Подбор и доработка гребного винта

Выжимаем скорость

Подбор и доработка гребного винта

Иногда создается впечатление, что для отечественных водномоторников этот показатель является чуть ли не определяющим, способным полностью затмить все прочие качества мотолодки или катера. По крайней мере, именно "скоростная" тема подвергается в определенных кругах наиболее живому обсуждению, а после редакционных тестов нам с завидным постоянством задают один и тот же вопрос: "Ну, сколько едет?" Что ж, в стремлении двигаться побыстрей нет ничего дурного. На достижение этой цели направлена значительная часть усилий конструкторов и судостроителей, но многое зависит и от нас самих, конечных потребителей. Наиболее важный фактор в деле достижения максимальной скорости - это грамотный подбор гребного винта. На эту животрепещущую тему мы и побеседовали с нашим постоянным консультантом, одним из сильнейших спортивных винтовиков страны Александром Беляевским.

По словам Александра, только за счет этого на серийной прогулочной лодке со стандартным мотором можно добиться до 10% прироста "максималки". Впрочем, одним лишь подбором готовых винтов, как правило, не обойтись - фанату скорости, поставившему себе цель выжать из лодки и мотора все возможное, надо быть готовым к тому, что винт придется подвергнуть некоторой доработке. Вообще-то дело это не из простых, особенно когда речь идет о гонках или установлении рекордов - недаром даже именитые гонщики прибегают при этом к услугам специалистов, но на"потребительском" уровне неплохих результатов можно добиться и "малой кровью", когда каких-либо особых знаний и навыков, а также специального оборудования не понадобится - необходимо лишь умение держать в руках напильник.

Но для начала, чтобы более отчетливо понимать, что придется сделать и почему, освежим в памяти несколько теоретических моментов.

Три кита

Как правило, большинству даже начинающих водномоторников известна разница между "тяжелым" и "легким" гребными винтами (о тех, кто при этом применяет метод взвешивания в руках, речь в данном случае не идет). Понятно также, что сами по себе винты не могут относиться к той или иной категории - употребляются эти понятия только применительно к конкретному комплекту "лодка плюс мотор" с определенной нагрузкой. "Тяжелый" не позволяет мотору развить рабочие обороты, а с "легким" стрелка тахометра уходит за пределы шкалы.

В обоих случаях двигатель работает в неоптимальном режиме и не выдает всей заложенной в него мощности. Многие возлагают ответственность за это исключительно на такой показатель, как шаг винта (рис. 1), определяемый углом наклона его лопастей относительно ступицы. (Рискуя навлечь на себя гнев истинных "технарей", все же определим его для простоты дела как расстояние, которое прошел бы винт за один полный оборот, будь он не в воде, а в твердых ответных направляющих - наподобие болта, ввертываемого в гайку).



Рис. 1 Шаг винта можно условно представить как расстояние, котороe он пройдёт за один оборот в неподвижном и жестком резьбовом канале (а). Многие спрашивают, не изменяется ли шаг по длине лопасти, ведь каждая из них тоже "закручивается винтом". Нет, подавляющее большинство винтов для подвесных моторов имеют один и тот же шаг что у ступицы, что на концах лопастей. Разница углов объясняется разницей диаметров и, соответственно, длин окружностей. Вот, например, под какими углами располагается на разных диаметрах лопасть у гребного винта шагом 400 мм и диаметром 420 мм (б). Кстати, именно так и делаются угольники для контроля винта на шаговой плите. Винты с переменным по длине лопасти шагом можно встретить только у спортсменов, и достигается это, как правило, рихтовкой. На рисунке (в) показано построение контрольных угольников для того же винта, шаг которого начиная с диаметра 200 мм либо увеличен до 45° мм (красные линии), либо уменьшен до 35° мм (синие линии).





Изменение шага действительно позволяет привести обороты мотора в норму: при "недокруте" ставим винт меньшего шага ("полегче"), при "пе-рекруте" - наоборот. Казалось бы, цель достигнута - используются все 100% мощности, так что, вроде бы, и максимальной скорости мы добились. Но не все так просто, и скоростные резервы наверняка остались неисчерпанными.

Для того чтобы понять причину, вновь обратимся к параллели с болтом и гайкой. Если, скажем, использовать электрический гайковерт, то болт с более крупным шагом нарезки будет завернут на место раньше такого же, но с мелкой резьбой. Причем быстрее определенного предела выполнить эту работу не выйдет, поскольку скорость продвижения болта ограничена двумя неизменными показателями - частотой вращения патрона и шагом резьбы.

Все сказанное можно в какой-то мере отнести и к гребному винту, установленному на лодке - за тем лишь исключением, что работает он в воде и по причине проскальзывания перемещается при каждом обороте не на заложенную величину шага, а на меньшее расстояние. И даже если этим "отставанием", которое вызывается не только особенностями среды, но и рядом других факторов, пренебречь, у него тоже есть свой скоростной "потолок", зависящий от частоты вращения и шага.

Определить его можно при помощи такой простейшей формулы, как VT=0.001524nhk, где VT - "идеальная" скорость в километрах в час, h - шаг винта в дюймах, n - рабочая частота вращения коленвала в оборотах в минуту и k - передаточное отношение понижающего редуктора, обычно отображаемое в виде дроби, например, 12:37. Так, с двухтактным "Mercury 50" (редуктор 1:1.83, рабочая частота вращения 5500 об/мин) и 15-дюймовым винтом мы бы "успокоились" на 68.7 км/ч - и то если бы он вращался не в воде, а в жестком резьбовом канале! (Кстати, мощность мотора в данном случае никакой роли не играет - в основе расчетов лежат только число оборотов и шаг).

Чтобы получить цифру, более-менее близкую к реальной, Александр Беляевский советует уменьшать "теоретический" результат на 20%, и здесь проще использовать готовую формулу Vn=0.001219nhk, в которой поправочный коэффициент уже учтен - при тех же условиях получаем 55 км/ч. Конечно, в зависимости от обводов лодки, ее веса и ряда иных факторов разница может оказаться и несколько иной, но в целом с порядком достижимых скоростей мы определились. И если вы рассчитывали на более существенный показатель, остается только увеличивать шаг - заложенную фирмой-изготовителем мотора рабочую частоту вращения коленвала, при которой достигается наиболее оптимальное соотношение мощности, крутящего момента и ресурса, во-первых, просто не удастся увеличить в существенных пределах, а во-вторых, такая мера приведет прежде всего к резкому уменьшению ресурса.

Но вот незадача - винт шагом 15 дюймов мы поставили как раз взамен 17-дюймового, который вполне устраивал нас по расчетной скорости (чуть более 60 км/ч), но на практике оказался чересчур "тяжелым" и не позволял мотору раскрутитьея до положенных оборотов!

Тут сразу вспоминается пословица "нос вытащишь - хвост увязнет", но выход из положения все-таки есть, если не зацикливаться на значении шага и вспомнить про такие показатели винта, как диаметр и дисковое отношение (рис. 2). Оба они так или иначе определяют такой важный фактор, как площадь лопастей, от которого, в свою очередь, напрямую зависят создаваемый упор и сопротивление, влияющие на обороты.



Рис. 2 "Легким" или "тяжелым" применительно к конкретной лодке или мотору винт является не только из-за своего шага - большую роль играют также его диаметр и так называемое дисковое отношение, то есть отношение общей площади лопастей к площади круга, определяемой диаметром. Дисковое отношение влияет и на эффективность винта при разных частотах его вращения. Чем больше, тем лучше приемистость и упор на относительно небольших оборотах, но платить за это приходится некоторым снижением максимальной скорости.

В общем, "тяжелым" или "легким" винт может оказаться не только из-за своего шага - влияние оказывают все три "кита" в равной степени. Можно упомянуть еще и так называемый "отброс" - угол отклонения лопастей относительно гребного вала (рис. 3), но на нашем начальном уровне этот тонкий момент вполне можно опустить.



Рис. 3 Этот угол установки лопасти специалисты именуют "отброс". С его помощью тоже можно сделать винт более "тяжелым" или "легким", но откорректировать его, как и шаг, в домашних условиях достаточно сложно.


И если откорректировать шаг или отброс достаточно сложно (кроме хороших профессиональных навыков и опыта требуется специальное оборудование), то уменьшить площадь лопастей за счет диаметра или дискового отношения с технологической точки зрения проще простого. Именно по такому пути Александр Беляевский и советует пойти при настройке "потребительской" лодки на максимальную скорость.


Коротка у стула ножка...

...Подпилю ее немножко. Чтобы не уподобиться герою популярного стишка, действовать необходимо по принципу "семь раз отмерь, один раз отрежь". Спешка и стремление получить вожделенный результат с первой попытки чреваты риском погубить дорогостоящий винт или в лучшем случае получить слишком "легкий" вариант, пригодный разве что для использования с большой нагрузкой.

Кстати, в идеале стоит иметь на борту как минимум два гребных винта - "скоростной" для экипажа из одного-двух человек без багажа и "грузовой" на те случаи, когда выходить на воду приходится с полным комплектом пассажиров и большим количеством вещей. Надо сказать, что второй вариант, несмотря на название, тоже не остается за флагом борьбы за скорость, и порядок доводки такого винта ничем принципиально не отличается от изложенного ниже.

В ходе подбора и доработки винта нам обязательно понадобится тахометр, а также любой прибор для измерения скорости - приемник GPS или спидометр, работающий по принципу манометра. Не секрет, что последние нередко врут, но, по крайней мере, изменения скорости в ту или иную сторону засечь с их помощью можно.

Итак, порядок действий приблизительно таков.

Первым делом при помощи формулы h=Vп/0.001219nk, представляющей собой преобразованный вариант уже упомянутой зависимости с учетом 20-процентной "скидки", примерно определим, с винтом какого шага можно достичь интересующую скорость. Здесь советуем реально смотреть на вещи и не задавать высот, взять которые заведомо не удастся. В наиболее распространенном диапазоне скоростей 50-60 км/ч лучше теоретически закладывать прибавку примерно в 10-15 км/ч, не более (причем далеко не факт, что получите ее на практике, особенно если вам повезло и проданный в комплекте с мотором винт и без того максимально соответствует лодке). В качестве "стартового ориентира" используйте информацию о максимальных скоростях, достигнутых на аналогичных лодках, а также собственные результаты, полученные с имеющимся винтом.

Имейте в виду, что даже при всех скрытых возможностях пропульсивной установки, позволяющих наращивать скорость, в роли "ограничителя" может выступить сама лодка. У каждого корпуса есть свои скоростные пределы, превышение которых может быть чревато серьезными проблемами с управляемостью, и если с имеющимся винтом на максимальном режиме наблюдается, к примеру, продольная и поперечная раскачка с зарыскиваниями, "разгонять" лодку дальше просто опасно - неприятные симптомы могут выйти на угрожающий уровень.

В первом приближении подыскать винт необходимого шага для той или иной модели мотора лучше всего при помощи специальных таблиц, в которых указаны весовые и размерные показатели лодок - их публикуют практически все фирмы-производители подвесных моторов и гребных винтов. В принципе, приведенные в них рекомендации более-менее соответствуют действительности, хотя доверять указанным показателям скорости можно далеко не всегда - нередко они слишком близки к "идеальным" расчетным цифрам. Хорошо, если перед покупкой у вас есть возможность испытать сразу несколько вариантов, отличающихся по шагу и диаметру. Некоторые торговые фирмы специально держат комплект "тестовых" винтов на подобные случаи, но такая практика, увы, не столь широко распространена.

Поскольку вы нацелены на максимальную скорость, винт-основа потребуется максимально большого шага, и вполне естественно, что он окажется для вашей лодки тяжеловат, тем более что и диаметр с учетом последующей обработки рекомендуется выбирать самый большой из имеющихся. Но, тем не менее, при выборе соблюдайте два простых правила. Во-первых, он должен в любом случае выводить лодку на глиссирование - пусть "туго" и с минимальной нагрузкой, а во-вторых, на полном газу "недобор" оборотов по сравнению с рекомендуемым производителем режимом не должен превышать 1000 об/мин. В противном случае есть риск, что доработки, которые придется осуществить в незапланированных масштабах, не принесут желаемого результата.

Ну а дальше, собственно, остается удалить с винта то, что мешает мотору раскрутиться до положенных оборотов. Уменьшать площадь лопастей можно двумя способами. При первом подрезаются их кромки, отчего лопасти превращаются в узкие "ножи" (рис. 4). Такой способ, к которому часто прибегают гонщики, Александр Беляевский для "потребительских" винтов не рекомендует, поскольку уменьшение дискового отношения сопряжено с рядом тонкостей. В частности, возможно заметное снижение приемистости и упора на промежуточных и разгонных режимах (наибольшая тяга при относительно невысоких оборотах обеспечивается как раз при большом дисковом отношении, и именно поэтому, например, при буксировке воднолыжников и парашютистов наиболее эффективны винты с широкими "лопухами" или четырехлопастные).



Рис. 4 Чтобы сделать этот гоночный винт, изменили не диаметр, а дисковое отношение - за счёт значительной подрезки выходных кромок. Площадь лопастей уменьшена по сравнению с исходным вариантом практически наполовину. Применять такой метод, "разгоняя" прогулочные лодки, не рекомендуется из-за уменьшения упора на переходных режимах.

Уменьшение площади лопастей за счет изменения диаметра - более спокойный и прогнозируемый вариант, да и технологически он проще.

Главное, как уже говорилось, действовать без спешки, постепенно, и не лениться проводить промежуточные испытания. По словам Александра Беляевского, уменьшение длины каждой из лопастей на 8-10 мм вызывает рост частоты вращения коленва-ла примерно на 250-300 об/мин. От размера самого винта это соотношение, как правило, не зависит, но постоянный контроль полученных результатов не повредит.

Разметку достаточно сделать только на одной из лопастей, лучше всего в три приема -вначале провести линию, более-менее соответствующую окружности уменьшенного диаметра (высокая точность тут не обязательна), потом "отхватить" небольшой участок входной кромки и завершить новую конфигурацию лопасти небольшим скруглением на конце выходной (рис. 5). Саму же выходную кромку, обычно снабженную отгибом-интерцептором, не трогайте ни под каким видом, предупреждает наш консультант!



Рис. 5 Предварительная разметка лопасти при уменьшении диаметра винта. Особая точность тут не требуется - просто попытайтесь повторить в уменьшенном виде существующую конфигурацию.

Далее лопасть-образец обрабатывается по контуру напильником (для быстроты черновую обработку можно сделать на наждачном круге), после чего ее очертания легко перенести на остальные при помощи простейшего бумажного шаблона. Александр делает это так: бумажная заготовка подгоняется к ступице (рис. 6), обжимается по контуру и обрезается ножницами по полученному "слепку" (рис. 7). Кстати, если руки слегка испачканы машинным маслом или алюминиевой пудрой, оставшейся после опиливания, контур получается более отчетливым.



Рис. 6 Вначале бумажную заготовку шаблона нужно подогнать к ступице.



Рис. 7 Самый простой способ перенести контуры лопасти на шаблон - это сделать бумажный "слепок".

После того, как по бумажному шаблону опилены остальные лопасти, винт можно установить на лодку и проконтролировать обороты на полном газу. Если по-прежнему наблюдается "недокрут", лопасти придется еще немного подрезать, а когда частота вращения в норме, их можно обработать вчистую, немного завалив острые кромки на концах и придав входным обтекаемую форму со стороны нерабочих поверхностей лопастей (рис. 8). До этого этапа у нас остается возможность "малой кровью" подкорректировать в сторону увеличения и шаг - если подпилить рабочие поверхности лопастей так, как показано на рис. 9. При аккуратной работе плоским напильником контроль на шаговой плите (рис. 10) может и не понадобиться, поскольку соответствующие кромки лопасти сами по себе служат надежными ориентирами.





Рис. 10 При доработке винта за счёт диаметра и дискового отношения шаговая плита не нужна, но если вы планируете расширить и усложнить свои эксперименты с винтами, это приспособление вам пригодится. Саму плиту можно заказать токарю или фрезировщику, но есть и иной способ - например, выпилить необходимые кольца или сегменты электролобзиком и наклеить их на твёрдую основу. Такой метод, кстати, обеспечивает и строго одинковую глубину канавок. При установке валика тоже необходима высокая точность, поскольку от него зависит параллельность плиты и плоскости вращения винта (для центровки обычно используют распорные конусные втулки). Опирать винт ступицей непосредственно на плиту не рекомендуется. Щаговые угольники должны располагаться в канавках строго перпендикулярно плите, поэтому их фиксируют пластилином.

Многие спрашивают, надо ли удалять литьевые выступы в корневой части лопастей у ступицы (рис. 11). По словам Александра Беляевского, это лишь напрасная трата сил и времени, поскольку расположены они в нерабочей зоне и на общее сопротивление влияния практически не оказывают. Полировка "потребительского" алюминиевого винта до блеска специальными пастами - тоже предрассудок. После обработки его достаточно ошкурить и по возможности покрасить водостойкой эмалью.



Рис. 11 Удалять литьевые выступы у ступицы нет смысла - они находятся в нерабочей зоне и практически не оказывают влияяния на общее сопративление. Полировка алюминиевого винта желаемой прибавки скорости тоже не даст.

Приступая к работам по "выжиманию скорости", не забывайте о том, что на этот показатель помимо характеристик гребного винта оказывают влияние и другие факторы. Прежде всего это относится к сопротивлению подводной части мотора, напрямую зависящему от того, насколько глубоко она погружена в воду. Кстати, пользуясь случаем, развенчаем распространенный миф о суперкавитирующих и полупогруженных винтах. Многие убеждены, что они хороши сами по себе и бьют обычные по всем параметрам, но на скоростных лодках, прежде всего гоночных, их используют, что называется, не от хорошей жизни - просто только с их помощью подводную часть подвесного мотора или угловую колонку удается поднять как можно выше из воды, уменьшая сопротивление.

В общем, перед тем, как дорабатывать винт, поэкспериментируйте с высотой установки мотора (как правило, транцевые крепления лодки переместить сложно, и действовать приходится в пределах, ограниченных шагом крепежных отверстий в подвеске мотора). Имейте в виду, что критичной зоной с точки зрения сопротивления является антикавитационная плита, которая должна располагаться либо выше, либо ниже среза транца, но ни в коем случае не совпадать с ним. (На легких лодках наш консультант советует любителям скорости устанавливать мотор так, чтобы она оказывалась на 2-3 см выше днища, хотя бывают и исключения). И хотя с точки зрения скорости, чем выше - тем лучше, здесь тоже стоит знать меру: при излишне поднятом моторе будьте готовы к целому ряду неприятных явлений, начиная от подхватов воздуха винтом в поворотах и заканчивая его быстрым разрушением под воздействием кавитации. Кроме того, это может вызвать и эффект, противоположный ожидаемому - из-за уменьшения длины рычага, образуемого колонкой, лодка может вяло реагировать на триммер и "рыть носом", в то время как наивысшая скорость обычно достигается при максимальном кормовом дифференте, когда лодка идет "на пятке".

Вкратце резюмируя основные положения нашей очередной консультации, повторимся: главное - это разумный и взвешенный подход, требующий постановки реальных задач и их последовательного решения. Быстрота, к которой мы стремимся на воде, в процессе работы способна только навредить. При этом полной гарантии успеха дать невозможно -в процесс вовлечено слишком много разнообразных факторов, полностью оценить которые вряд ли удастся даже владельцу конкретной лодки и мотора. Однако, как показывает опыт, взяв изложенные советы за основу, заметно улучшить скоростные характеристики мотолодки или катера более чем реально.

А. Л.

От редактора:

Многие рекомендации носят чисто практический характер и основаны на многолетнем опыте. Поэтому редакция не стала изменять некоторые спорные моменты, например, приводимое в статье утверждение о малой эффективности полировки гребного винта.

Источник: "Катера и Яхты" №195, 2005 год



Все статьи о гребных винтах