Винты и Арктика. Взгляд изнутри

На днях вышла статья Gleb Klinov про винты на кораблях в Арктике. Вот ссылка. Статья судя по всему многим зашла, вызвала интерес и получила много положительных оценок, поэтому я решил немного поделиться своим опытом работы на танкере ледового класса и объяснить в двух словах, каким образом эти винты приводятся в движение и перемещают углеводородное достояние в страны бездуховного враждебного Запада(недолго осталось) и не менее дружественного Востока. Это мой первый пост, так что не судите строго. Спойлер - это простыня текста и в ней присутствуют несложные термины из электротехники, поэтому будет интересно для людей, которые в теме, для остальных возможно не очень.

Предыстория уже рассказана в вышеуказанной статье, так что остановимся на том, что имеем по факту. Два гребных электродвигателя, они же азиподы, мощностью по 11 МВт. Электростанция из четырех дизель-генераторов суммарной мощностью 32 МВт. Два понижающих трансформатора, два преобразователя частоты.

Дизельная четырехтактная V-образная машина вращает синхронный бесщеточный генератор, который вырабатывает трехфазное напряжение 6600 В. Напряжение подается на высоковольтный ГРЩ, или же комплектное распределительное устройство, КРУ. На берегу напряжение 6,6 кВ классифицируется как среднее, но для моряков такие цифры это уже слишком, поэтому у нас это высокое напряжение. На простых танкерах выше 440 В днем с огнем не сыщешь. Так вот, дальше напряжение идет на два пропульсивных понижающих трансформатора. У трансформатора две вторичных обмотки, каждая выдает 1650 В, но одна из них соединена в звезду, другая в треугольник. Сделано это для компенсации высокочастотных гармоник, которые генерируются при работе преобразователя частоты. А также для обеспечения 12-пульсной схемы выпрямления напряжения в этом самом преобразователе частоты. Такая схема делает выпрямленное напряжение более сглаженным.

Теперь собственно преобразователь частоты, далее ПЧ. Это сердце всей азиподной двигательной установки, без него азипод превращается болванку. ПЧ состоит из следующих секций - выпрямитель, звено постоянного тока, инвертер. По сути все то же самое, что и в простом офисном ИБП, но нет.

Для начала - учитывая мощности (11 МВт), тепла тут рассеивается очень много, поэтому все силовые элементы охлаждаются водой. Есть отдельная насосная секция, прокачивающая воду по всему ПЧ. Диоды и тиристоры установлены в индивидуальных радиаторах, к которым подведены трубки с водой. Используется деионизированная вода с пониженной электропроводностью, чтобы "как бы чего не вышло". Сантехника она такая, никогда не знаешь, где чего протечет.

В общем, работа ПЧ по принципу инвертера напряжения - штука сложная, но довольно изученная, спецы и так понимают, те кто захочет узнать - материалов в сети достаточно, здесь не буду подробно расписывать. Из особенностей - в инверторе в качестве силовых тиристоров используются IGCT, Integrated Gate Commutated Thyristor. Как я понял, это запатентованная ABB технология, такой тиристор вмонтированный в огромную плату с кучей мелких конденсаторов и каких-то чипов. Может включаться и выключаться по управляющему сигналу, имеет очень хорошее быстродействие и генерирует мало высокочастотных помех.

Далее, инвертируемое напряжение с ПЧ идет на азипод. Азипод это трудяга, ему достаются все прелести ледового плавания. Внутри азипода - синхронный электродвигатель с независимым бесщеточным возбуждением. В качестве возбудителя используется асинхронная машина. Да, соответственно у ПЧ есть отдельная секция, которая управляет током возбуждения. Как и зачем - об этом чуть ниже. Переменное трехфазное напряжение с возбудителя идет на вращающийся диодный выпрямитель, а после него непосредственно на 12 полюсов обмотки возбуждения электродвигателя.

Кроме силовой части, которую я описал, есть система управления азиподами. Для штурмана на мостике она выглядит просто как рукоятка, которую можно двигать вперед и назад. А по сути это закольцованная локальная оптоволоконная сеть, с пропульсивным контроллером во главе. В этом контроллере зашиты все настройки, которые определяют, как будет себя вести азипод при соответствующем задании на рукоятке. Это пожалуй мозг двигательной установки. Например, в первую зиму после приемки судна, азиподы могли в самый неожиданный момент сбросить мощность до ограничения в 50 % от номинальной, потому что контроллер решил, что азипод немного превысил момент на валу и ему надо отдохнуть. ABB родило из своих недр новую прошивку, и курорт для азиподов закончился, теперь азиподы могут кратковременно работать с превышением номинального момента до 180 %.

Вообще есть два основных режима работы, Constant Speed и Constant Power. Первый практически не используется, работаем всегда на втором. Он означает, что азипод всегда потребляет одну и ту же мощность (соответствующую положению рукоятки "газа"). Выглядит это так - когда пробиваемся через льды, под винт попадают льдины разных калибров. Соответственно скачком возрастает нагрузка на валу электродвигателя. Синхронный двигатель без системы управления обладает жесткой внешней характеристикой и при возрастании нагрузки будет стараться поддержать неизменной частоту вращения. А так как мощность - это произведение частоты вращения на момент нагрузки, то соответственно у нас скачком возрастет потребление электрической мощности на дизель-генераторе, что не есть хорошо и вообще может закончиться блэкаутом. Система управления видит, что нагрузка начинает возрастать, и дает команду ПЧ. Тот начинает дирижировать частотой, углами открытия тиристоров, уменьшая частоту вращения, уменьшая напряжение, увеличивая ток возбуждения. Азипод может снижать частоту вращения до 6 оборотов в минуту при 100% мощности и при 180% момента. При этом электростанция в лице дизель-генераторов даже и не догадывается, что азипод там пыхтит из последних сил, пытаясь размолоть ледяную глыбу.

Еще надо упомянуть про механизм поворота гондолы азипода. Азипод может крутиться на 360 градусов. Электроэнергия передается внутрь передаются через систему контактных колец и щеток. Да-да, на дворе 21 век,но беспроводного способа передать 11 МВт пока еще не придумали, поэтому кольца и щетки - наше все. Справедливости ради, пока на данный момент особых проблем не доставляет. А сама гондола поворачивается с помощью гидравлики - это делают четыре гидромотора. Они испытывают не меньшие нагрузки ,чем винт, им достается по самое некуда. Бывают случаи, когда между гондолой и корпусом судна застревает огромная глыба льда, которая препятствует повороту гондолы. Соответственно срабатывает защита от перегрузки, судно останавливается, и начинаются танцы с бубном. Азиподы поворачивают буквально по чуть-чуть в разные стороны, при этом активно работая винтами, пытаясь размыть лед. Как правило помогает.

А внутри самого азипода тоже не только одно электричество. Там куча гидравлических труб, соленоидных клапанов, несколько насосов и т.д. Есть две масляные системы - для смазки подшипников и для уплотнения вала. Уплотнение вала - история отдельная, нужно сделать так, чтобы ни масло не попало в забортную воду, ни забортная вода внутрь азипода. Задача очень сложная. На валу пять уплотнительных колец, образующих четыре камеры, к которым подводятся воздух и масло под разными давлениями. После нескольких лет работы во льдах все эти уплотнения превращаются в мочалку, поэтому возможны различные комбинации - масло в забортной воде, забортная вода в азиподе, забортная вода в масле для подшипников. Ни один из этих вариантов неприемлем, поэтому раз в пять лет (по факту чуть меньше) судно должно становиться в сухой док, где в том числе проводятся работы на азиподах.

Вообще с точки зрения техобслуживания азипод - это адовый ад. Если у тебя клаустрофобия, то делать там нечего. Если у тебя избыточный вес или рост выше среднего - тоже не повезло. Даже я, при моих 170 см и 60 кг, каждый раз, когда залезаю в азипод провести какой-либо мэйнтенанс, проклинаю все ABB в целом и проектировщиков этого типа гондол в частности. Такое впечатление, что проектировали какие-то вредители - все сделано так, чтобы максимально усложнить задачу. Для откручивания или закручивания шести болтов с фланца электродвигателя может уйти час. А еще очень удобно наощупь одной рукой заводить провода в клеммник.

Справедливости ради - большую часть плановых работ ABB берет на себя, на долю экипажа остается внеплановый экстренный ремонт. Хотя теперь наверное правильно говорить в прошедшем времени. Про сотрудничество с АBB придется забыть. Азиподы на судах ледового класса - лишь часть их применения. Азиподы широко применяются на пассажирских лайнерах, где важна маневренность и отсутствие низкочастотных вибраций от двухтактного дизеля. Вроде бы еще их ставят на военные корабли, но это не точно. В общем, азиподный департамент ABB без нас проживет, а вот что будет происходить у нас на Северном Морском Пути - вопрос открытый.

Ну и немного про плавание в Арктике. У нас танкер ледового класса, от простых судов торгового флота нас отличает не только наличие азиподов, но и форма корпуса. У нас нет бульбы (это я не перешел на белорусский язык, так называется характерный выступ в нижней части носа судна), наш корпус широкий и с плоским дном. Такая форма плоскодонки дает преимущество при ломании льда, но зато в штормовую погоду качка здесь ощущается в два раза сильнее, чем на простых судах. Риск внепланово расстаться с недавно съеденным обедом велик даже при небольшом волнении на море, а при волнах помощнее начинаются полтергейсты - все, что плохо закреплено или не убрано, будет летать по помещению.

Во льдах мы стараемся идти преимущественно носом вперед. Ход кормой вперед это что-то вроде блокировки дифференциалов у внедорожника - проходимость повышается заметно, но это вредно для механизмов. Во первых нагрузки на азипод - при ходе носом перегрузки по моменту обычно 120-140 %, не больше, потому что большая часть крупных льдин уже переломана корпусом. При ходе кормой перегрузка в 180% - это уже реальность. нагрузки на корпус судна тоже увеличиваются, ну и плюс вибрации. Они и при ходе носом немаленькие, а когда кормой идешь,то это вообще сплошной вибромассаж. Например, если сидишь за компом и хочешь что-то почитать на мониторе, то монитор надо держать рукой, чтобы не дрожал, иначе не сфокусироваться. Фитнес-браслеты показывают 30-40 минут времени чистого сна из 6-7 часов лежания под одеялом с закрытыми глазами.

Если застреваем, то сдаем назад по своей же колее, пытаемся взять торос ходом. Если несколько попыток не увенчались успехом, то делаем разворот в три приема и дальше двигаем кормой. Бывали случаи, когда застревали конкретно, так, что даже и назад не сдать. Тогда начинаем перекачивать балласт между балластными танками, меняя центр тяжести танкера. Обычно помогает. Но если и это не помогло, тогда остается одно - звать на помощь серьезных дядек из Атомфлота. В зимнюю навигацию несколько атомных ледоколов дежурят на проблемных участках. Как говорится, чем круче джип, тем дальше идти за трактором. Вообще ледоколы обычно стараются работать превентивно, прокладывая каналы. Но судов много, Арктика большая, поэтому случается всякое.

На мелководных участках особая задница получается, потому что танкеры ходят примерно по одним и тем же маршрутам, и за время зимней навигации весь этот лед наломанный превращается в сплошную ледяную массу до самого дна. Т.е. судно по факту идет не в воде, а в ледяной каше. В этой каше могут образовываться мини-айсберги, лежащие на дне. Если наезжаешь на такой, то удар чувствуется (и слышится) по всему судну. Естественно это не проходит бесследно для корпуса, очень много повреждений. Кстати, один из основных негативных факторов - это как ни странно, не толщина льда, а ветер и течения. Потому что из-за них происходит сжатие. Один раз из-за штормового ветра мы просто стояли на одном месте и дрейфовали вместе с ледяным полем. Даже у атомного ледокола не хватило мощности пробиться по этому льду, именно из-за сжатия.

Лед в этих краях начинает образовываться в ноябре, в декабре он уже становится ощутимым. Также в декабре начинается полярная ночь и морозы могут достигать более 40 градусов. К февралю-марту морозы ослабевают (до минус 20 в среднем), но ледовый покров достигает своего пика и держится в таком состоянии до мая. А там как повезет. В некоторые года еще и в июне долбишься в ледяные торосы на 100% мощности. А например в этом году уже в конце мая ледяной покров сошел на нет.

Вообще работа на танкере ледового класса в Арктике имеет ряд своих преимуществ по сравнению с простыми танкерами. Но Арктика зимой с морозами, с вечной тьмой, с грохотом и вибрацией, из-за которых ты вообще не можешь спать - это явно не самое лучшее место для человеческого существа. Настоящее испытание для психики, но это уже совсем другая история.