Гидродинамические преимущества гребных колес общеизвестны. Они объясняются тем, что чем больше гидравлическое сечение и чем меньше приращение скорости воды, проходящей через движитель, тем меньше потери и тем выше его эффективность. По данным натурных испытаний, приведенных в книге М.Я. Алферьева "Судовые движители", изд. "Водный транспорт" 1938 год, стр.497, удельный упор при снижении скорости буксировки (при возрастании сопротивления движению) увеличивается примерно в два раза. Несмотря на такие уникальные свойства, гребные колеса практически вышли из применения в 50-е годы ХХ столетия. Причиной этому был ряд недостатков, приписываемых колесному движителю:

Громоздкие размеры гребных колес и обносов;

Уязвимая конструкция и дорогостоящий ремонт гребных колес с поворотными плицами;

Недостаточная управляемость колесного судна в качестве толкача;

Отрицательное влияние изменения осадки и крена судна на работу колесного движителя;

Низкая и почти одинаковая в тот период стоимость дизельного топлива и мазута, что делало паровую машину неконкурентоспособной в сравнении с ДВС;

Отсутствие простой, надежной и экономичной передачи мощности от дизеля к гребному колесу;

Увеличение предельной осадки судов в связи с созданием водохранилищ, при которой гребной винт может быть не менее эффективен, чем гребное колесо.

Из перечисленных к действительным можно отнести только первый недостаток (а правильнее сказать особенность, из которой вытекают гидродинамические преимущества). Остальные недостатки связаны с общепроектными и конструкторскими недоработками, конъюнктурными условиями. По поводу радиальных гребных колес, которые могут иметь более прочную конструкцию, Алферьев М.Я. прозорливо заметил: "Гребные колеса с радиальными, неподвижно закрепленными лопастями, почти вовсе вытесненные в настоящее время колесами с поворотными лопастями, в будущем, возможно, снова найдут применение на судах. Как правило, они для практических величин скольжения имеют более низкий коэффициент полезного действия, чем колеса с поворотными лопастями, но зато они могут создавать более высокое упорное давление. Это хорошо можно видеть из диаграммы на фиг. 288 испытания колеса с поворотными и радиальными лопастями". В 1990 году под Томском был построен спроектированный в Новосибирске заднеколесный толкач пр. 81470 мощностью 150 л. с. Форма и конструкция т. н. шевронного колеса отрабатывалась в опытовом бассейне Новосибирского водного института. Полученные на сдаточных испытаниях удельные тяговые характеристики были вполне на уровне: в швартовном режиме 21, 3 кг/л. с. Но прочность ДРК и управляемость судна были недостаточны. Одноступенчатая механическая передача мощности от дизеля к гребному колесу не обеспечивала судну малого хода. Переоблегченная конструкция гребных колес и обносной рамы была причиной частых аварий, и все шесть построенных толкачей этого проекта выведены из эксплуатации. Корабельный архитектор и конструктор Фальмонов Е.В. предложил техническое решение двигательно-рулевого комплекса судна - "колесный ДРК" (сокращенно КДРК) - с использованием пары радиальных гребных колес. Сочетание двух известных признаков: винтовой формы плиц и раздельно управляемого привода гребных колес при их установке в оконечности судна дало новое качество. Судно получило в дополнение к высоким тяговым характеристикам высокую маневренность и управляемость, прочность и надежность ДРК, обеспечивающую работу на предельном мелководье, в ледовой обстановке.

Колёсный ДРК содержит устройство для регулирования заглубления гребных колёс, выполненное в виде рамы, шарнирно закрепленной на транце судна, с приводом её подъёма - опускания. При использовании КДРК на буксирах - толкачах для повышения его пропульсивных качеств, рама гребных колес может быть оборудована волновыпрямителем с устройством регулирования угла атаки крыла и поднятия его над уровнем воды.

Для повышения эффективности работы в случае применения КДРК на пассажирских судах, форма гребных колёс может быть выполнена в виде усеченных конусов с наружным ободом меньшего диаметра, чем обод внутренний (ближний к ДП судна). При этом плица имеет аксиально-винтовую форму с оптимальным углом входа кромки в воду у наружного обода колеса и оптимальным углом выхода кромки плицы из воды у внутреннего обода колеса (для расчётной скорости хода судна).

Для использования в особо тяжёлых условиях (например, для судов ледового класса) гребные колёса выполняются в виде объёмной конструкции с внутренним набором из высокопрочных материалов.

Из практики известно, что удельные тяговые характеристики гребных колёс при возрастании сопротивления движению увеличиваются в 1,5-2 раза. При одинаковой мощности судно с колёсным ДРК будет быстрее набирать и гасить скорость в сравнении с судном, имеющим винтовой или водомётный ДРК. Разворот плиц относительно оси колёс, кроме обеспечения управляемости, способствует повышению пропульсивного КПД ДРК и получению высоких тяговых характеристик за счёт подгребания воды с бортов и обжатия струи. Для уменьшения потерь и повышения скорости отбрасываемой струи (а значит и скорости судна) колёса ДРК выполняются в виде усечённого конуса.

Частицы воды, захваченные плицей, в момент гребка перемещаются вдоль её поверхности от борта к ДП судна и получают ускорение т.к. диаметр гребного колеса, а значит и окружная скорость плиц возрастает от борта к ДП. Возросшая скорость отбрасываемой струи снижает образование водяного вала за колесом, подъём воды плицами. Этому также способствует аксиально-винтовая форма плиц.

На всех режимах движения судна обеспечивается максимальный КПД ДРК за счет оптимальной величины заглубления гребных колес, регулируемой приводом подъёма-опускания рамы. При создании заднеколесного буксира-толкача может быть использован волновыпрямитель, который обеспечит повышение буксировочного коэффициента до 25%. ("Судовые движители", М.Я. Алферьев, стр.526).

Отсутствие уязвимых элементов - поворотных плиц, перьев рулей - обеспечивают колёсному ДРК повышенную надежность на предельном мелководье, вплоть до использования его в качестве грунтозацепов путем опускания на дно, например, при посадке на мель. Конструкция колесного ДРК может быть выполнена настолько прочной, что сможет использоваться в качестве ледоразрушающего устройства. Для этого гребные колеса, симметричные относительно ДП судна и имеющие раздельный привод, изготавливаются в виде косозубой фрезы с жесткими объемными плицами из прочной стали достаточной толщины, с внутренними ребрами жесткости. Оболочечная конструкция обеспечивает колесу высокую прочность и жесткость и приемлемые весовые характеристики (практически одинаковые по весу с колесами с поворотными стальными плицами). Следует отметить, что эффективность при движении во льду колёсами вперед для данного судна будет выше, так как при этом будут наблюдаться следующие положительные эффекты:

· Колесо, работающее у кромки льда, создаёт под ней разрежение, способствующее обламыванию кусков льда при ударе по кромке плицей.

· Лёд будет разрушаться в основном путём деформации среза, а не изгиба (колесо по форме - фреза), благодаря чему энергозатраты на разрушение льда снизятся, т.к. прочность льда на срез в 5 раз ниже, чем на изгиб.

· Куски льда притапливаются плицей и боковой составляющей упора вместе с большой массой воды отбрасываются в сторону от канала под кромку льда.

· Судно движется в чистом канале; сопротивление трения о лед, составляющее до 15% ледового сопротивления ледоколов традиционной конструкции, практически отсутствует.

· При движении в тяжёлом льду от ударов колёс о лёд появится вибрация оконечности, что приведёт к падению сопротивления трения штевня о лёд. При выходе на чистую воду вибрация автоматически исчезнет.

· В отличие от традиционных ледоколов, подминающих лед, судно может преодолевать ледяные заторы на реках, управляться в битом и сплошном льду, двигаться носом и кормой вперед, не опасаясь за поломку ДРК.

Если для винтового и водомётного движителя взаимодействие со льдом и шугой приводит к ухудшению условий их работы и снижению тяговых характеристик, то для колёсного ДРК это взаимодействие даёт уменьшение скольжения, а следовательно повышение КПД движителя. Ледокольное судно, оборудованное колёсным ДРК, может разрушать лёд и управляться, двигаясь вперёд носом и кормой, разворачиваться во льду на месте, имея осадку около 20% диаметра гребного колеса. Надежность ДРК обеспечивается тем, что гребные колеса при ударе о препятствие (кромку ледяного поля, мель) выкатываются на него и гасят энергию удара, не допуская разрушающих напряжений в конструкции. Наличие активного ледоразрушающего устройства делает инерционные и формообразующие характеристики корпуса судна второстепенными. Ожидается, что ледокол с колёсным ДРК одинаковой ледопроходимости с традиционным ледоколом будет иметь меньшие в 1,5-2 раза мощность и водоизмещение. Это означает, что строительная стоимость и эксплуатационные расходы уменьшатся, примерно, вдвое.

Колесный движитель обладает замечательным качеством: при возрастании сопротивления движению и при падении скорости резко увеличивается удельный упор, приходящийся на единицу мощности. Характер зависимости относительного тягового усилия Z кг/лс от скорости движения судна (состава) V км/ч показан для гребного колеса, винта и водомета на графике.

В режиме маневра, возросшего сопротивления движению (встречный ветер, мелководье), в режиме торможения, колесное судно имеет несомненные преимущества перед винтовым.

Конструкция колёсного ДРК обеспечивает изменение величины и направления вектора тяги путём изменения соотношения числа оборотов и направления вращения гребных колёс. Как видно на приведенной ниже схеме управляемости, максимальный момент, разворачивающий судно, может быть достигнут при вращении гребных колёс на максимальных оборотах в противоположном направлении. С увеличением длины судна (состава) пропорционально возрастает и момент. Управляемость судна на переднем и заднем ходу будет идентична.

Гребные колеса КДРК имеют прочную сварную конструкцию, могут изготавливаться в цехе и в готовом виде устанавливаться на судно. Требования к точности изготовления не превосходят существующие в судостроительной промышленности. В последние годы разработаны несколько проектов небольших судов с подобными колёсами. По массе эти колёса могут быть меньше, чем колёса с поворотными плицами тех же размеров, если не требуется ледовый класс. Конструкция технологична в изготовлении и надёжна в эксплуатации. Колёсный ДРК, в отличие от винтового, допускает осмотр и ремонт без докования судна. Кроме технических преимуществ колёсный ДРК будет иметь и экологические, оказывая щадящее воздействие на флору и фауну акватории, т.к. добавленные скорости частиц воды, проходящих через гребные колёса на порядок ниже, чем в винте. Малая осадка и способность самостоятельного снятия с мели судов с КДРК снижают требования к объёму дноуглубительных работ.

Колесный движитель и схема управления накладывают специфические требования к энергетической установке и приводу гребных колес.

Для малых судов наиболее простой и дешевой является цепная передача крутящего момента от ведущих звездочек правого и левого борта энергетической установки, роль которой может выполнять установленный на фундаменте гусеничный трактор со снятыми гусеницами.

Наиболее подходящей по весовым и гидромеханическим свойствам для привода гребных колес можно считать гидравлическую передачу с использованием высокомоментных гидромоторов, которая безболезненно переносит ударные нагрузки, обеспечивает максимальный крутящий момент, начиная с нуля оборотов колес. Недостаток данной передачи - более высокая стоимость.

Современный уровень развития техники, в частности аппаратуры гидравлики и гидравлических приводов позволяет создать симбиоз паровой поршневой машины и гидравлического привода.

Объемная гидропередача с паровым гидронасосом позволит использовать паровые котлы, работающие на любом виде топлива. При нынешнем соотношении цен на мазут и дизельное топливо 1/3, паровая машина уже не проигрывает дизелю по экономичности. А если учесть больший моторесурс, пониженные шум и вибрацию, попутное решение вопросов отопления и горячего водоснабжения, возможность форсирования мощности в 1,5-2 раза, то паровая машина вновь становится привлекательной.

Заключение