5 Августа 2018

Интересные факты о работе судоподъёмников

Опубликовал К.В. Кулик

Понятно и ёмко объяснить принцип работы устройства для подъёма кораблей можно описать одним словосочетанием - “лифт для судов”. На заре цивилизации, когда только зарождалось преодолевание различных проблем ландшафта, доставляющих трудности людям в навигации, кто-то изобрёл и воплотил в жизнь такое чудо прогресса, как судоходный канал.

Истории известно, что одним из первых каналов, соединивших собой Нил и Красное море, стал древнеегипетский канал. Уже тогда строителям первого известного нам канала пришлось столкнуться с большим количеством проблем, от которых нас по сей день пытаются избавить передовые инженеры.

 Предпосылки для появления судоподъёмников

 Многие проблемы, которые тесно связаны с применением на практике систем каналов, прокладывающих пути из одного водного бассейна в другой, возникают по одной простой причине. Такая вещь, как разность уровней ландшафта всячески препятствует простоте принятия решений при постройке канала. Невозможно просто прокопать канал и закончить на этом всю работу по его прокладке. Здесь может быть использован традиционный способ решения подобной проблемы - построение системы шлюзов, однако зачастую это не вариант, ведь такая система будет занимать много места, да и в целом может быть не слишком-то экономной. Чтобы представить, как это работает, и почему система шлюзов не является выходом для преодоления разности уровней, представьте, сколько труда стоило опускать баржи, тяжело гружённые различным материалом. При этом стоит учесть, что участок реки мог быть достаточно оживлённым, и поэтому процедура была необходима для нескольких судов сразу. Предлагаемая система шлюзов будет представлять собой каскад, который будет доставлять много проблем для судов, желающих пересечь это необходимое препятствие быстро. Преодоление шлюзов порой занимало по времени больше суток. Такие причины вынуждали инженеров изобретать более искусные в техническом плане решения.

Примером таких сложных в техническом плане решений стало применение схемы каналов без шлюзов, минуя в своей конструкции перепады высот благодаря использованию тоннелей. В начале 19 века английскому инженеру Джеймсу Бриндли пришла мысль, воплощённая им впоследствии, о том, чтобы соединить между собой Манчестер и угольные шахты Уорсли. Было предложено такую идею: в одном из горизонтов шахты непосредственно лодки были загружены углём и начинали свой путь через тоннель горизонтального профиля. Затем лодки выходили через этот тоннель на поверхность и выходили на просторы реки. Лодки проходили посредством акведука по городу, и конечным их пунктом следования была остановка у городской площади, откуда уголь развозили по месту дальнейшей транспортировки. Подобная технология используется до сих пор и не устарела, потому что акведуки используются до сих пор в таких, как Магдебург, промышленных городах, требующих развитой речной инфраструктуры.

Предложенная схема может также использоваться в комплексном подходе вместе со шлюзами. Однако она будет требовать больше места, чем альтернативная.

 Принцип работы судоподъёмника и его устройство

Идея постройки механизма, который мог бы самостоятельно поднимать и опускать корабли, появилась ещё давно. Однако воплотить её в жизнь составляло большую проблему, поскольку механизм такого рода было бы трудно соорудить, ведь ему требуются большие мощности, которые нелегко получить. Подобная идея долгое время была неосуществима, потому что не было технических средств, позволяющих реализацию механизма, способного поднимать габаритные суда на практике.

Однажды будущим разработчикам концепции судоподъёмника пришла в голову мысль о том, что не стоит тратить усилия на изобретение каких-то новых затратных методов, а воспользоваться хорошо известным старым, Архимедовым законом. Погружаясь в воду, тело будет вытеснять собой ровно столько, сколько весит, и воды. То есть, это означает фактически революционное предположение того времени о том, что если взять и практически использовать заполненный некоторым объёмом воды бассейн, затем запустить в него некоторое судно, оно вытеснит некоторый водный объём, равный своему весу, то есть, вес воды бассейна с судном, опущенным туда, останется прежним. Подобная конструкция также имеет преимущество перед шлюзами в том, что объём потерянной воды при подъёме/спуске судна меньше, нежели при прохождении шлюза.

Такая конструкция, которая используется для создания судоподъёмников, применительно к другим механизмам будет проста. Принцип её действия будет заключаться в том, что имеются два бассейна с одинаковым объёмом, которые заполняются водой. Такую конструкцию соединяет между собой рычажная или гидравлическая система, в зависимости от особенностей рельефа и пропускного объёма судоподъёмника, а также нескольких иных факторов, действующих комплексно. Таким образом, оба бассейна начинают играть роль противовесов в данной системе. Поэтому убавив воду в одном из бассейнов, возможно, поднять судно в другом. В этой системе есть ещё один немаловажный плюс.

Такая конструкция не требует дополнительных мер по нагнетанию и выпусканию воды из бассейна. Набирается вода благодаря самотёку, и так же выпускается. Поэтому, всё, что нужно такой системе - специальный человек, которого можно назвать “оператор сливной системы”, потому что он будет за ней следить, имея наготове затычку, выпуская воду в нужные моменты. Потребуются также сливные механизмы.

Порой данная технология играет не последнюю роль при постройке гидроэлектростанций. Поскольку строительство таких комплексов, которые включают глухие к прохождению плотины, означает прекращение судоходства на этом участке реки, судоподъёмники являются прекрасным способом это всё же осуществлять.

Особенно это актуально для тех плотин, где перепады высот слишком велики для того, чтобы можно было построить шлюзы для сообщения между ними.

Также следует заметить, что, конечно же, судоподъёмники имеют перед шлюзовой системой не только преимущества и выгодные плюсы использования такой системы. Стоимость судоподъёмника порой в разы превышает количество средств, которые необходимы для постройки шлюза. Также будут существовать некоторые ограничения по количеству и объёму суден, проходящих через судоподъёмник, то есть будут действовать некоторые границы допустимого водоизмещения, которые не должны превышать допустимые такие пределы.

Сейчас нельзя сообщить точно, кто же стал первым инженером, пустившим в ход такую технологию, однако можно сказать с уверенностью, что она использовалась во многих устройствах навигации между каналами в Англии 18-19 веков, в расцвет наступивших там технологий гидротехники. Однако многое из этого арсенала не дошло до нас, хотя, некоторые конструкции всё же уцелели, например, судоподъёмник Андертон. Данная конструкция принадлежит графству Чешир, и была построена в 1875 году инженером Эдвином Кларком, разработавших его конструкцию. Он решил соединить кессоны, двигающиеся строго вверх и вниз между собой благодаря гидравлической системе, которая имела простую схему действия.

Гидравлическая система приходила в действие, когда один из кессонов выходит из состояния равновесия. В тот момент, когда один из таких кессонов становился тяжелее или легче, система начинала пытаться уравновесить их столбами жидкости. Конструкторы заложили в механизм равновесное состояние, которое достигалось на высоте 15 метров, на рабочей высоте подъёма.

Такое сложное сооружение, использующее законы, известные нам с 6-го класса, выглядит внушительно и грозно. Оно состоит из сложных переплетений труб и несущих конструкций, балок и опор. Судоподъёмнику был отведён долгий век работы - построенный при королеве Виктории, он прослужил достаточно долго - 108 лет. Его остановили в 1983 году из-за масштабных повреждений вследствие коррозии, однако к 2002  году судоподъёмник был отремонтирован и отреставрирован, а его снова ввели в эксплуатацию. Ныне он является на пару с колесом Факлкрик единственным судоподъёмником, действующим в Англии. Остальные, к сожалению, канули в лету с появлением дорог и мостов.

Конструктор Андертон не пожелал остановиться только лишь на одном судоподъёмнике, и запустил целую программу по их строительству. Ими он занялся в Бельгии, охватив Центральный канал. Была намечена цель по охвату нескольких построенных в то время каналов для того, чтобы их между собой соединить. Это помогло бы наладить хождение судов между ними, столь необходимое для развития навигации.

Такое сложное преодоление высоты, как 66 метров на протяжении семи километров трассы, было решено осуществить с помощью четырёх судоподъёмников, потому что система шлюзов была слишком загромождающей пространство. Каждый из судоподъёмников поднимал судно на высоту в 15 метров, либо же 17 метров.

Предложенные судоподъёмники использовали всю ту же систему кессонов и водных столбов. Открытие первой конструкции, называемой лифтом для судов, производилось самим королём Бельгии Леопольдом II в 1888 году. Строительство остальных продолжалось ещё более шести лет, а затем была заморожена на десяток лет из-за нерентабельности используемого канала до 1910 года. Потом же постройке судоподъёмников помешала уже война, потому что в 1914 году в Бельгию вторглись немцы.

Прошло ещё немало времени, после чего Центральному каналу удалось наконец функционировать, как полагалось. Судоподъёмникам приходится работать и по сей день, однако, с 2002 года через них проходят только небольшие судёнышки, по сравнению с грузовыми, для которых был построен новый канал, пролегающий параллельно Центральному. Поэтому ныне судоподъёмники обслуживают только лишь прогулочные, а также спортивные суда.

Такое разделение было предпринято потому, что нынешние пассажирские и грузовые суда не помещаются уже в судоподъёмники, построенные больше века назад. Так что ныне канал, использующий судоподъёмники, стал памятником и историческим достоянием Бельгии. Для решения судоходных задач был построен новый канал.

Проложенный канал идёт параллельно старому; по-старому для перемещения судов используется судоподъёмник Стрепи-Тьё, однако же, там он всего один, и его грузоподъёмностью можно только лишь восхищаться, ведь она составляет 1350 т вместо старых 350 т одного судоподъёмника старого Центрального канала. Теперь все четыре из старых судоподъёмников охраняются ЮНЕСКО, и стали всемирным историческим достоянием.

Конструктивные особенности

Всем хороша гидравлическая система, уравновешивающая между собой две ёмкости, используемые для перемещения судна, но в связи с развитием технологий её нельзя назвать идеальной. Равновесие системы достигается только с помощью точности, а это в свою очередь также требует времени. Кроме этого, в старых системах, которые использовались ранее, ёмкости двигались строго вверх и вниз, а это не всегда решает задачу перемещения суден в правильном направлении. Противовесы в виде кессонов также имеют один большой недостаток. Такие противовесы существенно снижают значение пропускной способности.

Однако чтобы уравновесить кессон, наполненный водой, вовсе не требуется обязательно ещё один такой. Стрепи-Тьё, судоподъёмник, который был рассмотрен выше, хотя и пользуется двумя кессонами в своей конструкции, имеет свою особенность - они не двигаются во взаимосвязи, и не имеют чёткой привязки друг к другу. Их удерживают и опускают 120 тросов каждый, образующие несущую конструкцию. Они связываются с противовесами, а ещё десятки тросов передают через себя управляющее воздействие от работающих механизмов.

Поэтому, в отличие от гидравлической системы подъёма кессонов, здесь уже имеет место подъём при помощи двигателей. Также, благодаря тому, что такая система полагает использование противовесов в своей схеме, нагрузка приходится равномерно и щадяще, поэтому имеет место лишь преодоление усилий трения. Имеет место также расчёт правильного соотношения массы кессона и самой камеры. Подбор их осуществляется таким образом, чтобы избежать большой нагрузки на лебёдки и тросы. Такая нагрузка не должна превышать 100 тонн.

Поскольку водоизмещение суден современного типа может быть и порядка 2300 тонн, инженерами ведутся поиски более мощных конструктивных решений. Так, к примеру, в Германии строится  новый судоподъёмник, которому под силу будет поднимать кессон общей массой 9000 тонн. Такой системе предшествовала старая, способная поднимать кессон, масса которого составляет 1000 тонн.

Системы, постоянно использующие только перемещение в вертикальной плоскости, не везде применимы. Поэтому для осуществления подъёма приходится использовать акведук для приведения судна в верхний бьеф, что можно вполне исключить, если использовать рельсы для противовеса и кессона. Наклонный судоподъёмник, использовавший рельсы, был впервые построен во всё той же Англии, и не уцелел к нашему времени. Его конструкционно схожий последователь смог заменить собой сложную систему из 17 шлюзов, переход по которой занимал ранее около суток. Рельсовый кессон весит 900 тонн, а его противовесами выступают два вагона весом по 450 тонн, которые едут по рельсам в другую сторону по склону. В процессе подъёма и опускания играют роль электромоторы. Данное сооружение выстояло многие века, и продолжает работать до сих пор.

Такой продолжительности жизни судоподъёмник Андертон обязан, прежде всего тому, что в то время, когда он был построен, применённая технология для его возведения была шедевром конструкторского умения и инженерной мысли.

Сегодня, однако, данный судоподъёмник по большей части развлекает туристов, ведь грузовые перевозки речными судами стали редкостью.

Французам же судоходство оказалось обязано изобретением и приведением в жизнь поперечных компоновок судоподъёмников. Когда участки каналов, которые должны быть соединены между собой, прилегают параллельно, гораздо проще и логичней перемещать судно боком, нежели несколько раз разворачивать баржу. Таким способом перемещал судна судоподъёмник Сен-Луи-Арзвиллер, помимо наклонной компоновки имевший ещё и поперечную. Подобную конструкционную особенность имел также его “коллега” из Фокстона, который не смог уцелеть к нашим дням.

История отечественных судоподъёмников

Путь, по которому прошло отечественное развитие в этой области, оказался труден и уникален. Для того, чтобы построить каналы, строителям иногда приходилось бороться с рельефом, который порой может доставить немало проблем и трудностей. Однако, такое происходило только в некоторых случаях, ведь зачастую можно было обходиться самыми простыми мерами, ведь перепад высот здесь не так велик, как в Европе. Простор и равнинность России играли ей на пользу, например, для преодоления перепада высот на Москва-реке достаточно было пяти шлюзов. Только лишь горы способны были задать строителям и конструкторам сложную задачу.

Постройка Красноярской гидроэлектростанции, завершённой в 1972 году, строительство которой длилось без малого 20 лет с 1952 года, принесла проблемы. Такой проблемой стал подъём воды в водохранилище, составивший разность между нижним и верхним уровнями в сотню метров. Кроме того, уровни воды не были постоянны, потому что плотина была предназначена для нужд гидроэлектростанции. Плотина сама по себе размещалась между гор, обеспечивая необходимую мощность для энергетических заданий. При этом возможности обойти данную преграду не представлялось реальным. Использовать для этой цели шлюзы не было возможности, потому что их цепочкой пришлось бы покрыть 100 километров. Но обойти как-то преграду было нужно, ведь выше по течению начиналось строительство гидроэлектростанции - Саяно-Шушенской. Необходимо было доставлять для неё гидротехнические мощности и гидроагрегаты, изготавливаемые на берегах реки Нева. Железная дорога в вопросах их доставки была бессильна, поскольку они не подходили под перевозку габаритно. Собрать на месте агрегат также не было хорошей мыслью, ведь пришлось бы строить крупный машиностроительный завод, по сути, ради разового мероприятия. При таких обстоятельствах было задумано построить первый российский судоподъёмник.

Практически все иностранные судоподъёмники имеют одну общую черту в своей конструкции - кессон в них движется либо вертикально, либо наклонно, но по прямой, и только в одном направлении. Поэтому данная конструкция делает возможной попытку уравновесить всю данную схему. Только лишь Красноярская гидроэлектростанция не давала возможности воплощению такого структурного плана. Такая вещь, как особенности рельефа, не позволила опустить судно по достижении конечной точки сразу, приходилось бы его разворачивать, а затем опускать в воду под углом от первоначального положения. Такая процедура потребует значительного увеличения пространства для проведения манёвров либо же для того, чтобы такая дорога стала прямой. Пришлось бы снести гору. Транспорту на противовесах изменить направление движения невозможно, поэтому было принято решение использовать для подъёма и спуска лишь машины.

Подобное решение не является популярным во всём остальном мире, поэтому полученный судовой лифт имеет полное право на свою уникальность и оригинальность. Такая огромная конструкция имеет следующий принцип, по которому она работает - заходя в воду по рельсовым путям, огромная камера габаритов пятиэтажного дома захватывает судно, камера закрывается, и отправляется по маршруту. Силовой установкой производится подъём, который достаточно непрост, из-за того, что приходится подниматься под углом 10 градусов. Решающую роль играют здесь электромоторы и насосы, подающие жидкость на них. Далее камера добирается наверх, где её ждёт поворотный круг, по которому она разворачивается. Далее судно выпускают на воду.

Подобной конструкции нет равных во всём мире. Кто знает, возможно, она станет когда-нибудь интересной для туристов ввиду того, что ей нет аналогов в мире по-прежнему.