Зачем нужен четырехлопастной гребной винт?

Испытания сменных гребных винтов для импортных моторов.

Публикация статьи "Гребной винт в рублях и литрах" в "КиЯ" №173 вызвала большой интерес среди читателей. Особенно у новичков, которые недавно приобрели импортный подвесной мотор. Мы не смогли в одной статье ответить на большинство вопросов, которые возникают при выборе оптимального гребного винта для различных условий эксплуатации. Тем более, что для импортных подвесных моторов (далее - ПМ) сегодня доступны любые гребные винты (далее - ГВ), в том числе и многолопастные.

Для очередной редакционной мерной мили мы выбрали 4-лопастные алюминиевые винты фирмы "Solas".

На традиционный вопрос: для чего используются 4-лопастные винты и в чем их преимущества? - большинство новичков обычно отвечают, что с таким винтом лодка пойдет быстрее, чем, например, с 3-лопастным. Но так ли это?

Чтобы получить ответ на этот вопрос, мы провели испытания 4-лопастных ГВ фактически в тех же условиях и с той же техникой, что и прошлым летом, когда испытывали 3-лопастные. Напомним, что это были 30-сильный ПМ "Selva-ЗО" и мотолодка "Дельта-Р", имеющая водоизмещение с одним водителем и снаряжением около 330 кг (с 2 чел. - 370 кг).

В качестве ГВ мы выбрали три алюминиевых 4-лопастных винта "Аlсар-4" с разборной втулкой тайваньской фирмы "Solas", имеющих соответственно шаг 13", 14" и 15" и одинаковый диаметр 10" (см рис). Испытания состояли из замеров скоростей при разных режимах эксплуатации и определении расстояния, пройденного на 1 л топлива.



Для замеров скорости мы использовали прибор GPS ("Garmin-12"), для определения частоты вращения двигателя - электронный цифровой тахометр фирмы "Stihl", снимающий импульсы с высоковольтных свечных проводов, а для определения расхода топлива - мерную литровую емкость.

Еще раз хотим отметить, что мы и не ставили целью получение высокоточных результатов. Мы лишь старались выявить те или иные закономерности, которые могут иметь теоретическое подтверждение.

Винты и скорость

Когда впервые берешь в руки 4-лопастной винт того же шага и диаметра, что и 3-лопастной, первое что бросается в глаза - это более узкие и тонкие лопасти, более изящное прикорневое сечение.

Итак, первым установлен винт с шагом 13". Включен реверс и первое, что мы замечаем - очень мягкая работа мотора, вибрация, по сравнению с аналогичным 3-лопастным ГВ, заметно меньше. При более уравновешенной работе двигателя минимальную рабочую частоты вращения можно держать на 100-150 об/мин меньше (что мы потом успешно использовали при ловле на дорожку).

При резком открытии заслонки двигатель набирает максимальные обороты быстрее, чем с 3-лопастным винтом. В нашем случае это 7 и 15 сек соответственно. При максимальной скорости крупная дрожь, которая передастся через рукоятку румпеля, также заметно меньше. Обратили мы внимание и на лучшую управляемость лодки с 4-лопастным винтом на малом и среднем газу.

На полном газу двитатель удалось раскрутить до номинальных 5,500 об/мин, однако скорость особенно не впечатляла - 49.7 км/ч, что почти на 4 км/ч меньше, чем у 3-лопастного "собрата" (см рис).



Последовательно устанавливая винты с большим шагом (14" и 15"), мы получали все более скромные показатели максимальной скорости (46,6 и 46 км/ч соответственно) при все более снижающихся максимальных оборотах (4930 и 4680 об/мин).

Стоял жаркий июль, и мы на 4-лопастных винтах попробовали буксировать лыжника.

Во-первых, тяжеловесы весом около 90 кг, которых обычно долго приходилось тащить на "перископной глубине", теперь вставали на лыжи за 25-30 сек. Когда лыжник резко уходил в сторону, стараясь поставить, "водяную стенку", этот маневр меньше "сажал" мотор по оборотам, чем раньше. Но до максимальной скорости буксировки с 3-лопастным винтом мы ни с одним из 4-лопастпьгх не дотянули.

Обратили мы внимание и на еще одну особенность, которую установили случайно, когда пришлось буксировать "обсохшую" "Казанку-5" до стоянки. Сама буксировка показалась нам не такой утомительной, как обычно, когда в роли буксировщика выступает легкая глиссиру гощая лодка.

Чтобы разобраться, что здесь случайно, а что закономерно, необходимо кое-что припомнить из теории ГВ.

Теория нам поможет

Как мы выяснили еще в прошлой статье, винт - это практически реактивный движитель, который при вращении отбрасывает массу воды в сторону, обратную движению лодки. Реакция отбрасываемых масс воды, которую испытывают лопасти ГВ, и создает упор винта.

На создание упора затрачивается энергия двигателя. Причем более эффективным всегда бывает тот винт, который на создание необходимого упора затрачивает наименьшую мощность. КПД лучших гребных винтов не превышает 75-80%. Из практики известно, что из обычных погруженных ГВ наиболее эффективны 2-лопастые винты, их КПД на 6-12% выше, чем 3-лопастных, и на 9-15% - чем 4-лопастных. Неслучайно на торпедных катерах времен Второй мировой войны да и на знаменитых рекордных глиссерах использовались 2-лопастные винты.

Весь упор, создаваемый таким винтом, приходится на площадь двух лопастей. Каждая единица их площади испытывает значительное давление, и именно это влечет за собой массу проблем.

Первая из них - это сильная вибрация, вызываемая работой ГВ. Из-за неравномерности набегающего потока (влияние днища, редуктора и т. д.) возникает различие в силах, действующих на каждую из лопастей. Это происходит с низкой частотой и большой амплитудой импульсных давлений. Возникающая вибрация пагубно сказывается на общей прочности винта, искажает его гидродинамическую профилировку, не говоря уже об ухудшении условий работы упорных подшипников и т. д.

2-лопастные винты весьма зависимы и от гидродинамической неуравновешенности. Практически неизбежны различия в шаге, в профиле, в площади лопастей, из-за чего возникают и различия в упоре, что тоже увеличивает вибрацию. Все это, уже не говоря об общей механической неуравновешенности, ограничивает область применения 2-лопастпых ГВ, делает очень высокими требования к качеству их изготовления.

Вторая проблема - это большая подверженность 2-лопастных винтов кавитации из-за их значительной пагруженности. Чем выше гидродинамическое давление на лопасти (которое зависит от упора винта, площади лопасти и квадрата скорости обтекания ее водой) тем раньше наступает кавитация.

Это - главные причины, по которым судостроители, даже несмотря на некоторое снижение КПД, предпочитают использовать 3- и 4-лопастные ГВ.

Так что заметное уменьшение вибрации и импульсного давления, обнаруженное во время наших испытаний при увеличении числа лопастей, вполне согласуется с теорией. Весь упор в нашем случае воспринимают уже четыре лопасти, нагрузка на каждую из них становится меньше. Следовательно, лопасти можно выбрать более узкими, с более тонким сечением, а узкие лопасти имеют более высокий КПД, чем широкие.

КПД винта увеличивается с уменьшением толщин сечений без потери его общей прочности, что также используется в нашем случае. Ведь увеличение толщины сечений по соображениям прочности приводит к более раннему возникновению кавитации, что существенно снижает гидродинамические характеристики винта.

Уменьшение вибрации и общей нагруженноести лопастей позволило уменьшить и толщину прикорневых сечений, приблизив ее к наиболее рациональным, с точки зрения гидродинамики, сечениям.

Известно, что большая часть упора создается на крайних сечениях лопасти, но на 4-лопастном винте уже появляется возможность вовлечь в полезную работу и более близко расположенные к ступице элементы лопасти.

Благодаря всем этим особенностям уже на малых скоростях 4-лопастной винт создает больший упор, чем аналогичный 3-лопаcтной. Отсюда - более резвый старт, лучшие разгонные характеристики при начальных режимах глиссирования, "хорошая упираемость" при буксировке.

Сказанное подтверждается результатами скоростных замеров винтов. Скоростная характеристика 4-лопастного винта с шагом 13" заметно опережает аналогичные показатели 3-лопастного вплоть до скоростей 46-47 км/ч.

А дальше? Дальше все свои преимущества 4-лопастной винт катастрофически теряет.

Все имеет свою обратную сторону, и любое, даже удачное техническое решение, как правило, лишь компромисс.

У 4-лопастных ГВ велико взаимное влияние лопастей, отрицательные последствия которого увеличиваются с ростом скоростей. Это негативное явление особенно сильно начинает сказываться на режимах, превышающих 75-80% поминального числа оборотов. На нашем графике именно в этой зоне 3-лопастной винт начинает опережать 4-лопастной. С ростом скоростей резко увеличиваются и потери на трение. Причем все эти закономерности с увеличением пройденного расстояния проявляются все явственней.

С увеличением шага ГВ их эффективность (в нашем случае - на максимальных оборотах) резко падает, а достижимые обороты не дотягивают до поминальных даже с минимальной нагрузкой. Поэтому, подбирая 4-лопастные винты по оптимальному шагу, приходится останавливаться на винтах с его меньшим значением в отличие от варианта с 3-лопастными винтами.

Напомним, что при выборе оптимального 3-лопастного винта в прошлый раз мы остановились на стальном винте с шагом 15" как самом скоростном для выходов налегке, а винт с шагом 13" мы выбрали как оптимальный грузовой. На этот раз предпочтительнее остановиться на 4-лопастпом винте с шагом 13". И не только по соображениям максимально достижимой скорости. Обратимся теперь к литровой "проходимости" - т. е. оценке топливной экономичности.

Экономный винт

Испытания на дистанцию, проходимую лодкой с одним водителем на 1 л топлива при разных скоростных режимах, тоже дали интересные результаты.

Чемпионом по топливной экономичности в наших испытаниях опять же стал винт с шагом 13". Причем абсолютный рекорд пройденного расстояния - 6 км 250 м на 1 л топлива - он показал на солидной скорости в 40 км/ч (см рис). Такой скорости для обычных условий эксплуатации вполне достаточно.



"Тринадцатый" винт превзошел по экономичности своих старших собратьев практически на всех скоростных режимах. Это еще раз доказывает, что оптимальный винт хорошо согласуется с двигателем и лодкой во всех диапазонах скоростей. Некоторым отставанием его по скорости, по сравнению с 14" и 15" на промежуточных режимах, ради топливной экономичности, наверное, можно пренебречь.

Если сравнивать топливную экономичность 4-лопастного винта с шагом 13" с аналогичным 3-лопастным, то первый будет экономичнее второго практически во всех скоростных диапазонах вплоть до 45 км/ч. С дальнейшим ростом скорости расход топлива резко возрастает, эффективность 4-лопастного ГВ обвально надает. Заметим, что и при скоростных испытаниях 4-лопастной винт стал отставать от своего 3-лопастного соперника именно со скорости 46-47 км/ч, т. е. все взаимосвязано. Объяснение этому мы уже нашли в предыдущей главе. Сопротивление и вредное взаимовлияние лопастей с ростом скорости увеличиваются уже лавинообразно. Эффективность 4-лопастных винтов лежит на начальных режимах глиссирования и в средних диапазонах, т. е. они -совсем не "гонщики", а скорее "рабочие лошадки".

Вспомните биплан "кукурузник" - знаменитый "ПО-2": он летит со скоростью шоссейного автомобиля, зато для разбега ему требуется несколько десятков метров любой ровной площадки, тогда как его реактивным собратьям необходимы сотни метров бетонной полосы. А любой винт - это тоже крыло, только вращающееся.

Зачем же винту четыре лопасти?

Подводя итог нашим испытаниям, мы можем сказать, что если:

* нужна хорошая тяга на небольших скоростях глиссирования;
* требуется получить мягкий ход и максимально снизить вибрацию;
* топливная экономичность на дальних переходах важнее скоростных качеств;
* вы занимаетесь буксировкой лыжников, не стремящихся к высокой скорости,

то вам скорее всего подойдет именно 4-лопастной гребной винт. Рационально иметь его и в общем "гардеробе" мотора.

К. Константинов

Редакция благодарит за предоставленные для испытания винты и приборы: торговый дом "Техномарин"; компанию "Баджер".

"Катера и Яхты" №177 (2001 год)