Лифт для корабля: как работают судоподъёмники

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 вв.еков 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.

Чаши с грузом можно уравновесить рычагами и тогда поднимать-опускать их будет совсем несложно. Но неинтересно. Видимо так подумали инженеры, разрабатывавшие знаменитый судоподъемник в Фалкирке (Шотландия). А вот если вместо рычагов будет гибрид коромысла с колесом обозрения — и грузу польза, и турист подтянется. Расположенные в «колесе» кессоны проворачиваются внутри него так, чтобы всегда оставаться горизонтальными. Равновесие системы и малость сил трения делают достаточными для управления процессом десять гидромоторчиков мощностью 1.5 кВт.

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.

Судоподъемник в Фокстоне (Англия, 1900 год), включал в себя две судовозные платформы, уравновешивающие друг друга посредством тросов и двигавшиеся по рельсам. Судно располагалось поперек направлению перевозки. Система работала около десяти лет, после чего не выдержала конкуренции. От тех времен сохранились только канавы в земле — все железо отправилось на переплавку в 1920-х.

Сейчас непросто сказать, кто был «первым после Архимеда», поскольку на волне строительства каналов в  центре тогдашней гидротехники - Англии XVIII—XIX вв.еков — было построено множество сходных конструкций, многие из которых не дошли до нас.

Технологии

На чем будут летать наши дети

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.

Судоходный акведук Понткисиллте (Уэльс, 1795−1805) — одно из чудес инженерной мысли XVIII столетия. Сооружение соединяет каналы на берегах реки Ди. Девятнадцать пролетов несут на себе судоходный желоб длиной 313 и шириной 3.6 метра. Двигаясь по нему путешественники не выходя из своих лодок оказываются на высоте 38 метров, правда не над землей, а над другой водой.

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.

Судоподъемник Стрепи-Тьё (Strépy-Thieu), построенный на новом Центральном канале Бельгии в 2002 году, фактически выполняет ту же работу, которую сотню лет делали четверо предшественников — каскад 16-метровых шиплифтов, построенных по проекту Э.Кларка. Разница высот составляет 73.5 метра — это делает бельгийца самым высоким вертикальным судоподъемником в мире, но пребывать чемпионом ему осталось недолго. В 2013 году должен вступить 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 тысяч тонн на высоту 113 метров. Кто и когда сможет обогнать Поднебесную — покажет время.

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.

Схема судоподъемнику Андертон.

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.

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.

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.