Обсуждая разные причины, ограничивающие скорость лодки, давайте рассмотрим и сам гребок.
В сложном процессе взаимодействия весла и воды бесполезно расходуется большое количество энергии, которая при правильном подходе может быть сохранена.
В традиционном представлении лопасть весла проталкивает определённый объём воды в сторону кормы и т.к. в ответ на каждое действие возникает сила противодействия — лодка движется в противоположном направлении. Эта идея «бери больше – кидай дальше» выглядит вполне приемлемо, но на самом деле всё совсем не так.
Для описания движения физического тела в жидкости в гидродинамике применяется система уравнений Навье-Стокса, но при описании течений и сил, кратковременно возникающих вокруг движущейся в воде лопасти возникают определённые сложности т.к.:
1. Поверхность воды неспокойна;
2. Лопасть совершает движение в воде не горизонтально, а с добавлением вертикальных движений: захват, конец гребка.
3. Лопасть в захвате вносит в воду большое количество воздуха, и это изменяет физические свойства воды.
Тюнинг надувных лодок ПВХ. Весна 2019
4. Лопасть весла через вертлюг связана с лодкой, и ей передаётся движение лодки и её ускорения, возникающие перепады усилий очень сложно анализировать.
Несмотря на это классическая гидродинамика предоставляет нам знания, полезные для ускорения движения лодки.
«Полёт» лопасти
Лопасть весла, погружённая в воду параллельно борту лодки, двигается в воде со скоростью лодки, вода движется от кромки лопасти к её основанию. Если лопасть погружена под углом 60º (положение весла «в захвате») набегающий поток воды двигается под углом 30º к лопасти и в положении «в захвате» обтекает лопасть со скоростью 85% от скорости лодки.
Удивительно, но если вы создадите усилие на лопасти, скорость движения лопасти в воде не увеличится. Почему? Это происходит из-за действия гидродинамической «подъёмной силы». Вода двигается вдоль задней поверхности лопасти как воздух над крылом самолёта.
Увеличение скорости движения жидкости вдоль этой поверхности вызывает снижение давления, в то время, как на лицевой стороне лопасти возникает повышенное давление. Возникающая разница давлений создаёт гидродинамическую «подъёмную силу» и распространяет нагрузку на окружающие лопасть массы воды, чтобы не дать лопасти «прорвать» воду и переместиться в сторону кормы. В этот момент лопасть вашего весла ЛЕТИТ.
Может возникнуть предположение, что надо закинуть лопасть в воду и подождать появления «подъёмной силы» перед тем как начать гребок. Дождаться не получится. Гидродинамическая «подъёмная сила» возникает в ответ на приложенное усилие, эффективно «противостоит» ему, но никогда не возникнет сама собой.
Уменьшите потери энергии
Для того, чтобы грести действительно быстро, вы должны сократить потери усилия, возникающие из-за недопонимания того как лопасть работает в воде.
Если исключить из общей работы (за один гребок) непродуктивные потери мы получим реальную работу, которая создаёт импульс и продвигает лодку вперёд. Разделив эффективную работу на общую работу, мы получим коэффициент полезного действия (КПД) гребка, т.е. соотношение его полезных усилий в лодке к усилиям вообще. КПД гребка может достигать значений 70-75% и это оставляет нам большие возможности для сокращения непродуктивных (говоря проще БЕСПОЛЕЗНЫХ) усилий и увеличения КПД. Но для этого важно понимать, что нужно сделать.
1. Идеальная лодка ПВХ + Мотор. Тюнинг, доработка, лодки и мотора. Как увеличить скорость.
Улучшение гидродинамики мотора «Вихрь»
Чтобы повысить эксплуатационные качества «Вихря», я доработал редуктор и гребной винт. Прежде всего обработал снаружи корпус редуктора. В результате этого уменьшилось гидродинамическое сопротивление погруженной части мотора и увеличился зазор между кромкой лопасти винта и корпусом редуктора. Затем проверил геометрию лопастей и их профилировку и отполировал поверхности. Работы по механической части позволили снизить потери в передаче и повысить надежность уплотнении.
Чтобы увеличилось расстояние кромок лопастей от стойки редуктора, а также удлинение обтекателя (отношение его длины вместе со ступицей к диаметру стало 0,34 вместо 0,32), между торцом обтекателя и ступицей винта я установил два полукольца. Для их изготовления выточил из легкого сплава кольцо толщиной 12 мм с внутренним диаметром 42 мм и наружным 65 мм, которое разрезал по диаметру.
Каждую половину кольца прикрепил к торцу обтекателя редуктора четырьмя винтами М.4 с потайной головкой. Винты и полукольца установил с эпоксидной подмазкой, головки винтов раскернил. Внутренние поверхности полуколец довел опиливанием и шабровкой по диаметру втулки 2.212-001. Затем на торцах полуколец прочертил окружность диаметром 59 мм, до контура которой плавно опилил припуски, оставшиеся на наружных поверхностях полуколец и обтекателя, до получения плавных обводов.
Гребной вал 2.202-007 доработал, как показано на чертеже, а в ступицу винта поставил металлическую прокладку, обеспечивающую передачу упора винта в торец гребного вала.
Для увеличения зазора между лопастью винта и антикавитационной плитой ее нижнюю поверхность рекомендую отфрезеровать или опилить на глубину 4-5 мм (размер указан посередине плиты).
При доработке размеры газовыхлопного патрубка, по сравнению с заводскими, уменьшаются. Канал водозаборника охлаждающей воды в патрубке необходимо распилить почти до газовыхлопной полости, а взамен срезанной лобовой части установить заделку с новыми отверстиями. На кормовую часть дейдвуда выше антикавитационной плиты следует поставить обтекатель, а выхлопной патрубок под ним распилить в сторону кормы, как показано на чертеже. Внутренние поверхности выхлопной полости надо тщательно отшлифовать, углы на поворотах опилить.
Далее всю поверхность редуктора до фланца крепления к дейдвуду следует опилить, тщательно отшлифовать и отполировать. Необходимо учитывать, что у моторов толщина стенок корпуса редуктора неодинаковая, она колеблется в широких пределах. Поэтому редуктор лучше разобрать и толщину контролировать при опиловке кронциркулем с симметричным обратным концом. Как правило, много металла можно удалить (без ущерба прочности) в приливе под нижний подшипник вала-шестерни, стенках редуктора выше антикавитационной плиты и на шпоре перед винтом. Если поверхность опилить, то площадь поперечного сечения погруженной части мотора ощутимо уменьшится.
Чтобы получить абсолютную плотность водяного канала и гладкую наружную поверхность, планку, закрывающую полость охлаждающей воды у «Вихря-М», желательно заделать эпоксидной шпаклевкой. Входящие и выходящие кромки стоек и шпоры следует заострить; переходы на приливе подшипника вала-шестерни должны быть плавными. Для того чтобы сохранить ширину привалочных плоскостей в месте сочленения корпуса редуктора, следует ограничиться шлифовкой (опиливание делать не нужно).
Осмотр бывших в эксплуатации полированных винтов показал, что у лопастей одного винта пятна кавитационной эрозии на засасывающей поверхности лопастей неодинаковы; это косвенно указывает на неоднородность их работы. Контрольные обмеры нескольких штатных винтов подтвердили значительные отклонения в шаге и толщине сечений лопастей на одном радиусе. Удалось обнаружить также перекос диска винта относительно оси гребного вала, обусловленный, вероятно, неточной посадкой винта на резиновый амортизатор. Разумеется, чтобы получить максимально возможный КПД винта, необходимо тщательно довести его геометрические размеры.
Чтобы появилась возможность выполнить контрольные замеры гребного винта, необходимо проточить торцы и края ступицы на токарном станке, надев винт на оправку. При этом необходимо подпереть слегка отторцованный конический конец ступицы центром.
Далее на куске жесткой прямой фанеры следует вычертить проверочный плаз — концентрические окружности из одного центра диаметрами 59 мм, 0,4.0, 0,6Д, 0,80 и 0,90 (О-диаметр винта). Для проверки необходимы транспортир, циркуль, вертикальный угольник и чертежный измеритель с винтовой фиксацией растворения ножек. В измерителе иголки следует заменить проволочными крючками, концы которых при малом растворении ножек сходятся вместе. У гребного винта необходимо проскоблить и тщательно (без завала у кромок) прошлифовать нагнетающие поверхности лопастей.
Ступицу винта (диаметр торца 58 мм) надо установить на проверочный плаз в круг диаметром 59 мм точно по центру и на каждой проверочной окружности (0,4; 0,6; 0,8 и 0,9 D) для всех лопастей снять разность высот выходящей и входящей кромок hi, мм) и угол (Ai, °) между радиусами, проведенными на проекции кромок. Для сечений лопастей кромочный шаг можно определить по формуле Нi = hi/Ai 360°.
Чтобы узнать разность высот, надо на вертикальном угольнике отметить карандашом высоты кромок лопастей. Угольник следует ставить прямым углом на проверочную окружность, а в точке касания его носка и окружности сделать засечку для замера угла Ai.
Результаты замеров и расчета шагов нужно занести в таблицу. Для определения ширины лопастей в нее необходимо записать длины хорд между проекциями кромок лопастей на плазе, а для сопоставления углов разворота лопастей в плане-длины хорд между проекциями кромок соседних лопастей.
Анализ данных таблицы позволяет определить отклонения в форме и шаге лопастей в каждом сечении и доработать винт. Естественно, ширину лопастей следует подгонять к минимальной. При этом необходимо помнить, что иногда исправленный угол разворота лопасти может еще больше уменьшиться. В этих операциях допуск на расхождение размеров может составлять 1 мм. Нередко требуется выравнивать и длину лопастей; при этом диаметр винта уменьшается на 3-5 мм.
Чтобы привести лопасти к одинаковому шагу, приходится либо опиливать нагнетающие поверхности лопастей, либо очень осторожно их подгибать. Сечения лопастей от ступицы до диаметра 0,6 D следует опиливать от середины до выходящей кромки. Если высоту кромки при ступице уменьшить на 8-9 мм, ширина лопасти станет меньше примерно на 10 мм. Чтобы компенсировать вредное воздействие антикавитационной плиты, необходимо уменьшить шаг сечений лопасти, немного отогнув у концов лопастей выходящие кромки. В итоге шаг сечений лопасти на диаметрах 0,6-0,8 D будет постоянным, к концевой кромке уменьшится всего на 5—6%, а на ступице-на 16-18%.
Выравнивание толщин лопастей — это последняя операция, требующая замеров и опиливания. Прежде всего на нагнетающих поверхностях лопастей необходимо вычертить при помощи циркуля эквидистантные кривые. При этом ножка циркуля с иголкой должна устанавливаться в лунку на торце ступицы, оставшуюся от центра токарного станка.
Затем на равных расстояниях от кромок лопастей на кривых надо сделать засечки, отстоящие друг от друга на 15-17 мм. Используя измеритель с загнутыми иголками, нужно измерить толщину лопастей в одинаковых засечках на каждой лопасти. Раствор ножек измерителя следует настроить по наименьшей толщине из всех замеров, а иголки надвигать на лопасть. Около засечек в утолщенных местах необходимо фиксировать расстояние, на которое иголки измерителя не дошли до засечки. Таким образом можно обнаружить утолщенные места лопастей, которые необходимо опилить и отшлифовать с засасывающей стороны лопасти.
Далее ступице винта опиливанием между выполненными ранее проточками на торце следует придать форму плавного тела вращения. Галтели в местах примыкания лопастей надо выполнять с переменными радиусами, уменьшающимися к кромкам лопастей. На ступице необходимо с одной стороны отверстия выдолбить под шплинт канавку глубиной 2,5 мм для укладки отогнутых концов шплинта, а с другой — зенковать отверстие сверлом диаметром 7- 7,5 мм на глубину примерно 3 мм для утапливания головки шплинта. Кстати, шплинт следует изготовить из 5-миллиметрового гвоздя, распилив его вдоль в месте отгибки концов.
На валах и тяге реверса я установил двойной комплект уплотнений. Втулку тяги реверса 2.205-002 выпрессовал, дно ее гнезда полого раззенковал на 2 мм, под старую втулку установил вместо одного два уплотнительных резиновых кольца 2.205-003, разделенных тонкой латунной шайбой. Уплотнение вала-шестерни усилил дополнительным сальником, установленным в металлическое кольцо, которое запрессовано на эпоксидной шпаклевке в лунку выше штатного сальника под помпой. Если кольцо держится плохо, на нем следует сделать две проушины, через которые винтами М4 с потайной головкой можно укрепить его посадку в гнезде. Размеры кольца уточняются по месту.
Подшипник скольжения 2.212-002 гребного вала я заменил шарикоподшипником № 203. Втулку 2.212-001 заменил новой, выточенной из стали, так как толщина ее стенки в районе подшипника составляет 1 мм; предусмотрел расточку для двух сальников (благо после удлинения обтекателя редуктора места для этого достаточно).
Перед установкой мотора на лодку гнезда под винты сочленения корпуса редуктора и углубления шплинта на винте полезно замазать пластилином до получения гладкой поверхности.
Мотор с модернизированным редуктором эксплуатирую уже четыре сезона, прошел на нем 12 тыс. км, при этом никаких отказов в работе не было. На большинстве винтов следы кавитационной эрозии исчезли, на остальных — значительно сократились. Винты как бы полегчали, теперь при том же водоизмещении приходится ставить винт с шагом на 5% большим, чем это требовалось до доводки редуктора.
Замеры скорости, выполненные по километровым столбам на. Новоладожском канале, показали, что при частоте вращения двигателя 5000 об/мин скорость «Казанки» увеличивается на 3 км/ч по сравнению с лодкой, оборудованной мотором, на котором подводная часть и гребной винт были отшлифованы и отполированы без изменения их заводских размеров.
На скоростях движения около 40 км/ч увеличение скорости на 3 км/ч эквивалентно приросту эффективной тяги на 14-15%. Влияние полировки редуктора и винта может быть оценено еще 8% прироста тяги.
Источник: motorka.org
ГИДРОСТАТИКА ПОБЕЖДАЕТ ГИДРОДИНАМИКУ
В предыдущих статьях (см. «М-К» №№ 6-7, 2022) мы рассказали, как можно попытаться построить двухместную лодку минимальных размеров и массы для перевозки на крыше легкового автомобиля. Автор проекта и главный строитель «корабля» — Сергей Галихин из Химок.
В качестве материала был использован листовой пенополистирол марки ПС толщиной 50 мм, оклеенный в один слой стекловолокном на эпоксидной смоле. Размеры — минимальные для двух человек экипажа: длина 2160 мм, ширина 1100 мм, высота борта 400 мм. Масса получилась тоже минимальной — всего 23 кг без навесных деталей. Постройка и доработка лодочки закончилась осенью прошлого года, когда уже выпал снег, и для испытаний пришлось ждать следующего сезона.
Спуск «пенопластового корабля» на воду состоялся 12 июня 2022 г — в «день рыбака и водномоторника», когда в Подмосковье обычно завершаются весенние нерестовые ограничения. Его перевозка на крыше УАЗ «Патриот», разгрузка и спуск на воду по крутому откосу Оки силами одного водителя никакого труда не составила.
Два человека довольно свободно помещаются в лодке, и высота борта при этом остается вполне достаточной, чтобы преодолевать волну от проходящих катеров. Ходкость под веслами и под мотором неплохая: при мощности четырехтактного моторчика Zongshen S35 (см. «М-К» № 5, 2018) всего 1 л.с. скорость лодочки по навигатору составила 6-7 км/ч.
Из недостатков главный — повышенная «вертлявость», причем вокруг всех трех осей. На стоянке и при посадке пассажира лодочка довольно валкая, что вообще характерно для всех узких лодок с повышенным развалом бортов. Горизонтальная маневренность такова, что лодка под мотором разворачивается практически вокруг собственного центра тяжести, правда, с опасным креном внутрь поворота. При ходе под мотором без пассажира лодочка сильно задирает нос — в этом случае водитель должен размещаться в центре лодки и для управления мотором использовать удлинитель румпеля.
Результат первых испытаний: для двух человек общим весом 150 кг 2,2-метровая лодочка, конечно, тесновата, но короткие «путешествия», такие как переправа через водную преграду, прогулка вдоль пляжа, рыбалка вблизи от берега, вполне возможны.
Для борьбы с «вертлявостью» у нас имелось сразу несколько идей (см. М-К № 7, 2022), которые проверили в следующем выходе на воду. Первая из них — кормовой гидродинамический стабилизатор на регулируемом кронштейне — себя не оправдала. На небольших скоростях его подъемная сила тоже очень невелика и не в состоянии ликвидировать сильный кормовой дифферент.
Кормовой стабилизатор может сработать на лодке больших размеров с достаточно мощным мотором. Кроме того, данная конструкция гидростабилизатора с развитыми вертикальными плоскостями резко ухудшила управляемость по курсу. Гораздо больший эффект дает простая пересадка водителя в центр судна.
Зато вторая идея — пара дополнительных пустотелых полиэтиленовых поплавков, установленных в корме на том же кронштейне, оказалась чрезвычайно эффективной. На малых скоростях гидростатика работает гораздо лучше гидродинамики! Валкость пропала совершенно, кормовой дифферент — тоже. Устойчивость на курсе улучшилась настолько, что лодка стала трудноуправляемой.
Диаметр циркуляции составил примерно 20 метров. То есть она стала вполне приятной на ходу, но только при движении по прямой!
Улучшить управляемость можно было бы двумя способами: либо переместить подвесной моторчик на кронштейн, чтобы он находился в самой корме, между поплавками, либо переместить вперед сами поплавки. Первый вариант вызывал сомнения, стоит ли нагружать небольшие поплавки с грузоподъемностью всего примерно 30 кг дополнительным весом мотора.
Второй способ требовал закрепления траверсы поплавков непосредственно в корпусе лодки. В этом случае вызывал опасения процесс сверления бортов корпуса лодки коронкой под точным углом так, чтобы оси обоих отверстий совпали. Для этого пришлось предварительно потренироваться на дощечках.
Все получилось, и траверса поплавков была вклеена на эпоксидной смоле в корпус лодочки на расстоянии 200 мм от ее транца. Положение траверсы по высоте должно быть таким, чтобы поплавки на стоянке едва касались воды. Тогда при крене они входят в воду и поддерживают остойчивость лодки. На ходу под мотором они тоже слегка погружаются и предотвращают сильный дифферент на корму, не создавая большого сопротивления.
Третий выезд на испытания принес, наконец, чувство полного удовлетворения. Валкость лодочки на стоянке полностью пропала, дифферент на корму при правильной центровке практически исчез, управляемость тоже достаточно хорошая. Скорость составила те же 6-7 км/ч с нагрузкой один человек и 5-6 км/ч с нагрузкой два человека, расход топлива примерно 0,5 литра бензина в час. Поплавки по размерам невелики и легко перевозятся в багажнике.
Что можно сказать по результатам тестов? Вполне «мореходное» и при этом сверхлегкое двухместное суденышко длиной чуть больше 2 м построить можно, и полистирольный пенопласт для этого — один из лучших материалов. Небольшие дополнительные поплавки значительно улучшают продольную и поперечную остойчивость лодки, а также ее устойчивость на курсе.
Но всего важнее для такого плавсредства правильная центровка: центр масс должен всегда находиться в его центре. Для этого нужны передвижные по длине банки и три пары подуключин для весел (подуключины представляют собой отрезки дюралевых трубочек, заподлицо вклеенных в борт лодочки).
Если экипаж состоит из одного человека, то на веслах он сидит в центре лодки лицом назад, весла — в кормовых подуключинах. С мотором он поворачивается лицом вперед и управляет движением с помощью удлинителя румпеля. Весла при этом переставляются в носовые подуключины. Если два человека, то они садятся в оконечностях лодочки, а весла устанавливаются в средние подуключины. Такое размещение экипажа можно рекомендовать для любого судна длиной 2,0-2,5 м.
Григорий ДЬЯКОНОВ
Источник: modelist-konstruktor.com