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

Формула для расчета сопротивления заторможенного винта в потоке воды.

F=Cx*S*p*v

/2; S – поперечная площадь тела, v – скорость лодки.

Параметры яхты (проект Hout Bay 40): длина КВЛ 10 м, ширина КВЛ 3.5 м, D=13 кубов.

Площадь заторможенного винта при дисковом отношении 0,5 – 0,049 кв. м., площадь цинковых протекторов – 0,025 кв. м.

При таких исходных данных расчетное сопротивление корпуса на скорости 4 узла – 57 кгс, а сопротивление винта – 49 кгс, протекторов – 25 кгс. Если скорость лодки возрастает, соотношение меняется, к примеру на 7 узлах – 278 – 149 – 77, то есть относительное влияние винта и прочих выступающих деталей падает с увеличением скорости. Это связано с возрастающим вкладом сопротивления формы.

В результате несложных вычислений получается вот такой график мощностей, по горизонтали – скорость в узлах, по вертикали – мощность движителя, приводящего судно в движение, в лошадиных силах.

N – мощность движителя, необходимая для движения «чистого» корпуса без протекторов и винта, N общая – мощность, нужная, чтобы двигать лодку при заторможенном винте, и с учетом протекторной защиты. N без учета винта – мощность для корпуса с протекторами. Этот график предназначен для иллюстрации потерь от протекторной защиты, при движении под дизелем.

Видно, что заметную долю вносят протектора, установленные на корпусе.

Оценка совпадения теоретических расчетов – с реалом довольно близко, также как и таблицей, приведенной в начале главы, во всяком случае лодка разгонялась до 8 узлов с мощностью 60—70 лс, сопротивление винта на скоростях 4—5 узлов по оценке примерно совпадает с расчетом.

Результаты расчетов позволяют сделать следующие выводы:

1. При движении под парусами лодка испытывает большое сопротивление от винта и протекторов.

Для движения со скоростью 5 узлов для «чистого» корпуса необходимо меньше 6 л.с., на корпусе «с навеской» при той же силе ветра лодка получит ход около 3,5 узлов. При усилении ветра влияние винта уменьшается, но остается довольно заметным – мощность 22,3 л.с., «чистый» корпус – 7 узлов, «реальный» – 5,8.

В реальном походе можно считать, что на типичных скоростях 4—6 узлов под парусами мы получим ежесуточные потери 30—40 миль, заметно уменьшить которые можно, используя складывающийся, либо флюгерный винт. Если при этом требуется обеспечить экономичность хода под двигателем, остается только флюгерный, так как к. п. д. складного винта заметно ниже. У «флюгера» фирмы Макспроп есть еще одно, очень важное преимущество. Шаг его лопастей можно уточнить по результатам испытаний, потому что он выставляется при сборке винта.

2. При движении под двигателем на скорости 6 узлов необходимая мощность – 11,1 л.с., навешенные протектора увеличивают ее до 15 л.с.! При этом расход топлива увеличивается от 2,6 л до 3,6 л за час. Для движения со скоростью 7 узлов необходимая мощность, соответственно, – 28,4 против 22,3 л.с., а расход топлива возрастает от 5,3 л до 6,7 л за час работы дизеля.

Отсюда следует интересный вывод – на 100 литрах диз. топлива и на скорости 6 узлов лодка пройдет 231 милю, со скоростью 7 узлов – 132 мили.

А если на корпус установить угловатые цинки протекторной защиты, то 167 миль и 104 мили, соответственно.

3. Вместо «протекторов» можно подставить необходимое, по вкусу – неудачную конструкцию скега или руля, обрастание корпуса в результате неправильного выбора краски, волочащиеся на ходу за кормой концы, тузик, и рыболовные снасти. Отметим, что «лишнее» сопротивление корпуса ниже ватерлинии сильно ухудшает показатели лодки, в отличие от «лишнего» веса. Поскольку сопротивление корпуса сильно зависит от ряда малозаметных факторов, на практике теоретические цифры сопротивления корпуса могут легко вырасти на 20—30% и более. Практический пример – после «большого» ремонта, когда подводная часть обрабатывалась пескоструем и покрывалась заново, скорость корпуса при прочих равных условиях выросла примерно на 10% – добавочные пол-узла хода.

4. Вся «теория», приведенная выше, подходит для оценки движения хорошо спроектированных и построенных яхт, имеющих винт с диаметром 4—5% от длины КВЛ.

5. КПД флюгерного винта ниже, чем у обычного винта, примерно на 10%, КПД складного – на 20—30%.

Судовая машина

Первый подход

(2004—2005)

2001 год. Прообраз машинного отделения

Я написал тогда: «Вопрос о выборе двигателя даже не стоял. Имея некоторый опыт эксплуатации и ремонта российских 4ча и зная цену на „янмары“ и прочие „волвопенты“ не остается никакого варианта, кроме использования „родного“ японского автомобильного дизеля. Мне по случаю достался 2,5 литровый „Мицубиси“ со свежеперевернутого микроавтобуса. Зато редуктор ждал своего часа много лет. Запасной „нулевый“ агрегат с польского дизеля „Рекен“, здоровенный и тяжелый, но простой и с гидравлическим управлением, упорным подшипником и водяным охлаждением. Потом к этому всему понадобятся – вал, винт, подшипники и сальник, система охлаждения, питания, выхлоп и прочие ужасы.»

Оглядываясь назад, в 2001 – 2004, годы строительства, когда одновременно решалась задача достройки корпуса, оснащения, пошива парусов, с постоянным цейтнотом и волевым распределением ресурсов и средств, текст этот выглядит наивным, тем интересней, что результат можно в целом считать успешным.

Первый эксперимент с двигателем окончился довольно быстро – дизель Mitsubishi 4D56 с японской «разборки» «умер» после пары сезонов эксплуатации. В результате был сделан вывод, что основной причиной аварии был выбор неподходящего двигателя – автомобильного, с «резиновым» ремнем газораспределения, и эксплуатация в нехарактерных для него режимах. Было наделано много ошибок при проектировании и монтаже сопутствующих систем и узлов. Тем не менее, задачи, поставленные перед ним, он выполнил – лодка успешно сходила в дальний поход на Цусиму, и, что не менее важно, был получен опыт конвертации и использования автомобильного дизеля в море, который удалось применить при строительстве версии 2 – на основе индустриального двигателя.

Версия 2. Дизель Mitsubishi L3E

(2005 – 2012)

Его удалось приобрести в течение пары месяцев с момента постановки задачи.

Поиски подходящего индустриального (тракторного) двигателя объемом 1,2 -1,5 л успехом не увенчались, а вот двигатели в районе литра и чуть меньше широко используются в рисоуборщиках, минитракторах, электростанциях и сварочных аппаратах японского производства. Двигатель с рисоуборочного комбайна и был приобретен для конвертации.

Дизель сделан с применением самых простых, и поэтому надежных конструкторских решений и рассчитан на длительную работу в условиях максимальной мощности.

У него механизм газораспределения на шестернях и рядный ТНВД, традиционно и удобно регулируемые зазоры клапанов.

Если верить табличке, двигатель этой серии предназначен для работы с постоянным креном-дифферентом 25 градусов, а на полчаса, при необходимости, его можно наклонить и на 30 градусов. Сухой вес 75 кг.

Общие характеристики двигателей L2 и L3

Характеристики мощности L3E в цифрах:

Максимум крутящего момента на 2—2,5 тыс. об. мин. Экономичный режим – от 2,2 до 2,7 тыс. об. мин. с потреблением топлива около 190 г/л.с. в час, при нагрузке от 13,7 до 15,6 л.с.

Двигатели этой серии выпускались для различных применений, и с разными спецификациями, которые, судя по сервисной инструкции, отличались максимальными рабочими оборотами, материалами, применяемыми для изготовления ответственных узлов, дополнительными деталями уплотнений.

Мне достался двигатель со спецификацией 3 тыс. об. мин, что означало максимальную мощность 20 л. с. Это выяснилось уже после сборки машины на лодке и проверки максимальных оборотов тахометром.

Система охлаждения двигателя

Для работы двухконтурной системы охлаждения по типовой схеме, необходимо вместо штатного радиатора установить водо-водяной холодильник (далее ВВХ), оставив на месте термостат. Это сформирует внутренний контур охлаждения, в котором под действием штатной помпы циркулирует тосол. Для внешнего контура охлаждения понадобится кингстон, фильтр морской воды, помпа внешнего контура, прокачивающая морскую воду через ВВХ, охлаждаемый выхлопной коллектор. После этого вода сбрасывается назад в море через выпускной тракт.

Помпа морской воды

Здесь не обойтись без минимальных расчетов. По надежной информации (Ю. Н. Мухин, Б. Е. Синильщиков. Автомобильный двигатель на катере) необходимо обеспечить не менее 40—50л. в час на 1 л.с. = 50*20=1000 л. ч. = 17 литров в минуту. В качестве помпы внешнего контура была использована стандартная CWP46.

Это помпа с резиновой крыльчаткой, она есть в каталогах Jabsco и Vetus, обеспечивает перекачку 46 литров в минуту при 2000 об. мин. на валу. Соответственно, для нормальной работы системы охлаждения на максимальных оборотах двигателя необходимо обеспечить не менее 1000 об. мин. вала помпы (23 литра в минуту). Передача вращения с двигателя – шкив на коленвале и ременная передача (см. чертеж).

Забор воды происходит через кингстон в днище, снабженный вентилем, отрезок вертикального трубопровода, который поднимается выше уровня ватерлинии и заканчивается фильтром морской воды.

Шкив на оси коленвала двигателя

Помпа морской воды

Фильтр нужно подобрать по максимальному потоку воды, который обеспечивает помпа (не менее 23 литров в минуту) и расположить в удобном для быстрого доступа месте.

Он должен легко открываться для очистки без применения инструментов. Не стоит использовать различные сетки и обтекатели на водозаборе, уменьшающие входное сечение. Они будут забиваться в первую очередь, отнимая работу у фильтра, в них образуются колонии морской флоры и фауны, а для чистки такой сеточки придется изрядно понырять под корпус.

Все эти мероприятия позволят максимально быстро, без перекрытия кингстона, очистить фильтр от морской травы, полиэтилена, другого плавающего мусора, и за несколько секунд восстановить работоспособность двигательной установки в море.