Лифт для корабля: гидротехника
- Судно с грузом тяжелое, а поднять его на многометровую высоту легко. Парадокс? Нет, дело техники.
Судоподъемник в Фокстоне (Англия, 1900 год) Судоподъемник включал в?себя две судовозные платформы, уравновешивавшие друг друга посредством тросов и двигавшиеся по рельсам. Судно располагалось перпендикулярно направлению перевозки. Система работала около десяти лет, но не?выдержала конкуренции.
- От тех времен сохранились только канавы в?земле?- все железо отправилось на переплавку в?1920-х годах.
Канал над рекой Судоходный акведук Понткисиллте (Уэльс, 1795−1805)?- одно из чудес инженерной мысли XVIII?столетия. Сооружение соединяет каналы на берегах реки Ди.
- 19 пролетов несут на себе судоходный желоб длиной 313 и шириной 3,6 м. Двигаясь по нему, путешественники, не выходя из своих лодок, оказываются на высоте 38 м?- правда, не над землей, а?над другой водой.
Земная поверхность — весьма неровная штука, соединяемые каналами «пункты А и Б» почти всегда находятся на разной высоте и часто разделены возвышенностями, поэтому просто прокопать канаву недостаточно. Система шлюзов?- камер, разделенных водонепроницаемыми воротами?- занимает много места, особенно при большом перепаде высот. На канале Марна-Рейн, построенном в Вогезах (Франция) в XIX веке, один из участков представлял собой каскад из 17 шлюзов длиной всего около 4 км.
Прохождение занимало сутки, причем баржи разминуться в?шлюзе не могли. Еще сотню лет назад дополнительные сложности в ход процесса привносил способ движения судов — речную баржу XVIII-XIX веков в Европе обычно тянули запряженные лошади. Представьте, каково им было трогать баржу с места в каждом шлюзе.
Наконец, система шлюзов попросту занимает много места, которое в перенаселенной Европе испокон веков было в дефиците.
В истории, впрочем, бывали примеры того, как гидротехникам удавалось «переспорить» непокорный рельеф без шлюзования. В первой половине XIX века англичанин Джеймс Бриндли построил канал без перепадов высот, соединивший Манчестер с угольными шахтами Уорсли.
Лодки, груженные углем, начинали путь под землей, непосредственно на одном из горизонтов шахты, выходили на поверхность через горизонтальный тоннель, пересекали долину реки Ирвелл по акведуку высотой в десяток метров и финишировали едва ли не на городском базаре. Примеру Бриндли инженеры следуют до сих пор?— стоит назвать хотя бы судоходный акведук в? Магдебурге длиной почти в ?километр, построенный в ?2003 году (правда, шлюзы там есть, но лишь на входе и выходе). Но такое возможно не везде и не всегда.
Бассейн с подъемом
Построить машину, которая могла бы просто поднимать корабли вверх, без всяких шлюзов — соблазнительная идея, проблема лишь в мощности. На помощь строителям пришел закон, открытый когда-то Архимедом: погруженное тело теряет в весе столько, сколько весит вытесненная им вода. Таким образом, если отметить уровень воды в бассейне, загнать в него судно с грузом и спустить воду до прежнего уровня, то масса бассейна с «начинкой» останется той же, что и?раньше.
А если сделать два бассейна одного объема и соединить их рычажной или гидравлической системой так, чтобы они исполняли роль противовесов? Тогда, убавив из бассейна с?баржей чуть больше воды, мы сумеем поднять его с грузом вверх. Поскольку вода наливается и сливается самотеком, то не понадобится даже двигатель?— только сливная система и?при ней обученный человек, образно говоря, «с затычкой» наготове.
Сейчас непросто сказать, кто был «первым после Архимеда», поскольку на волне строительства каналов в?центре тогдашней гидротехники?- Англии XVIII-XIX веков — было построено множество сходных конструкций, многие из которых не дошли до нас.
Старейшим из дошедших до нас в?целости принято считать судоподъемник Андертон в британском графстве Чешир, построенный в 1875?году. Его конструктор, инженер Эдвин Кларк, соединил два двигающихся вверх-вниз кессона гидравлической системой. Упрощенно ее можно представить как две соединенные емкости с поршнями, прикрепленными к кессонам.
Как только один из них становится легче или тяжелее, система приходит в движение до тех пор, пока столбы жидкости не уравновесят друг друга. Нехитрыми расчетами инженеры добивались, чтобы равновесие наступало при разности высот 15 м?— рабочая высота подъема.
«Физика шестого класса» в металле представляет собой выразительное сооружение размером с многоэтажный дом из стальных балок и труб. Судоподъемник, сработанный при королеве Виктории, исправно прослужил 108?лет. В 1983 году ветеран был остановлен из-за коррозии, вновь запущен в 2002 году после ремонта и?реставрации. Сейчас это один из двух работающих судоподъемников Великобритании, наряду со знаменитым колесом Фалкирк в Шотландии?— о?нем мы еще скажем.
Остальных одного за другим «съели» конкуренты?— железные и автомобильные дороги.
Следующей страницей творческой биографии автора Андертона стала уникальная для того времени по своему размаху программа строительства судоподъемников Центрального канала в Бельгии. Правительство королевства поставило целью соединить уже построенные к тому времени каналы Шарлеруа-Брюссель и Монс-Конде, что открыло бы судоходство между реками Маас и?Шельда. На одном из участков канала предстояло на семикилометровой трассе преодолеть подъем в?66?м.
Система шлюзов оказалась бы слишком громоздкой. Приглашенный бельгийцами Кларк предложил построить четыре судоподъемника, каждый из которых перемещал бы суда на 15−17 м. Конструктивная схема осталась той же, что и в Андертоне — два кессона-противовеса, соединенных гидравлической системой, при подъеме одного из них другой опускается. 4 июня 1888 года король Бельгии Леопольд?II торжественно открыл первый из новой серии «лифтов» Эдвина Кларка.
Строительство остальных продолжалось еще шесть лет, после чего достройка была заморожена аж до 1910 года ввиду сомнений в рентабельности канала. Возобновленные работы в?1914 году были близки к?завершению, но 4 августа в?Бельгию вошли немецкие войска. Немцам, разумеется, тоже был нужен судоходный канал, но у них были и?другие дела, что отодвинуло завершение работ еще на три года.
После войны Центральный канал наконец-то заработал так, как предполагали его строители почти за полвека до этого. Судоподъемники Кларка работают на нем по сию пору. Правда, с?2002?года они обслуживают исключительно прогулочные и спортивные суда — грузовые перевозки идут по новому Центральному каналу, проложенному параллельно старому.
За XX?век речные суда изрядно подросли и перестали помещаться в судоподъемники времен короля Леопольда, но, поскольку те за это время стали памятником истории, чтущим ее бельгийцам пришлось оставить старый канал как есть и построить параллельно ему новый. Проблему высот на новом канале решает один судоподъемник (Стрепи-Тьё), грузоподъемностью 1350?т против 350 у старых. Четыре подъемника Кларка, утратив логистическое значение, приобрели туристическое.
В 1998?году они стали частью списка Всемирного наследия ЮНЕСКО.
Вира помалу!
За полтора века гидравлическая система доказала свою работоспособность, но назвать ее идеальной нельзя. Уравновешивание двух огромных емкостей?- процесс, требующий точности и?времени. Кроме того, «лифты» Кларка движутся строго по вертикали, а это уместно далеко не везде.
Наконец, использование одного кессона в качестве противовеса снижает пропускную способность комплекса.
К счастью, уравновесить кессон с водой можно не только другим таким же. Упоминавшийся выше Стрепи-Тьё также имеет два кессона, но движутся они независимо. Каждый висит на 120 несущих тросах, перекинутых через блоки и связанных с?противовесами.
Еще по три десятка управляющих тросов передают усилие от машин. В?данном случае подъем кессона с?судном осуществляется двигателями, а?использование противовесов позволяет снизить нагрузку на них, так что машина работает только на преодоление трения. Масса кессона (объем находящейся в нем воды) подбирается так, чтобы нагрузка на тросы и сматывающие их лебедки не превышала 100?т.
Поскольку масса самой камеры составляет порядка 8000?т, роль противовесов в?ее движении оказывается ненамного меньшей, чем в безмашинном варианте. Такие соотношения типичны и для других случаев — так, строящийся в?Германии судоподъемник Niederfinow Nord будет поднимать кессон массой около 9000 т при помощи лебедок общей мощностью 1280 кВт. Водоизмещение самого судна может достигать 2300 т. Прежний комплекс, работающий на этом месте с?1934 года, «осиливает» всего 1000?т.
Угол подъема
До сих пор мы говорили о системах, в которых перемещения совершаются строго по вертикали. Такое решение не везде удобно, тем паче, что для перехода судна из кессона в верхний бьеф и наоборот часто приходится строить специальный акведук (см.?два фото справа). Уклониться от этой необходимости просто: поставив противовес и?кессон на колеса и находящиеся под уклоном рельсы, можно получить практически тот же эффект.
Наклонный судоподъемник был впервые построен в Англии в 1788?году, работал на канале Кетли в Шропшире и, как многие другие, до нашего времени не дожил. Один из продолжателей его концепции — французский судоподъемник Сен-Луи—Арзвиллер, построенный в 1969 году, который заменил лестницу из 17 шлюзов на канале
Марна-Рейн, сократив время перехода между каналами с суток до 20?минут. Главный элемент судоподъемника?- стальной кессон длиной 41,5?м и массой 900?т. У «вагона-ванны» 32 колеса, на которых он ездит вверх-вниз по 120-метровым рельсовым путям. Противовесы — две тележки с грузами по 450 т — едут по этому же склону и по таким же рельсам, но, разумеется, в?другую сторону.
Скорость и направление движения регулируются двумя электромоторами по 120?л.с. каждый.
Сен-Луи—Арзвиллер интересен еще одной особенностью. До сих пор мы говорили о судоподъемниках продольной схемы, в которых перевозимое располагается вдоль направления движения. Французы приняли поперечную компоновку. Соединяемые участки каналов параллельны, и гораздо проще перевозить баржу боком, чем заставлять ее дважды разворачиваться.
Кроме «француза» наклонным и поперечным был лишь английский судоподъемник в Фокстоне (1900?год), не доживший до наших дней.
Особый путь
Российский путь оказался причудлив и уникален. Впрочем, в данном случае дело не в двух традиционных для нас напастях, но в особенностях национального рельефа. Россия?- равнинная страна, и?проблема разности высот здесь ощущается слабее, чем где-либо в?Европе.
Так, на первых 75 км Канала имени Москвы перепад высот составляет 38?м, и для его преодоления достаточно пяти шлюзов.
Но уж если в России где-то есть горы, то крутые, крепкие и крайне неудобные. Как вокруг Красноярской ГЭС, построенной в 1957—1972 годах на Енисее. После подъема воды в водохранилище разность высот между «верхом» и «низом» превысила сотню метров.
Заметим, что отличие бьефов ГЭС от судоходных каналов еще и в том, что уровни воды не постоянны: в верхнем колебания достигают 13, в нижнем — 6,5 м. Сама плотина расположена между горами, перекрывая пробитое течением Енисея русло. Для нужд энергетики это здорово, но возможность как-то обойти естественную преграду почти отсутствует. По расчетам, цепочка шлюзов для пропуска судов растянулась бы примерно на 100?км.
Но необходимость пропуска судов назревала — выше по течению начиналось строительство Саяно-Шушенской ГЭС. Гидроагрегаты для нее изготавливались на брегах Невы. Доставка рабочих колес по железной дороге была невозможна — они не вписывались в габариты.
Сборка непосредственно на месте всерьез не рассматривалась — пришлось бы по разовому поводу строить крупное машиностроительное предприятие. Вот при этих обстоятельствах и появился на свет проект единственного пока российского судоподъемника.
Все его зарубежные коллеги имеют одну общую черту. Судовозный кессон может идти вертикально или под уклоном, но от начала и до конца рейса он движется в одном направлении и по прямой. Именно это делает возможным применение всяческих уравновешивающих схем. В случае с КГЭС этому мешал рельеф: поднятое вверх судно затем требовалось повернуть и??спустить на воду под углом к первоначальному пути.
Расширить верхний или нижний бьефы так, чтобы дорога стала прямой, было невозможно?- пришлось бы сносить гору. Транспорт на противовесах повернуть в сторону не может, вот и пришлось прибегнуть к решению, которого во всем мире обычно избегают: возложить всю работу по подъему и спуску на машины.
Получившийся в итоге самоходный «судовоз» не имеет аналогов в мире. Сооружение размером с 5−7-этажный дом заезжает в воду по рельсам, принимает внутрь «пассажира», закрывает камеру и?отправляется в?путь. Подъем крутой, около 10 градусов, поэтому рельсы тут непростые?- с?зацепами сбоку.
Силовая установка гиганта комбинированная?- электромоторы приводят в действие насосы, которые подают рабочую жидкость на 156 гидромоторов, а те крутят каждый свое колесо, и все это сооружение едет вверх с «прогулочной скоростью». Выбор моторов, по словам главного инженера судоподъемника Евгения Головкина, связан с необходимостью периодических погружений — гидромоторам родная стихия не страшна.
Добравшись до верха, исполин должен развернуться. Сам он этого сделать не может. Для этого есть поворотный круг — как в локомотивных депо, но значительно больше. Вид медленно поворачивающегося судовоза впечатляет — знай наших! Остается заключительная часть пути: вниз под таким же углом (камера должна остаться горизонтальной), но теперь кормой вперед.
Вход в воду, открытие ворот — и сухой док на рельсах отправляет баржу на просторы Енисея в сотне метров выше точки старта. В?этот раз, как и много лет назад, на ней прибыли рабочие колеса СШГЭС?- ОАО «Русгидро» продолжает реконструкцию станции после аварии.
Интересуюсь у собеседника, популярно ли это место среди туристов,?- европейские судоподъемники зарабатывают заметную часть денег не на баржах, а на экскурсиях для детишек, сувенирах и т.?п. Увы, ГЭС и ее окрестности — не самое открытое для «посторонних» место. Пожалуй, об этом стоит пожалеть.
Колесо из будущего
- Расположенные в?"колесе" кессоны проворачиваются внутри него так, чтобы всегда оставаться горизонтальными. Благодаря равновесию системы и?малости сил трения для управления процессом достаточно 10 гидромоторчиков мощностью 1,5 кВт.
Чаши с грузом можно уравновесить, и тогда поднимать их будет совсем несложно, но неинтересно. Видимо так подумали инженеры, разрабатывавшие знаменитый судоподъемник в Фалкирке (Шотландия). А вот если вместо рычагов будет футуристический гибрид коромысла с колесом обозрения — и польза, и турист подтянется.
Единственный в России
Единственный в России судоподъемник действует на Красноярской ГСЭ. Богатырская машина, принадлежащая Енисейскому речному пароходству, может принять «на борт» речные суда водоизмещением до?1500 т.
Длина судовозной камеры — 90?м, ширина?- 18, глубина — 2,2. Масса пустой камеры?- 4500 т, заполненной водой — 8500 т.
Рейс машины делится на два этапа: верхний и нижний, в промежутке между которыми судоподъемник разворачивается на поворотном круге. Длина верхнего участка около 30 м, нижнего — до 118 м, уклон в обоих случаях 1:10, то есть на каждые десять метров пути по горизонтали приходится метр вертикального перемещения.
Количество тележек ходовой части — 78, колес и гидромоторов — 156. Ширина рельсовой колеи — 9 м.
Состязание богатырей
Судоподъемник Стрепи-Тьё (Strepy-Thieu), построенный на новом Центральном канале Бельгии в 2002 году, выполняет ту же работу, которую сто лет делали четверо предшественников — каскад 16-метровых шиплифтов, построенных по проекту Э.?Кларка. Разница высот составляет 73,5 м — это делает «бельгийца» самым высоким вертикальным судоподъемником в?мире, но пребывать чемпионом ему осталось недолго. В 2013?году вступит в строй судоподъемник ГЭС «Три ущелья» на реке Янцзы.
Китайский великан?- тоже вертикальный и с?противовесами на тросах?- будет поднимать суда общим водоизмещением до 34?000?т на высоту 113?м. Кто и?когда сможет обогнать Поднебесную?- покажет время.
Патриарх гидротехники
Cathedral of Canals — так называют жители Британии судоподъемник Андертон, и на то есть веские причины. Сооружение, бывшее шедевром инженерной мысли в 1875 году, исправно работает по сию пору. Правда, в?последнее время 15-метровый перепад высот между каналами преодолевают в основном прогулочные суда; перевозка грузов водным путем в сегодняшней Британии — редкость.
Зато туристов становится больше год от года.
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№108, октябрь 2011).
<
h4>