Гребные винты
Гребной винт и правила его выбора. Для чего и когда нужна его замена
Приобретение современного мощного мотора для лодки — не гарантия того, что на воде потенциал скрытых под капотом «лошадей» реализует себя в полную силу. Максимально эффективным комплект «судно + двигатель и поставленная цель (задача)» сделает грамотный подбор гребного винта. Как же выбрать оптимальную модель, которая позволит взять от мотора максимум и сохранить его моторесурс? На какие параметры ориентироваться? О чём спрашивать продавцов?
Ключевые характеристики гребного винта
Поскольку лодочные двигатели выпускают в большом разнообразии (производители, модели, мощность, типы), то и винты для них требуются не одинаковые. Гребные винты различают по шагу, диаметру, количеству лопастей, материалу, конструкции и диаметру ступицы и иным параметрам.
Конструкция и принцип работы винта
Основа работы винта — преобразование вращения гребного вала в силу, заставляющую судно перемещаться. Поэтому винт ещё называют движителем.
Прежде чем углубляться в тонкости выбора, начать следует с базовых параметров, а именно посадки на вал.
Существует два варианта соединения: шпоночное (на моторах небольшой мощности) или более распространённое шлицевое (у разных производителей количество шлицов гребного вала различаются).
Ступица должна входить по диаметру в обойму гребного вала; данный параметр у всех лодочных моторов тоже неодинаков.
Винт фиксируется на валу гайкой. Отвод отработанных газов в большинстве случаев идёт через ступицу, что повышает КПД. На «подвесниках» малой мощности при посадке гребного винта на шпонку выхлоп производится через отверстие под антикавитационной плитой.
Минимизировать для редуктора последствия ударов, наездов и вибрации помогает резиновая втулка-демпфер, находящаяся в некоторых винтах между ступицей и шлицевым валом. Через неё импульс вращения переносится от двигателя на движитель.
Cъёмная втулка — практичный способ экономно расширить диапазон рабочих режимов судна. Установив сменную втулку, достаточно просто менять лопасти разного шага и диаметра в зависимости от поставленной задачи.
Лопасти. Количество и форма
И количество лопастей, и форма влияют на эксплуатационные характеристики судна. С их увеличением растёт отношение диаметра к площади. Площадь действия сил, толкающих катер или яхту, становится больше, но усиливается также и сопротивление. Чем меньше лопастей, тем оно меньше.
Итак, обычное их количество в случае маломерного флота — 2–5; остальное встречается редко. Наиболее высоким КПД обладают двухлопастные пропеллеры. Однако их почти не используют (трудно обеспечить прочность лопастей): в основном на маломощных вспомогательных двигателях, устаревших моделях либо парусных яхтах. Словом, всюду, где нагрузка на винт минимальна.
Гребные винты с тремя лопастями — оптимальное решение в большинстве случаев, поэтому их устанавливают более чем на половине ПЛМ или двигателей с валолинией. Это обусловлено хорошими характеристиками работы пропеллера на всех оборотах, от малых до высоких.
Четырёхлопастной винт обладает лучшим балансом за счёт расстановки лопастей. Всё работает ровно, меньше проскальзывания, вибраций и больше упора на малых и средних оборотах. Такие винты облегчают и ускоряют выход в режим глиссирования при резком старте. Итак, в этих диапазонах большинство четырёхлопастных гребных винтов показывают результаты лучше, чем модели с тремя лопастями.
Винты с пятью лопастями актуальны для спортивных и гоночных катеров, оснащённых особо мощными двигателями, когда требуется реализовать избыточный потенциал последних.
Таким образом, для «обычной жизни» остаётся выбор: три или четыре, и споры между сторонниками одного и другого варианта бесконечны.
Не существует универсального ответа на вопрос «Какой гребной винт лучше?».
Эффективнее тот, что грамотно подобран для решения определённой задачи, поставленной перед конкретным комплектом.
Каковы основные отличия между данными модификациями? Трёхлопастные винты, как правило, позволяют развить большую скорость на максимальных оборотах, а расход топлива в таком режиме будет меньше.
Зато дальние переходы при крейсерском ходе (до 80% от номинальных оборотов) экономичнее с четырёхлопастным винтом. И при повышении нагрузки (буксировка лыжника или «ватрушки», лишние пассажиры на борту, внезапная волна) обороты не просядут благодаря хорошей «упираемости». Более уравновешенная работа мотора даёт возможность снижения минимальной рабочей частоты вращения, а хороший упор позволит идти в глиссирующем режиме при более низких оборотах.
Форма контура лопасти, как и их количество, также видна невооружённым глазом и тоже значительно влияет на КПД. Может быть симметричной или саблевидной (второй вариант встречается чаще, поскольку такая конструкция за счет более плавного входа в воду меньше подвержена кавитации и отличается меньшей вибрацией). Использование суженных к концам лопастей снижает трение, и это используется для винтов на скоростные суда.
Самое продуктивное соотношение тяги и скорости обеспечивают наиболее распространённые варианты контура: эллипс и «круглое ухо». Существуют многообразные различия и в профилях сечения лопастей.
Чем интенсивнее растут мощности моторов и быстроходность судов,
тем выше требования к особенностям геометрии гребных винтов.
Шаг. «Грузовой» и «скоростной»: в чём ошибка?
Шагом называют расстояние, которое винт за один оборот пройдёт в идеально твёрдой среде. Поскольку вода не даёт пропеллеру жёсткой связи, на практике он проскальзывает. Таким образом, реальный шаг винта всегда меньше теоретического. Коэффициент проскальзывания в разных ситуациях отличается. Максимальные показатели по этому параметру будут у пришвартованной лодки с работающим ПЛМ; минимальное скольжение — у глиссирующего на максимальной скорости лёгкого судна. По данному параметру определяют пригодность винта к комплекту.
Гидродинамика винта — тема замысловатая, а моделей с универсальным шагом не существует. Даже одному комплекту «лодка + мотор» понадобятся винты с разным шагом. Это позволит обеспечить оптимальную работу двигателя в разных условиях: пустое судно с одним рулевым либо группа пассажиров с грузом. Или буксировка воднолыжника.
Как правило, шаг подбирают таким образом, чтобы мотор при полностью открытой заслонке дросселя попал в рабочий диапазон оборотов (данные прописаны производителем в паспорте и индивидуальны для каждого мотора).
Часто владелец лодки выбирает винт с большим шагом, чтобы получить более высокую скорость. Но реальность эту теорию периодически опровергает. По разным причинам.
Различающаяся конфигурация лопастей двух современных винтов с заявленным шагом в 13” от разных производителей может сделать один экземпляр значительно «тяжелее» в работе, чем другой. Даже незначительное изменение диаметра винта также способно ощутимо повлиять на прирост оборотов. Поэтому любые расчёты и идеи относительно подбора винта требуют методичной проверки на воде.
Некорректно называть винт тяговым или скоростным. Они могут быть более скоростными или грузовыми лишь при сравнении одного с другим и оценке влияния на комбинацию «лодка + ПЛМ». Последних вариантов множество. И конкретный экземпляр винта на одном комплекте покажет себя более грузовым, а на другом — более скоростным.
Диаметр
В маркировке, нанесенной на винт, — это вторая единица параметров, требующая особого внимания и определяющая размеры гребного винта. Измеряется по окружности, описанной кончиками лопастей.
Диаметр зависит от размеров судна; он «в ответе» за упор, приёмистость мотора и коэффициент проскальзывания в воде. При сравнении винтов одинакового шага образец большего диаметра предотвращает проскальзывание под нагрузкой, даёт лучший упор и сильнее грузит двигатель.
Если говорить о соотношении шага и диаметра: на винтах «средней линии» чаще всего зависимость обратная — выше шаг, меньше диаметр. Но это обычно не касается пропеллеров «крайних размеров»: совсем миниатюрных или очень больших.
Современные модели для моторов большой мощности отличаются заметным отгибом выходящей кромки (интерцептором). Это работает так же, как закрылок самолётного крыла, только в воде: препятствует потере упора, позволяют уменьшить проскальзывание и в итоге увеличивает КПД. Кромка усиливает способность гребного винта захватывать жидкость. Особенно актуальна такая конструкция движителя для судов с большим углом ходового дифферента.
Для сравнения: аналогичные алюминиевые лопасти со слабо выраженным интерцептором или без такового будут просто резать воду без упора, а мотор с рёвом уйдет в «перекрут». Они имеют меньший отклик на действия судоводителя. К примеру, он немного прибавит газа, тахометр покажет рост оборотов, а скорость останется прежней. Или вырастет, но с задержкой: винт сначала будет буксовать.
Сталь или алюминий: что выбирать?
…Он постоянно упирается, толкая судно вперёд. Его подтачивают коррозия из-за непрерывного воздействия воды и кавитационная эрозия. Песок и камешки на мелководье работают как абразив. И это ещё если повезёт не столкнуться с препятствием!
Гребной винт с учётом требований производства и ремонтопригодности должен быть прочным, пластичным и стойко переносить вышеописанные трудности.
Этим требованиям вполне соответствуют алюминиевые сплавы разных составов, поэтому винты из них наиболее распространены.
Нержавеющая сталь также хороша для изготовления гребных винтов. На третьем месте — изделия из сплавов цветных металлов (многокомпонентная бронза и комбинации с алюминием).
Благодаря развитию химии для изготовления современных моделей применяют и композитные материалы. Их существенные характеристики таковы: невысокая стоимость, низкий КПД «благодаря» толстому профилю лопастей, ремонтонепригодность. Зато они абсолютно устойчивы к коррозии.
Основные преимущества винтов из мягких алюминиевых сплавов: бюджетная стоимость и мягкость. При контакте с подводным препятствием они страдают, зато ценой своей «жизни» спасают куда более дорогостоящий редуктор. Преимущество сплавов алюминия с магнием, кремнием, марганцем и титаном — в том, что их легко отливать и обрабатывать, но невысокая прочность вынуждает делать лопасти толще. Как тупым ножом труднее резать продукты, так и мотору сложнее вращать такую модификацию. Однако у всего есть свои плюсы. На абразивном фарватере винты из мягкосплавного состава «ходят» дольше, и сторонники гаражного ремонта ценят их за возможность самостоятельно выправить после небольших столкновений с камнями или бревнами.
Некоторым компромиссом станет выбор очень твёрдого сплава алюминия. В литье и обработке он сложнее, но качества материала позволяют уменьшить толщину лопастей. Рабочие обороты вырастут, так как двигателю проще и легче «крутить» такой винт. Но твёрдость вкупе с хрупкостью тонких лопастей делает его расходным узлом. Последствия наезда на камень или вылета на мель суровы: лопасти выкрашиваются крупными кусками или просто выламываются…
Модели из нержавейки превосходят алюминиевые по всем статьям. Конечно, такой винт «быстрым» делает не сталь, а особенности конструкции, основанные на характеристиках материала.
Они лучше держат геометрию, в целом более сбалансированы; металл крепче и твёрже, за счет чего лопасти можно делать тоньше, а угол их наклона — больше. Потери на трение уменьшаются благодаря высокой чистоте обработки поверхности и точности профилировки. В целом это даёт наилучшие гидродинамические характеристики.
Правда, иногда «излишняя» прочность невыгодна. В момент встречи мотора с подводным препятствием винт, несмотря на демпфер, выстоит и передаст импульс удара на более слабые узлы: корпус, вал, редуктор, шестерни...
А ключевой сдерживающий фактор при выборе материала — стоимость.
Методика подбора лодочного винта
Вопрос краеугольный: зачем его менять? Обычно производитель мотора устанавливает на него некий винт. Задача судовладельца — понять: требуется ли замена в принципе? Что конкретно не устраивает в работе имеющегося? Позволит ли новый винт улучшить показатели?
Без тахометра на эти вопросы не ответить, оптимальный гребной винт не подобрать.
Измеряем количество оборотов, делаем расчёты и выводы
Первый шаг к новому винту — измерить характеристики его предшественника, поставляемого с завода. После того, как сняты показания тахометра на данном комплекте «судно + мотор», следуют предварительные выводы: какие шаг, диаметр, форма лопастей подойдут для конкретных катера или лодки. Не помешают и промежуточные измерения (скорость, количество оборотов) с момента выхода в глиссирующий режим и далее, до момента, когда двигатель раскрутится до максимума. С интервалом каждую тысячу оборотов.
Как анализировать полученные данные? «Недокрут», когда ПЛМ не развивает рекомендуемые максимальные обороты, характерен для тяжёлых лодок с небольшим движком или использовании винта с излишне большим шагом. Его называют гидродинамически тяжелым (к его физической массе это не относится). «Недокрут» чреват повышенными нагрузками на все узлы и невозможностью реализовать потенциал двигателя.
«Перекрут» (переход за предельно допустимое количество оборотов — мотор идёт «вразнос») не менее вреден для двигателя, эксплуатация в режимах работы выше расчётных противопоказана. «Лёгкий» гребной винт нехорош даже на средних оборотах. Повышенный расход топлива и низкая скорость увеличивают время пути и снижают моторесурс.
Изменение шага винта в большую сторону на один уменьшает количество оборотов в минуту на 200-300. И наоборот.
· «перекрут» и «недокрут» на максимальном газе снижают моторесурс и КПД двигателя
· шаг больше — обороты ниже; шаг меньше — обороты выше (изменение на 1 дюйм — изменение примерно на 200–300 об/мин).
Кроме шага, меняется и диаметр, причём его влияние на количество оборотов очень заметно: полдюйма туда или сюда «дадут» 400-500 об/мин. Увеличение убавляет количество оборотов, уменьшение повышает.
Если же судно развивает оптимальную скорость, при этом мотор нормально развивает максимальные обороты и не перекручивает на открытой дроссельной заслонке, — можно делать вывод: винт подобран верно. КПД достаточно высок, потенциал комплекта реализован полностью. Следовательно, данный винт в замене не нуждается.
Испытания. Ожидания и реальность
Подбирая винт, каждый судовладелец преследует конкретную цель. Это может быть высокая крейсерская скорость либо уверенное движение катера при буксировке лыжника и т.п. Скоростные модели имеют более узкое поле применения, а винт меньшего шага может использоваться как запасной или в качестве тягового, когда на борту много груза или пассажиров.
Сравнение гребных винтов Baeksan для лодочного мотора Yamaha 9.9–15
Конечно, всегда будет хотеться чего-то лучшего, к тому же на практике всегда существуют какие-то досадные «мелочи». То медленно разгоняется; то на глисс с лишним пассажиром выходит мучительно… Предела совершенству нет. Однако на поведение судна оказывают влияние не только очевидные параметры винта (шаг, диаметр, форма/площадь/количество лопастей), но и более тонкие его нюансы: толщина входящей кромки, наличие интерцептора и т.п. Таких «мелочей» очень много, и далеко не все очевидны.
Не стоить верить в миф «оригинальные винты лучше». Производитель моторов не всегда разрабатывает винты и участвует в их конструировании, расчётах, испытаниях. Чаще всего фирмы просто заказывают винты с собственным логотипом у завода-изготовителя. А уж там выпускают продукцию под разнообразными торговыми марками.