Авторизация
В продаже - № 4(84) 2018
Тест-драйв
>

 

 

 

ЗберегтиЗберегти

 

Поиск по журналу
Настройки поиска:
в номере:
по рубрике:
тема:
статьи автора:
Привод для яхты и катера
Тема: ------; Автор: oio; Страница в журнале: 88;

Двигатели, винты, передачи... Порой изобилие доступных размеров, типов, моделей и их совместимость приводят владельца судна в замешательство. Мы попробуем дать классификацию имеющихся на рынке устройств и рассмотрим подходы к выбору подходящего варианта.

Пропульсивный комплекс судна и его эффективность
Пропульсивный комплекс судна включает в себя:

  • Двигатель – преобразует энергию, выделяющуюся при сгорании топлива, в механическую энергию вращения вала
  • Передача – передает механическую энергию вращения вала на движитель
  • Движитель (например, винт или др.) – преобразует механическую энергию вала в кинетическую энергию катера или яхты
  • Корпус – воспринимает упор движителя, гидродинамическое сопротивление и собственно перемещает на себе полезную нагрузку – пассажиров и груз.

В целом, движительную эффективность судна определяет пропульсивный коэффициент PC. Это своеобразный КПД пропульсивного комплекса судна:
PC=PE/PS,
где PE – буксировочная мощность, необходимая для приведения судна в движение, другими словами «полезная мощность»; PS – мощность на валу двигателя судна, то есть «требующаяся мощность».
Обычно величина пропульсивного коэффициента составляет около 0.5 и зависит от типа привода, типа корпуса, скорости судна и т.д. (Табл. 1).
Все элементы пропульсивного комплекса взаимосвязаны и выбор его составляющих должен осуществляться комплексно [1,2]. Под понятием «привод» в «яхтенно-катерной» практике принято подразумевать передачу, движитель а иногда и двигатель как единую систему.

Типы приводов
Прямой валопровод и V-образный привод
Именно этот традиционный привод с погруженным винтом наиболее часто встречается на судах. Схема состоит из двигателя, реверс-редуктора, гребного вала, кронштейнов гребного вала, винта и руля.
Можно выделить две компоновки привода:

  • Прямой валопровод
  • V-образная компоновка (называемая также «угловая передача»).

В последнем случае очень существенно снижается длина валолинии, двигатель разворачивается на 180 градусов, а к носу от двигателя ставят редуктор. От редуктора гребной вал выходит наружу корпуса под двигателем, через сальник.
В любом случае для прямого или V-образного привода угол наклона гребного вала не должен быть свыше 12-15 на небольших скоростях и не более 8-10 при скоростях, близких к 40 узлам.
У большинства современных двигателей скорость вращения вала достаточно высока для создания эффективного упора винта, что обуславливает необходимость в понижающем редукторе. Обычно редуктор понижает обороты в соотношении от 1.5:1 до 3:1. Для эффективной работы винта, особенно на водоизмещающих и судах переходного типа, выгодно иметь коэффициент редукции высоким и использовать винт большего диаметра. Для быстроходных судов характерны меньшие передаточные числа и меньшие диаметры винтов [3].
Преимущества

  • Низкая цена
  • Высокая эффективность.

Недостатки

  • Плохая защищенность винта
  • Большая габаритная длина установки (для прямой передачи)
  • Высокое сопротивление выступающих частей привода на высокоскоростных судах.

Одной из разновидностей компоновки с прямым валопроводом является размещение гребного винта в направляющей поворотной насадке, представляющей собой замкнутый в кольцо крыльевой профиль. Эта модификация привода эффективна на водоизмещающих судах, когда необходим большой упор - обычно такой привод можно встретить на буксирах, рыбопромысловых и рабочих судах. Преимущество размещения винта в насадке определяется в повышении упора винта на 8-12%.

Подвесные моторы
Историю подвесных моторов (ПМ) начал писать Оле Эвинруд, который в 1906 году сконструировал первый одноцилиндровый подвесной мотор мощностью всего 2 л.с.
Хотя подвесные лодочные моторы представлены на рынке от многих производителей, их установочные размеры стандартизованы. Длина ноги (называемая также «высота транца») может составлять 15 дюймов (380 мм), 20 дюймов (510 мм) и 25 дюймов (630 мм).
Большинство современных «подвесников» - бензиновые двухтактные. Легкие, относительно недорогие, но неэкономичны - потребление топлива составляет 350…400 г/л.с. в час. Постоянно возрастает популярность четырехтактных двигателей. На сегодняшний день дорогие (примерно на 30%) и более тяжелые, но и более экономичные (220…250 г/л.с. в час, т.е. на 40% экономичнее двухтактных), они отличаются тишиной в работе, более надежны, долговечны и наносят меньший вред окружающей среде. К 2006-2008 годам производителей фактически вынуждают переходить на четырехтактные моторы из-за ужесточения экологических требований, особенно в связи с введением стандартов EPA-2006, CARB-2004 и др. Однако и двухтактные моторы, выпускаемые с применением новых технологий ETEC и TLDA, ещё весьма конкурентоспособны.
Особняком стоят дизельные подвесные моторы, которые доступны в диапазоне до 30 л.с. Они тяжелее бензиновых аналогов, но более экономичны и используются в основном на рабочих судах. Изначально дизельные подвесные двигатели были частью оборудования бортовых шлюпок для более крупных судов с дизельным главным двигателем, что избавляло от необходимости иметь несколько видов топлива на борту. Дизельные ПМ еще более экономичны, чем «четырехтактники» – потребляют всего 180…200 г/л.с. в час.
Преимущества

  • Легкая установка, небольшой вес
  • Простота обслуживания и замены
  • Защита винта за счет возможности откидывания мотора.

Недостатки

  • Более высокое потребление топлива
  • Шумность при работе
  • Вес сконцентрирован на корме.

Высокие обороты и небольшие диаметры винта бензиновых «подвесников» – лучшее решение для скоростных катеров, но они не очень эффективны для тихоходных судов.

Поворотно-откидная (угловая) колонка (sterndrive, I/O drive)
В 50-е годы предпринимались попытки объединить стационарный двигатель с нижней частью подвесного мотора. В 1959 году Джим Уинн сделал систему откидной колонки работоспособной и запатентовал ее. Поначалу в США не было большого интереса к устройству, в то время как шведская компания Volvo начала коммерческое развитие нового привода. Со временим и в Новом Свете, благодаря успешным результатам в гонках морских катеров, колонки Mercury Marine стали набирать популярность. Сегодня большинство производителей имеют опцию поворотно-откидной колонки для линейки своих двигателей. Основные брэнды в этом секторе рынка – Mercruiser и Volvo, причем первые используются и с двигателями других производителей. Дизельные колонки доступны мощностью до, приблизительно до 400 л.с., а бензиновые – и свыше 1000 л.с., они предназначены для скоростных судов [1].
Поворотно-откидные колонки могут быть подняты из воды, но не столь легко, как подвесные двигатели.
Преимущества

  • Простота установки
  • Экономичность (в случае применения дизеля).

Недостатки

  • Более высокая цена
  • Тяжелее подвесных моторов
  • Эффективность несколько ниже из-за 8-10% потерь мощности в угловой передаче
  • Проблема с коррозией и обрастанием в морской воде
  • Повреждаемость устройства.

Полупогруженный винт (surface drive, SD)
Приводы с полупогруженными винтами называют также приводами с ЧПГВ (частично погруженными гребными винтами) или, по наиболее распространенному «брэнду» устройств, приводами Арнесона. В этой системе винт размещен на гребном валу, выходящем из транца судна, и пересекает поверхность воды.
Впервые подобная система была разработана и запущена в коммерческое производство Ховардом Арнесоном в 70-х. Он начал свои опыты с фиксированного положения вала с полупогруженным винтом, а потом добавил возможность поворота в специальном шарнире вверх-вниз на угол 15 к горизонту и вправо-влево на ±40 от ДП. Окончательно конфигурация привода сформировалась в 1979 году и первые модели были сконструированы и прошли испытания в начале 80-х. Вскоре после этого началось производство самой малой модели привода, в настоящее время именуемой ASD 6…
Приводы с полупогруженными винтами стали невероятно популярны на гоночных катерах по всему миру. Сегодня они применяются на судах для отдыха и на коммерческих судах, их возможно совместить с бензиновым двигателем, с дизелем или турбинами мощностью до 10 тыс. л.с.
Благодаря тому, что погружена только половина винта, исключается сопротивление, связанное с валом и кронштейнами, привычными для обычных схем на валу. Винт может быть намного больше, с меньшими рабочими оборотами, поскольку нет ограничений из-за чрезмерной осадки. Следовательно, он более эффективен в сравнении с традиционным гребным винтом на высоких скоростях.
Вал в приводе Арнесона поддерживается двумя тягами: одна отвечает за дифферент, другая за управление по курсу. Кроме упора винта в рассматриваемом приводе возникает значительная вертикальная составляющая. Нагрузку на двигатель возможно варьировать на ходу, регулируя степень погружения винта.
Одной из более простых разновидностей системы с полупогруженным винтом является «привод Леви», идея которого была предложена знаменитым конструктором Ренато Леви. В этой системе гребной вал также выходит из транца, но закреплен неподвижно. Управление судном осуществляется за счет полукольцевой насадки на гребной винт, к которой крепится гидравлическая тяга поворота. Система более проста и надежна по сравнению с приводами Арнесона, но не допускает регулировки заглубления винта и дифферента. Именно поэтому у привода Леви выхлоп осуществляется в зону верхней лопасти винта, что позволяет облегчить работу неподъемного привода в момент выхода судна на глиссирование.
Преимущества

  • Более высокая эффективность на очень высоких скоростях в сравнении с другими приводами
  • Меньше нежелательных эффектов от кавитации вследствие вентиляции лопастей
  • Гибкость в выборе двигателя и размера винта.

Недостатки

  • Высокая цена
  • Сложная механика
  • Плохая защита винта, не безопасен
  • Плохие характеристики на малых скоростях и заднем ходу
  • Высокая вибрация, поскольку лопасти периодически погружаются и выходят из воды.

Приводы с полупогруженным винтом доступны в соосной схеме и в несоосной – когда гребной вал ниже вала двигателя. Поставщики устройств рассматриваемого типа поставляют комплекты, по установочным размерам соответствующие угловым колонкам.

Водомет (jet drive)
Этот тип привода хорошо известен: стоить назвать хотя бы водные мотоциклы или джет-боты SeaDoo. Известно, что водометная схема была создана и запатентована в 1954 году сэром Уильямом Гамильтоном, основателем ведущего мирового производителя – новозеландской Hamilton Jets. Хотя итальянский изобретатель Сикондо Кампини демонстрировал подобное устройство еще в 1931 году в Венеции…
Принцип работы водомета следующий: вода из-под корпуса судна поступает в водозаборник и затем в тоннель, прокачивается внутрь импеллером, а затем выбрасывается через сопло на корме. Это позволяет преодолеть проблему с выходом из строя винтов стандартных схем при попадании на камни, в том числе на мелководье. Сопло водомета имеет реверсивную насадку, которая в опущенном положении отклоняет поток в сторону носа, когда есть необходимость остановиться или «подработать» задним ходом. В случае, если водозаборник водомета забился водорослями или мусором, его можно «прокачать» реверсом импеллера.
Обычно водометы применяют на судах, движущихся в диапазоне скоростей 25-45 узлов. Они обеспечивают очень хорошую маневренность и зачастую могут быть остановлены с полного хода на длине их корпуса.
В случае применения водомета форма корпуса судна должна быть спроектирована специальным образом: помимо тоннеля, не должно быть поперечных и продольных реданов в кормовой части, дабы не создавать возмущения потока, набегающего на водозаборник. Поскольку водометы при установке приходится располагать сравнительно высоко в корпусе, то создаваемая струя также проходит высоко относительно центра тяжести, поэтому необходимо учитывать изменение дифферента на ходу. В любом случае верхняя часть тоннеля тракта водомета должна быть заполнена водой в статическом положении - без хода. Еще один важный момент – устойчивость на курсе: для судна с водометом угол килеватости корпуса должен быть не менее 15 градусов.
Преимущества:

  • Отсутствие винта гарантирует полную безопасность людям, находящимся в воде
  • Небольшая осадка судна
  • Превосходная защищенность привода
  • Как один из возможных вариантов – отсутствие редуктора
  • Низкий уровень шума по сравнению с валовым приводом, благодаря «мягкой» установке двигателя.

Недостатки:

  • Более низкая эффективность по сравнению с гребным винтом из-за трения воды в тоннеле
  • Ограничения по мореходности
  • Плохие характеристики на малых и средних скоростях
  • Высокая стоимость
  • Трудности с ходовым дифферентом и устойчивостью на курсе
  • Сложное обслуживание
  • Неудобная установка – часть внутреннего пространства корпуса занимает тоннель.

Считается, что у водометов нет технических ограничений на размерения судна. Однако классическая схема с гребным валом все же экономичнее и поэтому самые большие суда с водометным приводом – это 120-метровые военные фрегаты.

Привод для парусных яхт (saildrive)
Системы этого типа по сути вспомогательные средства движения парусных яхт и представляют собой стационарный двигатель, к которому через днище и угловой редуктор идет вал с гребного винта.
Преимущества

  • Низкое сопротивление при движении под парусом
  • Компактность.

Недостатки:

  • Низкий КПД привода вследствие потерь в угловой передаче и малоэффективного складывающегося винта
  • Плохие характеристики складывающегося винта на реверсе.

Приводы этого типа впервые были выведены на рынок компанией Volvo в 1974 году и стали очень популярны среди владельцев морских гоночных яхт. В то же время они – не лучший выбор для круизеров открытого моря или парусно-моторных судов.
Существуют другие типы приводов, такие как винты Войт-Шнейдера (по-русски часто называемые «крыльчатый движитель»), гребные колеса, АZIPOD и многие другие, практически не применяемые на яхтах и катерах, но находящие применение на более крупных и транспортных судах.

Выбор привода
Таким образом, при выборе типа пропульсивного комплекса на судно следует учесть:

  • тип и назначение судна
  • тип и размеры корпуса, обводы, распределение веса и т.д.
  • тип двигателя
  • скорость движения
  • ограничения по осадке
  • особенности акватории
  • наличие сервиса и запчастей
  • экономичность по топливу
  • стоимость.

Для определенных типов приводов форма корпуса и особенно кормы должна быть сконструирована соответствующим образом. Различные типы приводов требуют и различной весовой центровки по длине. Эти и другие факторы можно заложить при проектировании нового судна, но зачастую их трудно или невозможно изменить, если судно уже построено.
В общем, выбор привода представляет собой сложную инженерную задачу. Поэтому серийные расчеты сопротивления, мощности и эффективности, просчитанные для различных вариантов пропульсивного комплекса, могут оказать неоценимую помощь (см. диаграмму).

Заключение
В нашей практике часто бывает, что решаясь на постройку нового судна, судовладелец в первую очередь думает о расходах. Обычно задача представить все «в цифрах» требует привлечения специалиста по проектированию, гидродинамике и силовым установкам. Еще один способ – обратиться к производителю/поставщику приводов с просьбой оценить скорость конкретного судна с определенным приводом (оценки всех вариантов лучше получить из одного источника). Однако если даже винт грамотно подобран, окончательная доводка пропульсивного комплекса должна быть сделана после ходовых испытаний на воде.

Литература
1. Blount D.L., Bartee R.J. Design of Propulsion systems for high-speed craft. Marine Technology, Vol.34. No.4, 1997, pp.276-292.
2. Buttler D.F. A century of small craft propulsion. Centennial, 1995.
3. Gerr D. Propellers handbook. International Marine, 2001.
4. Nazarov A., Kazuki O. Power, speed and boat propulsion //S.E.A.Yachting Vol1. No.2 2006, p.34-35.
5. Nazarov A. Drive for Your boat //S.E.A.Yachting Vol1. No.7 2006, p.34-37.

Альберт НАЗАРОВ.
яхтенный конструктор, к.т.н., MRINA, MSNAME
Albatross Marine Design Co., Ltd