Зачем плотине «Три ущелья» понадобился отдельный лифт для кораблей

У китайской плотины «Три ущелья» пассажирский теплоход может подняться на десятки метров внутри огромного сооружения с бетонными башнями. Всё это время он остаётся на плаву: под днищем сохраняется вода, а пассажирам не требуется покидать борт. Корабль перевозит наполненная водой стальная камера. Чтобы перемещать такой бассейн, инженерам пришлось решить сразу несколько задач — от точной стыковки с рекой до удержания многотысячной конструкции при аварии.

Быстрый путь рядом со шлюзами

Плотина разделила Янцзы на два участка с большой разницей уровней. Пройти её обычным речным путём судно уже не может. Поэтому рядом построили две параллельные линии пятиступенчатых шлюзов. Корабль последовательно заходит в камеры, где уровень воды меняется, и постепенно оказывается по другую сторону плотины. На каждую ступень нужны время, работа ворот и переход из одной камеры в следующую.

Судоподъёмник переносит корабль между нижним и верхним подходными каналами за одно вертикальное перемещение. Его испытательная эксплуатация началась в сентябре 2016 года. Максимальный ход камеры составляет 113 метров — примерно высота нескольких десятков этажей. При конкретном проходе расстояние может быть меньше: уровни реки и водохранилища меняются, и камера должна остановиться на нужной отметке.

Для подъёма предусмотрен бассейн с полезными внутренними размерами 120 на 18 метров и глубиной воды 3,5 метра. В него заходит судно, после чего бассейн перемещается целиком. Дно, стенки и торцевые ворота образуют водонепроницаемую камеру, которая удерживает воду во время движения. Бетонные башни по сторонам служат опорами для оборудования и направляют её ход.

Как камера соединяется с рекой

При подъёме судно подходит к сооружению по нижнему каналу. Камеру заранее устанавливают на его уровне и фиксируют по высоте. Между её торцом и неподвижной частью остаётся стык: подвижная конструкция не может постоянно быть жёстко соединена с берегом. Перед открытием прохода этот зазор перекрывают специальным уплотнением, создавая герметичное соединение.

Собственные ворота есть и у камеры, и у подходного канала. Пока они закрыты, вода с обеих сторон удерживается отдельно. После стыковки уровни выравнивают, затем открывают проход. Если открыть ворота при разнице уровней, возникнет поток, способный изменить количество воды в камере и затруднить движение судна.

Корабль входит в бассейн, ворота закрываются, а подъёмник готовится к ходу. Перед перемещением герметичное соединение с каналом размыкают и освобождают фиксаторы. Вода остаётся внутри стального бассейна, и судно поднимается вместе с ней. Корпус продолжает удерживаться на плаву точно так же, как до входа в сооружение.

Наверху камеру снова останавливают на уровне подходного канала, фиксируют и герметично состыковывают с неподвижной частью. После выравнивания воды открываются ворота, и корабль выходит в водохранилище своим ходом. При спуске те же операции выполняют сначала у верхнего канала, затем у нижнего. Значительную часть времени всего прохода занимают стыковка и работа с водой и воротами.

Почему вошедший корабль почти не меняет массу

Камера с водой и связанным оборудованием весит около 15 500 тонн. Даже без корабля перемещать приходится огромную массу. При этом вошедшее судно почти не увеличивает нагрузку: плавающий корпус вытесняет воду, масса которой равна массе самого судна. Это обычное действие закона Архимеда.

Пока бассейн соединён с подходным каналом, вытесненная вода уходит через открытый проход. Судно массой тысяча тонн занимает место примерно тысячи тонн воды. После закрытия ворот в камере остаются корабль и меньшее количество воды. Если уровень заполнения сохранился, их общая масса будет практически такой же, как у воды до входа судна.

Зато изменение самого уровня воды сразу влияет на баланс. На площади 120 на 18 метров слой толщиной всего один сантиметр соответствует 21,6 кубометра — примерно 22 тоннам пресной воды. Поэтому перед движением уровень воды точно регулируют, удерживая массу камеры в заданных пределах.

Противовесы и зубчатые рейки

Основную массу наполненного бассейна уравновешивают грузы, расположенные в башнях. Камера соединена с ними 256 стальными тросами, перекинутыми через блоки наверху сооружения. Когда она идёт вверх, противовесы опускаются. При спуске камеры они поднимаются. Благодаря этому электродвигателям приходится преодолевать оставшуюся разницу нагрузок, трение и инерцию, а не поднимать все пятнадцать тысяч тонн без помощи.

Даже вес самих тросов приходится учитывать. По мере хода один свисающий участок становится длиннее, другой короче, и масса подвешенного металла перераспределяется. Между нижней частью камеры и нижними частями противовесов проложены компенсационные цепи. Их положение меняется вместе с подъёмом и спуском, помогая сохранять равновесие по всей высоте.

Движение задают четыре приводных узла, установленные на камере. Их шестерни зацепляются с вертикальными зубчатыми рейками, закреплёнными вдоль башен. При вращении шестерни перемещаются по рейкам и ведут за собой бассейн. Это позволяет управлять подъёмом, спуском и остановкой у подходного канала.

Приводы должны работать согласованно: длинную камеру опасно поднимать с перекосом. Между узлами предусмотрены синхронизирующие валы, а положение конструкции контролируется системой управления. Противовесы облегчают работу, но сами по себе не задают ни нужную скорость, ни точное положение у ворот.

Страховка удерживает камеру в обе стороны

Если из бассейна начнёт уходить вода, камера станет легче, а масса противовесов останется прежней. Они будут стремиться опуститься и потянуть её вверх. При избыточном количестве воды возникнет противоположный дисбаланс. Поэтому аварийная защита должна удерживать конструкцию от самопроизвольного движения в обоих направлениях.

Рядом с приводами расположены четыре страховочных узла. Каждый включает короткий винт, связанный с камерой, и длинную неподвижную колонну с внутренней резьбой, закреплённую на башне. Колонна работает как вытянутая по высоте гайка. Во время подъёма или спуска винт вращается внутри неё, следуя за движением бассейна.

При нормальной работе между витками сохраняется зазор, и страховочный винт не несёт основную нагрузку. При опасном росте усилия привод останавливают. Если дисбаланс и смещение продолжают нарастать, зазор выбирается, а резьбовые поверхности начинают воспринимать нагрузку, передавая её через неподвижную колонну на башню. Трение удерживает винт от самопроизвольного проворачивания под нагрузкой. Так камера может оставаться зафиксированной и на промежуточной высоте.

Десять минут подъёма и полный проход

Само вертикальное перемещение занимает около десяти минут. Весь проход длится дольше: кораблю нужно подойти, войти в камеру, дождаться закрытия ворот и подготовки механизмов, а затем выйти на другом уровне. В 2024 году оператор сообщал, что после оптимизации среднее время прохода сократилось примерно до 49 минут.

Судоподъёмник рассчитан на суда водоизмещением до 3000 тонн. Водоизмещение означает полную массу плавающего корабля вместе с грузом, запасами и людьми. Ограничения по длине, ширине, осадке и высоте над водой тоже сохраняются: корпус должен пройти через ворота и безопасно разместиться внутри камеры.

Более крупные суда продолжают пользоваться пятиступенчатыми шлюзами. Лифт обслуживает те корабли, которые подходят по размерам и условиям прохода, позволяя им быстрее преодолеть плотину. После выхода судна наверху камера остаётся наполненной водой и может принять следующий корабль для спуска. Осушать бассейн и заново заполнять его на всю глубину после каждого рейса не требуется.

Изображение в превью:
Автор: ChatGPT / OpenAI
Источник: chatgpt.com