Использование на современных грузовых судах энергии ветра

В печати все чаще появляются сообщения о ведущихся в разных странах интенсивных исследованиях, имеющих целью разыскать новые источники энергии для движения судов, отличные от повсеместно используемой на них сегодня энергии сжигаемого жидкого нефтяного топлива. Причина тому — близящееся исчерпание разведанных запасов нефти в ряде районов и связанное с этим быстрое подорожание топлива. Только за семь лет начиная с 1973 г. цена сырой нефти на мировом рынке подскочила с 2 до 35 долл. за баррель (159 л), т.е. выросла в 17 раз! Тонна тяжелого моторного топлива сегодня обходится судовладельцу в 160—180 долл., а тонна дизельного топлива — в 320—350 долл.

Поставлена под вопрос экономичность эксплуатации даже сравнительно новых, построенных лишь пять — десять лет назад судов, расходующих за сутки ходового времени от десятка до нескольких сот тонн дорогостоящего топлива. Решительной ломке подвергаются устоявшиеся было представления о рациональной эксплуатационной скорости. Паровая турбина повсеместно сдает позиции более экономичным мало- и среднеоборотным судовым дизелям, приспосабливаемым ныне к работе на все более низкосортных — менее дорогих видах жидкого топлива.

Среди рассматриваемых учеными и инженерами есть не только такие очевидно перспективные новые виды энергии, как ядерная, солнечная, энергия сжигания новых синтетических топлив, ко и «хорошо забытые» старые, среди которых в первую очередь следует назвать энергию сжигаемого в котлах каменного угля и энергию ветра.

Неужели движение назад — к веку угля и пара и отчаянно соперничающих с ними клиперов и гигантских «винджаммеров», окутанных облаками парусов! И да, и нет. Да, потому что уголь — это тот вид относительно менее дорогого органического топлива, который и сегодня можно использовать весьма эффективно, а пренебрегать «бесплатной» энергией ветров, в особенности в районах со стабильным их направлением, в эпоху энергетического кризиса неразумно. Нет, поскольку обращение к этим «старым» источникам энергии в век космических полетов, высокоразвитой автоматики и компьютеров уже не может происходить на уровне старой технологии конца XIX века.


Подтверждением сказанному является появление первых проектов переоборудования под угольное топливо паротурбинных энергетических установок мощностью 25—80 тыс. л. с. на таких судах, как рудовозы дедвейтом 70—150 тыс. т и крупнотоннажные контейнеровозы. Уголь предполагается подавать в топку автоматизированного котла сложным механическим конвейером (в дробленом виде) или при помощи форсунок (в распыленном виде; как вариант — в смеси с низкосортным жидким топливом). Тепловая эффективность такой угольной паротурбинной установки будет примерно в 1,5 раза ниже, чем дизельной. Вес бункера, естественно, существенно возрастет, а полезная грузоподъемность соответственно будет меньше. Однако решающим доводом за такой вариант служит то, что благодаря низкой стоимости угля (в 6—10 раз ниже, чем дизельного топлива) годовые расходы на топливо на таких судах окажутся примерно ка 40% ниже. В настоящее время в Италии и в Японии уже строятся (для австралийских судовладельцев) четыре навалочника дедвейтом до 70000 т с паротурбинными установками, работающими на угле.

Теперь о парусах. Как же предполагается использовать на транспортных грузовых судах энергию ветра (не будем говорить сейчас о круизно-туристских и учебных парусниках — это отдельный вопрос)?

Прежде всего, имея исчерпывающую информацию о направлении и силе ветра в районе плавания судна. Для этого предполагается обработать при помощи ЭВМ накопленные за последние 200 лет наблюдения за состоянием ветра и моря, зафиксированные в атласах погоды, и широко использовать текущую информацию от наземных и плавучих метеостанций, метеорологических ИСЗ и т. п. Современная техника динамического программирования позволит бортовой ЭВМ на основе поступающей информации определять оптимальный маршрут.

С точки зрения использования ветровой энергии наиболее рациональны, конечно, маршруты, пролегающие в зонах действия пассатов (это, например, пинии, связывающие порты Австралии и Южной Америки, Южной и Восточной Африки, часть пути из Австралии в Европу). Зоны устойчивого направления ветров можно выделить и на трансатлантических маршрутах.


Особую важность представляет выбор типов и размерений парусных судов будущего. Ясно, что для перевозки на парусных судах, среднерейсовая скорость которых будет, очевидно, ниже, чем считалось нормальным в самом начале 70-х гг., более всего подходят «медленные» грузы. Прежде всего, это такие массовые грузы, как руда, уголь, минеральные удобрения, зерно, лесные продукты. Отсюда следует, что парусными смогут стать в первую очередь суда-навалочники дедвейтом 10—20 тыс. т, хотя для «пассатных» направлений перевозок эта цифра может достичь и даже превысить 50 тыс. т.

Перевозчиков дорогостоящих и срочных генеральных грузов, а также охлаждаемых продуктов, вряд ли сможет удовлетворить скорость парусника в 8—12 уз. В то же время в ряде случаев могут оказаться рентабельными и парусные универсальные сухогрузы дедвейтом 1,5—5 тыс. т.

Рассматриваются две основные концепции применения парусов на коммерческих судах:

• паруса используются как вспомогательное средство — в помощь механической установке;
• паруса являются основным средством движения, используемым на протяжении по меньшей мере 75% дальности эксплуатационного рейса.

Площадь парусности, сложность и стоимость парусного вооружения, а также и мощность механической установки существенно зависят от выбора той или иной концепции.

Необходимо помнить о большой трудоемкости работ по управлению «классическими» парусами, и связанной с этим опасности возрастания численности экипажа при появлении на судах парусного вооружения. Ощущаемый уже сегодня дефицит квалифицированных кадров дпя транспортного фпота и неуклонный рост расходов на содержание экипажа заставляют уделять максимум внимания механизации всех процессов постановки и уборки парусов и управления ими. Итак, очень важно, чтобы использование ветровой энергии не приводило к экономически ощутимому увеличению численности судовых команд, но в то же время, чтобы комплекс применяемых средств механизации и управления, включая ЭВМ, не оказался слишком дорогим и экономически невыгодным.

И, наконец, главный вопрос: каким же будет парусное вооружение грузового парусника?


Не исключено, что это будет хорошо проверенное практикой парусное вооружение традиционного типа, свойственное крупным парусникам прошлого. Например, классическое прямое вооружение пятимачтовым барком предложил в своем проекте 12000-тонного грузового судна «Виндроуз Сэйлайкер» английский капитан Р. И. Уиллоуби. Очевидно главными отличиями «Виндроуза» от пятимачтовых гигантов начала XX века (скажем, «Пройссена» или «Франс» — см. сборник №85) будет значительно более высокая степень механизации работ с парусами, оптимизация выбора курса, наличие надежного вспомогательного двигателя и подруливающего устройства.

Классическое косое вооружение многомачтовой шхуной предлагает американская компания «Оушн Кэрриере Корп. оф Калифорния» в проекте судна дедвейтом около 4500 т. В принципе считается, что применение косого парусного вооружения (бермудской, стаксельной или даже гафельной шхуной) будет целесообразным на относительно небольших судах для «местных» линий в районах с частой сменой ветров.

Многие авторитеты считают, что предпочтение должно быть отдано полужестким и жестким парусам с более высокими аэродинамическими качествами. Многочисленные варианты подобных парусов-крыльев предложены за последние годы конструкторами разных стран. А быть может, верх возьмут те, кто предлагает такие экзотические решения, как использование «воздушного змея» (вроде дельтаплана), связанного с судном лишь тросовой системой! Или же те, кто считает целесообразным вернуться к роторам Флетнера, опробованным еще в 1925 г.! Наконец, огромное количество предложений посвящено ветродвигателям с передачей крутящего момента на гребной винт; чаще всего это гигантские воздушные винты или даже воздушные турбины, вращающиеся относительно вертикальных осей.


Естественно, для каждого конкретного судна с учетом его назначения и района плавания должно быть найдено индивидуальное решение. Сейчас мы являемся свидетелями периода бурных поисков наиболее рациональных конструкций. Только в пяти развитых промышленных странах и только за пять лет (с 1974 по 1979 гг.) зарегистрировано 450 новых изобретений в этой области. Разрабатываются все новые проекты судов различного тоннажа и назначения, приводимых в движение ветром. Проводятся эксперименты в аэродинамических лабораториях и опытовых бассейнах.

Из известных проектов крупных парусных судов наиболее перспективным считается проект В. Прольса, разработанный им совместно с Гамбургским университетом. Его «Дайнашип» — судно длиной 160 м и дедвейтом около 17 тыс. т с шестью поворотными мачтами. Прямые мягкие (дакрон) паруса разрезаны каждый на две части, симметричные относительно оси мачты. Верхняя и нижняя шкаторины каждой «половинки» растягиваются (на роликах) по направляющим, имеющимся в верхнем и нижнем реях; при уборке или для уменьшения работающей площади паруса каждая его половинка наворачивается на свой вертикальный цилиндр, расположенный внутри мачты. Наиболее выгодный угол поворота мачты — угол атаки парусов — и нужная площадь парусности рассчитываются бортовым компьютером. Максимальная площадь парусов — 9000 м².

Для реализации этого отнюдь не простого проекта создана корпорация «Дайнашип» с отделениями в США и Дании. Президент американского отделения В. Уорнер сообщил, что корпорация намерена начать с оборудования системой парусов описанного типа, проверенной на нескольких яхтах, готового корпуса судна дедвейтом 3—5 тыс. т.


Большая исследовательская работа в области использования энергии ветра на судах проводится советскими учеными и конструкторами. В частности, интересные результаты, доказывающие экономическую эффективность использования парусов, получены в Николаевском кораблестроительном институте под руководством профессора Ю. С. Крючкова. Выполнена проектная проработка переоборудования серийно строящегося рудовоза-навалочника дедвейтом около 50 тыс. т в семимачтовое парусное судно с вооружением типа «Дайнашип». Площадь парусности — 14 000 м², максимально достижимая скорость под парусами на полных курсах (при ветре 20—25 м/c) — 23 уз. Средняя эксплуатационная скорость судна, принятая для экономических расчетов,— 13 уз. Вспомогательный двигатель — дизель мощностью 6100 л. с. обеспечит судну скорость 11 уз в штилевых зонах или при маневрах в узкостях.

Для сравнения отметим, что серийные рудовозы этого типа с главным двигателем мощностью 13 700 л. с. развивают скорость 14,5 уз. Замена этого главного двигателя вдвое менее мощным при установке высокоэффективного парусного вооружения, управляемого при помощи электрогидравлических приводов с ходового мостика по командам ЭВМ, позволит снизить суммарные эксплуатационные расходы судна за навигацию приблизительно на 600 тыс. руб. Расчетная экономия расходов на топливо за навигацию — порядка 740 тыс. руб.

Ряд интересных проектов, действующих моделей и конструктивных предложений, также свидетельствующих о возможностях эффективного использования ветровой энергии на судах, были представлены участникам состоявшегося в сентябре 1979 г. в г. Николаеве всесоюзного симпозиума. В ноябре 1980 г. в Лондоне состоялся организованный Королевским институтом морских инженеров международный симпозиум, на котором было зачитано и обсуждено около 20 докладов, охватывающих все аспекты создания парусных судов будущего.

Как видно из сказанного, теоретический интерес к использованию «бесплатной» и экологически чистой ветровой энергии в судоходстве постоянно растет. А каковы же практические достижения! Пока — относительно скромные.

Известен случай применения огромного треугольного дакронового паруса площадью около 600 м² в качестве вспомогательного средства движения при буксировке в 1978 г. буровой платформы «Роуэн Луизиана» из Галвестона (США) к побережью Мексики. Использование паруса по оценке специалистов было эквивалентно подключению к работе дополнительного буксира мощностью 1000 п. с. Интересно отметить, что обслуживали этот крупнейший в истории парус всего два человека: на его постановку и уборку при помощи пневмопривода было затрачено соответственно 52 и 70 сек.

Американская компания «Ребел Марин Сервис» уже несколько лет успешно эксплуатирует два небольших (длиной 15 м) парусно-моторных буксира- Вспомогательное вооружение типа кэч с площадью парусов около 80 м2 обеспечивает экономию 30—40% топлива, а при благоприятных условиях и увеличение скорости буксировки (на величину до 3 уз).

Известна попытка коммерческой эксплуатации между портами Восточного побережья США и Карибского моря специально построенного в 1979 г. грузового парусника — копии каботажной чезаликской шхуны «Джон Ф. Ливитт» длиною 40 м. По роковому стечению обстоятельств попытка эта закончилась неудачей: судно затонуло во время первого же рейса на Гаити с грузом дерева на борту.

И это практически все, если, конечно, не принимать во внимание эксплуатацию многих десятков тысяч малых парусных судов местных типов, и ныне строящихся «по образу и подобию» судов прошлого.

А тем временем прагматичные японцы, имеющие особые основания беспокоиться в связи с катастрофическим повышением цен на импортируемые нефтепродукты, с 1977 г. упорно работали над выбором оптимальных аэродинамических форм парусов, пригодных для использования в качестве вспомогательного средства движения транспортных судов. В исследовательском центре судостроительной компании «Ниппон Кокан Кайша» («НКК») были проведены сравнительные испытания 20 моделей парусов различной формы и конструкции. Три из них компания решила испытать в практических условиях эксплуатации — в море.

В качестве экспериментального судна использовали сохранившуюся от эпохи бума постройки супертанкеров модель 460 000-тонного танкера, выполненную в масштабе 1/15. Полная длина судна составила 26,3 м, водоизмещение — 147,8 т, регистровая вместимость — 77 бр. рег. т. Стоит отметить, что оно мало напоминало своей формой изящные клипера; отношение L:В у него составляло всего 5,5 против 7—7,5 у «винджаммеров» начала века; коэффициент общей полноты достигал 0,85, т. е. был примерно на 25—30% больше, чем на клиперах. Роль механического двигателя, моделирующего энергетическую установку супертанкера, имеющую меньшую, чем обычно, мощность, играл 15-сильный подвесной мотор, позволявший судну развивать на спокойной воде скорость 4,2 уз.

На носовой половине длины судна были установлены три мачты с тремя испытываемыми парусами трех различных типов. На передней мачте стоял прямоугольный (прямой) жесткий парус высотой 7 м и шириной 4 м; на средней — такой же парус тех же размеров, но мягкий — из синтетической ткани, растянутой между двумя стальными реями; на третьей — мягкий треугольный (бермудский) парус со сторонами 6,45 и 4,65 м с жесткой профилированной входящей кромкой. Все три паруса могли поворачиваться относительно осей мачт при помощи дистанционно управляемых электроприводов и могли быть убраны также при помощи сервоприводов.

Испытания этого необычного судна, названного «Дайох», были проведены в море летом 1979 г. и подтвердили результаты исследований в аэродинамической трубе. Судно при ветре скоростью 10 м/с хорошо держало курс и под одними парусами развивало скорость, не меньшую, чем под двигателем, практически на всех курсах от полного бейдевинда до фордевинда; на курсах, близких к галфвинду, скорость под парусами была больше, чем под мотором, почти на 20%.

Совместная работа двигателя и парусов повышала скорость судна на 30—60% в зависимости от курса относительно ветра! Результаты испытаний (см. таблицу) позволили специалистам «НКК» сделать вывод, что совместное применение парусов и машины уменьшенной мощности на навалочнике дедвейтом 20 000 т с эксплуатационной скоростью 15 уз позволит сократить расходы на топливо на 10%.


Следующим шагом японских специалистов бы па постройка опытного парусно-моторного коммерческого судна небольшой грузоподъемности. Объединив свои усилия с «Японской Ассоциацией по развитию судовых энергетических установок» («ДЖЭМДА») и судоходной фирмой «Айтоку Шиллинг Ко», та же компания «НКК», используя результаты испытаний судна-модели «Дайох», разработала проект танкера дедвейтом 1600 т для эксплуатации в коротких рейсах вдоль побережья.

В августе 1980 г. построенный по этому проекту танкер, названный «Шин Айтоку Мару», был спущен на воду на верфи «Имамура Шипбилдинг Ко» в г. Куре. Коммерческой эксплуатацией этого судна в конце 1980 г. открылась новая страница в многовековой истории развития парусных судов: практическая проверка эффективности использования парусов как вспомогательной пропульсивной системы, обеспечивающей существенную экономию топлива на современном дизельном транспортном судне.

На судне установлены две поворотные мачты, несущие трехсекционные жесткие прямые паруса высотой 12,5 м и шириной около 8 м. Управление парусами с цепью обеспечения максимальной тяги может осуществляться с пульта на мостике одним человеком или автоматически — по командам мини-ЭВМ, в которую непрерывно поступают данные от анемометров о скорости и направлении ветра. Поворот мачт с парусами и складывание парусов осуществляются гидроприводами. Работа парусов рассчитана на скорость ветра до 20 м/с.

Автоматический контроль за работой главного двигателя позволяет регулировать его мощность в зависимости от величины дополнительной тяги, создаваемой парусами. При уменьшении числа оборотов двигателя автоматически увеличивается шаг гребного винта (применен ВРШ увеличенного диаметра). В качестве главного двигателя используется экономичный среднеоборотный дизель, работающий на топливе повышенной вязкости.

Электроэнергия при работе главного двигателя вырабатывается валогенератором, подключаемым через гидравлическую муфту; это также позволяет экономить дорогое дизельное топливо. Тепло выхлопных газов двигатепя используется в экономайзере.

Проектантами ожидалась экономия расхода топлива (суммарная — от использования парусов, валогенератора и утилизации тепловой энергии выхлопных газов) около 50 % по сравнению с обычным дизельным судном тех же размеров. Первый же рейс полностью подтвердил правильность этих расчетов. Остается добавить, что стоимость постройки первого парусно-моторного танкера составила 530 млн. йен, из которых 60 млн. йен было затрачено на парусное вооружение с системой приводов и управления.

Фактическая эффективность использования парусов на этом судне будет установлена лишь в процессе длительной его эксплуатации, однако ассоциация «ДЖЭМДА» уже имеет договор с компанией «Эйшиэн Венчур Лимитед» на установку аналогичного парусного вооружения на эксплуатируемой барже дедвейтом 14 400 т.

Примечания

1. Публикуемая статья продолжает тему, поднятую опубликованными в №50 и №74 статьями II. К. Перестюка под общим названием «Паруса атомного века».