СИСТЕМА ПАРУСОВ СУДНА И СПОСОБЫ ЕЕ УСТАНОВКИ
SAILS SYSTEM AND METHODS OF ITS INSTALLATION

Изобретение относится к отрасли судостроения, а именно к судам, оснащенным парусами.
Известны современные паруса для суден, в т.ч. косой оснастки, которые имеют преимущества перед прямыми на острых курсах (См. статью: И.Перестюк. Паруса атомного века / катера и яхты №1, 1983. С.22).
Недостатками данной системы являются:
1) потребность установки мачт с парусами на палубе судна, которые мешают размещению на нем грузов, например контейнеров;
2) потребность в значительной парусности для крупнотоннажных судов, что ведет к использованию большого количества слишком высоких сильно нагруженных мачт и фактически ограничивает водоизмещение суден, оснащаемых парусами, до 10 тыс. тонн;
3) сложная система такелажа для крепления и развертывания парусов;
4) потребность в большом количестве экипажа для управления парусами;
5) значительный крен и качка при сильных порывах ветра;
6) большая зависимость от штормовой обстановки;
7) сложность маневрирования в узких местах плавания, особенно в каналах (поэтому введение в эксплуатацию Суэцкого канала в конце XIX в. привело к окончательному отказу от парусного флота в пользу парового).
Известна также система парусов SkySails, которая имеет размещенный в носовой части корпуса судна подъемный парус типа крыла, который вводят во взаимодействие с ветром системой начального подъема, и дальше парус двигается ветром в воздухе и тянет за собой судно через связанный с ним и с корпусом судна буксирный канат с лебедкой и силовой передаточной установкой. Система также имеет блок управления парусом и размещенную в рулевой рубке систему контроля за его движением (Internet: www.skysails.de. E-Mail: contact@skysails.de).
Недостатками данной системы являются:
1) потребность постоянного управления парусом и его относительная сложность;
2) потребность в специальных устройствах для слежения за парусом;
3) ограничение тягового усилия, которое зависит не только от силы ветра, но и от размеров паруса, рост которых ухудшает условия его управления, потому в реальных условиях их тяга достигает 15-20% от требуемой для движения судна;
4) относительно высокая сложность и стоимость системы. Задачей данной заявки на изобретение является создание более простой и дешевой системы бортовых подъемных парусов, которые размещены на периферии по бортам корпуса судна, потому не препятствуют возможности использования палубы для перевозки грузов. Ограничение высоты парусов высотой установленных на палубе судна грузов, например контейнеров, и симметричная установка парусов на двух бортах корпуса уменьшают его кренование, поскольку созданная ими парусность не превышает парусности, созданной грузами или контейнерами.
Решение данной задачи достигается тем, что в предложенной системе подъемные паруса установлены на судне по периферии с правого и левого бортов его корпуса с возможностью их подъема и поворота в рабочее положение вытяжными и растяжными канатами, концы которых связаны с приводными лебедками, для чего паруса закреплены своими верхушками на вытяжных канатах правого и левого бортов, а своей нижней частью паруса закреплены на поворотных реях, связанных с растяжными канатами. При этом для подъема вытяжных канатов на судне установлены стойки. Подъем вытяжных канатов может выполняться подъемными кранами, а движение вытяжных канатов - брашпилем и лебедками, которые уже установлены на судне. Паруса могут скручиваться в защитные футляры, установленные на поворотных реях, с помощью спиральных пружин, один конец которых закреплен на рее, а второй - на корпусе судна или на коробке, закрепленной на корпусе судна, куда введена эта пружина. Для отвода воздушного потока, обтекающего судно и его груз, с их стороны на парусах выполнены окна.
Предложенные технические решения показаны на чертежах.
На фиг.1 показана предложенная система подъемных парусов, они установлены по периферии с правого и левого бортов корпуса 1 судна, имеющего палубу 2 и рулевую рубку 3. В носовой части судна и у его рубки установлены лебедки 4 для подъема вытяжного каната 5, который для устранения его перегиба введен в радиусные направляющие элементы 6, один из которых закреплен на главной опорной стойке 7, которая закреплена на рубке 3, а второй закреплен на вспомогательной стойке 8, которая закреплена на отбойнике волн 9. Вытяжной канат 5 удерживает вершины парусов 10 элементами их крепления 11. Лебедки 4 двигают вытяжной канат 5 в направляющих элементах 6 к верху стоек 7 и 8, а он поднимает за собой паруса 10. Судно может иметь установленные на нем подъемные краны 12.
Своими нижними частями паруса 10 закреплены на поворотных реях 13, которые одной своей стороной закреплены на боковых стенках 14 правого или левого бортов корпуса судна, а второй стороной эти реи закреплены элементами крепления 15 на растяжных канатах 16 для поворота в рабочее положение парусов с приводом этих канатов от растяжных лебедок 17. Для рей, которые имеют возможность вращения вдоль своей оси, элементы крепления 15 выполнены как независимые поворотные шарниры.
Вместо растяжных лебедок могут быть использованы брашпиль судна или его лебедки, служащие для вытягивания швартовых канатов, с турачками или консольными барабанами, установленными на валу лебедки. При этом растяжной канат соединен в кольцо и с помощью роликов или иных направляющих элементов подведен к брашпилю или к лебедке и навит на них в одну или в несколько петель.
На фиг.2 показаны в увеличенном виде элементы крепления 11, которые установлены на вытяжном канате 5 для соединения вершин парусов 10 с их боковыми канатами 18, которые также повышают прочность парусов.
На фиг.3 показаны в увеличенном виде элементы поворотной реи 13, которая для скручивания закрепленного на ней паруса 10 имеет возможность вращения вдоль своей оси, для чего рея установлена на боковых стенках 14 с правого или левого борта корпуса судна и имеет поворотный шарнир 19 с крестовиной, который со стороны его полуоси 20 соединен со спиральной пружиной 21, имеющей возможность скручивания или раскручивания, а второй конец этой пружины закреплен, или на стенке 14 корпуса судна, или в закрепленной на ней коробке 22, которая имеет функции защиты пружины от внешнего воздействия.
Для защиты скрученного паруса на рею 13 свободно надет футляр 23, который имеет полость для размещения в нем скрученного паруса 10, щель для его введения и отверстия для отвода попавшей в футляр воды, а внешний торец футляра жестко связан закрепленным на нем ушком 24 и элементом крепления 25 с растяжным канатом 16. Для отвода потока воздуха, который огибает корпус судна с размещенным на нем грузом, паруса имеют окно 26, размеры которого соответствуют этому потоку.
Для уменьшения давления на реи и элементы ее крепления паруса могут быть выполнены треугольными и/или трапецеидальными с сужением их к верху, а для увеличения их жесткости они могут иметь двойные стенки и полости между ними для заполнения их воздушным потоком.
Для подъема вытяжных канатов 5 могут быть использованы подъемные краны 12, которые уже установлены на судне, а концы вытяжных канатов 5 имеют петли для надевания их на крюки этих кранов.
Для подъема одинаковых концов парных вытяжных канатов 5 сразу с двух бортов корпуса судна одним подъемным краном они могут иметь промежуточные балки или рамы, которые имеют вылет от одного до второго борта корпуса судна.
Предложенные системы парусов и их конструкции реализуют способ их установки в рабочее положение, в котором подъем парусов 10 выполняют вытяжными канатами 5, на которых паруса закреплены своими вершинами, а противоположные концы этих канатов с обеих сторон вытягивают лебедками 4 с проходом конечностей этих канатов через направляющие элементы 6, которые закреплены на стойках 7 и 8, размещенных у рулевой рубки 3 и в носовой части судна, а для поворота рей 13, на которых паруса закреплены своей нижней частью, их двигают связанными с реями растяжными канатами 16 с помощью растяжных лебедок 17.
Подъем парусов 10 может быть выполнен подъемными кранами 12, уже установленными на судне, а для исключения самовольного раскачивания спущенных крюков кранов во время крепления на них концов вытяжного каната 5 эти действия выполняют после погрузки судна во время его стоянки у причала, или до его выхода из зоны защиты от действия волн припортовыми заграждениями, или до выхода судна из бухты, или при его движении на спокойной воде, или в других случаях при отсутствии качки судна и крюков кранов ветром и волнами, а поворот рей 13 с парусами 10 выполняют растяжными канатами 16 после выхода судна в зону действия ветров.
Для исключения коррозии элементов системы парусов они могут быть изготовлены из прочных пластмасс.
Возможно также использование всех предложенных систем парусов и способов их установки в рабочее положение в комбинации с системой SkySails.
Совокупность всех приведенных признаков систем парусов судна и способов их установки в рабочее положение является техническими решениями, которые связаны между собой и логически вытекают из одного варианта выполнения в другой, потому могут быть представлены в одной заявке на предлагаемое изобретение. Они являются новыми относительно известного уровня техники и являются неочевидными техническими решениями, поскольку не вытекают из этого уровня автоматически. Они имеют возможность промышленной реализации и использования, потому в совокупности отвечают всем требованиям для признания данной заявки изобретением.
Пример практической реализации предложенных технических решений рассмотрен для судна "Annabelle Schulte" типа "Heavy Lift", которое имеет длину 210 м, водоизмещение 29093 т и обеспечивает перевозку 2800 контейнеров двадцатифутового эквивалента с установкой их на палубе - в 7 ярусов у рулевой рубки и в 5 ярусов около отбойника волн. Судно оснащено четырьмя подъемными кранами по 45 т (см. фиг.1). Мощность главного двигателя 24830 кВт с удельным расходом топлива 0,178 кг/кВт·час, что обеспечивает исходную скорость 22 узла.
max
min
При высоте контейнера 2,44 м (8 футов) высота штабелей будет составлять соответственно H=7×2,44=17 (м), Н=5×2,44=12 (м), потому высота подъема кранами вытяжного каната с парусами может составлять 17 м.
2
2
При длине поворотных рей 3 м треугольная форма парусов с окном для отвода воздуха, что обтекает судно, в 1,5 м, имеет размеры 8,5×1,5 м и площадь 6,375 м. Расстояние между такими парусами, которое не уменьшает эффективную силу действия ветра на следующий за ним парус, будет составлять 1 м. Тогда на эффективной длине борта судна 140 м можно установить 140 таких парусов, что создаст их суммарную площадь 892,5 м.
Поскольку напор потока ветра пропорционально зависит от его скорости v, то при попутном ветре на каждый 1 м/с скорости он составляет величину:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mi>g</mi><mi>Σ</mi><mi>S</mi><mi>ν</mi></mrow><mrow><mn>1000</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>⋅</mo><mn>9.8</mn><mo>⋅</mo><mn>892,5</mn><mo>⋅</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mn>1000</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>8,75</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>к</mi><mi>H</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В таком случае, при скорости ветра в 9 м/с на каждый борт получим тягу Т=2×8,75=78,75 кН, а для 2-х бортов судна 2T=157,5 кН.
При увеличении скорости ветра до 18 м/с получим тягу Т=315 кН, что соизмеримо с тягой и режимами работы систем "SkySails", данные о которых приведены в таблице. Грузоподъемность кранов по 45 т достаточна для удержания этих парусов, поскольку на них действует нагрузка, равная по величине этой тяге.
Таблица - Технико-экономические показатели системы "SkySails"
Показатель
SKS-C-160
SKS-C-320
SKS-C-640
Длина судна, м
88
133
160
Мощность главного двигателя, кВт.
1520
3840
6800
Тяга паруса, кН.
78,4
156,8
313,6
Годовая экономия топлива при 210 суточной работе судна в море, €.
267290
221445
459440
Стоимость проекта и оборудования, €.
420000
750000
1100000
Стоимость установки системы на судне, €.
45000
55000
65000
Стоимость обслуживания и ремонта за год,€.
45000
65000
175000
Прибыль за год, €.
222290
156445
284440
Среднегодовая экономия, %.
29
19
18
Срок окупаемости, годы.
1,9
4,8
3,9
При стоимости 1-го предложенного парусного модуля около 1000 €, расходах на проектирование системы 50000 € и расходах на их установку на судне в 70000 € дополнительные капитальные вложения будут составлять:
д
К=50000+(1000×140×2)+70000=400000 (€).
Главными преимуществами предложенных систем парусов и способов их установки в рабочее положение, по сравнению с известными, в т.ч. - с системой "SkySails", являются упрощение их производства и обслуживания, которые значительно уменьшают соответствующие статьи расходов в любом из приведенных в таблице вариантов, из которых минимальные расходы составляют 510000 €, а максимальные - 1340000 €. При этом годовая экономия топлива и прибыль от нее за год, в одинаковых условиях получения тяги по базовому и новому вариантам, также будут в пределах, приведенных в таблице: минимальная прибыль 156445 €, максимальная 284440 €. Доля среднегодовой экономии в процентах растет для суден меньших размеров и мощностей главного двигателя, потому они будут иметь преимущества.
Поскольку все предложенные системы парусов не имеют сложных элементов, потому возможное их быстрое проектирование и промышленное изготовление.
Таким образом, предложенные конструкции парусов и системы их подъема и поворота являются работоспособными, относительно простыми и надежными в работе.
В настоящее время ведется подготовка для производства таких систем в ОАО Херсонский судоремонтный завод имени М.В.Куйбишева, Украина.