Краткий обзор новинок некоторых трансмиссий пропульсивных установок прогулочных судов, а также примеры их применения, дающие представление о направлениях движения технической мысли.
Одни из представленных здесь типов трансмиссии (систем передачи энергии/вращения от двигателя гребному винту) появились на свет века назад, «стаж» других, еще недавно считавшихся технологиями будущего, ограничивается двумя десятилетиями и даже меньше. Тем не менее все они остаются в строю, а некоторые постоянно совершенствуются в направлении повышения эффективности, экономичности, надежности, позволяющих продлить срок службы привода при меньших затратах на его техническое обслуживание.
Водометы
Такой движитель чаще применяют на небольших яхтах, тендерах и аквабайках, хотя также известны примеры использования водометов на крупных судах. Одной из таких является Azzam (Lürssen, 2013 г.) — самая крупная суперяхта планеты. При длине 180 м, ширине почти 21 м и водоизмещении 14 000 т габаритная осадка этой гигантской яхты вместо ожидаемых 6–7 м составляет всего 4,3 м, что должно вызывать некоторое удивление. А все объясняется просто: в качестве движителей на Azzam стоят водометы, и это позволяет яхте посещать относительно мелководные акватории, недосягаемые для обычных судов даже меньшей длины и водоизмещения.
Главные двигатели — два дизельных MTU 20V 8000 и две газовые турбины General Electric LM2500 (каждый агрегат мощностью по 23 500 л. с.). Все технические подробности относительно этой яхты до сих пор держат в секрете, поэтому остается только делать предположения. Правда, обоснованные.
Один из простых путей ухода от кавитации на водометных движителях — применение поджатия выходного сопла
По фотографии в начале статьи можно заключить, что бортовые водометы — маршевые, сопряженные с двигателями MTU. Они оборудованы заслонками заднего хода, скорее всего, поворотными; помимо того, маневренность реализуется за счет двух разнесенных по бортам балансирных рулей под днищем. Два средних водомета — разгонные, так называемые бустерные, работающие по мере востребованности, в частности — для достижения заявленной максимальной скорости хода 31–32 узла.
Если на Azzam стоят агрегаты KaMeWa (Швеция) серии S3 200 (уже были проекты крупных моторных яхт с этими водометами и такими же двигателями MTU), оценочный КПД установок превысит 0,60–0,62 — весьма неплохо для водометов на таких скоростях.
Помимо KaMeWa, на моторные яхты и круизеры устанавливают водометные агрегаты Hamilton (Новая Зеландия), Castoldi (Италия), Wärtsilä и Alamarin (Финляндия), MJP (Хорватия), Doen WaterJets (Австралия) и др. А общемировой тренд — максимальное упрощение и удешевление конструкций движителей этого типа.
Гребные валы с полупогруженными винтами
Такие устройства нередко называют приводами Арнесона, хотя они могут быть изготовлены вовсе не компанией Twin Disk (США). Просто с момента появления этой революционной трансмиссии в начале 1980-х годов имя изобретателя Говарда Арнесона стало нарицательным.
Направлением вектора упора и его положением относительно ватерлинии такие приводы схожи с водометом, хотя этим, да еще отсутствием выступающих частей под днищем (снижение сопротивления судна) сходство и ограничивается. К числу других особенностей относятся поперечная тяга, соединяющая приводы для их синхронизации, «шпора» под валом (повышение маневренности) и — главное! — суперкавитирующий винт, работающий в пограничной (вода–воздух) среде.
Сегодня валы с полупогруженными винтами применяют на своих проектах немало яхтенных верфей. Например, все модели Pershing оборудованы такой трансмиссией. А вот еще одна реализация — быстроходная яхта Thunder Child II (XSV 20) компании Safehaven Marine (Ирландия), спущенная на воду в феврале 2019 года.
Судно из стеклопластика (длина 23 м, ширина 5,4 м, водоизмещение 29 т) с катамаранными обводами на значительной части корпуса, оборудованное четырьмя двигателями Caterpillar C8.7 по 650 л. с. и приводами France Helices SDS3L, способно развивать 50 узлов. Как видно на фото, приводы с полупогруженными винтами расположены параллельно плоскости днища (угол килеватости на транце не менее 22°), чтобы соответствовать волновому склону за кормой. Выбор четырех моторных установок (вместо двух более мощных) обусловлен желанием сэкономить на весе двигателей и трансмиссии.
Судно отличают также оригинальные обводы в носовой части, способность к самовосстановлению, автоматические интерцепторы Humphree (хотя валы могут перемещаться в вертикальной плоскости) и высокая мореходность: оно прошло испытания в Атлантическом океане при высоте волн 5 м.
Приводы с частично погруженными винтами также выпускают компании Flexitab (Италия), DBD и MDS (Австралия), ZF-SeaRex (Германия) и др. Некоторые, например Eco Surface Drives (США), устанавливают над винтом полукольцо для повышения маневренности судна.
Днищевые колонки
Azipod (AZImuthing POdded Drive). Так называют многие электрические «капсульные» приводы подобного типа, хотя Azipod — это зарегистрированная торговая марка, со временем тоже ставшая именем нарицательным. Такой привод (по сути, пропульсивная установка), включающий в себя «ногу», помещенный в гондолу электродвигатель переменного тока и гребной винт фиксированного шага, имеет ряд преимуществ перед классической конфигурацией, состоящей из двигателя, вала и винта (плюс электродвигатель-генератор для гибридной установки). Он допускает компактное размещение дизель-генераторов; отпадает необходимость в редукторе, длинном гребном вале и руле — поворотом гондолы меняется вектор тяги винта, и судно изменяет курс. При этом сам электродвигатель управляется преобразователем частоты, выдавая номинальный крутящий момент в любом направлении во всем диапазоне скоростей.
Пропульсивные системы/трансмиссии современных яхт
Прямая валолиния (L-Drive)
Наиболее традиционный тип трансмиссии, используемой в настоящее время. Включает гребной вал, присоединенный к фланцу двигателя (чаще через редуктор), проходящий через днище судна и кронштейн на корпусе. Ускоренный поток, создаваемый винтом, обтекает руль, повышая подъемную силу на нем. Дает минимальные потери мощности двигателя, хотя при существенном наклоне вала (для лодок небольшой длины) часть полезного упора винта теряется.Валолиния с угловой передачей (V-Drive)
Двигатель расположен в корме; его выходной фланец (и редуктор) обращены в нос; связанный с ним промежуточный вал через угловую передачу передает крутящий момент уже на гребной вал, который проходит через днище. Такая трансмиссия позволяет высвободить полезный объем в корпусе и при установке двигателя под определенным углом снизить угол наклона гребного вала.Водомет (Jet Drive)
Этот тип трансмиссии довольно распространен сегодня, в первую очередь по причине малой осадки судна, защищенности гребного винта (импеллера, рабочего колеса) и безопасности купающихся рядом с бортом. Для водометного судна задний ход реализуется не реверсом двигателя (редуктора нет), но, к примеру, заслонкой, опускающейся на сопло водомета и меняющей вектор тяги. Водометы более эффективны на быстроходных судах, поскольку КПД такой установки повышается с ростом скорости.Гребные валы с полупогруженными винтами (Surface Drive)
Особенность этой трансмиссии в том, что гребные валы расположены за транцем. Управление курсом судна, как и дифферентом, осуществляется при помощи смещения вала посредством тяг/гидроцилиндров. Эффективна на высоких скоростях, но требует особой профилировки лопастей гребного винта и системы управления положением вала.Транцевые колонки (Z-drive)
Иначе их называют поворотно-угловыми. Тип трансмиссии, у которой передача мощности (крутящего момента) от двигателя происходит посредством вала через транец судна на закрепленное там устройство с системой своих валов — наподобие подвесного мотора. Нижний горизонтальный вал вращает гребной винт. Колонка, также служащая для управления лодкой, имеет ограниченный угол откидки.Днищевые колонки (Pod drive)
В эту группу попадают системы, имеющие характер не столько трансмиссий, сколько полноценных пропульсивных систем, объединяющих двигатели в широком мощностном диапазоне, движители (гребные винты) и связанные с ними узлы и агрегаты. Общим признаком является расположение системы под днищем судна, работающей как на создание упора, так и заменяющей собой руль.
Несмотря на потери при двойном превращении энергии (сначала из механической в электрическую, а потом снова в механическую), выигрыш состоит в экономичности, возможности часто менять режимы нагрузки гребного винта (в том числе прямой ход–реверс), повышении маневренности судна — гондола или вся «нога» полноповоротные (360°). Если мощность первых установок не превышала 1,5 МВт, то сегодня она достигает 25 МВт. Такие установки применяют в основном на пассажирских судах, судах ледового плавания, обеспечения платформ и грузовых.
Compact Azipod — новый тип установки с диапазоном мощности от 400 кВт до 5 МВт, уже встречающийся на суперяхтах. От «классического» Azipod отличается формой стойки/«ноги» с поворотным механизмом и стабилизатором. Вместо одно- или двухобмоточного двигателя переменного тока традиционной концепции Azipod устройство Compact Azipod включает в себя синхронный двигатель с постоянными магнитами и охлаждением непосредственно от окружающей морской воды. Пре-образователь частоты обеспечивает управление скоростью и крутящим моментом.
Один из новых проектов с приводом такого типа — моторная яхта Artefact (Nobiskrug, 80 м). Как мы уже писали, она станет первой гибридной яхтой с двумя дизелями Caterpillar 3516 (2340 кВт), солнечными панелями и электрическими колонками Аzipod С, соответствующей требованиям стандартов Tier III. Система распределения мощности Onboard DC Grid обеспечивает судну дополнительную экономичность, позволяя двигателям работать с переменной скоростью и использовать накопленную энергию. На судне также применяется автономная система контроля распределения нагрузки между источниками энергии.
Для суперяхт сегодня предлагают SISHIP SiPOD-M (Siemens) — эффективную дизель-электрическую силовую установку с одним или двумя винтами. Ее эффективность увеличивается за счет небольшого диаметра гондолы и обтекаемой формы всей конструкции привода.
CRP Azipod — комбинация вального привода с установкой Compact Azipod, где гребные винты расположены на одной оси (лицом к лицу), но без физического их соединения. Система работает наподобие винтов с противоположным вращением и, как считается, повышает общую гидродинамическую эффективность более чем на 10%.
Такая установка применена на проекте суперяхты Tuhura (Oceanco, 115 м). Ее энергоустановка состоит из шести генераторов по 1000 кВт. Вырабатываемая ими электроэнергия должна распределяться между двумя колонками Azipod по 2200 кВт и остальными потребителями на борту посредством сложной полностью интегрированной электронной системы; при этом идет зарядка батарей (их общий вес 35 т), которые могут обеспечивать движение яхты в течение 12 часов.
IPS. Впервые появившись в 2005 году, этот тип трансмиссии прочно обосновался в яхтенной индустрии. Сформировался даже определенный пул компаний, предпочитающих эти днищевые колонки другим приводам; среди них в Европе лидируют Azimut и Cranchi (Италия). Сегодня выпускают два типа колонок: IPS (Inboard Performance System) от Volvo Penta и Zeus — совместный продукт Cummins и ZF. Первое их принципиальное различие — IPS имеет два тянущих соосных винта, у Zeus они толкающие; второе различие — объемы их производства несопоставимы (в пользу шведов), поэтому дальше скажем о новациях у IPS.
Постоянно модернизируя линейку IPS, в этом году компания на базе обновленного дизельного двигателя D6 выпустила новые агрегаты D6-IPS400, D6-IPS450, D6-IPS500, D6-IPS600, D6-IPS650 с мощностным диапазоном 300–480 л. с. Помимо увеличившейся мощности, двигатели получили обновленную систему смазки, новый коленвал и поршни.
Hydropod. Итальянская компания AS Labruna разработала HydroPOD — гидравлический привод, который может работать как обычная транцевая колонка или с полупогруженным винтом, вращаемым гидромотором. Посредством группы гидроцилиндров привод может вращаться на 360°, подниматься или опускаться, а также менять угол, регулируя дифферент судна. Передаваемая на винт мощность ограничена 500 л. с. (крутящий момент до 2500 Н.м). Особенностью этой трансмиссии является большой крутящий момент при низких оборотах винта, что полезно на стадии разгона судна при выходе на глиссирование.
Что касается трансмиссии/колонок, то в целях повышения надежности и долговечности конструкции усилены ключевые узлы, валы и подшипники, стал доступен мониторинг качества масла и существенно упростилось обслуживание колонки. Новый масляный фильтр расположен внутри корпуса судна, и можно масло менять только раз в два года. Датчики, измеряющие перепад давления масла в фильтрах, заранее определяют степень их засорения, а во время процедуры замены масла (занимает не более 15 мин) лодка теперь может оставаться на плаву.
Системы IPS с днищевыми колонками можно применять на лодках длиной от 30 до 110 футов. Требуется минимум два модуля, но известны проекты яхт, где стоят три и даже четыре такие установки (Quad). Крупнейшей (пока) яхтой с установками IPS является Unique (Amer Yachts, 110 футов). Судно водоизмещением 102 т с четырьмя IPS1200 (900 л. с.) развивает свыше 30 узлов, а на крейсерской скорости 25 узлов общий расход топлива составляет 502 л/ч.
Самой мощной установкой (снова пока) является D13-IPS1350 (1000 л. с.), и яхт с ними уже немало. Минувшим сентябрем у причалов выставки в Каннах можно было увидеть «тройные» D13-IPS1350 на Azimut 78 Fly, Azimut S8, Extra 86 Fast (ISA, Palumbo Superyachts); у всех скорость выше 30 узлов, как и у модели BeachClub 660 (Van der Valk), где преду-смотрена спаренная установка.
Кстати, Volvo Penta уже представила гибридную концепцию для IPS, где между дизелем и колонкой стоит электродвигатель, питаемый литиево-ионными аккумуляторами. При выключенной муфте работает только электричество, а при включенной можно использовать дизель (двигатели объемом 8–13 л) и электричество параллельно. Натурные испытания этой системы планировали на начало 2020 года. Предполагается, что система будет доступна в коммерческом сегменте в 2021 году, после чего появится версия для прогулочных судов.
Не стану разубеждать скептиков относительно привлекательных качеств IPS: экономичности, маневренности, повышенной динамики, пониженного шума и вибрации (как минимум, в сравнении с вальным приводом), широкого мощностного диапазона (300–1000 л. с.). Признаю, что при наезде на серьезное препятствие подводная часть системы отрывается (без нарушения герметичности корпуса) и безвозвратно теряется. Но также замечу, что, по данным Volvo Penta, на сегодня выпущено более 25 000 установок IPS, и популяция их продолжает расти.
Saildrive Electro. Днищевые колонки для парусных яхт как привод от двухтактных бензиновых двигателей появились еще в конце 1970-х годов. А Saildrive Electro — электрическая днищевая колонка — одна из последних разработок Volvo Penta, показанная осенью в Каннах. Ее презентацию провели на 40-футовом парусном катамаране Fountaine Pajot. Литиево-ионные батареи (2 × 20 кВт∙ч) приводили в действие электродвигатели (2 × 15 кВт), которые, в свою очередь, вращали винты Saildrive.
Главные преимущества Saildrive Electro — экономичность и бесшумная работа
В зависимости от состояния моря система обеспечивает запас хода до 25 миль на скорости 6 узлов; при максимуме 8 узлов цикл составляет 1 час. Более типичный сценарий — использование электрического привода Saildrive для маневрирования в марине при заходе-выходе. По сравнению с аналогичным дизельным двигателем здесь достигается большая мощность и крутящий момент на низких скоростях. Привод управляется EVC2 — системой с новым интерфейсом, который «заведует» навигацией и контролем заряда аккумулятора с выводом на монитор Glass Cockpit System. Бортовые бытовые системы, включая кондиционер, могут питаться от аккумуляторов в течение 12 часов в тишине.
Но теме электродвижения и гибридных судовых пропульсивных систем, которые становятся все более востребованными в мире, по-видимому, следует посвятить отдельную статью.
Транцевые колонки
Впервые серийный образец трансмиссии этого типа, названный Aquamatic Drive, представила Volvo Penta в 1959 году на выставке в Нью-Йорке. Потом появился образец от MerCruiser, показанный в 1961 году в Чикаго. А в 1982 году колонки Aquamatic получили соосные разнонаправленные винты Duoprop. Что касается наших дней, то транцевые колонки выпускают и другие производители, однако новшествами могут похвастаться преимущественно шведы.
DPI. Эта модель колонки, предназначенная для работы с дизельными двигателями D4 (150–320 л. с.) и D6 (340–440 л. с.), получила новую гидравлическую муфту сцепления, обеспечивающую бесшумное и плавное включение, электронное рулевое управление даже для одиночного двигателя, что обеспечило более высокую маневренность лодки на предельно малых скоростях (троллинг), более четкое функционирование джойстика и интеграцию динамической системы позиционирования. Также были внедрены дополнительные датчики диагностики и мониторинга работоспособности системы, что позволяет говорить о более продолжительных периодах между ТО и увеличении срока службы привода.
Поворотно-угловая транцевая колонка Volvo Penta DPI — высокий крутящий момент при низких оборотах и быстрое ускорение при умеренном расходе топлива
Forward Drive (FWD). Эта транцевая колонка с соосными тянущими винтами появилась раньше DPI. Гребные винты FWD находятся под днищем и смещены относительно винтов колонок DPH и DPS почти на 700 мм в нос, ближе к центру тяжести корпуса. При незначительной потере скорости это дает заметное повышение маневренности, а вместе с большим углом откидки формирует контролируемую волновую систему, дающую возможность любителям вейкбординга и вейксерфинга использовать обычный катер. В сочетании с дополнительными устройствами (в частности, балластной цистерной) это позволит профессиональным спортсменам добиваться более высоких результатов. Колонки FWD могут сопрягаться с бензиновыми двигателями V6 (240/280 л. с.) и V8 (300–430 л. с.).
.jpg)
Помимо спорта, колонки Forward Drive имеют широкий спектр применения на катерах различного назначения
