Азиподы: Электрические подруливающие устройства нового поколения.

Введение

Электрический азимутальный движитель

Azipod – это зарегистрированный торговый знак азимутального движителя, представляющего собой морской движительный комплекс, состоящий из винта с фиксированным шагом, установленного на поворотной гондоле ("под"), содержащей электродвигатель, приводящий винт в движение, что обеспечивает повышенную маневренность судна. Он был разработан в Финляндии в конце 1980-х годов совместно компаниями Wärtsilä Marine, Strömberg и Финским национальным морским управлением. Хотя "Azipod" является зарегистрированным товарным знаком, его иногда используют как общее название для движителей в поворотной гондоле, производимых другими компаниями.

Концепция

В обычных азимутных движителях, таких как движители типа Z и L, винт приводится в движение электродвигателем или дизельным двигателем внутри корпуса судна. Пропеллер соединен с главным двигателем валами и коническими зубчатыми передачами, которые обеспечивают вращение пропеллера вокруг вертикальной оси. Этот тип движительной установки имеет давнюю историю, начиная с 1990-х годов, и в настоящее время такие движители производятся рядом компаний по всему миру. В Azipod электродвигатель смонтирован непосредственно внутри движителя, а пропеллер подключен непосредственно к валу двигателя. Электрическая энергия для двигателя передается через контактные кольца, позволяющие Azipod вращаться на 360 градусов вокруг вертикальной оси. Поскольку Azipod использует пропеллеры с фиксированным шагом, мощность всегда подается через частотный преобразователь или циклоконвертер, обеспечивающий управление скоростью и направлением вращения двигателей. Пропеллер Azipod обычно ориентирован вперед, поскольку в такой тянущей (или тракторной) конфигурации он более эффективен благодаря работе в невозмущенном потоке. Благодаря возможности вращения вокруг своей оси, движитель может направлять тягу в любом направлении. Азимутные движители повышают маневренность судов и позволяют им двигаться назад почти так же эффективно, как и вперед. Для полной реализации потенциала движителей в капсульном исполнении в коммерческой эксплуатации требуется обучение экипажа на судовых тренажерах и управляемых моделях. Первоначально, при установке в 1990-х годах, капсульная конструкция обеспечивала на 9% более высокую топливную эффективность по сравнению с традиционной системой. Впоследствии, улучшения в традиционных конструкциях сократили этот разрыв до 6–8%, однако гидродинамика потока вокруг Azipod была улучшена за счет установки дополнительных плавников и динамической компьютерной оптимизации рабочих углов капсул в многокапсульных установках, что позволило достичь общего повышения эффективности до 18%.

In the conventional azimuth thrusters such as Z drive and L drive thrusters, the propeller is driven by an electric motor or a diesel engine inside the ship's hull. The propeller is coupled to the prime mover with shafts and bevel gears that allow rotating the propeller about a vertical axis. This type of propulsion system has a long tradition throughout the 1990s and today such propulsion units are produced by a number of companies around the world. In the Azipod unit, the electric motor is mounted inside the propulsion unit and the propeller is connected directly to the motor shaft. Electric power for the propulsion motor is conducted through slip rings that let the Azipod unit rotate 360 degrees about the vertical axis. Because Azipod units utilize fixed pitch propellers, power is always fed through a variable frequency drive or cycloconverter that allows speed and direction control of the propulsion motors. The pod's propeller usually faces forward because in this pulling (or tractor) configuration the propeller is more efficient due to operation in undisturbed flow. Because it can rotate around its mount axis, the pod can apply its thrust in any direction. Azimuth thrusters allow ships to be more maneuverable and enable them to travel backward nearly as efficiently as they can travel forward. In order for the full capabilities of podded propulsion units to be realized in commercial service, shiphandling training on simulators and manned models is required for the crew. The podded design typically achieved a 9% better fuel efficiency than the conventional propulsion system when it was first installed in the 1990s. In the meantime, improvements to the conventional designs have shrunk the gap to 6–8%, but on the other hand the hydrodynamic flow around the Azipod has been improved by fin retrofits and a dynamic computer optimization of the respective operating angles of the pods in multipod installations, thereby yielding overall efficiency improvements now in the range of 18%.

Разработка

В 1987 году Финский национальный совет по судоходству предложил сотрудничество компании Strömberg (впоследствии ABB), специализирующейся на электрооборудовании, и финской судостроительной компании Wärtsilä Marine для разработки нового типа электрического движителя. До этого компании на протяжении десятилетий сотрудничали в области дизель-электрических двигательных установок, а в 1980-х годах построили первые ледоколы с электродвигателями переменного тока и циклоконвертерами. Разработка прототипа началась в 1989 году, а первый агрегат был готов к установке в следующем году. Агрегат мощностью 1,5 МВт, получивший название "Azipod" (сокращение от azimuthing electric podded drive – азимутный электрический поворотный движитель), был установлен на финское судно Seili, построенное в 1979 году, на верфи Hietalahti в Хельсинки, Финляндия. После модернизации ледокольные характеристики судна значительно улучшились, а также было обнаружено, что оно способно ломать лед кормой (задним ходом). Это открытие нового режима работы в конечном итоге привело к разработке концепции судна с двойным действием в начале 1990-х годов. Когда в 2000-х годах Seili был переоборудован новой двигательной установкой, прототип был передан музею Forum Marinum и выставлен на экспозиции в Турку, Финляндия. После обнадеживающих результатов испытаний прототипа, развитие концепции Azipod продолжилось, и следующие агрегаты были установлены в качестве модернизации на два финских нефтяных танкера Uikku и Lunni в 1993 и 1994 годах соответственно. Агрегаты Azipod мощностью 11,4 МВт, почти в восемь раз превосходящие прототип по мощности, значительно повысили ледоходные качества судов, которые изначально проектировались с учетом возможности самостоятельного ледокола. Первые три агрегата Azipod были так называемого "толкающего" типа, в котором винт расположен за гондолой. В последующих установках ABB перешла на более эффективную "тянущую" конфигурацию, аналогичную винтовым самолетам. Первое в мире круизное судно, оснащенное движителями Azipod, Elation, было построено на верфи Kværner Masa Yards в Хельсинки весной 1998 года. Несмотря на то, что Azipod изначально разрабатывался для ледоколов, круизные суда стали самой многочисленной группой судов, оснащенных системой движения Azipod, начиная с 1990-х годов, и успех электрических поворотных движителей проложил путь конкурентам, таким как Rolls Royce Mermaid. Среди судов, оснащенных агрегатами Azipod, – круизные лайнеры классов Voyager, Freedom, Oasis и Icon компании Royal Caribbean International, каждый из которых на момент сдачи являлся самым большим круизным лайнером в мире. Azipod Compact меньшего размера отличается от полноразмерного агрегата синхронным двигателем с постоянными магнитами, который охлаждается морской водой напрямую. Для буровых судов он также доступен в "толкающей" конфигурации и может быть оснащен соплом для увеличения тяги на швартовых в системах динамического позиционирования. В отличие от полноразмерных агрегатов Azipod, которые собираются в Финляндии, Azipod Compact производятся в Китае.

In 1987, the Finnish National Board of Navigation made a co operation proposal to the electrical equipment company Strömberg (later ABB) and the Finnish shipbuilder Wärtsilä Marine for the development of a new type of electric propulsion unit. Prior to this, the companies had been working together for decades in the field of diesel electric propulsion systems and in the 1980s produced the first icebreakers with alternating current propulsion motors and cycloconverters. The development of the prototype started in 1989 and the first unit was ready for installation in the following year. The 1.5MW unit, dubbed "Azipod" (short for azimuthing electric podded drive) was installed on the 1979 built Finnish fairway support vessel Seili at Hietalahti shipyard in Helsinki, Finland. After the refit, the vessel's icebreaking performance was considerably increased and she was also found out to be capable of breaking ice astern (backwards). This discovery of a new operating mode eventually led to the development of the double acting ship concept in the early 1990s. When Seili was refitted with new propulsion system in the 2000s, the prototype unit was donated to Forum Marinum and put on display in Turku, Finland. Following the encouraging experiences from the prototype installation, the development of the Azipod concept continued and the next units were retrofitted on two Finnish oil tankers, Uikku and Lunni, in 1993 and 1994, respectively. Nearly eight times as powerful as the prototype, the 11.4MW Azipod units considerably increased the icegoing ability of the vessels that were already built with independent icebreaking capability in mind. The first three Azipod units were of so called "pushing" type in which the propeller is mounted behind the gondola. In the subsequent installations, ABB adopted the more efficient "pulling" configuration similar to propeller driven airplanes. The world's first cruise ship fitted with Azipod propulsion units, Elation, was delivered by Kværner Masa Yards Helsinki shipyard in the spring of 1998. Even though the Azipod was initially developed for icebreaking vessels, cruise ships have become the largest group of ships by type to be fitted with Azipod propulsion system since the 1990s and the success of the electric podded propulsion units has paved the way for competitors such as the Rolls Royce Mermaid. Among the vessels fitted with Azipod units are Royal Caribbean International's Voyager , Freedom , Oasis and Icon class cruise ships, each of which held the title of the largest cruise ship in the world at the time of delivery. The smaller Azipod Compact differs from the full size unit by its permanent magnet synchronous motor which is directly cooled by sea water. For drilling vessels, it is also available in "pushing" configuration and can be fitted with a nozzle to increase bollard pull thrust in stationkeeping applications. Unlike the full sized Azipod units which are assembled in Finland, the Compact Azipod units are manufactured in China.

Проблемы с подшипниками

В течение первых лет эксплуатации имели место несколько широко освещаемых сбоев в работе круизных судов, оснащенных более крупной конструкцией Azipod V. Новейшая разработка, Azipod X, учитывает эти недостатки и рассчитана на межсервисный интервал в пять лет. Она оснащена подшипниками, которые можно разобрать и отремонтировать непосредственно внутри корпуса, находясь в порту в обычном режиме.