Туннельные подруливающие устройства. Системы динамического позиционирования судов с ТПУ

При заходе в порт и выходе из порта, при швартовке к причальной стенке огромное значение имеет маневренность судна. Завод судна в порт могут обеспечивать буксиры, или судно, обладающее собственными средствами маневрирования, может осуществлять эти операции самостоятельно. Огромное значение при ряде работ и операций имеет удержание судна на месте в выбранной позиции. Это обеспечивается системами динамического позиционирования (ДП), которые могут включать как винто-рулевые колонки, так и туннельные подруливающие устройства (ТПУ). 
 

ТПУ могут генерировать упор, направленный перпендикулярно борту судна. Как правило, ТПУ располагаются в носу или в корме судна, где они могут создавать наибольший разворачивающий момент. Эти устройства используются при маневрировании, в то время как для пропульсивного движения используются винто-рулевые колонки или гребные винты. ТПУ часто используют винты регулируемого шага (ВРШ), поскольку при маневрировании требуется обеспечивать реверс и быстро переключаться с одного режима работы на другой. 
 

Когда требуется большой по величине поперечный упор, рядом могут располагаться несколько ТПУ. На борт судна оснащенного ТПУ наносится специальная маркировка, как показано на рис.1.

 

Рис.1. Внешний вид судна с носовыми ТПУ с нанесенной соответствующей маркировкой. Источник: Bertil/Wikipedia

 

От ТПУ требуется развивать малый упор при операциях в порту и большой упор при удержании позиции судна в море. С точки зрения проектанта, ТПУ проектируется для создания поперечной тяги. Обычно о тяговом усилии (на гаке) говорят при испытаниях буксиров на холостом ходу у пирса. ТПУ аналогичны винто-рулевым  колонкам, только помещены в туннельные каналы, открытые с обоих бортов судна в носу или в корме. 
 

Рис.2. Бесшумное ТПУ марки Kamewa Ulstein. Источник: Bertil/Wikipedia

 

Основное применение ТПУ находят при маневрировании и швартовке в портах крупных судов, таких как суда классов VLCC, "Aframax", "Panamax", океанские лайнеры и круизные суда в условиях сильных ветров и приливных течений. Это экономит средства на буксировку и сокращает время швартовки.

 

Вторым видом применения ТПУ является удержание позиции судна. Это необходимо на исследовательских судах при сборе образцов, при спуске и подъеме телеуправляемых подводных аппаратов (ТПА). ТПУ могут управляться в этом режиме вручную или с помощью систем ДП с обратной связью. 

 

ТПУ подразделяются на: 

1. Носовые ТПУ (водометные, стандартные и насосные).

2. Кормовые ТПУ.
 

Водометные ТПУ являются особым видом ТПУ, который использует вместо гребного винта, установленного в туннеле, водометные движители. Вода выбрасывается через выходные отверстия туннеля с большой скоростью. Такие ТПУ имеют ряд преимуществ при установке на малых судах. 

Кормовые ТПУ чаще всего представляют из себя традиционные стандартные ТПУ с гребными винтами. 

 

Рис.3. Внешний вид кормовых ТПУ, вмонтированных перед гребным винтом. Источник: nieuwsbladtransport

 

Отсутствие решеток в отверстии туннеля позволяет обеспечить быстрый доступ к винтам, но в акваториях, где плавает много мусора наличие решеток необходимо во избежание повреждения винтов ТПУ. 

 

Преимущества и недостатки

 

Установка ТПУ предоставляет значительные преимущества, но и имеет некоторые недостатки. К ним относятся:

1. ТПУ могут в некоторых случаях снижать эффективность пропульсивной системы судна за счет увеличения сопротивления движению судна. Однако сопротивление движению можно снизить при помощи правильной формы забортных отверстий.

2. Необходимо предотвращать обрастание туннеля и винта, либо периодически их очищая, либо установив защитные решетки.

3. ТПУ потребляют много электроэнергии и могут потребовать для обеспечения вращения винта несколько дизельных генераторов, что увеличивает расход топлива.

4. Стоимость установки, ремонта и обслуживания ТПУ может быть значительной, поскольку это дорогостоящие и сложные системы.

 

Но есть и значительные преимущества:

1. Стоимость установки системы компенсируется ее высокой эффективностью.

2. Значительное энергопотребление и, следовательно, расход топлива, компенсируется экономией топлива за счет предотвращения маневрирования, которое необходимо при отсутствии ТПУ.

 

Проекты

 

В зависимости от проекта ТПУ подразделяют на ТПУ с ВРШ и винтом фиксированного шага (ВФШ). ТПУ каждого типа позволяют достигнуть максимального упора при винтах определенного диаметра.

У ВРШ при повороте лопастей, контролируемом чаще всего гидравлической  системой, изменяется шаг винта, отчего изменяется и величина создаваемого им упора.
 

У ВФШ величина и направление создаваемого им упора изменяются за счет изменения оборотов двигателя и направления его вращения.
 

При проектировании судна важно предотвратить при волнении засасывание воздуха в туннель ТПУ, так как это снижает его эффективность и может привести к его повреждению или повреждению корпуса судна.
 

Детали проекта ТПУ, позволяющие повысить его характеристики:

1. С целью минимизации монтажного пространства и сохранения обтекаемости обводов корпуса диаметр туннеля должен быть по-возможности минимизирован.

2. ТПУ должно быть спроектировано для достижения максимального упора. 

3. Высокая эффективность работы ТПУ должна обеспечиваться подгонкой проекта ТПУ к диаметру туннеля и оптимизацией потока, набегающего на винт. 

4. Следует использовать стандартные лопасти винта или лопасти со скругленными законцовками. Это позволяет добиться максимального упора при минимальном уровне кавитации. 

5. Площадь лопасти гребного винта должна быть большой для уменьшения кавитации. При этом достигается максимальный упор при минимальном шуме и вибрации, что позволяет обеспечить экипажу максимально комфортные условия.

При рассмотрении возможности установки ТПУ следует учитывать:

1. Надежность и прочность компонентов ТПУ.

2. Валы и передачи должны иметь длительный срок службы.

3. ТПУ должно иметь высокое КПД.

4. ТПУ должно быть легким и недорогим в обслуживании.
 

Рис. 4. Монтаж ТПУ на строящемся судне. Источник

 

Монтаж ТПУ на судне

 

Рассмотрим монтаж ТПУ на примере подруливающих устройств компании Thrustmaster. Они довольно легко монтируются на судне. Весь узел заранее смонтирован в секции туннеля, и все, что нужно, это вмонтировать данную секцию в корпус судна. 
 

Возможен монтаж ТПУ, поставляемого со стандартным отрезком туннеля. Длина стандартного трехфутового (0,9 м) отрезка туннеля может быть увеличена за счет сварной трубы того же диаметра. Обычно требуемую длину туннеля указывают при заказе ТПУ, чтобы сэкономить время и затраты при монтаже устройства. 
 

При монтаже ТПУ на уже эксплуатируемом судне туннель прорезают в обшивке корпуса и корпусных конструкциях, а потом концы трубы туннеля приваривают к обшивке и продольным корпусным конструкциям так, чтобы он стал встроенной частью корпуса судна. 
 

При погружении туннеля в воду нужно стравить из него воздух, чтобы избежать кавитации при работе ТПУ, излишнего шума, вибрации и снижения упора. 
 

Отверстие туннеля должно быть, как минимум, на величину одного диаметра туннеля ниже уровня ватерлинии при плавании порожнем. Если два или более ТПУ монтируются в тандеме, центр каждого туннеля должен отстоять от другого примерно на два диаметра туннеля, как показано на рис.5. 

 

Рис. 5. Типичное расположение ТПУ, работающих в тандеме. Источник

1xdia mimnimum – 1 диаметр туннеля минимум; 2xdia – 2 диаметра туннеля; Lightest Waterline – ватерлиния при плавании порожнем.

 

ТПУ в носу судна или в корме для обеспечения наиболее эффективного маневрирования должны быть расположены как можно ближе к носу или корме. Это увеличивает момент рычага поворота судна вокруг центра корпуса как показано на рис. 6. При этом винты ТПУ должны находиться в диаметральной плоскости судна, посередине туннеля, чтобы обеспечивать равную величину упора на правый и левый борт.  

 

 Рис.6. Типичное расположение ТПУ в корпусе судна. Источник

As far as possible – настолько далеко, насколько возможно. 

 

Для достижения максимального упора выходные отверстия туннеля должны ввариваться в корпус судна так, чтобы не нарушать обтекаемые обводы корпуса. Выходные отверстия туннеля должны выполняться со скосом. Наклон должен составлять 45 градусов, а раствор выходного отверстия туннеля должен иметь величину 10% от диаметра туннеля, как показано на рис. 
 

 

Рис.7. Типичное расположение выходного отверстия туннеля ТПУ. Источник

 

 

Рис.8. Схемы монтажа носовых ТПУ

Diesel Engine – дизельный привод; Electric or Hydraulic – электрический или гидравлический привод.

 

Рис.9. Два варианта выходного отверстия туннеля ТПУ: с разделанной кромкой и вваренное в корпус без разделки. Источник

Example – пример; Chamfered Tunnel Inlet – входное отверстие туннеля с разделкой кромок; Radiused Tunnel Inlet – радиальное входное отверстие туннеля. 

 

Конструкции ТПУ продолжают развиваться. Так с помощью методов вычислительной гидродинамики удалось ввести в конструкцию ТПУ инновационные технические решения. Носовые ТПУ в туннелях цилиндрической формы часто используются на дреджерах. Но эти устройства страдают от снижения эксплуатационных характеристик на малом переднем ходу. Для судов других классов это не представляет проблемы, поскольку они используют ТПУ только для маневрирования в порту, что случается довольно редко. Но, в отличие от них, дреджеры используют ТПУ гораздо чаще, и для судов этого класса проблема существует.  

 

Проведенные исследования позволили найти верное техническое решение. Было проведено тестирование моделей ТПУ с различной формой туннеля. Кроме того было установлено, что  изменение формы туннеля позволяет изменить гидродинамическое давление в районе ТПУ и снизить негативный эффект от потока, образующегося при движении судна вперед. На рис. 10 показаны ТПУ с инновационной формой туннеля.

 

Рис.10.  ТПУ инновационной конструкции в корпусе дреджера "Scheldt River". Источник

 

Системы ДП с использованием ТПУ

 

Для многих видов операций и работ на шельфе очень важно удерживать зафиксированную позицию судна и его ориентацию. Системы динамического позиционирования автоматически удерживают позицию судна и ориентацию за счет использования подруливающих устройств, которые активно работают, чтобы компенсировать внешние воздействия на судно, такие как ветер, волны, течения и т.д. Внешние силы постоянно стремятся сдвинуть судно с удерживаемой позиции, в то время как подруливающие устройства создают упор позволяющий удерживать судно на месте. 

 

Рис.11.  Факторы, воздействующие на судно, реакция судна на эти воздействия и судовые устройства для удержания позиции. Источник

Surge – продольно-горизонтальная качка; Wind – ветер; Waves – волны; Yaw – рыскание;  Current – течение; Azimuth Thruster – азимутальная ВРК; Tunnel Thruster – ТПУ; Sway – поперечная качка; Main propeller and rudder – главный гребной винт и руль. 

 

Выгоды от использования  систем ДП:

1. Повышение маневренности судна и легкость в сохранении позиции. Облегчение операций по швартовке судна.

2. Судно с легкостью может сохранять позицию даже при большой глубине моря, где невозможно встать на якорь.

3. Быстрая отшвартовка в случае чрезвычайной ситуации.

4. Повышение безопасности при навигации в сложной акватории, например, при наличии множества трубопроводов, швартовных концов, якорных цепей других судов или подводных систем, таких как манифольды и райзеры.

 

Недостатки использования систем ДП:

1. Большие финансовые затраты на проектирование и установку систем ДП. Высокие капитальные затраты.

2. Большой расход топлива и высокая стоимость технического обслуживания. Высокие операционные расходы.

3. Их использования накладывает ограничения в мелководных районах и при проведении подводных работ с участием водолазов в непосредственной близости от винтов. 

4. Серьезные последствия при выходе системы из строя при проведении работ по укладке труб и около стационарных платформ.

 

В работе систем ДП участвуют 5 компонентов:

1. Управляющие системы. Системы, управляющие динамическим позиционированием судна, вычисляют разницу между оцениваемой позицией  и ориентацией судна и требуемыми данными (заданными показателями). Базируясь на вычисленной разнице величин, управляющая система определяет усилия, которые необходимо задать подруливающим устройствам, чтобы свести данную разницу к нулю. 

2. Устройства,  генерирующие мощность.

3. Подруливающие устройства (в частности ТПУ) и пропульсивная установка.

4. Устройства, осуществляющие учет воздействий внешней среды.

5. Устройства, осуществляющие учет позиции и ориентации.
 

Изменение ориентации в процессе поддержания позиции судна предусматривает динамическое позиционирование судна с целью удержания его фиксированной позиции, в то время как ориентация судна на точке меняется таким образом, чтобы уменьшить воздействия от внешних факторов. Этот принцип аналогичен принципу одноточечной швартовки и требует минимального расхода энергии для удержания позиции судна. Идея создания системы динамического позиционирования с использованием управления по двум осям координат была предложена, испытана и внедрена  в конце 1980-х гг. Пинкстером и Дэвисоном.

 

Динамическое позиционирование может быть абсолютным, когда позиция удерживается относительно конкретной точки на дне моря, или относительным, когда позиция удерживается относительно другого объекта (судна или ТПА). 
 

Таким образом, из статьи видно, что ТПУ не только активно используются для маневрирования судна в порту, но и для проведения работ на шельфе, в составе систем ДП для удержания позиции судна. При этом и в данной области время от времени появляются инновации, позволяющие сделать работу ТПУ более эффективной. 

Автор: Олег Губарев