Шхуна «Чава». Эволюция судовой машины. 2004—2018

Шхуна «Чава». Эволюция судовой машины. 2004—2018
Андрей Иванович Попович

Эта книга продолжает серию «Шхуна „Чава“» и описывает развитие конструкции судовой машины и связанных с ней систем в течение двенадцати лет эксплуатации. Рассмотрен смежный вопрос электрохимической коррозии узлов.В книге более 50 иллюстраций, схем, и чертежей.

Шхуна «Чава». Эволюция судовой машины

2004—2018

Андрей Иванович Попович

© Андрей Иванович Попович, 2018

ISBN 978-5-4493-8620-5

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Введение

Эта эпопея началась в далеком 1999, когда я вдруг решил построить своими силами парусную шхуну водоизмещением 12 тонн. Эта совершенно безумная, по мнению многих окружающих, идея стала активно воплощаться в жизнь в 2000, кстати, об этом написана первая книга о постройке лодки – «Шхуна Чава. Выбор проекта, сборка корпуса». И уже весной, когда пора было сделать «в металле» и установить в набор корпуса детали фундамента двигателя, вопрос выбора судовой машины встал в полный рост. Нужно было быстро и правильно принять решение – какой двигатель выбрать для строящейся яхты, какие ресурсы времени и денег будут на это истрачены, и что может получиться в результате… Быстро и правильно с первого раза не вышло, но ход мысли, я надеюсь, может оказаться полезным для идущих следом.

Проект предусматривал установку небольшого яхтенного дизеля с максимальной мощностью 27—33 л. с. Новый морской дизель для установки был недоступен по ряду причин, главной из которых было несоответствие цен предложения моим запросам. Мне показалось неправильным приобретать двигатель, стоимость которого больше, чем истрачено на постройку корпуса.

Владивосток уже в те времена был столицей подержанного японского автопрома. Без особых размышлений, был приобретен и конвертирован для использования на морском судне автомобильный дизель, который и стал «рабочей лошадкой» в первые годы жизни лодки.

В то же время минимальное изучение вопроса прояснило, что подавляющее большинство «яхтенных» дизелей изготавливается путем конвертирования «индустриальных» японских дизелей Кубота и Мицубиси. Их характерные формы проглядывают в изделиях фирм «Vetus», «Sole», и других. Эти дизельные двигатели выпускаются большими сериями, предназначены для работы в тяжелых условиях без квалифицированного обслуживания, имеют огромный ресурс, и легко, как это выяснилось позже, конвертируются для использования в море. Оставалось найти подходящий подержанный двигатель, редуктор, детали второго контура, амортизационные подушки, сделать все остальные детали, и посмотреть, что получится.

В плане подбора для этого корпуса двигателя и винта меня интересовали следующие вопросы:

– С какой скоростью будет двигаться лодка под таким движком?

– Сколько топлива будет потреблять машина в разных режимах хода?

– Как на движение под парусами будет влиять винт и прочие детали и узлы, выступающие на подводной части корпуса?

Чтобы все это не выглядело слишком просто, Дикс спроектировал машинное отделение в центре лодки, под мойкой камбуза, а топливную цистерну – под фундаментом двигателя, в полостях киля.

С одной стороны, это обеспечивает легкий доступ к двигателю с любой стороны, что очень важно для нормального обслуживания и текущего ремонта и позволяет использовать самую простую конструкцию валопровода. Доступ к сальнику гребного вала предельно облегчен. Двигатель находится максимально внизу и в районе центра масс лодки, улучшая мореходность судна.

С другой – машина шумит, когда работает, занимая ценное место практически в центре лодки, объем машинного отделения ограничен, трубопроводы двигателя проходят рядом с трубами слива и помпами камбуза, да и мойки камбуза расположены прямо над двигателем. Нужно думать, как обеспечить доступ к заборнику топлива, и как измерять уровень топлива в цистерне.

Выхлопная система при ознакомлении с таким конструктивным решением также поставила в тупик – было неясно, как должен проходить выхлопной тракт, как при этом удаляется из него вода «мокрого» выхлопа, и каким образом обеспечить работу двигателя, расположенного в районе ватерлинии без риска заполнения его водой.

Здесь же, на дизеле, необходимо было решить задачу эффективной зарядки аккумуляторов суммарной емкостью 200—600 ампер-часов. Штатный генератор для этого не годился из-за своей небольшой мощности, поэтому при разработке конструкции имело смысл предусмотреть место для второго, мощного генератора.

Теоретические изыски

До того, как с головой броситься в такую сложную техническую задачу, хотелось бы получить приблизительную картину, что получится в результате. По крайней мере, это помогает развеять мифы, которые так любят моряки, и поставить реальные цели.

Скорость хорошо сделанного яхтенного корпуса, на гладкой воде и в штиль, будет приблизительно соответствовать данным таблицы, приведенной ниже. Используем ее для оценки скорости, необходимой мощности двигателя, и зависимости скорости от загрузки для нашего конкретного случая – проекта Hout Bay 40.

Из таблицы следует, что «в нашем случае», при длине корпуса по КВЛ около 10 м, удельная энерговооруженность в соответствии с требованиями ORC должна составлять не менее 0,7, а диапазон, в который попадает подавляющее большинство современных яхт – от 1,5 до 5. Расчетная скорость Hout Bay 40 должна быть в первом случае 5,6 узла, а во втором – от 6,7 до 7,8 узлов. Для «пустой» лодки с водоизмещением 12 тонн, необходимые мощности составят 8,4 л.с., 18 л.с. и 60 л.с., для крейсера, готового к походу (пусть будет 15 тонн, +25% водоизмещения!) – 10,5 л.с., 22,5 л.с. и 75 л.с.

Сделаем оценку зависимости скорости лодки от ее загрузки. При мощности двигателя 20 л.с. «пустая» яхта теоретически должна развить скорость 6,7 узлов, а «загруженная» – 6,5 узлов. Отсюда следует довольно нетривиальный и практически полезный вывод, который можно распространить и на движение под парусами – при увеличении водоизмещения на 25% крейсерская яхта умеренно тяжелого водоизмещения потеряет лишь 3% скорости.

Диаграмма для выбора мощности двигателя парусной яхты от яхтенного строителя Альберта Назарова

Итак, с первым вопросом более-менее все ясно, причем мощность можно подобрать по району плавания и личным предпочтениям. Необходимость постоянно преодолевать сильные течения, неопытный экипаж, в конце-концов, просто любовь к «мотор-сейлерам», заставит выбрать для себя двигатели в районе верхнего предела. «Отмороженные» парусники-крейсерщики предпочтут экономичный маломощный движок, который будет запускаться лишь для того, чтобы зайти в порт, чтобы не болтаться без хода в штилевых условиях, и обеспечивать в походе электроснабжение.

Часто выбор излишне мощного двигателя обосновывают необходимостью «запаса мощности» и «обеспечения безопасности». Однако такое решение всегда будет связано с дополнительными расходами в процессе установки и эксплуатации.

Чтобы перевести эти слова в реальный анализ, «в цифры», проще всего оценить возможность движения судна под двигателем против ветра без учета волнения. Эта ситуация характерна для лодки, живущей в «защищенных» водах.

Ветровое сопротивление, которое испытывает судно, пропорционально квадрату скорости ветра, и описывается формулой:

R = 0,07*K*V

*Sмид, (кгс);

где К – коэффициент воздушного сопротивления: обычно составляет 0,6…0,9;

V – скорость ветра в м/сек;

Sмид – суммарная площадь поперечного сечения лодки выше КВЛ, включая площадь рангоута и такелажа.

Приняв для проекта Hout Bay 40 в варианте гафельной шхуны Sмид = 10 м

, Кв=0,7, сводим результаты расчетов в таблицу:

Расход топлива зависит от мощности, снимаемой с двигателя винтом. В оптимальных условиях, когда двигатель работает в своей экономичной зоне оборотов, производители декларируют для такого порядка мощностей 185—195 гр. расхода дизельного топлива из расчета на 1 л. с. Относительно большие двигатели обычно более экономичны, по сравнению с маломощными. Удельный вес дизельного топлива составляет около 0,8. Для приведения лодки в движение, и обеспечения экономичного хода 5 узлов (см. табл.) нужна мощность 6—8 л.с. с часовым расходом топлива около 1.5 – 2 л.

Первые цифры относятся к «пустому» корпусу, вторые – к «груженому».

Увеличение скорости лишь на один узел удваивает необходимую мощность и, соответственно, расход топлива. Необходимость использовать весь запас мощности двигателя, или наоборот, работа с небольшой нагрузкой выводит его из экономичной зоны, удельный расход увеличивается до 200—210 и более грамм на 1 л. с.

Практические эксперименты показали, что дизель Mitsubishi 4D56 (1,5 литра, автомобильный) расходует на этом корпусе на скоростях 5—6 узлов 5—6 литров в час, а на скорости 8 узлов – около 18 литров в час. Это был мой первый вариант судовой машины, который эксплуатировался два сезона. Он практически на пределе использовал возможности винта диаметром 430 мм, заставляя его работать на максимальной мощности вблизи начала кавитации. «Запас мощности» был вполне достаточен, машина обеспечивала максимальный упор около 600 кгс. Теоретически, лодка с таким движителем способна пробиваться против любого ветра где-нибудь в защищенной от волны акватории.

Однако такие характеристики потребовали немалой цены. Большой расход топлива на частичных нагрузках, в экономичном режиме движения, снизил автономность вдвое от оптимальной, движение под двигателем сопровождалось сильным шумом в кают-компании. Дополнительная звукоизоляция «не вписывалась» в размеры машинного отделения и требовала изменения компоновки.

Нет худа без добра, это как раз и подвигло на изучение теории, и последующую замену двигателя на более экономичный.

Исходя из оптимизации по автономности, достаточно использовать двигатель мощностью 20 л. с. Такой двигатель выглядит минимально возможным из соображений безопасности, обеспечивая упор более 200 кгс. Максимальная скорость яхты на тихой воде также выглядит вполне достойной, составляя 6,5 – 6,7 узла. «Штилевой» экономичный ход со скоростью 5 узлов с потреблением топлива менее 2 л. в час обеспечивает переход в 1000 морских миль, или 500 – 600 часов зарядки бортовых аккумуляторов со штатной топливной цистерной объемом 350 л.

В связи с этим встал вопрос о замене винта. Стоявший у меня до сих пор трехлопастник от Vetus 17 дюймов с шагом 9 дюймов прекрасно работал, но становился заметным тормозом под парусами. Нужный по расчету трехлопастный винт 16х8 выглядел тоже достаточно большим по размерам. Может быть, есть смысл поставить флюгерный винт, к примеру от Maxprop, у которого лопасти поворачиваются «по потоку» во время хода под парусами? Так его цена в несколько раз больше!

По одним слухам, обычный винт на парусной яхте снижает скорость на 10—15%, по другим – скорость может упасть и на узел…

И тут передо мной встала задача, попробовать рассчитать потери, вносимые винтом, и прочими деталями, например, цинковыми протекторами, выступающими из корпуса, и выяснить, как они влияют на суточный переход. Кроме того, мне хотелось получить представление о расходе топлива и влиянии на расход гидродинамики корпуса.

Посчитав сопротивление корпуса, и приняв диаметр винта 17 дюймов и Сx =0,5, я получил совершенно удручающие результаты.