Гребной винт в рублях и литрах

Испытания сменных гребных винтов для импортных подвесных моторов.

Для каждой конкретной мотолодки с определенной нагрузкой и с выбранным для нее конкретным мотором существует только один оптимальный винт. Это - истина. Лишь только такой оптимальный винт может обеспечить счастливый союз мотора и корпуса: только с ним лодка будет достигать наивысшей скорости при номинальных оборотах двигателя, будет обеспечивать топливную экономичность и заботиться о долголетии подвесного мотора.

До недавнего времени мало кого заботил поиск этого оптимального варианта. Кроме штатного винта, выбирать было не из чего, бензин был сравнительно дешев, сам подвесник стоил не дороже двух хороших зарплат, а на скоростях свыше 40 км/ч при существующем у нас ограниченном мощностном ряде ПМ большинство серийных лодок просто не ходили.

Сегодня на наших водных дорогах все чаще можно встретить современные импортные моторы, можно говорить уже и о появлении их вторичного рынка, в сторону которого все чаще обращаются взгляды водномоторников. Однако стоят эти красивые машины не одну тысячу долларов, "питаются" только дорогим высокооктановым бензином, а завораживающие цифры "лошадей" на глянцевом капоте - еще далеко не гарантия, что весь этот "табун" удастся использовать, разогнав лодку до высоких скоростей. Словом, выбор оптимального гребного винта, который способен реализовать всю мощность вашего импортного избранника, продлить его здоровье, а заодно и помочь ощутимо сэкономить на стоимости бензина, из умозрительной области перешел в проблему практическую и весьма острую.

Тем более стали и у нас доступны импортные гребные винты: дилеры зарубежных моторостроительных фирм предлагают широкий их спектр, из которого можно выбрать наиболее подходящий для вашего сочетания "лодка - мотор".

Фирмы выпускают специальные каталоги, винты в котором подобраны не только по мощностному ряду соответствующей марки моторов, но и по классам и назначению судов.

К сожалению, рекомендованный каталогом винт далеко не всегда оказывается оптимальным именно для вашего случая. Типоразмеры наших серийных мотолодок и условия их эксплуатации отличаются or зарубежных, да и услуги опытного дилера не всегда практически оказываются доступными.

Как самому на практике выбрать гребной винт, оптимальный и по геометрическим характеристиками, и по материалу, и по конструкции, и по стоимости? Чем чревата для здоровья дорогостоящего мотоpa его работа с неоптимальным винтом? Что вы теряете, доверившись случайно поставленному винту?

Такими вопросами задалась редакция прошедшим летом, решив испытать серию импортных винтов и выбрать из них наиболее подходящие.

Заранее хотим сказать, что наши замеры по точности далеки от лабораторных, они лишь указывают на ту или иную тенденцию, не претендуя на строгий научный результат. Полистав литературу, хотя бы ту же подшивку "КиЯ", вы сами можете найти ответ на многие поставленные вопросы, - мы не претендуем на открытия в этой области. Мы лишь старались уже известные истины в сжатой форме применить и проверить на практике, максимально приблизив их к сегодняшним потребностям.
Винты и приборы

Для испытаний мы использовали восемь трехлопастных винтов фирмы "Solas". Эта тайваньская фирма производит винты шести типов, подходящие к зарубежным моторам любой мощности и практически всех известных марок (для этого в конструкции винта изменяется лишь резиновая втулка-амортизатор).



Были использованы четыре алюминиевых винта с шагом от 11 до 14" и четыре стальных винта из нержавеющей стали с шагом от 12 до 15". Эти винты перекрывали весь рекомендованный фирмой (и особо интересующий наших водномоторников) мощностной ряд от 20 до 35 л.с. Винты испытывались на 30-сильном итальянском подвесном моторе "Selva-ЗО", который был установлен на мотолодку "Дельта-Р", имеющую водоизмещение с одним водителем и снаряжением около 330 кг.

Сами испытания состояли из замеров скоростей и определения пройденного на 1 литре топлива расстояния с разными винтами.

Скорость и пройденное расстояние замерялись прибором GPS ("Garmin-12"), частота вращения - механическим трехшкальным тахометром на валу двигателя, а расход - мерной литровой емкостью.
Испытания на скорость

Первым мы решили испытать штатный (прилагаемый к мотору) окрашенный алюминиевый винт с шагом 12". Винт приблизительно за 4 с выводит лодку с малого гада до начала устойчивого глиссирования. С плавным увеличением оборотов скорость быстро растет, но, достигнув величины около 49.5 км/ч, как бы останавливается, хотя сектор газа прошел еще только 3/4 оборота, При полностью открытой заслонке карбюратора звук мотора приобретает непривычно высокие тона, на румпель передается крупная дрожь, но показания скорости не увеличиваются, а даже скачкообразно то падают, то опять еле дотягивают до уже зафиксированной величины. Замеры тахометра показывают на валу двигателя 5750 об/мин (номинальные, максимальные по паспорту - 5500 об/мин). Вес взятого на борт пассажира мало повлиял на максимальную скорость: она упала всего до 49.0 км/ч, но максимальные обороты снизились до 5700 об/ мин. Заменяя потом этот винт на следующий, мы обратили внимание, что в прикорневой области всех трех лопастей краска слезла большими пятаками, обнажив ноздреватый металл.

Поочередные проходы на алюминиевых винтах с шагом 13" и 14" показали, что первый развил максимальную скорость 53.3 км/ч при оборотах, соответствующих номинальным, а с нагрузкой два человека показал при 5300 об/мин ту же скорость в 49.0 км/ч, что и штатный; второй винт показал 53.0 км/ч при 5350 об/мин налегке с одним водителем. Время выхода на глиссирование возросло соответственно до 5 и 6 сек. При наборе оборотов оба винта разгоняются равномерно и довольно мягко, но 14-дюймовый на всех режимах, за исключением максимальных оборотов, оказывается "резвее" (см. рис).



Стальные винты показывают рекорды скорости: 14-дюймовый достигает максимальной скорости в 54.1 км/ч при оборотах 5600 об/мин, а 15-дюймовый ставит абсолютный рекорд - 54.5 км/ч при 5400 об/мин! Лишь винт с шагом 13" на максимальном газу опасно "перекручивает" двигатель до 5800 об/мин и показывает скромную скорость - 51.5 км/ч.

Стальные винты имеют более "ломаную" характеристику разгона, сравнительно вяло преодолевают горб сопротивления, но затем, "раскручиваясь", начинают опережать своих алюминиевых собратьев. Например, стальной винт с шагом 14" набирает скорость от 7 до 50 км/ч за 13 сек, тогда как алюминиевый с тем же шагом затрачивает 17 сек.

Все это наводит на размышления, но чтобы сделать правильные выводы, стоит припомнить кое-что о винтах.

Присядем за парту

Гребной винт преобразует мощность двигателя в упор, приводящий лодку в движение. Упор же создается за счет гидродинамических сил, возникающих на лопастях, как на крыле самолета. Ведь лопасти винта имеют тот же авиационный профиль, при обтекании которого водой за счет разницы давлений на засасывающей стороне, обращенной в нос, и на нагнетающей стороне, обращенной в корму, и возникает подъемная гидродинамическая сила (см. рис). Эта сила имеет две составляющие, одна из которых направлена по оси винта - вперед по движению лодки и представляет собой собственно упор, а вторая сила, перпендикулярная упору, образует крутящий момент. Именно он преодолевается мотором.



Важнейшими характеристиками винта являются его диаметр и шаг. Именно они определяют то количество воды, которое захватывает и отбрасывает назад гребной винт при определенной частоте вращения, создавая упор.

С изменением частоты вращения мощность, потребляемая винтом, изменяется; вместе с ними меняются и упор, и необходимый крутящий момент. Эта закономерность для каждого гребного винта своя, и называется она винтовой характеристикой.

Диаметр винта значительно влияет на загрузку мотора. Например, подрезка винта по диаметру всего на 5% снижает потребную мощность двигателя на 30% при сохранении прежних оборотов. Но оперировать изменением диаметра в широких пределах, добиваясьоптимальной работы винта, невозможно из-за ограниченных размеров корпуса редуктора подвесника.

Изменение шага гребного винта представляет, к сожалению, единственную реальную возможность для согласования работы винта с лодкой и подвесным мотором. Геометрический шаг, условно измеряемый расстоянием, которое прошел бы винт, "вворачиваемый" в твердое тело за один оборот, - понятие идеальное; на практике, в воде, винт как бы проскальзывает, и его реальный шаг (или поступь) оказывается всегда меньше теоретического. Причем скольжение винта оказывается максимальным (100%) у пришвартованной к берегу мотолодки с работающим на полном газу мотором и минимальным (15-20%) у разогнанной до максимальной скорости глиссирующей лодки.

С какими же характеристиками лодки и мотора должен согласовываться винт?

У глиссирующей мотолодки - прежде всего с ее сопротивлением, которое, как мы уже знаем, преодолевается упором винта. На графике кривые сопротивления и упора с ростом частоты вращения плавно сходятся в точке, которая и определяет достижимую скорость. Величина сопротивления глиссирующей лодки зависит от многих факторов (например, обводов, волнения и т.д.), но в первую очередь - от величины нагрузки. Больше груза и пассажиров - выше сопротивление, больший упор должен создавать гребной винт.

У подвесного мотора в этом треугольнике свои требования к винту. В каждом конкретном сочетании "лодка-винт" двигатель на полном газу должен развивать номинальную частоту вращения коленвала. Только в этом случае двигатель развивает свою полную мощность (см рис.).



Чем ниже достижимая частота вращения, тем меньшую мощность отдает двигатель. Эта закономерность определяется его внешней характеристикой. Особенность ее в том, что рост отдаваемой обычным потребительским мотором мощности происходит при увеличении частоты вращения лишь до номинальных ее значений. При "раскручивании" двигателя сверх этих значений отдаваемая мощность сначала как бы прекращает расти, а потом резко падает. Значения же крутящего момента на гребном валу имеют обратную зависимость; например, у того же мотора Selva-ЗО" на частоте вращения 3500 об/ мин крутящий момент составляет 40.4 н.м при отдаваемой мощности 16.72 л.с.; при номинальных оборотах 5500 об/мин - 38 н.м при мощности 29.13 л.с., а при "раскручивании" двигателя до 5700 об/мин момент падает до 36.2 н.м, а отдаваемая мощность снижается до 28.73 л.с.

Согласованный со всеми этими противоречивыми требованиями винт и будет оптимальным, т.е. развивающим максимальную скорость на номинальных оборотах.

Но в жизни мотор может работать и на пониженных оборотах, не используя всей мощности двигателя, потому что он уже достиг максимального крутящего момента и не в состоянии прокручивать гребной винте большей частотой вращения. В этом случае профиль лопасти стоит к набегающему потоку с чрезмерно большим углом атаки, шаг винта велик для этих условий, и можно говорить о гидродинамически тяжелом винте.

Если же винт легко достигает максимальной частоты вращения, превышая ее номинальную величину, упор будет невелик и соответственно достичь максимальной скорости не удается. В этом случае шаг мал, угол атаки профиля лопасти меньше оптимального, меньше оказывается и подъемная сила, от которой напрямую зависит упор. Это означает, что выбранный винт гидродинамически легкий.
Проверяем теорию практикой

К каким выводам привели наши скоростные испытания винтов?

Во-первых, штатный винт при нашем варианте использования оказался гидродинамически легким. С ним мы не только не получили высоких скоростей, но и можем "подорвать" здоровье двигателя. Эксплуатация "перекрученного" двигателя резко снижает его моторесурс. Все подвижные части двигателя, не рассчитанные на такие перегрузки, работают на пределе: обрыв шатунов или поломка коленчатого вала становятся не столь уж редкими случаями. Из-за разрыва смазывающей масляной пленки возможны задиры, появление теплового клина, износ всех подвижных частей резко возрастает.

Скоростные же рывки винта, прекращение роста скорости при увеличении оборотов, вибрация, облезание краски и эрозия алюминия - это, скорее всего, признаки кавитации. Для работы обычных полностью погруженных винтов - это очень вредное явление, наступающее при излишне высокой частоте вращения. При высоких скоростях обтекания появляются срыв потока с лопасти, вскипание и образование пузырьков паров воды, которые лопаются, создавая на лопасти огромные местные пики давления. При долгой работе з таких условиях лопасть начинает выкрашиваться. Этому в первую очередь подвержены алюминиевые винты. При дальнейшем развитии кавитации из-за искажения гидродинамического профиля винта его упор падает. Провоцировать кавитацию может и погнутая или выщербленная лопасть, некачественная поверхность винта, даже неправильное положение подвесника (слишком откинут или прижат к транцу). В любом случае надо делать все, чтобы избегать появления кавитации.

На практике почти все, о чем мы говорили, сразу же подтвердилось. Такой винт лучше убрать, оставив его как запасной, например, для случая нагрузки в три человека. Эксплуатация его с одним водителем даже на номинальных оборотах приведет к недобору полной мощности двигателя.

Во всех случаях на борту надо иметь тахометр (например, отечественный "ЛПС-Интер", подходящий и для работы с импортными моторами). Он убережет вас от применения чрезмерно легкого и даже опасного винта. Если тахометра нет, вас должен насторожить чересчур резвый выход на глиссирование, остановка роста скорости задолго до момента полного открытия дросселя,нечувствительность(до определенной границы) к увеличению нагрузки лодки, непривычный звук мотора.

Обнаружив в наших испытаниях нижнюю "шаговую" границу в 12", мы отказались от проверки винта с еще меньшим шагом 11", а перешли к работе с винтами алюминиевой серии с шагом 13" и 14". Винты с уменьшенным шагом потребовались лишь при буксировке лыжника. Такие винты создают повышенный упор на режимах разгона, сокращая время выхода на глиссирование и легче вытаскивают лыжника из воды. Естественно, достижимые с ними предельные скорости оказываются ниже - не превышают 43-45 км/ч. Здесь главная задача совместить горб на кривой упора винта с горбом сопротивления судна-буксировщика.



По данным наших испытаний нетрудно заметить, что увеличивая шаг винта на дюйм (25.4 мм), мы получали снижение частоты вращения на 150-250 об/мин (относится это и к "стальной" серии). Это очень важное замечание, поскольку большинство зарубежных винтов спроектированы так, что увеличение или уменьшение шага на один дюйм дает соответственно увеличение или уменьшение оборотов приблизительно на 200 об/мин. И эта эмпирическая зависимость подтверждается на практике. Это облегчает предварительный выбор винта. Если, например, ваш мотор не добирает до номинальных оборотов 600 об/мин, значит, вам с наибольшей вероятностью подойдет винт с шагом на 3 дюйма меньше.

Утверждение, что 13-дюймовый винт, развивающий номинальные обороты, одновременно будет и самым скоростным, тоже подтвердилось на испытаниях. Отличие составляет всего 0.3 км/ч при разнице в максимальных оборотах на 150 об/мин. Это объясняется небольшим отличием в диаметрах: 14-дюймовый винт имеет диаметр на 0.1" меньше; отсюда и его большая резвость в скорости на промежуточных частотах вращения.

Для стальных винтов отмеченное соотношение между изменением шага и оборотов также подтвердилось. Но здесь оно более четкое и составляет ровно 200 об/мин. Обращают на себя внимание большие максимальные скорости стальных винтов - даже при "перекрутке", при их одинаковых геометрических характеристиках с алюминиевыми: правда, при этом достигают максимальных скоростей они немного медленнее, А наш "абсолютный победитель" по скорости стальной винт с шагом 15" даже не добирает до номинальных около 100 об/мин, т.е. еще не использует приблизительно 0.7 л.с, В этих условиях лучше бы подошел винт с шагом 14.5" (за рубежом винты выпускаются и в градации шага через полдюйма). Однако при выборе между 15- и 14-дюймовым, конечно, предпочтение надо отдать первому, поскольку превышение номинальных оборотов стальным винтом, помимо других негативных последствий, дает из-за его большего веса перегрузку и на подшипники редуктора.

Винт с шагом 13" тоже придется отложить, так как превышение номинальных оборотов уже достигает опасных 300 об/мин; потерянная мощность составляет при этом около 1 л.с., а отсюда и более чем скромная для стального винта скорость в 51.5 км/ч
Стальной или алюминиевый

С уменьшением толщин сечений профиля винта КПД его увеличивается. Применение более прочной, чем алюминий, нержавеющей стали позволяет достигать этого без потери прочности лопастей. При изготовлении стального винта можно выдержать большую точность его профилировки и добиться более высокой чистоты обработки поверхности (в отполированный гребной винт можно смотреться, как в зеркало!), благодаря чему потери на трение уменьшаются, повышая эффективность винта. Стальной винт меньше подвержен кавитации и более устойчив к вибрации, которую испытывает любой винт в попутном потоке за редуктором. Все это в совокупности и обеспечивает его более высокие скоростные характеристики, в чем мы и убедились на опыте.

Наконец, стальной винт долговечнее алюминиевого, при встрече с препятствием он страдает меньше, однако в случае чего выправить и отбалансировать его намного сложнее. Нержавеющая сталь дольше прослужит в соленом море. Да для многих важно и то, что стальной винт престижней.

Но вот цена... Элитный гоночный винт F1 может стоить несколько тысяч долларов! Обычный винт стоит лишь несколько сотен долларов, но и эта цифра превышает стоимость алюминиевого в два-три раза, что может остановить многих любителей.

Стоимость стальных винтов фирмы "Solas" при хорошем качестве превышает стоимость алюминиевых только в 1.5 раза; 150-долларовый стальной и 100-долларовый алюминиевый - по западным меркам это вполне приемлемые цены.

Алюминиевые винты имеют тот плюс, что они легче, редуктор с ними не испытывает больших перегрузок. Но главное их преимущество - подчеркнем еще раз - экономическое, они дешевле!

К сожалению, гребной винт подвесного мотора - его главная "расходная" часть. Винт чаще всего страдает при наездах на подводные препятствия. Поэтому, если ваш район плавания - не глубоководный морской залив, а северная каменистая река, то, конечно, алюминиевый винт будет предпочтительней.



Немного о конструкции

В пользу алюминиевого винта есть еще один аргумент - это новая альтернативная конструкция ступицы, которая, действительно, в ряде случаев поможет сохранить ваш винт при ударе о препятствие.

Как бы вас ни убеждали, что при нежелательной встрече с препятствием традиционная резиновая втулка-амортизатор легко провернется и это убережет винт от повреждения, верить этому нельзя. Накопленная в редакции статистика и наш личный опыт говорят о том, что резиновая втулка проворачиваться не успевает. Может быть, в наших водах резина быстро твердеет или "прикипает" к внутренней поверхности ступицы - не знаем. Но факт, что, в лучшем случае, страдает только сам винт, а вот в худшем - страдают редуктор и даже вал. Так что отчаливать от берега без запасного винта никак нельзя.

В нашей опытной партии был один алюминиевый винт "Alcup-З" новой конструкции - с разборной втулкой. При наезде, например, на камень в продольных пазах втулки действительно легко срезаются пластмассовые торсионы, сохраняя сам винт от больших повреждений и, конечно, уберегая трансмиссию. Торсионы запрятаны в длинные пружинки, которые, провернувшись, сразу же занимают новое положение в других продольных пазах. Если после наезда резко сбросить газ, то на малом ходу винт за счет упругости пружинок сохраняет небольшой упор, и можно потихоньку добраться до берега, чтобы заменить торсионы новыми. При довольно большом диаметре полой ступицы эту операцию можно провести за 5-7 минут. Правда, если стопорная гайка с левой резьбой затянута на совесть, то без торцевого ключа на "32", редкого в наборе лодочного инструмента, не обойтись.

Кстати, на ступицах винтов "Solas" (как, впрочем, и многих других зарубежных фирм) имеется крутой отгиб задней кромки. Это - своего рода "интерцептор", который резко подтормаживает поток при обтекании и создает разрежение на границе, тем самым облегчая истечение выхлопных газов, а значит, и уменьшая потери мощности двигателя на преодоление противодавления на выхлопе через ступицу.
Как сэкономить на бензине?

Топливная часть испытаний также показала интересные результаты. Во-первых, по максимальному пробегу на 1 литре топлива наш "итальянец" практически со всеми винтами уверенно опережает все отечественные подвесники. а близкого по мощности "Вихря-30" опережает практически в два раза (3.7-5.2 км/л против 2.1 -2.9). Значит, ходить на "Selva-ЗО" с хорошим стальным винтом даже на дорогом "95-ом" бензине будет экономически выгоднее, чем на отечественном моторе, работающем на "76-ом".

Рекорд дальности пробега на литре бензина - 5450 м - установил стальной 15-дюймовый винт на скорости около 30 км/ч (см рис.). Высокую экономичность с плавным снижением величины пробега он показал и на других режимах, вплоть до 50 км/ч. А вот дальнейший рост скорости сопровождается уже резким снижением "литровой проходимости". Увы, за скорость надо платить! Поэтому перед водителем всегда альтернатива: или экономия топлива, или наивысшая скорость. Потеряешь в расходе, но сохранишь наивысшую скорость при наиболее полной отдаче мощности. Чуть "попридержишь" лошадей; выиграешь в расходе топлива.



Поэтому, опыт подсказывает: ставя на экономичность, стоит сначала разогнаться до максимальной скорости, а потом немного убрать газ.

А вот это "немного" стоит многого. Поясним. Топливную экономичность мотора принято характеризовать удельным расходом топлива, но этот показатель говорит лишь о степени экономичного совершенства самого двигателя, а не мотора в целом. Подбор винта, редуктор, обтекаемость подводной части, пропульсивные качества всего комплекса "лодка-мотор-винт" - все это существенно влияет на топливные показатели.

Поэтому удачным подбором винта и обеспечением гидродинамического совершенства подводной части можно добиться того, чтобы сместить падение топливной экономичности с ростом оборотов в сторону больших скоростей.

Например, наш оптимальный алюминиевый винте шагом 13" оказался и самым экономичным. Слегка убрав газ до скорости 50 км/ч, мы на одном литре пройдем больше, чем с 14-дюймовым алюминиевым винтом даже на скорости в 40 км/ч.

А гидродинамически легкий стальной винт с шагом 13", опередив все остальные винты по дальности пробега на скорости 40 км/ч, на максимальных режимах просто "рухнул": "перекручивая" обороты, этот винт после 50 км/ч практически мало прибавил в скорости, хотя расход топлива резко возрос, сократив показатель пройденного расстояния на 1 л. Это - "топливная цена" неоптимального винта.

Может быть гидродинамически тяжелый винт, который не добирает максимальные силы и скорость, позволяет экономить топливо? Увы, это не так. Вынужденная работа двигателя с полностью открытым дросселем на низких оборотах и с неполной отдачей мощности приводит к тому, что расход топлива может оказаться даже выше, чем на номинальных оборотах. Мотор в этом случае просто "давится" топливом. Опережение зажигания не соответствует топливному режиму. Резко возрастают нагрузки на цилиндро-поршневую группу. Может возникать детонация. Вспомните случаи, когда, утопив педаль газа до пола, вы на автомобиле пытались на прямой передаче забраться на длинную крутую горку... Очень схожие ситуации.
Только оптимальный винт!

Только такой - оптимальный гребной винт успешно справится с большинством возникающих проблем. Так что проверьте имеющийся у вас винт, а если он не подходит к наиболее типичным вариантам использования лодки, подберите новый.А лучше иметь два винта для двух возможных вариантов использования.

После нашего теста мы уверенно выбрали для лодки с мотором "Selva" алюминиевый винт с шагом 13" с разборной втулкой - для обычных выходов и стальной 15-дюймовый - для коротких скоростных выходов налегке.

К. Константинов, Журнал "Катера и Яхты" №173, 2000 год.

Другие статьи о гребных винтах