В следующем номере будет напечатана статья известного автора ряда пособий для судоводителей-любителей киевлянина В. К. Елисеева, дающая богатый материал (таблицы и графики) для количественной оценки расхода топлива при различных сочетаниях серийной лодки, подвесного мотора и гребного винта.
Проблема топливосбережения выдвигается сегодня на первый план во всех развитых странах. В немалой степени эта проблема занимает и тех, кто связал свою жизнь с водным транспортом, с водными видами спорта и отдыха.
Перспективные пути топливосбережения можно наметить, только рассматривая судно (катер, мотолодку) как единый комплекс, состоящий из корпуса — потребителя энергии, двигателя — источника энергии и движителя (в частности гребного винта) — преобразователя энергии. И совершенствование любого из этих элементов, и улучшение их взаимодействия будут способствовать снижению расхода дорогостоящего топлива. Таким образом проблема топливо-сбережения может решаться по двум глобальным направлениям: за счет повышения эффективности работы собственно энергетической установки и путем совершенствования судовой гидродинамики, при чем специалисты-кораблестроители считают, что второе направление даже более перспективно.
По всей видимости, этот вывод в еще большей степени справедлив применительно к малым моторным судам, где практически исключена возможность повышения экономической эффективности двигателя (например — за счет глубокой утилизации тепла уходящих газов, использования валогенераторов и других навесных агрегатов, применения относительно дешевого тяжелого топлива и других мероприятий, широко реализуемых на крупнотоннажных судах).
Поэтому в первую очередь остановимся на гидродинамических способах энергосбережения, которые включают:
- снижение сопротивления среды (воды, воздуха) движению судна;
- повышение эффективности движителя;
- улучшение взаимодействия движителя с корпусом.
Наибольшего эффекта можно ожидать от использования одновременно всех трех перечисленных способов, однако реализовать такой вариант и, соответственно, приблизиться к идеалу, удастся только в том случае, когда все энергосберегающие решения будут заложены в проект судна.
Для основной же массы судоводителей-любителей, использующих серийные глиссирующие мотолодки и серийные подвесные моторы, гораздо больший интерес представляют именно такие способы повышения их эффективности, которые можно внедрять без существенных конструктивных изменений. Именно с таких позиций и постараемся рассмотреть интересующий нас вопрос.
Мощность PS (кВт), необходимая для движения судна со скоростью v (м/с), определяется простейшей зависимостью
— где R(v) — сопротивление среды движению корпуса, кН; ηD — пропульсивный коэффициент, характеризующий эффективность работы гребного винта за корпусом, т.е. взаимодействие движителя и корпуса.
Как мы видим из этой формулы, повышение гидродинамической эффективности судна, т.е. снижение требуемой для движения с заданной скоростью мощности, а вместе с этим и количества потребляемого топлива, возможно за счет уменьшения сопротивления или увеличения пропульсивного коэффициента , либо, в идеале, когда удастся реализовать одновременно и то, и другое.
Рассмотрим сначала способы снижения сопротивления среды движению корпуса судна.
Шероховатость смоченной поверхности корпуса
Шероховатость смоченной поверхности корпуса увеличивает ту составляющую общего сопротивления движению, которую называют сопротивлением трения, причем в тем большей степени, чем более неровна поверхность. Количественной характеристикой этой неровности является так называемая среднеквадратичная высота бугорков шероховатости Кδ. Величина последней зависит от материала наружной обшивки, качества ее обработки и окраски.
При определенных, достаточно малых: значениях высоты бугорков шероховатость поверхности не оказывает влияния на сопротивление трения такую поверхность называют гидродинамически гладкой.
Для мотолодок и катеров со скоростями движения 20-40 км/ч гидродинамически гладкой будет поверхность в том случае, когда максимальные значения высоты бугорков лежат в пределах Кδ=(10-20)·10—3 мм, причем большим скоростям отвечают меньшие значения (см. "КиЯ" №153). Для ориентировки приведем некоторые характерные величины Кδ в мм:
- стальная свежеокрашенная поверхность — (20-40)·10—3;
- тщательно обработанная шлифованная деревянная поверхность, покрытая лаком, — (10-15)·10—3.
Таким образом, в принципе можно довести поверхность корпуса до состояния гидродинамической гладкости, но вот поддерживать ее в таком виде в течение всего времени эксплуатации практически невозможно: шероховатость возрастает как за счет механических повреждений покрытия, так и, в некоторых случаях, из-за обрастания. О влиянии последнего можно судить по результатам исследований, проведенных применительно к морским судам: среднее суточное возрастание сопротивления корпуса за счет обрастания составляет от 0.5% в теплой воде до 0.25% в воде с умеренной температурой. В пресной воде процесс обрастания гораздо менее интенсивен. Для маломерных судов подобных данных нет, но ухудшение поверхности из-за обрастания существенно и для них.
Что касается количественных данных, то для малых быстроходных судов со свежеокрашенным корпусом дополнительное сопротивление от шероховатости может составлять 7-12%, причем большие значения относятся к меньшим по размеру судам. Отсюда и рекомендация: постоянно следить за состоянием подводной части корпуса и постоянно поддерживать ее в приемлемом виде.
Нагрузка катера
Нагрузка катера существенно влияет на сопротивление его движению, поскольку увеличение водоизмещения напрямую связано с увеличением осадки, а соответственно — и площади смоченной поверхности, и самой формы погруженной в воду части корпуса (что на глисирующих лодках изменяет характер волнообразования и вызывает серьезное возрастание потерь мощности). Так, на рис. 1 приведены экспериментальные данные, относящиеся к "Прогрессу-2" с двумя и четырьмя пассажирами на борту (см. "КиЯ" №57). При этом водоизмещение соответственно составляло 0.475 и 0.7 т. Как мы видим, увеличение нагрузки на 225 кг приводит к существенному (до 25-50% на скоростях 18-28 км/ч) росту сопротивления, а следовательно и затрачиваемой мощности, и расхода топлива.
Отсюда первый, достаточно тривиальный вывод о необходимости тщательной ревизии всего находящегося на борту груза и безжалостного избавления от части запасов: запасного якоря, лишней бухты троса и т. д. При этом экономия топлива будет приблизительно пропорциональна отношению массы оставленного на берегу груза к водоизмещению мотолодки. Это справедливо при сравнительно небольших, в пределах 10-15%, изменениях нагрузки.
Правда, ситуация выглядит иначе, когда водоизмещение меняется существенно. Из сопоставления безразмерных характеристик для тех же двух вариантов нагрузки нашего "Прогресса" (рис. 2) следует, что хотя с ростом водоизмещения мотолодки возрастает и ее сопротивление, удельные затраты энергии, т.е. затраты, отнесенные к единице массы, могут при этом падать. Необходимо при этом отметить, что последний вывод не является абсолютным. Он справедлив для конкретной мотолодки ("Прогресс"), конкретного диапазона изменения нагрузки и конкретного диапазона относительных скоростей.
Привести подобные данные для других катеров в настоящей статье не представляется возможным в силу огромного разнообразия форм обводов, возможных пределов изменения нагрузки, относительной скорости и других факторов, определяющих сопротивление движению.
Воздушное сопротивление
Воздушное сопротивление существенно только для достаточно быстроходных катеров, для которых оно может составлять 10-15% общего сопротивления и более. Однако, возможности его снижения, особенно у маломерных судов серийной постройки, весьма ограничены. Общие рекомендации — убирать с палубы все лишнее, не размещать на ней плохо обтекаемых предметов. Одним из таковых является ветровое стекло. Остановимся на его влиянии чуть подробнее. Так, у того же "Прогресса" площадь ветрового стекла приблизительно 0.7 м2; оно установлено под углом 60°. Если в штиль его сопротивление не превышает 2-5% сопротивления лодки в целом, встречный ветер силой 5 м/с практически эту цифру уже удваивает: на высоких скоростях хода сопротивление ветрового стекла можно оценить по рис. 1.
Чтобы снизить указанное сопротивление, нужно уменьшить площадь стекла либо угол его установки. Если снижать только угол установки стекла, оставляя неизменной высоту, то окажется, что все уменьшение не превысит 10% сопротивления стекла, т. е. практически на сопротивлении "Прогресса" в целом не скажется. Таким образом любые манипуляции с ветровым стеклом рассматриваемой мотолодки не способны заметно повлиять на расход топлива.
Обтекатель редуктора ПМ
Обтекатель редуктора подвесного мотора создает весьма ощутимое сопротивление (см. рис. 1). Для его снижения стоит воспользоваться рекомендациями, приводимыми в "КиЯ" №133: в частности, отполировать всю наружную поверхность подводной части мотора, заполнить шпаклевкой крепежные отверстия. Однако представляется, что гораздо большего эффекта можно добиться, снижая гидродинамическое сопротивление подводной части мотора.
Опытные водномоторники утверждают, что без ущерба для эффективности работы движителя и охлаждения двигателя погружение гребного винта можно уменьшить. Оптимальное погружение — положение оси гребного винта — в каждом конкретном случае не так уж сложно установить путем эксперимента.
Для предварительных, очень приближенных оценок можно считать сопротивление обтекателя редуктора пропорциональным площади его смоченной поверхности. Тогда, эмпирически определив минимально допустимое погружение (два критерия: надежное охлаждение и отсутствие аэрации винта) и найдя уменьшение смоченной поверхности, по сравнению с первоначальным, соответствующим штатному погружению оси винта, можно с использованием зависимости 3 на рис. 1 оценить достижимое снижение сопротивления.
Центровка
Центровка, т.е. распределение нагрузки по длине катера, оказывает существенное влияние на его сопротивление. Это относится ко всем типам маломерных судов, но особенно заметно у быстроходных катеров и мотолодок.
В качестве иллюстрации на рис. 3 приведены кривые сопротивления мотолодки водоизмещением 0.5 т, по обводам близкой к "Казанке". Сопоставляются две центровки, количественной характеристикой которых принято считать отстояния центра тяжести от транца, отнесенное к длине мотолодки по скуле.
Перемещение ЦТ из оптимального положения в нос на 10% сразу же приводит не только к тому, что на стоянке лодка сидит "свиньей", т.е. имеет стояночный дифферент на нос, но и к существенному возрастанию сопротивления и в конце переходного режима движения, и при глиссировании, когда скорость превышает 7 м/с, а число Фруда равно 2.5.
С целью определения оптимальной центровки конкретного катера при нагрузке также лучше всего прибегнуть к эксперименту. Этот путь поиска истины — наиболее приемлемый, правда, лишь в том случае, когда имеются надежные способы регистрации варьируемых величин. Если обычный любитель подобных возможностей не имеет, можно обратиться к специальной литературе, в частности, применительно к быстроходным катерам, — к монографии И. Т. Егорова, М. М. Бунькова и Ю. М. Садовникова "Ходкость и мореходность глиссирующих судов", обобщающей отечественный и зарубежный опыт. В книге приводятся результаты экспериментальных исследований нескольких систематических серий моделей быстроходных судов, даются рекомендации по выбору их формы, нагрузки, центровки и т.д.
Совершенствование движителей
Совершенствование движителей — еще одно и очень важное направление топливосбережения. Подавляющее большинство маломерных судов оборудовано гребными винтами, поэтому в дальнейшем будем говорить только о них.
В идеале гребной винт должен быть оптимальным, т.е. выполнять условия задания и обладать при этом наивысшей эффективностью, другими словами — иметь наибольший возможный КПД. Гребной винт должен соответствовать двигателю — т.е. при номинальной частоте вращения гребного вала использовать номинальную мощность двигателя.
Вообще говоря, подобная ситуация возможна только для какого-то одного фиксированного режима движения. Фактически этот заданный фиксированный режим — понятие достаточно условное: трудно ожидать одновременного совпадения с одним-единственным расчетным случаем целого ряда постоянно изменяющихся и не зависящих один от другого факторов (нагрузка; центровка; фактически возможная скорость при конкретном сочетании силы ветра, высоты волны и курса относительно бега волны; состояние корпуса, двигателя и винта и т.д.). Еще сложнее дело обстоит в том случае, когда по условиям эксплуатации возможны режимы, существенно отличающиеся один от другого.
Вновь возвратимся к "Прогрессу", о котором шла речь выше. Оценочные расчеты показывают, что, если принять в качестве двигателя 30-сильный "Вихрь", то характеристики оптимального гребного винта, выбранного для тех же двух вариантов нагрузки, будут различаться. Так, при одинаковом диаметре (d=0.23 м) трехлопастной гребной винт, оптимальный для D=0.475 т, будет иметь шаговое отношение P/d=1.45 и обеспечивать скорость 12 м/с, а для D=0.7 м — шаговое отношение 1.35 и скорость 11.4 м/с. Хотя различия в геометрии и невелики , тем не менее, первый винт окажется гидродинамически тяжелым для мотолодки с четырьмя пассажирами (двигатель не сможет развить номинальные обороты и полную мощность), а второй наоборот — гидродинамически легким для той же лодки с двумя пассажирами (обороты двигателя при этом превысят номинальное значение). В обоих этих случаях гребной винт будет работать в режимах, отличных от расчетного оптимального — с более низким КПД.
Ситуация усугубляется, если возможные варианты загрузки изменяются в более широких, чем рассмотренные, пределах.
Рекомендуемый идеальный, хотя не всегда приемлемый выход из положения — для каждого типичного режима движения своей лодки иметь отдельный винт.
Специально для возможности такой перестановки винта в зависимости от конкретных условий рейса заводы-изготовители подвесных моторов обычно выпускают наборы сменных гребных винтов (как минимум из двух: "грузового" и "скоростного"). В свое время выпускались и "перенастраиваемые" гребные винты — мультипитчи.
Перспективны и такие пути повышения эффективности гребного винта, как полировка его лопастей, использование вместо штатного — винта, специально спроектированного для конкретного катера. Указанные мероприятия могут повысить КПД движителя на 5-7% (см."КиЯ" №133).
Стиль езды
Стиль езды — один из основных факторов, фактически влияющих на путевой расход топлива. Всегда ли оправдано движение с максимальной скоростью?
Рассмотрим этот вопрос применительно все к тому же "Прогрессу". Для определенности примем, что при водоизмещении 0.475 т мотолодка оборудована тем же подвесным мотором (номинальная мощность 30 л.с. при частоте вращения коленвала 5000 об/мин). Удельный расход топлива примем равным 0.35 кг/л.с./ч и будем считать его постоянным, не зависящим от оборотов двигателя. В соответствии с приведенными выше данными оптимальный гребной винт обеспечивает максимальную достижимую скорость 12 м/с.
Предположим далее, что нашему "Прогрессу" предстоит преодолеть путь длиной в 100 км. Задаваясь различными скоростями от 8 до 12 м/с, определим время, затрачиваемое на этот путь, и необходимое количество топлива. (Наши расчеты носят оценочный характер, поэтому правомерно принять, что необходимая частота вращения гребного вала пропорциональна скорости движения, т.е. не изменяются ни поступь винта, ни, соответственно, его гидродинамические характеристики, в частности — его КПД, равный 0,69.)
Расчеты показывают, что при движении с максимально достижимой скоростью 12 м/с указанный путь "Прогресс" пройдет за 139 минут, а расход топлива при этом составит — 24.3 кг.
Снижение скорости естественно приведет к увеличение времени в пути. Посмотрим, как скажется это на расходе топлива (см. рис. 4). В рассматриваемом примере снижение скорости всего на 1 м/с, обеспечивает экономию топлива на 2.7 кг, тогда как проигрыш во времени не превышает 13 мин!
Качественно аналогичная картина имеет место и при изменении расчетной протяженности пути, и для других нагрузок "Прогресса", либо других мотолодок и катеров.
Если речь не идет о гонках, всегда имеет смысл помнить о сказанном выше, и в каждом конкретном случае выбирать скоростные режимы с учетом экономичности работы двигателя. Иногда, когда судоводитель сознательно идет на некоторое снижение среднерейсовой скорости, вместо использования имеющегося мотора на пониженных оборотах выгоднее (если, конечно, есть возможность) заменить подвесной мотор менее мощным Например, вместо "Вихря-30" поставить "Нептун-23", имеющий не только меньший часовой расход топлива, но и меньшее собственное сопротивление движению.
Контроль
Может возникнуть вопрос — каким образом эти самые выбранные режимы контролировать? Наиболее правильный способ — замер частоты вращения коленчатого вала двигателя и сопоставление ее с данными предварительно проведенных расчетов для конкретного катера с конкретным двигателем и оптимальным гребным винтом.
Опытные судоводители записывают и на досуге анализируют фактические показатели каждого выхода. Это дает им возможность с достаточной точностью заранее выбирать оптимальный со всех точек зрения режим движения и маршрут перехода.
Еще раз подчеркнем, что эффективность всех без исключения рассмотренных выше путей экономии топлива в значительной степени зависит от индивидуальных особенностей судна. Соответственно индивидуальным должен быть и подход к использованию этих путей.