Опыт эксплуатации катеров водоизмещением 1,5—2 т, оснащенных четырехтактными двигателями и рассчитанных на туристское плавание с экипажем из 3—4 чел., нередко подтверждает, что расход топлива около 10 л на 100 км пути вполне реален. Однако на практике добиться высокой экономичности водоизмещающего катера можно только при следующих условиях: правильном выборе обводов корпуса и соответствующей им скорости движения, установке экономичного двигателя и выборе режима его работы, подборе оптимального винта и правильном его расположении относительно корпуса, т. е. при верном решении целого комплекса задач.
Для наиболее тихоходных и мореходных катеров оптимальным является корпус с острой кормой вельботного или крейсерского типа (см., например, книгу X. Бааде р а «Разъездные, спортивные и туристские катера», Л., «Судостроение», 1976). Целесообразными пределами скорости для катеров такого типа являются 9 км/ч при длине корпуса по КВЛ б м и 10 км/ч — при длине 7,5 м. Если эти значения скоростей превысить, увеличится ходовой дифферент катера и сопротивление воды его движению, возрастет потребная мощность двигателя и расход горючего на каждый пройденный километр пути. Поэтому для катеров, рассчитанных на водоизмещающее плавание с несколько более высокими, чем указано выше, скоростями, становятся оптимальными обводы корпуса с транцевой кормой. Широкая и полная корма создает подъемную силу, препятствующую возникновению чрезмерного ходового дифферента. Для водоизмещающего режима плавания достаточно, чтобы углубление траппа составляло 0,2— 0,25 осадки корпуса па миделе.
График, приведенный на рис. 1, дает наглядное представление о взаимосвязи скорости, водоизмещения, длины корпуса по ватерлинии, сопротивлении воды и расходе горючего (в литрах на 100 км пройденного пути) для катеров с транцевой кормой, на которых устанавливаются двигатели с удельным расходом горючего 250 г/л. с. ч. Предполагается, что гребной винт имеет параметры, позволяющие получить общий пропульсивный КПД, равный 0,5.
Анализируя график, можно установить, что для большинства катеров оптимальна скорость движения (с точки зрения расхода топлива) 9—11 км/ч. Эту скорость катер водоизмещением до 2 т может достичь при мощности двигателя всего 2,5—3 л. с. Для тяжелых и коротких катеров (D=1,5—2 т; L=6—7 м) незначительное повышение скорости по сравнению с оптимальной (всего на 2 км/ч) увеличивает расход топлива в 2 раза, т. е. на 10—15 л на каждые 100 км. Снижение же скорости на 2 км/ч уменьшает расход топлива всего на 3—4 л.
Для легких и длинных катеров удовлетворительный расход горючего можно получить при более высоких скоростях — 18—20 км/ч.
Хотя для плавания катера на экономической скорости потребная мощность двигателя составляет всего 2,5—3 л. с., устанавливать такой двигатель нерационально — необходим запас мощности для плавания в тяжелых метеорологических условиях. При этом нужно учитывать следующее: если мощность, снимаемая с двигателя, составляет менее 1/3 номинальной, то экономичность его работы снижается. Расход горючего при работе двигателя на частичной мощности можно оценить по графику, приведенному на рис. 2.
Поясним на примере, как пользоваться этим графиком. Предположим, на лодку длиной 6м (D=1,5 т) установлен двигатель мощностью 8 л. с., который развивает 3000 об/мин и имеет удельный расход топлива 320 г/л. с. ч. Если применен оптимальный гребной винт, то при полностью открытом дросселе двигатель разовьет 3000 об/мин; скорость катера составит 12.5 км/ч (рис. 1), расход топлива — 23 л на каждые 100 км. Но так как график построен для двигателей с удельным расходом 250 г/л. с. ч, то действительный расход пропорционально равен:
Если дроссельная заслонка прикрыта, режим работы двигателя изменяется по винтовой характеристике. Для водоизмещающих катеров в диапазоне скоростей 10—15 км/ч винтовая характеристика связывает мощность и частоту вращения зависимостью:
Учитывая, что 2,5 л. с. (мощность экономичного режима) составляет 31% максимальной мощности двигателя, равной 8 л. с., по кривой 3 (для оптимального винта) находим, что при этом отношение частоты вращения
а увеличение удельного расхода топлива из-за работы двигателя на частичной мощности q=1,4. Таким образом, расход топлива при N=2,5 л. с. и V=10 км/ч составит:
Двигатель при этом будет развивать: n = 3000·0,71 = 2130 об/мин.
Приведенные здесь и ниже расчеты расхода топлива ориентировочны, так как не учтены особенности обводов катера, марка двигателя, его износ и т. д. Действительный расход может изменяться в полтора и более раз. Однако эти расчеты позволяют наглядно оценить влияние того или иного фактора экономичности и, следовательно, выбрать оптимальные режимы работы двигателя, скорость, винт и т. д.
Из рис. 2 видно, что экономичность можно повысить, если установить более тяжелый винт. Например, чтобы при соотношении
войти в область оптимальных значений удельного расхода топлива, двигатель должен развивать при отношении
Эта область находится недалеко от винтовой характеристики 4 б. По этой характеристике можно определить, что если дроссельная заслонка полностью открыта, двигатель разовьет всего
что соответствует мощности 5,52 л. с.
Максимальная скорость с тяжелым винтом уменьшится до 11,3 км/ч, однако при этом уменьшится и расход топлива:
Если главная цель — повышение экономичности эксплуатации катера, то шаг винта следует выбирать таким образом, чтобы режим работы мотора на экономичной мощности находился в области минимального удельного расхода топлива, т. е. чтобы винт был заведомо тяжелым. Если необходимо иметь повышенный запас скорости (например, для постоянного преодоления сильного встречного течения и др.), винт рассчитывают на работу двигателя на максимальной точке винтовой характеристики. С другой стороны, применять излишне тяжелые винты нецелесообразно, так как при небольшой ошибке в определении параметров винта, а также при перегрузке катера двигатель будет работать по внешней характеристике, что нежелательно с точки зрения снижения моторесурса двигателя и его экономичности. Кроме того, при включении хода на пониженных оборотах двигатель с излишне тяжелым винтом, как правило, глохнет.
Проверка правильности выбора винта производится по числу оборотов «макс при максимальном открытии дросселя — отношение
тяжелых винтов должно быть не меньше 0,4—0,5.
Наиболее подходящим двигателем для катеров водоизмещением до 2 т был бы двигатель типа УД 15В, разработанный почти 15 лет назад (см. сборник №15 за 1968 г.). К сожалению, этот легкий и экономичный (удельный расход 230 г/л. с. ч) двигатель так и не был запущен в серийное производство. Данные по другим двигателям, которые можно устанавливать на катерах самостоятельной постройки, приведены в таблице.
Даже самые маломощные автомобильные двигатели оказываются весьма неэкономичными при эксплуатации на частичной (2—5 л. с.) мощности. При повышении скорости тихоходного катера с автомобильным двигателем расход топлива увеличивается незначительно, так как с увеличением мощности улучшается экономичность двигателя.
Так, для катера длиной 6 м и водоизмещением 1,5 т, на котором установлен двигатель МЗМА-408, выполнив расчеты подобно приведенному выше примеру, найдем следующие значения расхода горючего при различной скорости движения катера:
При установке двухтактных двигателей, наиболее доступные из которых — подвесные моторы «Ветерок» и стационарный лодочный мотор СМ-557Л, показатели получаются значительно менее экономичные. Вследствие повышенной мощности, низкой экономичности и малого диаметра гребного винта расход топлива на катере с двигателем СМ-557Л на экономичной скорости оказывается в 2,5 выше минимального, который можно получить при установке четырехтактного двигателя.
Для лодки с мотором «Ветерок» расход топлива увеличивается уже в 3—3,5 раза, причем этот мотор при установке на водоизмещающем катере практически не имеет запаса тяги. Например, при установке «Ветерка-8» на лодке «Онега» или «Форель» с 1—2 чел. на борту можно развить скорость 9 км/ч. При этом расход топлива оказывается больше в 2,5—3 раза, а масла в 25 раз, чем у тяжелого водоизмещающего катера с автомобильным двигателем, экономическая скорость которого к тому же выше на 1—3 км/ч.
Как правило, дизельный двигатель при равной мощности в среднем расходует на 30% меньше топлива (по объему), чем карбюраторный. Поэтому за рубежом, особенно в последнее время, получили широкое распространение одноцилиндровые дизели мощностью 6—8 л. с. и массой 50—80 кг. Водоизмещающий катер с таким двигателем на экономичном ходу расходует около 7 л на 100 км.
Из маломощных отечественных дизелей для установки на водоизмещающие катера наиболее подходят судовые двигатели семейства 2ЧСП 8,5/11 (или 9,2/11) мощностью 12—17 л. с. с частотой вращения 1500—1900 об/мин и массой с реверс-редуктором 295 кг; тракторные двигатели воздушного охлаждения Д21 мощностью 20—25 л. с. с частотой вращения 1600—2000 об/мин и массой (без сцепления) — 280 кг. Однако мощность указанных двигателей превышает оптимальную для катеров данного типа, поэтому расход топлива на экономичной скорости составляет 11—13 л на 100 км, т. е. практически такой же, как и при установке двигателя УД 25. Тем не менее моторная установка с дизелем обладает значительным запасом мощности, что позволяет более уверенно эксплуатировать катер в штормовых условиях и на течении, менее пожароопасна.
Приведенные выше соображения об экономичности двигателей различного типа оказываются справедливыми только для исправного двигателя. Следует помнить, что неправильная регулировка зажигания, клапанного механизма, сильное нагарообразование, перебои в зажигании могут увеличить расход топлива на 10—20%, а «Прожорливость» изношенного двигателя может быть в 1,5 раза выше, чем у нового.
Особого внимания требует и подбор оптимального гребного винта, элементы которого существенно отличаются от винтов глиссирующих катеров. Малая скорость катера вынуждает применять винты достаточно большого диаметра, несмотря на невысокую мощность Например, для 2,5-снльного двигателя диаметр достаточно эффективного винта составляет 400 мм при шаге 250—280 мм и частоте вращения 750 об/мин. В этом случае можно получить КПД винта около 60% и общий пропульсивный коэффициент движительной установки η=50%. Именно эти цифры принимались за исходные при составлении графика рис. 1.
Для эффективной работы винтов большого диаметра на пониженных оборотах требуется установка редуктора. Так, для двигателя УД 25 передаточное отношение редуктора при тяжелом винте должно быть 1,8, при нормальном — 3. Можно использовать редуктор от двигателя СМ-557Л, коробки передач от легковых автомобилей и т. п.
Увеличение частоты вращения винта понижает его расчетный КПД и, следовательно, экономичность. Так, при повышении частоты вращения с 750 об/мин до 1500 об/мин (диаметр винтов уменьшится до 290 м) расход топлива па экономичной скорости должен увеличиться в 1,2 раза, а при увеличении частоты вращения до 3000 об/мин (диаметр винта 200 мм) — уже в 1,5 раза.
Важно также обеспечить нормальный подток воды к винту, без помех от толстого бруса ахтерштевня, кронштейнов гребного вала и т. п. Винт большого диаметра, руль и дейдвуд хорошо обтекаемой формы, правильный выбор расстояний дейдвуда до кромок винта — это также обязательные условия получения высокой экономичности.
Гребные винты большого диаметра позволяют получить большой упор па швартовах, что важно для водоизмещающих катеров с маломощными двигателями, чувствительных к сильному встречному ветру. Аэродинамическое сопротивление при скорости встречного ветра 15 м/с имеет тот же порядок, что и сопротивление катера на экономичном ходу. В этих условиях запаса мощности двигателя при винте малого диаметра может не хватить даже для поддержания минимальной скорости, на которой катер еще управляется.
Как правило, водоизмещающие катера отличаются высокой мореходностью, большой грузоподъемностью. На таких катерах во время плавания удается создать достаточно комфортабельные условия, что позволяет увеличить суточный пробег, который можно сравнить с таким же показателем глиссирующего катера (см. сборник №86).
К сожалению, все достоинства водоизмещающего катера не всегда могут компенсировать его основной недостаток — малую скорость. Анализируя возможности, которые предоставляют любителям отечественные стационарные двигатели, авторы разработали концепцию водоизмещающего катера повышенной быстроходности, развивающего скорость 15—18 км/ч при приемлемой экономичности эксплуатации. По нашему мнению, одним из основных условий, которым должен удовлетворять такой катер, является сравнительно небольшая масса судна в снаряженном состоянии, она не должна превышать 1300—1400 кг. Соответственно масса корпуса должна быть ограничена 600—700 кг. Для уменьшения волнового сопротивления длину корпуса по ватерлинии следует принять максимальной (оптимальная длина по КВЛ L=8,5—9,0 м), для уменьшения сопротивления трения смоченная поверхность корпуса должна быть минимальной, Из этого следует, что катер должен быть узким и длинным, соотношение L/B должно составлять 6—8.
В предлагаемом проекте катера «Плес» соотношение Длины по КВЛ к ширине принято равным 5. Расход топлива у такого катера будет на 40—50% больше, чем с оптимальным соотношением размерений, однако уменьшение длины облегчит постройку и хранение катера.
Основные данные катера «Плес»
| Длина, м | |
| наибольшая | 8 |
| по КВЛ | 7,5 |
| Ширина, м | |
| габаритная | 2 |
| по КВЛ | 1,5 |
| Осадка, м | |
| корпусом | 0,3 |
| габаритная | 0,6 |
| Грузоподъемность, кг | |
| расчетная | 500 |
| максимальная | 1300 |
| Число спальных мест | 4—5 |
Ширина корпуса по ватерлинии — 1,5 м, оказывается недостаточной для создания комфортабельных условий для путешествий экипажа из 3—4 чел., поэтому обводы выбраны двускуловыми, с максимальной шириной корпуса выше КВЛ 2 м.
При установке автомобильного карбюраторного двигателя (МЕМЗ-966, -968; МЗМА-408, -407) катер может иметь полное водоизмещение около 1400 кг. Для получения расчетной скорости 18 км/ч потребная мощность составляет 16 л. с., расход горючего при этом — 33—35 л на 100 км пути. При экономичной скорости 11 км/ч будет расходоваться 16—20 л.
При установке дизеля (2ЧСП 8,5/11 или Д21) водоизмещение возрастает до 1550 кг. При использовании мощности 17,5 л. с. судно сможет развить скорость 17,5 км/ч, расходуя на 100 км пути 25—27 л топлива. При скорости 11 км/ч расход топлива уменьшается до 12—14 л.
Двигатель предполагается разместить под палубой кокпита и закрыть сверху съемным капотом. С носа и кормы моторный отсек выделен водонепроницаемыми переборками. Топливные баки емкостью по 100 л расположены в специальных выгородках по бортам моторного отсека.
Ходовая рубка совмещена с салоном и камбузом. По правому борту салона размещен отсек непотопляемости, который используется для хранения различного снаряжения. На схеме утолщенной линией показаны водонепроницаемые переборки. Наличие сплошных герметичных переборок в нижней части позволяет сделать корпус более прочным, облегчить конструкцию катера и, кроме того, разделить весь объем на 13 водонепроницаемых отсеков. Все переборки выполняют конструктивные функции и не мешают перемещениям экипажа.
Построить корпус можно и из легких алюминиевых сплавов. Дощатый катер из-за значительной массы будет иметь максимальную скорость около 13—14 км/ч. Особое внимание надо уделять всемерному облегчению внутренней отделки, судовой мебели, рациональному ограничению оборудования, предметов снабжения, запасов продовольствия, запасных частей и т. д. (Заметим, что перегрузка на каждые 100 кг увеличивает расход топлива на 15%). Катер можно эксплуатировать при водоизмещении до 2,5 т, но при этом экономически оправданными будут скорости до 12—13 км/ч.
Значительный развал шпангоутов обеспечивает положительную остойчивость катера вплоть до углов крена 60°, когда в воду входит линия борта. Поэтому катер достаточно безопасен при эксплуатации даже на волнении. Однако вследствие малой начальной остойчивости уже при плавании вдоль волны высотой 0,4—0,5 м катер испытывает значительную качку. Поэтому наиболее целесообразно его эксплуатировать на крупных реках, где достаточно высокая волна развивается только вдоль русла, т. е. качка будет в основном килевая; водоизмещающие катера именно при ходе против волны имеют мягкий ход и умеренную килевую качку. Из-за малой начальной остойчивости катер не имеет потопчин и для выхода на переднюю палубу оборудован съемным трапом и двойным откидным люком.