывается ВД на еще большую мощность — вплоть до 50 000 кВт.
В качестве примера использования пропульсивных установок из трех высокомощных ВД следует назвать итальянскую моторную яхту «Destriero» (см.»КиЯ» № 158). Три водомета типа «KaMeWa-125» работают с приводом каждого из них от газотурбинного двигателя типа «GE-LM1600» мощностью 14 700 кВт. На рекордном переходе через Атлантический океан была достигнута средняя скорость 53,09 узла, а на отдельных участках трассы — даже более 60 узлов.
На построенных в Италии двух однокорпусных скоростных паромах типа «MDV3000» применена четырехвальная водометная установка с приводом от комбинированной ЭУ суммарной мощностью 70 000 кВт. Два средних ВД работают от газовых турбин, а два бортовых — от дизелей.
Широкое, а на быстроходных паромах-катамаранах и преимущественное применение ВД обусловлено особенностями их конструктивной компоновки и рядом эксплуатационных преимуществ, по сравнению с ГВ. Напомним, современный ВД представляет собой комплексную движительную установку, целиком расположенную внутри корпуса судна. Основными элементами этой установки являются: входной (с водозаборником) и выходной патрубки, лопастной механизм (насос или ГВ в трубе), направляющий и спрямляющий аппараты, водовод (водометная труба), выходное реактивное сопло и реверсивно-рулевое устройство. Предложено большое разнообразие конструктивных схем и модификаций указанных выше элементов водометной установки.
К преимуществам современного ВД относятся:
конструктивная простота и повышенная надежность;
более низкие уровни гидроакустического шума (на 6-10 дБ) и вибрации корпуса;
отсутствие на корпусе выступающих частей и связанного с ними дополнительного сопротивления воды движению;
возможность реверсирования судна (путем изменения направления реактивной струи) при постоянном вращении двигателя в одном направлении, что повышает моторесурс ЭУ;
лучшая управляемость судна в широком диапазоне скоростей переднего и заднего хода и более высокие инерционные характеристики;
возможность эксплуатации лопастного механизма ВД при высоких скоростях хода без кавитации;
обеспечение соответствия ВД двигателю при нерасчетных условиях эксплуатации (например, при увеличении сопротивления движению вследствие обрастания корпуса, при ходе на волнении, а также при изменении нагрузки судна).
Анализ проектных данных, результатов испытаний и эксплуатации построенных водометных судов показывает, что в диапазоне малых и умеренных скоростей хода (15-25 узлов) водомет по пропульсивным качествам уступает гребному винту. При скоростях более 40 узлов, когда КПД винта снижается из-за кавитации, а рабочее колесо ВД может быть спроектировано некавитирующим, оба типа движителя становятся сравнимыми по КПД. При еще более высоких скоростях (свыше 50 узлов) водомет превосходит гребной винт по эффективности.
В последнее время в нашей стране и за рубежом проводятся исследования по разработке путей дальнейшего повышения гидродинамической эффективности ВД. Решение этой задачи может быть достигнуто различными методами. Во-первых, путем снижения гидравлических потерь, обусловленных протеканием жидкости через водовод движителя, и, во-вторых, посредством использования более рациональных конструкций водозаборного устройства.
Одним из перспективных средств снижения гидравлических потерь в водопроточной части ВД без каких-либо дополнительных затрат энергии является, например, изменение микрогеометрии обтекаемой поверхности трубы при помощи микробороздок (риблетов), ориентированных в направлении основного потока. Такие поверхности получили название оребренных.
Большое значение для повышения пропульсивных качеств водометного судна имеет правильный выбор типа и конструкции водозаборного устройства, обеспечивающего насосный комплекс необходимым расходом воды.
Вместо обычно применяемого в современных ВД сосредоточенного отбора воды через отверстие в корпусе (или специальный патрубок, выходящий за пределы корпуса) в отечественной практике предложен так называемый распределенный отбор. Отбор жидкости осуществляется из пограничного слоя через поперечный щелевой канал, идущий по ширине днища. Как показали модельные испытания, при такой схеме улучшаются условия взаимодействия ВД с корпусом — возрастает коэффициент попутного потока, повышаются пропульсивные качества судна в целом.
Из всего многообразия построенных за последнее время скоростных судов с многовальными водометными установками в приводимой таблице указаны основные элементы наиболее характерных и интересных из них.
Отметим, что подобные установки кроме паромных одно- и двухкорпусных судов находят применение и на крупных представительских моторных яхтах. Кроме упоминавшегося «Destriero», обратим внимание читателя на очень интересный вариант комбинированной трехвальной ЭУ суммарной мощностью 12 480 кВт на среднетоннажной яхте-люкс «Shergar» (Германия) водоизмещением 265 т. Пи этом два бортовых ВД, приводимых от дизелей мощностью по 1090 кВт, обеспечивают скорость 18 узлов, а центральный ВД с приводом от двух газовых турбин суммарной мощностью 10 300 кВт является основным для обеспечения максимальной скорости 45 узлов. Аналогичная по типу, но еще более мощная трехвальная водометная установка применена и на более крупной яхте «УСЩ» водоизмещением 1000 т. Два дизеля мощностью по 3680 кВт работают на бортовые ВД, а газовая турбина мощностью 15 240 кВт — на центральный. При использовании всех трех ВД яхта развивает скорость 38 узлов.
Из числа построенных за последние годы скоростных двухкорпусных судов следует выделить казавшиеся совершенно необычными и по архитектурно-конструктивному типу, и по гидродинамической компоновке так называемые «волнопронизывающие катамараны», получившие за рубежом обозначение WPC (wave-piercing catamaran). Разработкой проектов и постройкой катамаранов подобного типа занимается австралийская фирма InCat.
Одной из характерных конструктивных особенностей WPC, в значительной степени определяющей их высокие ходовые качества, является применение предельно узких бортовых корпусов (4.33 м), благодаря чему их относительное удлинение возрастает до 17-18; это приводит к снижению волнового сопротивления судна на расчетном режиме. Наличие на носовой половине судна «среднего» надводного корпуса-волнолома, обеспечивающего дополнительную плавучесть при ходе на волнении, обеспечивает повышение мореходности катамарана — снижает вертикальные перемещения и ударные нагрузки при встрече с волной, в результате чего возрастает комфортность пребывания на судне пассажиров.
Фирма осуществила постройку серии из пяти катамаранов подобного типа длиной 73,65 м и выше. Самый крупный катамаран этой серии «Devil Cat», построенный в 1997 г., имеет следующие основные характеристики: главные размерения — 91,3х26,0х3,7 м; дедвейт — 400 т; вместимость — 900 пассажиров, 240 автомобилей. Четырехвальная дизельная ЭУ суммарной мощностью 28 320 кВт, осуществляющая привод четырех водометов голландской фирмы Lips-LJ145D, обеспечивает эксплуатационную скорость хода 43 узла и максимальную (при уменьшенной нагрузке) — 49 узлов.
Дальнейшим развитием катамаранов типа WPC является построенный в 1996 г. паром «Condor 12». Обычная их схема дополнена тем, что для обеспечения дифферентовки и умерения качки судна при ходе на волнении предусмотрены носовое Т-образное крыло и управляемые закрылки-триммеры на транцах.
Та же австралийская фирма «InCat» недавно построила и передала Южной Корее второе судно серии К — «Sunflower» длиной 78,7 м, принимающее на борт 769 пассажиров и 32 автомобиля. Дедвейт его (123 т) уменьшен, по сравнению с тем же «Кондором». Облегчение судна позволило сделать его самым быстроходным из находящихся в эксплуатации паромов-катамаранов: четырехвальная водометная установка с приводом от четырех дизелей мощностью по 5420 кВт обеспечивает максимальную скорость 52,7 узла.
Определенный практический интерес представляет разработанная датской фирмой «Danyard» в сотрудничестве с австралийской фирмой «NQEA» базовая модель скоростного парома-катамарана типа «Seajet», на основе которой построены два катамарана, отличающихся типом ЭУ и лишь незначительно — размерениями и формой обводов.
Основные данные дизельного варианта «Captain George» указаны в таблице. Дополним их, упомянув гидродинамический комплекс из двух носовых Т-образных подводных крыльев и двух закрылков-триммеров.
В 1996 г. испытан газотурбинный вариант катамарана «Seajet 250», ЭУ которого на 2000 кВт мощнее. Каждая из двух турбин мощностью 124 000 кВт приводит в действие два водомета «KaMeWa». При практически той же длине (76,1 м) и чуть большей общей ширине (23,4 против 21,7 м) корпуса имеют уменьшенную площадь ватерлинии и меньшее заглубление водоизмещающих объемов, благодаря чему судно обладает более высокими пропульсивными качествами. Соответственно и эксплуатационная скорость на 3,8 узла больше, чем катамарана «Captain George». Максимальная же скорость хода, показанная на испытаниях порожнем, составила 50,3 узла.
Крупнейшим в мире двухкорпусным скоростным судном на сегодня является суперпаром «Stena Explorer», проект которого разработан норвежской фирмой «Stena AB». Три судна этого типа построены в Финляндии и переданы в эксплуатацию шведской судоходной компании «Stena Line».
Отмечаются следующие особенности архитектурно-конструктивного типа этого катамарана. Корпуса шириной 10 м имеют относительное удлинение порядка 12, бульбообразную форму носовой части и транцевую корму; они выполнены более узкими в районе КВЛ (т.е. уменьшена площадь ватерлинии), а водоизмещающий объем их заглублен и имеет форму удлиненного понтона с обтекаемой носовой оконечностью. В результате существенно снижено воздействие волн на судно. В качестве дополнительного средства умерения качки и повышения устойчивости на курсе на каждом корпусе установлено по два бортовых руля.
Как показали испытания, повышенная комфортность обеспечивается при плавании в условиях волнения высотой до 8 м. Принятые конструктивные решения позволили добиться и высоких ходовых характеристик за счет снижения волнового сопротивления, являющегося основной составляющей полного сопротивления.
ЭУ суммарной мощностью 68 000 кВт включает в себя четыре газовые турбины, причем две из них типа «GELM2500», работающие на «средние» ВД, имеют мощность по 20 500 кВт — на 7000 кВт больше, чем турбины «LM1600», которые работают на «крайние» бортовые ВД.
В каждом из корпусов размещены по одной турбине каждого типа, агрегатированных по схеме «отец и сын». Разработаны оптимальные схемы использования турбин для различных вариантов движения. При работе только двух турбин LM1600 на 85% максимальной длительной мощности обеспечивается экономическая скорость 25 узлов, а при использовании двух турбин «LM2500» на 85% мощности — до 32 узлов, при совместной же работе всех четырех турбин на 90% максимальной мощности судно развивает скорость 40 узлов.
Высоко мощные ВД этого судна имеют шестилопастное рабочее колесо диаметром 1,6 м, работающее при частоте вращения 452 об/мин с КПД = 0,9. Высокие маневренные качества судна обеспечены реверсивно-рулевыми устройствами бортовых ВД и двумя носовыми подруливающими устройствами «KaMeWa» мощностью по 600 кВт.
Отмечается высокий уровень компьютеризации в управлении работой двигательно-движительного комплекса (и всех систем судна).
Отметим также, что финская фирма, построившая три таких катамарана, разработала и свой проект парома подобного типа — «HSC1100» со следующими основными характеристиками: длиной — 107 и шириной — 28,4 м, дедвейтом — 580 т, вместимостью — 1100 пассажиров и 290 автомобилей. ЭУ суммарной мощностью 47 000 кВт состоит из двух газовых турбин мощностью по 17 000 кВт и двух дизелей по 6500 кВт, осуществляющих привод четырех ВД. Судно при полной нагрузке сможет развивать эксплуатационную скорость 40 узлов.
Одним из самых быстроходных двухкорпусных судов, построенных за последнее время, является водоизмещающий паром-катамаран «Luciano Federico L» испанской фирмы «Bazan». На ходовых испытаниях это судно развило скорость 56 узлов. По результатам испытаний уточнена его эксплуатационная скорость хода — 55 узлов. Основные характеристики катамарана: длина — 77,3 м, ширина — 19,0 м, осадка — 2,13 м; дедвейт — 142 т; вместимость — 450 пассажиров и 52 автомобиля. В каждом корпусе размещено по одному газотурбинному двигателю типа «ABB Stol GT35» мощностью 16 100 кВт, работающему на ВД типа «KaMeWa112SII». Столь высокие ходовые характеристики, как отмечают специалисты, достигнуты за счет рационального выбора обводов корпусов, имеющих значительное относительное удлинение (около 14), а также использования опыта проектирования высокомощных водометов и применения специальной системы управления движением и удифферентовки судна на ходу. Расход топлива составляет 8,37 т/ч. Корпуса выполнены из алюминиевого сплава.
До сих пор мы говорили о скоростных паромах-катамаранах, но при определенных условиях оказываются конкурентоспособными и однокорпусные суда того же назначения.
Известная итальянская фирма «Fincantiery», на которой, напомним, и была построена яхта «Destriero», становится ведущей в мире по разработке проектов и постройке таких судов.
В 1996 г. здесь был спущен на воду однокорпусный водометный паром «Neptune» (модели «MDV2000») дедвейтом 600 т, принимающий на борт 1000 пассажиров и 300 автомобилей.
Длина судна (128 м) примерно та же, что и у катамарана «Stena Explorer», но ширина — вдвое меньше (19,4 м). Это существенно уменьшает построечный вес корпуса и его стоимость, несколько упрощает эксплуатацию судна, но зато и уменьшает полезные площади палуб, что приводит к уменьшению числа перевозимых пассажиров и автомобилей. Эксплуатационная (40 узлов) и максимальная (42 узла) скорости на уровне, обычном для современных паромов.
Многовальная водометная пропульсивная установка большой мощности применена и на построенном недавно той же фирмой однокорпусном скоростном пароме типа «MDV3000» дедвейтом 1200 т. Комбинированная ЭУ судна состоит из двух газовых турбин мощностью по 22 000 кВт и четырех дизелей мощностью по 6500 кВт, осуществляющих привод четырех ВД. При этом ВД, работающие от ГИТД, расположенные в районе ДП судна, обеспечивают полную скорость 40 узлов, а каждая пара дизелей, расположенных побортно от турбин, осуществляет привод одного водомета, используемого также для обеспечения движения на пониженных скоростях. На промежуточных экономических режимах эксплуатации судна обеспечиваются следующие скорости: при работе только четырех дизелей — 22 узла, а при использовании всех дизелей и одной газовой турбины — 33 узла.
Фирма имеет заказы на постройку 10 скоростных водометных паромов серии MDV, включая четырех однокорпусных судна с максимальной скоростью 42-44 узла.
Необычные «катерные» обводы корпуса (типа «глубокое V») и совершенно необычный по составу двигательно-движительный комплекс — с шестью одинаковыми дизелями и пятью водометами двух типов применены на построенном в Испании фирмой «Bazan» скоростном однокорпусном пароме «Silvia Ana». Четыре дизеля «Caterpillar-3616» осуществляют привод четырех основных «бортовых» ВД типа «KaMeWa112», а еще два таких же дизеля — «среднего», установленного по ДП судна, ВД «KaMeWa140». Исключительные маневренные качества обеспечиваются при помощи реверсивно-рулевых устройств, которыми оборудованы четыре «бортовых» ВД, а также двумя носовыми подруливающими устройствами. Повышенный уровень комфортности пассажиров обеспечен системой стабилизации качки.
Таким образом, можно с уверенностью заключить, что водометные установки становятся основным типом движителей скоростных паромных судов различных размерений. Опыт их эксплуатации показывает, что многовальные водометные установки обеспечивают судам ряд эксплуатационных преимуществ. Практически оправданным с точки зрения повышения экономических показателей работы ЭУ является использование подобных установок в сочетании с комбинированной ЭУ.
В нашей стране и за рубежом проводятся исследования по дальнейшему совершенствованию конструктивной компоновки и повышению пропульсивных качеств водометных движительных установок. Эти исследования направлены на изыскание средств снижения гидравлических потерь в водопроточном канале движителя и разработку новых типов водозаборных устройств в целях обеспечения более благоприятных условий взаимодействия водомета с корпусом судна.
