Движители судов продвигают науку

Победа над вибрацией винтов позволила продлить надстройку до самой кормы и увеличить число пассажирских кают. Круизный лайнер 60–70-х годов прошлого века Queen Elizabeth и современный лайнер Harmony of the Seas class ship. Фото Reuters

Мощность двигателей современных судов может достигать 50 МВт. Эта мощность подводится к гребному винту, который, вращаясь, создает силу, обеспечивающую движение судна с заданной скоростью. Таким образом, четыре-пять специальным образом спроектированных пластинок-лопастей, установленных с некоторыми углами атаки на вращающейся ступице, перерабатывают мощность, достаточную для электроснабжения небольшого города. КПД современных винтов составляет 50–70% в зависимости от скорости и типа судна, диаметр винтов крупных судов, как правило, 6–9 м, вес составляет 30–50 т, а скорость движения конца лопасти доходит до 40 м в секунду!

При таких скоростях на лопастях происходит явление кавитации – разрыв сплошности воды, и лопасть движется с образованием вблизи ее поверхности пустот-каверн, которые имеют тенденцию время от времени «схлопываться». При этом вблизи поверхности винта возникают взрывные эффекты настолько сильные, что это может привести к местному разрушению поверхности лопасти (кавитационной эрозии). И во всех случаях этот процесс производит достаточно сильный шум. Лопасти, утолщенные за счет каверн, проносятся вблизи корпуса, что приводит к образованию в потоке переменных давлений, которые, воздействуя на корпус, инициируют вибрацию корабля.

Это далеко не полный перечень физических явлений, сопровождающих работу гребного винта. Соответственно проектанты гребных винтов – ученые, специализирующиеся в корабельной гидродинамике, – должны решать целый ряд задач, непосредственно связанных со спецификационными характеристиками судов.

На начальной стадии проектирования судна необходимо выбрать двигатель так, чтобы его мощность и частота вращения вала обеспечивали: заданную скорость судна и возможность размещения винта; наивысший возможный КПД винта и его соответствие двигателю (на судне нет коробки передач, и винт не должен перегружать двигатель ни при каких условиях); прочность лопастей как при работе в открытой воде, так и во льдах (что особенно важно для судов, эксплуатируемых в России в условиях замерзающих акваторий).

Все эти задачи должны быть решены для каждого проекта судна или корабля. При этом следует учитывать, что серии одинаковых судов редко превышают 20 единиц, флот судов в мире исчисляется десятками тысяч, и он требует постоянного обновления. Поэтому ежегодно во всем мире производятся тысячи гребных винтов.

В настоящее время движители значительно усложнились. Все большее применение находят так называемые поворотные колонки, где либо электромотор или зубчатая передача вынесены в гондолу вне корпуса судна. В этом случае колонка является не только движителем, но и средством управления, обеспечивающим лучшие характеристики судна по энергоэффективности, управляемости и экологичности.

В России производство и проектирование гребных винтов традиционно находятся на высоком уровне. Достаточно сказать, что производители гребных винтов – северодвинский центр судостроения «Звездочка» и Балтийский завод в Санкт-Петербурге уже более 20 лет имеют устойчивый экспорт гребных винтов. Причем винты «Звездочки» установлены как на грузовых судах российских операторов, так и на десятках крупных круизных лайнеров, принадлежащих ведущим фирмам-судовладельцам во всем мире.

Проектирование гребных винтов для судостроения России и на экспорт традиционно осуществляется в гидродинамических лабораториях Крыловского научного центра в Санкт-Петербурге. Эти лаборатории существуют уже более 120 лет и ведут свое начало с первого в России и третьего в Европе опытового бассейна, построенного при содействии Дмитрия Ивановича Менделеева. Сейчас для решения задач судостроения, в том числе проектирования винтов, опытовый бассейн располагает одним из крупнейших в мире, постоянно развивающимся комплексом экспериментальных установок: один из бассейнов имеет размеры 1300х15х7,5 м, комплекс из пяти кавитационных труб, новый ледовый бассейн, введенный в эксплуатацию в 2014 году. Ведется строительство нового маневренно-мореходного и офшорного бассейна, который обеспечит решение задач в области нефте- и газодобычи.

Проектировщики гребных винтов всегда были генераторами развития как экспериментальных, так и расчетных методов. Зарождение проектирования винтов как науки связано с именем основоположника отечественной авиации Николая Егоровича Жуковского. Теория винта прошла путь от простейших схем, где лопасти заменялись вихревыми линиями, до современных методов расчета вязких течений с использованием суперкомпьютерных технологий. Введенный в эксплуатацию в 2011 году суперкомпьютер института входит в топ-30 самых мощных в стране.

Но несмотря на развитие компьютерных методов, процесс проектирования движителей остается сложной комбинацией расчетных и экспериментальных исследований. Альтернативы этому в настоящее время нет – после расчетов и модельных испытаний данные о ходовых и мореходных характеристиках судов могут быть получены только в результате постройки и испытаний натурного судна. Именно поэтому в мире работают на судостроение с высокой степенью загрузки примерно 15 крупных гидродинамических центров, а количество гидродинамических лабораторий в разных странах исчисляется сотнями.

Именно поэтому комплекс гидродинамических лабораторий Крыловского научного центра, безусловно, является национальным достоянием, благодаря которым Россия демонстрирует себя как морская держава. Однако для того чтобы обеспечить полную загрузку персонала и экспериментального оборудования центра, в год должно разрабатываться не менее 30 новых проектов.

Все гидродинамические центры в мире существуют в условиях высококонкурентной среды и в той или иной мере центры ведущих судостроительных держав поддерживаются государством. Это и меры по локализации выпускаемой в судостроении продукции, и прямое софинансирование со стороны государства, частично покрывающего как инвестиционные расходы на развитие технологий, так и неизбежную для ряда центров недозагрузку экспериментальной базы. Так происходит в ряде стран Европы и Азии (Франция, Испания, Голландия, Япония). А в США наиболее близкий аналог Крыловского научного центра – Центр Дэвида Тэйлора – просто является подразделением ВМФ. То есть вложения в подобные исследовательские центры, обеспечивающие должный уровень их существования, рассматриваются как такие же обязательные расходы, что и расходы на оборону. Конечно, если страна имеет соответствующие амбиции технически развитой державы.

Для иллюстрации реальной прибыльности вложений в науку – что совершенно не то же самое, что прибыльность работы отдельной лаборатории или даже центра, подобного Крыловскому, – приведем две фотографии круизных лайнеров: один постройки 70–80-х годов, второй – современный (см. фото). Скорее всего никто из пассажиров не видел гребных винтов и тем более не знает об усилиях ученых по снижению вибраций на судне от работы гребного винта. Но победа над вибрацией привела к продлению надстройки до самой кормы, за счет чего судовладелец, при равных размерах судна, получил значительное увеличение числа пассажирских кают, обеспеченных требуемым уровнем комфорта. Это в конечном счете увеличило прибыль судовладельца. Когда рассматривается конечная выгода от применения научных достижений, тогда наука выгодна!   

Санкт-Петербург