Невідомо, хто і коли побудував перший на Землі штучний судноплавний канал. Найстаріший з відомих - давньоєгипетський, який з'єднав в часи Середнього Царства Ніл з Червоним морем. Але напевно вже найперші каналостроітелі зіткнулися з проблемою, яку століття потому вирішують і сучасні інженери.
Земна поверхня - досить нерівна штука, що з'єднуються каналами «пункти А і Б» майже завжди знаходяться на різній висоті і часто розділені височинами, тому просто прокопати канаву недостатньо. Система шлюзів - камер, розділених водонепроникними воротами - займає багато місця, особливо при великому перепаді висот. На каналі Марна-Рейн, побудованому в Вогезах (Франція) в XIX столітті, один з ділянок був каскад з 17 шлюзів завдовжки всього близько 4 км. Проходження займало добу, причому баржі розминутися в шлюзі не могли. Ще сотню років тому додаткові складності в хід процесу привносив спосіб руху судів - річкову баржу XVIII-XIX вв.еков в Європі зазвичай тягнули запряжені коні. Уявіть, як їм було чіпати баржу з місця в кожному шлюзі. Нарешті, система шлюзів просто займає багато місця, яке в перенаселеній Європі споконвіку було в дефіциті.
В історії, втім, бували приклади того, як гидротехникам вдавалося «переспорити» непокірний рельєф без шлюзування. У першій половині XIX століття англієць Джеймс Бріндлі побудував канал без перепадів висот, який з'єднав Манчестер з вугільними шахтами Уорслі. Човни, навантажені вугіллям, починали шлях під землею, безпосередньо на одному з горизонтів шахти, виходили на поверхню через горизонтальний тунель, перетинали долину річки Ірвелл по акведук висотою в десяток метрів і фінішували чи не на міському базарі. Наприклад Бріндлі інженери слідують до сих пір - варто назвати хоча б судноплавний акведук в Магдебурзі довжиною майже в кілометр, побудований в 2003 році (правда, шлюзи там є, але лише на вході і виході). Але таке можливо не скрізь і не завжди.
Чаші з вантажем можна врівноважити важелями і тоді піднімати-опускати їх буде зовсім нескладно. Але нецікаво. Мабуть так подумали інженери, що розробляли знаменитий суднопідіймач в Фалкірка (Шотландія). А ось якщо замість важелів буде гібрид коромисла з колесом огляду - і вантажу користь, і турист підтягнеться. Розташовані в «колесі» кесони провертаються всередині нього так, щоб завжди залишатися горизонтальними. Рівновага системи і трохи сил тертя роблять достатніми для управління процесом десять гідромоторчіков потужністю 1.5 кВт.
Басейн з підйомом
Побудувати машину, яка могла б просто піднімати кораблі вгору, без всяких шлюзів - спокуслива ідея, проблема лише в потужності. На допомогу будівельникам прийшов закон, відкритий колись Архімедом: занурене тіло втрачає у вазі стільки, скільки важить витіснена ним вода. Таким чином, якщо відзначити рівень води в басейні, загнати в нього судно з вантажем і спустити воду до колишнього рівня, то маса басейну з «начинкою» залишиться тією ж, що і раніше. А якщо зробити два басейни одного обсягу і з'єднати їх важеля або гідравлічною системою так, щоб вони виконували роль противаг? Тоді, зменшивши з басейну з баржею трохи більше води, ми зуміємо підняти його з вантажем вгору. Оскільки вода наливається і зливається самопливом, то не знадобиться навіть двигун - тільки зливна система і при ній навчена людина, образно кажучи, «з затичкою» напоготові.
Суднопідіймач в Фокстон (Англія, 1900 рік), включав в себе дві Судовозні платформи, що врівноважують один одного за допомогою тросів і рухалися по рейках. Судно розташовувалося поперек напрямку перевезення. Система працювала близько десяти років, після чого не витримала конкуренції. Від тих часів збереглися лише канави в землі - все залізо вирушило на переплавку в 1920-х.
Зараз непросто сказати, хто був «першим після Архімеда», оскільки на хвилі будівництва каналів в центрі тодішньої гідротехніки - Англії XVIII-XIX вв.еков - було побудовано безліч подібних конструкцій, багато з яких не дійшли до нас.
Найстаршим з дійшли до нас в цілості прийнято вважати суднопідіймач Андертон в британському графстві Чешир, побудований в 1875 році. Його конструктор, інженер Едвін Кларк, з'єднав два рухаються вгору-вниз кесона гідравлічною системою. Спрощено її можна уявити як дві з'єднані ємності з поршнями, прикріпленими до кесона. Як тільки один з них стає легше чи важче, система починає рухатися до тих пір, поки стовпи рідини не урівноважать один одного. Нехитрими розрахунками інженери домагалися, щоб рівновагу наступало при різниці висот 15 м - робоча висота підйому.
Єдиний в Росії
Єдиний в Росії суднопідіймач діє на Красноярської ГСЕ. Богатирська машина, що належить Єнісейського річкового пароплавства, може прийняти «на борт» річкові судна водотоннажністю до 1500 тонн.
Довжина судновізних камери становить 90 метрів, ширина 18, глибина - 2.2. метра. Маса порожньої камери - 4500 тонн, заповненої водою - 8500 тонн.
Рейс машини ділиться на два етапи: верхній і нижній, в проміжку між якими суднопідіймач розгортається на поворотному колі. Довжина верхньої ділянки близько 30 метрів, нижнього - до 118 метрів, ухил в обох випадках 1:10, т. Е. На кожні десять метрів шляху по горизонталі доводиться метр вертикального переміщення.
Кількість візків ходової частини - 78, коліс і гідромоторів - 156. Ширина рейкової колії - 9 м.
«Фізика шостого класу» в металі є виразне будівля розміром з багатоповерховий будинок із сталевих балок і труб. Суднопідіймач, спрацьований при королеві Вікторії, справно прослужив 108 років. У 1983 році ветеран був зупинений через корозію, знову запущений в 2002 році після ремонту і реставрації. Зараз це один з двох працюючих Суднопідіймач Великобританії, поряд із знаменитим колесом Фалкірк в Шотландії - про нього ми ще скажемо. Решту одного за іншим «з'їли» конкуренти - залізничні й автомобільні дороги.
Судноплавний акведук Понткісіллте (Уельс, 1795-1805) - одне з чудес інженерної думки XVIII століття. Спорудження з'єднує канали на берегах річки Ді. Дев'ятнадцять прольотів несуть на собі судноплавний жолоб довжиною 313 і шириною 3.6 метра. Рухаючись по ньому мандрівники не виходячи зі своїх човнів виявляються на висоті 38 метрів, правда не над землею, а над іншою водою.
Наступною сторінкою творчої біографії автора Андертона стала унікальна для того часу за своїм розмахом програма будівництва Суднопідіймач Центрального каналу в Бельгії. Уряд королівства поставило за мету поєднати вже побудовані на той час канали Шарлеруа-Брюссель і Монс-Конде, що відкрило б судноплавство між річками Маас і Шельда. На одній з дільниць каналу належало на семикілометрової трасі подолати підйом в 66 м. Система шлюзів виявилася б занадто громіздкою. Запрошений бельгійцями Кларк запропонував побудувати чотири суднопідіймача, кожен з яких переміщував б суду на 15-17 м. Конструктивна схема залишилася тією ж, що і в Андертон - два кесона-противаги, з'єднаних гідравлічною системою, при підйомі одного з них інший опускається. 4 червня 1888 король Бельгії Леопольд II урочисто відкрив перший з нової серії «ліфтів» Едвіна Кларка. Будівництво інших тривало ще шість років, після чого добудова була заморожена аж до 1910 року через сумнівів в рентабельності каналу. Відновлені роботи в 1914 році були близькі до завершення, але 4 серпня в Бельгію увійшли німецькі війська. Німцям, зрозуміло, теж був потрібен судноплавний канал, але у них були і інші справи, що відсунуло завершення робіт ще на три роки.
Після війни Центральний канал нарешті запрацював так, як припускали його будівельники майже за півстоліття до цього. Суднопідіймачі Кларка працюють на ньому по цю пору. Правда, з 2002 року вони обслуговують виключно прогулянкові та спортивні судна - вантажні перевезення йдуть по новому Центральному каналу, прокладеному паралельно старому. За XX століття річкові судна неабияк підросли і перестали поміщатися в суднопідіймачі часів короля Леопольда, але, оскільки ті за цей час стали пам'ятником історії, шанують її бельгійцям довелося залишити старий канал як є і побудувати паралельно йому новий. Проблему висот на новому каналі вирішує один суднопідіймач (Стрепи-Тьyo), вантажопідйомністю 1350 т проти 350 у старих. Чотири підйомника Кларка, втративши логістичне значення, придбали туристичне. У 1998 році вони стали частиною списку Всесвітньої спадщини ЮНЕСКО.
Віра помалу!
За півтора століття гідравлічна система довела свою працездатність, але назвати її ідеальною не можна. Урівноваження двох величезних ємностей - процес, що вимагає точності і часу. Крім того, «ліфти» Кларка рухаються строго по вертикалі, а це доречно далеко не скрізь. Нарешті, використання одного кесона в якості противаги знижує пропускну здатність комплексу.
Суднопідіймач Стрепи-Тьyo (Strépy-Thieu), побудований на новому Центральному каналі Бельгії в 2002 році, фактично виконує ту ж роботу, яку сотню років робили четверо попередників - каскад 16-метрових шіпліфтов, побудованих за проектом Е.Кларка. Різниця висот становить 73.5 метри - це робить бельгійця найвищим вертикальним Суднопідіймач в світі, але перебувати чемпіоном йому залишилося недовго. У 2013 році повинен стати до ладу суднопідіймач ГЕС «Три ущелини» на річці Янцзи. Китайський велетень - теж вертикальний і з противагами на тросах - буде піднімати суду загальною водотоннажністю до 34 тисяч тонн на висоту 113 метрів. Хто і коли зможе обігнати Піднебесну - покаже час.
На щастя, врівноважити кесон з водою можна не тільки іншим таким же. Згадуваний вище Стрепи-Тьyo також має два кесона, але рухаються вони незалежно. Кожен висить на 120 несучих тросах, перекинутих через блоки і пов'язаних з противагами. Ще по три десятка керівників тросів передають зусилля від машин. В даному випадку підйом кесона з судном здійснюється двигунами, а використання противаг дозволяє знизити навантаження на них, так що машина працює тільки на подолання тертя. Маса кесона (обсяг знаходиться в ньому води) підбирається так, щоб навантаження на троси і змотують їх лебідки не перевищувала 100 т. Оскільки маса самої камери становить близько 8000 т, роль противаг в її русі виявляється не набагато меншою, ніж безмашинному варіанті. Такі співвідношення типові і для інших випадків - так, що будується в Німеччині суднопідіймач Niederfinow Nord буде піднімати кесон масою близько 9000 т за допомогою лебідок загальною потужністю 1280 кВт. Водотоннажність самого судна може досягати 2300 т. Колишній комплекс, що працює на цьому місці з 1934 року, «долає» всього 1000 т.
кут підйому
До сих пір ми говорили про системах, в яких переміщення відбуваються строго по вертикалі. Таке рішення не скрізь зручно, тим паче, що для переходу судна з кесона в верхній б'єф і навпаки часто доводиться будувати спеціальний акведук (див. Два фото праворуч). Ухилитися від цієї необхідності просто: поставивши противагу і кесон на колеса і знаходяться під ухилом рейки, можна отримати практично той же ефект.
Схема Суднопідіймач Андертон.
Похилий суднопідіймач був вперше побудований в Англії в 1788 році, працював на каналі Кетлі в Шропширі і, як багато інших, до нашого часу не дожив. Один з продовжувачів його концепції - французький суднопідіймач Сен-Луї-Арзвіллер, побудований в 1969 році, який замінив сходи з 17 шлюзів на каналі
Марна-Рейн, скоротивши час переходу між каналами з доби до 20 хвилин. Головний елемент суднопідіймача - сталевий кесон довжиною 41,5 м і масою 900 т. У «вагона-ванни» 32 колеса, на яких він їздить вгору-вниз по 120-метровим рейкових шляхах. Противаги - два візки з вантажами по 450 т - їдуть за цим же схилу і по таким же рейках, але, зрозуміло, в іншу сторону. Швидкість і напрямок руху регулюються двома електромоторами по 120 к.с. кожен.
Cathedral of Canals - так називають мешканці Британії суднопідіймач Андертон, і на те є вагомі причини. Спорудження, колишнє шедевром інженерної думки в 1875 році, справно працює досі. Правда, останнім часом 15-метровий перепад висот між каналами долають в основному прогулянкові судна; перевезення вантажів водним шляхом в сьогоднішній Британії - рідкість. Зате туристів стає більше з року в рік.
Сен-Луї-Арзвіллер цікавий ще однією особливістю. До сих пір ми говорили про Суднопідіймач поздовжньої схеми, в яких перевозиться розташовується вздовж напрямку руху. Французи взяли поперечну компоновку. Сполучаються ділянки каналів паралельні, і набагато простіше перевозити баржу боком, ніж змушувати її двічі розгортатися. Крім «француза» похилим і поперечним був лише англійська суднопідіймач в Фокстон (1900 рік), що не дожив до наших днів.
особливий шлях
Російський шлях виявився химерний і унікальний. Втім, в даному випадку справа не в двох традиційних для нас спокусах, але в особливості національного рельєфу. Росія - рівнинна країна, і проблема різниці висот тут відчувається слабкіше, ніж де-небудь в Європі. Так, на перших 75 км Каналу імені Москви перепад висот становить 38 м, і для його подолання досить п'яти шлюзів.
Але вже якщо в Росії десь є гори, то круті, міцні і вкрай незручні. Як навколо Красноярської ГЕС, побудованої в 1957-1972 роках на Єнісеї. Після підйому води у водосховищі різниця висот між «верхом» і «низом» перевищила сотню метрів. Зауважимо, що відмінність бьефов ГЕС від судноплавних каналів ще й в тому, що рівні води не постійні: в верхньому коливання досягають 13, в нижньому - 6,5 м. Сама гребля розташована між горами, перекриваючи пробите плином Єнісею русло. Для потреб енергетики це здорово, але можливість якось обійти природну перешкоду майже відсутня. За розрахунками, ланцюжок шлюзів для пропуску судів розтягнулася б приблизно на 100 км. Але необхідність пропуску судів назрівала - вище за течією починалося будівництво Саяно-Шушенській ГЕС. Гідроагрегати для неї виготовлялися на берегах Неви. Доставка робочих коліс по залізниці була неможлива - вони не вписувалися в габарити. Збірка безпосередньо на місці всерйоз не розглядалася - довелося б за разовим приводу будувати велике машинобудівне підприємство. Ось за цих обставин і з'явився на світ проект єдиного поки російського суднопідіймача.
Всі його зарубіжні колеги мають одну спільну рису. Судновізних кесон може йти вертикально або під нахилом, але від початку і до кінця рейсу він рухається в одному напрямку і по прямій. Саме це робить можливим застосування всіляких врівноважують схем. У випадку з КГЕС цьому заважав рельєф: підняте вгору судно потім потрібно повернути і спустити на воду під кутом до початкового шляху. Розширити верхню чи нижню б'єфу так, щоб дорога стала прямою, було неможливо - довелося б зносити гору. Транспорт на противовесах повернути в сторону не може, ось і довелося вдатися до вирішення, якого в усьому світі зазвичай уникають: покласти всю роботу по підйому і спуску на машини.
Одержаний в результаті самохідний «судовоз» не має аналогів в світі. Спорудження розміром з 5-7-поверховий будинок заїжджає в воду по рейках, приймає всередину «пасажира», закриває камеру і вирушає в дорогу. Підйом крутий, близько 10 градусів, тому рейки тут непрості - з зачепами збоку. Силова установка гіганта комбінована - електромотори пускають у хід насоси, які подають робочу рідину на 156 гидромоторов, а ті крутять кожен своє колесо, і все це спорудження їде вгору з «прогулянкової швидкістю». Вибір моторів, за словами головного інженера суднопідіймача Євгена Головкіна, пов'язаний з необхідністю періодичних занурень - гідромоторів рідна стихія не страшна.
Добравшись до верху, велетень повинен розвернутися. Сам він цього зробити не може. Для цього є поворотний круг - як в локомотивних депо, але значно більше. Вид повільно повертається судовоза вражає - знай наших! Залишається заключна частина шляху: вниз під таким же кутом (камера повинна залишитися горизонтальної), але тепер кормою вперед. Вхід в воду, відкриття воріт - і сухий док на рейках відправляє баржу на простори Єнісею в сотні метрів вище точки старту. Цього разу, як і багато років тому, на ній прибули робітники колеса СШГЕС - ВАТ «РусГідро» продовжує реконструкцію станції після аварії.
Цікавлюся у співрозмовника, чи популярно це місце серед туристів, - європейські суднопідіймачі заробляють помітну частину грошей не на баржах, а на екскурсіях для діточок, сувенірах і т. П. На жаль, ГЕС і її околиці - не відкрите для «сторонніх» місце. Мабуть, про це варто пожаліти.
Стаття «Ліфт для корабля» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №10, Грудень 2011 ).
А якщо зробити два басейни одного обсягу і з'єднати їх важеля або гідравлічною системою так, щоб вони виконували роль противаг?