Натурные испытания: лодка — мотор — винт

Серия таких испытаний была проведена в 1972—1973 гг. ВНИИ технической эстетики. В результате их была выработана методика и создана комплексная аппаратура, позволяющая одновременно фиксировать множество взаимосвязанных параметров, включая вибрационные воздействия и ударные перегрузки, степень загрязнения окружающей среды и т. д.

Самостоятельную группу составили измерения, относящиеся к ходовым характеристикам комплекса «лодка — мотор», определяемым гидродинамическими свойствами этого комплекса. Особый интерес вызвал вопрос согласования штатного гребного винта с двигателем и гидродинамическими характеристиками корпуса мотолодки. Не секрет, что в настоящее время штатный винт оптимален лишь для ограниченного круга серийных лодок, да и то в довольно узком диапазоне скоростей.

Программа испытаний включала:

• измерение массы судна и определение его центровки;
• измерение средней скорости хода на мерном участке;
• измерение мгновенного значения скорости хода;
• измерение буксировочного сопротивления;
• измерение углов ходового дифферента;
• измерение тяги (эффективной) подвесного мотора на ходовых режимах;
• измерение среднего и мгновенного значения числа оборотов двигателя;
• измерение среднего расхода топлива на установившихся режимах движения;
• измерение мощности подвесного мотора (стендовые испытания).

Ходовые испытания мотолодок и моторов проводились в трех режимах:

• 1) в режиме установившегося движения на максимальной скорости хода при нескольких значениях водоизмещения;
• 2) в режиме установившегося движения при одном фиксированном водоизмещении и нескольких последовательных значениях числа оборотов двигателя;
• 3) в режиме разгона судна от самого малого до полного хода при резком открытии дроссельной заслонки карбюратора.

В различных режимах ходовых испытаний с помощью шлейфового осциллографа фиксировались следующие параметры: число оборотов двигателя n, эффективная тяга Р_е, скорость хода v₀, пройденный путь S, расход топлива Q, углы дифферента мотолодки ψ, ударные и вибрационные воздействия g на экипаж и элементы конструкции системы «лодка — мотор».


Градуировка датчиков скорости хода и пройденного пути производилась при прохождении мотолодкой мерного участка (1000 м), оборудованного секущими и ведущими створами. Для сведения к минимуму ошибки в определении скорости хода мотолодки (из-за влияния ветра, волнения и течения) на одном и том же режиме работы мотора делались несколько прохождений по ведущим створам в одну и другую сторону.

Датчик скорости (трубка Пито) соединялся с образцовым манометром, спидометром и манометрическим датчиком давления, электрический сигнал от которого фиксировался регистрирующим устройством.

Определение основных характеристик системы «мотор — лодка» предполагает возможно более точную регистрацию числа оборотов двигателя. В составе измерительной аппаратуры для этого использовалось несколько тахометрических устройств. В качестве ординарных тахометров при проведении прикидочных измерений использовались механический тахометр типа ИО-30 и магнитоэлектрический частотомер Ф433/3. При проведении основных ходовых испытаний применялся электромеханический двухстрелочный тахометр ИСТ-2. С его помощью проводились непосредственные визуальные измерения и градуировка электротахометра, сигнал от которого записывался малогабаритным шлейфовым осциллографом К621А.

При испытании мотолодок с четырехтактным мотором «Биркет-55» использовался упомянутый электротахометр, а также штатный стрелочный электрический тахометр, поставляемый с этим мотором.

Устройство для определения расхода топлива представляло собой мерный бачок емкостью 1 л, подключаемый с помощью перепускных кранов в топливную систему испытываемого мотора. При движении мотолодки в заданном установившемся режиме топливная система переключалась на мерный бачок и фиксировалось время с момента переключения до остановки двигателя. Аппаратура, кроме того, предусматривала возможность измерения расхода топлива путем записи импульсов от турбинного расходомера типа НТР-0,3 (фирмы «Мерлаб Турбоквант», Венгрия).

Измерение углов ходового дифферента мотолодок осуществлялось с помощью гироскопического устройства. Устройство позволяло производить запись на шлейфовом осциллографе кривой изменения угла дифферента на ходу мотолодки, контроль осуществлялся также визуально по стрелочному индикатору.


Устройство для определения тягового усилия мотора представляло собой замкнутую гидравлическую систему, в которую входили сильфон-ная мессдоза, образцовый манометр и манометрический датчик давления. Сильфонная мессдоза, расположенная на транце мотолодки, воспринимала тяговое усилие, развиваемое мотором, и создавала давление в гидравлической системе. Электрический сигнал от датчика давления записывался регистрирующим устройством, как в режиме швартовных испытаний, так и на ходу. При этом могла записываться в натурных условиях кривая буксировочного сопротивления мотолодки.

Испытывались мотолодки «Нептун», «Темп», «Марина» с подвесными моторами «Нептун-23», «Вихрь-М», «Кресчент-25», «Кресчент-55» и «Биркет-55» в различных сочетаниях. В результате испытаний были получены данные по эффективным упорам моторов, буксировочным сопротивлениям мотолодок, расходам топлива и пропульсивным качествам.

На рис. 3 приведены характеристики, полученные при испытаниях мотолодки «Марина» с подвесным мотором «Биркет-55» на режиме разгона «с места» при резком открытии дроссельной заслонки карбюратора и на режимах установившегося движения при нескольких фиксированных значениях числа оборотов двигателя. В результате обработки осциллограмм получены зависимости буксировочного сопротивления лодки R_б, эффективной тяги мотора (гребного винта) Р_е, и числа оборотов двигателя n в функции скорости хода v₀. По внешней скоростной характеристике двигателя N=f(n) получены значения мощности при каждом значении числа оборотов. По этим данным рассчитывался пропульсивный коэффициент на режиме разгона:


где η — общий пропульсивный коэффициент;


Р_е — эффективная тяга (упор), кг;
v₀ — скорость хода, м/с;
N_e — эффективная мощность мотора, л. с.

На рис. 3 приведены также зависимости η и Р_е мотора «Биркет-55» от скорости хода на режиме разгона, там же нанесена кривая буксировочного сопротивления мотолодки «Марина» с учетом гидродинамического сопротивления подводной части мотора при водоизмещении 1100 кг и относительной центровке x_g — 0,4.

Аналогичные зависимости для моторов «Нептун-23», «Вихрь-М» и «Кресчент-25», полученные на мотолодке «Нептун», приведены на рис. 1.

Обращает на себя внимание значительное влияние на работу винта «ноги» подвесного мотора — ее конструкции, геометрической формы и относительных размеров. Коэффициент влияния «ноги» и корпуса рассчитывается по формуле:


где t — коэффициент засасывания;
ω — коэффициент попутного потока;
i — коэффициент влияния неравномерности потока на упор и момент;
η — общий пропульсивный коэффициент (данные эксперимента);
η_р — к. п. д. гребного винта (расчет по диаграммам Э. Э. Папмеля).

При установившемся режиме полного хода на мотолодке «Нептун» для мотора «Нептун-23» этот коэффициент оказался равным 0,79, а для «Вихря-М» — 0,71. Для сравнения напомним, что коэффициент влияния корпуса у быстроходных глиссирующих катеров с обычным кронштейном и наклонным гребным валом составляет примерно 0,96—0,98. Меньшее (почти на 10%) влияние на работу гребного винта «ноги» мотора «Нептун-23», по сравнению с «Вихрем-М», говорит о лучших гидродинамических характеристиках подводной части мотора «Нептун-23».

Известно, что гидродинамически «тяжелый» гребной винт, обладающий очень крутой характеристикой, загружает двигатель настолько, что тот не может развить номинального числа оборотов и, следовательно, не развивает должного тягового усилия. Испытания позволили получить такие данные о моторах «Кресчент-25», «Нептун-23» и «Вихрь-М». На рис. 4 приведены зависимости коэффициента использования мощности в зависимости от скорости хода мотолодки. Коэффициент использования мощности представляет собой отношение мощности, развиваемой в данных условиях на полном дросселе, к номинальной мощности, указанной в паспорте на двигатель:



Из рис. 4 видно, что три гребных винта, входящих в комплект мотора «Кресчент-25» (Н=230 мм, H=254 мм и H=280 мм), обеспечивают использование его мощности не ниже 90% в диапазоне от швартовного режима до скорости 45 км /ч. Взаимное «перекрытие» винтов происходит на уровне (0,9÷0,92)N_{e ном}. Приняв значение 0,9·N_{e ном} ном за нижний допустимый предел использования мощности, можно видеть, что штатный гребной винт мотора «Нептун-23» (D=240 мм, H=300 мм) обеспечивает использование мощности в указанных пределах на скоростях хода от 20 до 37 км/ч, т. е. практически на всех мотолодках водоизмещением от 300 до 600 кг при одномоторной силовой установке и от 600 до 1100 кг при двухмоторной силовой установке.

Штатный винт «Вихря-М» (D=240 мм, H=300 мм) обеспечивает использование мощности мотора на 90—100% в диапазоне скоростей примерно от 45 до 60 км/ч, что может быть достигнуто лишь на таких небольших и облегченных лодках, на которые установка мотора в 25 л. с. недопустима по соображениям безопасности.

При скорости около 35 км/ч на наиболее распространенных «средних» мотолодках водоизмещением 350÷450 кг мотор «Вихрь-М» развивает вместо должных 25 л. с. лишь 21 л. с. и проигрывает «Нептуну» почти 2 л. с.

Измерение расхода топлива позволило получить не только сравнительные данные по различным моторам, по и провести анализ экономических показателей одно- и двухмоторных силовых установок (таблицы 1 и 2).



Из таблиц видно, что часовой расход топлива одномоторных установок с N_e=23÷25 л. с. при движении в глиссирующем режиме довольно стабилен по скорости хода и мало зависит от нагрузки мотолодки. Обращает на себя внимание более высокая экономичность мотора «Кресчент-25». Сопоставление силовых установок мощностью N≈50 л. с. показывает явное преимущество одного мощного мотора перед двумя, имеющими примерно равную суммарную мощность.

Анализ экономических показателей одно- и двухмоторных установок в применении к отечественным моторам показал, что установка на транец лодки двух моторов общей мощностью N≈50 л. с. выгодна начиная с водоизмещения около 600 кг и это преимущество перед одномоторной установкой в 25 л. с. сохраняется до водоизмещения порядка 1100—1200 кг. Это видно из рис. 2, где приведены зависимости путевого расхода топлива от водоизмещения мотолодки при установке одного мотора («Нептун-23» или «Вихрь-М») и двух.

Приведенные примеры, естественно, затрагивают лишь небольшую часть результатов, полученных с помощью описанной аппаратуры и методики испытаний. Если эта работа вызовет интерес у читателей сборника, публикация таких материалов будет продолжена.