C недавних пор приводы с подсосом воздуха (surface drives) доминируют на рынке высокоскоростных судов, развивающих более 50 узлов. Однако история их началась примерно сто лет назад. Ведь таким вентилируемым винтом (или ЧПВ) можно считать первый винт, предложенный в качестве движителя на воде. На рубеже веков пароходы на Миссисипи имели гребные винты, лишь нижние лопасти которых были погружены в воду. Та же идея была использована на “морских санях” Хикмана в 30-е годы, но уже по более серьезным соображениям.
Идея довольно проста. Вместо винта, полностью погруженного в воду, используется частично погруженный винт, у которого “работают” только лопасти, находящиеся в нижней части диска, ометаемого лопастями. В первых подобных проектах преимущество усматривалось в уменьшении осадки и в том, что гребной вал находится выше ватерлинии и, следовательно, не требуется герметизировать корпус дейдвудными уплотнениями. Но у современных ЧПВ главным преимуществом считается повышение КПД. Нет составляющей сопротивления от гребного вала и его кронштейнов, отсутствует вихреобразование вокруг ступицы, нет скоса потока, вызванного наклоном оси вала. Лопасти работают в ламинарном потоке, а потому — максимально эффективно. Использование ЧПВ снимает проблему кавитации, которая для полностью погруженного винта становится главной, как только скорость переваливает за 40 узлов (падает скорость, начинает быстро корродировать и разрушаться сам винт).
Однако у ЧПВ есть и свои проблемы. В результате решения их и было создано множество различных “автономных” приводов, иногда призванных лишь всего-навсего облегчить работу монтажникам.
Современная концепция приводов с подсосом воздуха была возрождена примерно 30 лет назад, когда итальянская фирма “Italcraft” установила ЧПВ на свои серийные суда, а конструктор Ренато (Сонни) Леви начал экспериментировать с ними на высокоскоростных катерах. На первых экспериментальных катерах гребной вал выходил через нижнюю часть транца, а винт крепился в непосредственной близости к нему так, что только нижние лопасти выступали ниже днища и были погружены в воду. Это было простое и эффективное использование идеи ЧПВ, но создавало проблемы с выходом катера на режим глиссирования, поскольку трудно было “отделить” воду от верхних лопастей, чтобы действительно получить режим работы полупогруженного винта. К тому же, на заднем ходу упор такого винта резко снижался.
Подача воздуха к входящим кромкам “верхних” лопастей ЧПВ помогла решить первую проблему, а перемещение винта дальше от транца — вторую.
|
|
Два варианта современных приводов Арнесона
|
Эффективность приводов с подсосом воздуха можно оценить, например, по результатам испытаний, проведенных компанией “Fountain Powerboats” на катере “Fountain-49”. Скорость на максимальных оборотах возросла на 4.4 узла после того, как привод “Mercury” заменили на “Тримакс”.
Итальянская фирма “Alfamarine” сообщила о 8-узловом приросте максимальной скорости (45 узлов) на своем 60-футовом катере после замены обычного винторулевого комплекса на привод Арнесона.
“Следует, однако, учитывать, что приводы с подсосом воздуха могут гораздо больше, нежели только увеличивать скорость катера”, — утверждают американские специалисты Дэвид Этман и Ричард Тил (главный редактор одного из ведущих журналов в мире ботинга).
Большинство катерников представляют себе новейшие приводы с подсосом воздуха как нечто, пригодное лишь для самых высокоскоростных судов. Однако эти приводы имеют и некоторые другие преимущества, могущие заинтересовать владельцев обычных глиссирующих катеров. Одно из них — повышение эффективности винторулевого комплекса в целом.
Глиссирует катер или нет, винт и вал выступают в корму, а не под днище вниз, что уменьшает габаритную осадку. То, что винты находятся на некотором расстоянии от транца, увеличивает длину рычагов руля управления поворотом и удифферентовки, а главное — снимает ограничения на диаметр винтов. Поскольку винты находятся не под днищем, шум и вибрация, обычно передающиеся корпусу, значительно ниже. Наконец, проектант получает большую свободу при выборе положения двигателя, добиваясь улучшения ходовых качеств катера (обычно это означает — как можно дальше в корму).
В целом современный рынок приводов с подсосом воздуха становится все более оживленным и, поскольку есть уже приводы на 5000 л.с., все более широким. Большая часть продаж подобных приводов приходится на патрульные катера, хотя очень быстро растет и доля прогулочных катеров — быстроходных моторных яхт.
Рынок этот пока еще не устоялся — он фрагментарен, так как большинство разработок принадлежит сравнительно маломощным компаниям, не имеющим достаточно средств для глобального маркетинга. Катеростроители и владельцы катеров не всегда имеют достаточные гарантии необходимого послепродажного сервиса. Выход на этот же рынок крупных компаний по производству коробок передач может существенно изменить ситуацию.
Предполагаемое объединение изготовителей рассчитанного на ЧПВ привода “Тримакс” Фабио Баззи (“FB Desigh”) и двухскоростной коробки передач
(“ZF Marine”) привлекло особое внимание специалистов к установкам с подсосом воздуха как высокоэффективным пропульсивным комплексам, объединяющим достоинства обеих новинок. Этот шаг знаменует собой важную стадию укрупнения фирм (что происходит не только в морской индустрии, но и в любой другой). Главный конкурент “ZF” — компания “Twin Disc” шла по тому же курсу, когда начала производство приводов Арнесона в начале 90-х годов!
Привод Арнесона |
|
|
Схема устройства и общий вид привода “Тримакс”
|
Из имеющихся на рынке приводов с подсосом воздуха наиболее популярен привод Арнесона, хотя бы потому, что при его установке отпадает необходимость в руле и соответственно уменьшается сопротивление воды движению. Поворот обеспечивается изменением направления тяги, а не созданием отклоняющего усилия на пере руля, что улучшает управляемость и повышает надежность управления. Привод Арнесона регулируется по вертикали, позволяя рулевому менять ходовую посадку — дифферентовать катер для компенсации нагрузки или волнения. Большая часть привода (включая гидравлические тяги, которые осуществляют эти повороты) находится за бортом, что освобождает дефицитные объемы внутри корпуса.
Каждый привод имеет два гидроцилиндра. Вертикальный (дифферентный) гидроцилиндр позволяет наклонять вал вверх или вниз на 7°, чтобы регулировать заглубление винта, а горизонтальный — вправо-влево на 40° для управления катером по курсу. На катерах длиной от 30 до 200 футов винт обычно находится на расстоянии от 3 до 10 футов от транца.
Популярность привода Арнесона объясняется и тем, что он был первой по времени подобной системой, ставшей поворотной точкой в использовании ЧПВ.
Привод был разработан и испытан известным спортсменом-водномоторником Ховардом Арнесоном первоначально для чисто гоночных катеров. До его появления на таких судах доминировал привод “Mercury”. В нем гребной вал имел два излома под прямым углом, снабженных коническими шестернями с минимально возможным диаметром, поскольку они находились в набегающем на винт потоке воды. Простым подъемом такого привода можно было перевести винт в “полупогруженный” режим, однако по мере роста передаваемой мощности главной проблемой стала надежность.
Привод Арнесона стал наиболее надежным и эффективным средством передачи винту большой мощности.
Ахиллесова пята привода — это сам универсальный шарнир. Подбор нужных материалов и инженерная доводка в конце концов сняли и эту проблему, после чего привод Арнесона стал лидером рынка приводов с подсосом воздуха (подробнее об устройстве привода Арнесона можно прочитать в “КиЯ” № 161).
Глава фирмы “Twin Disc” Джон Баттен утверждает, что она производит от 150 до 225 приводов в год, тогда как емкость мирового рынка можно оценить в 450-500 приводов. Крупнейшая модель на мощность 5000 л.с. приспособлена как для дизельных, так и для газотурбинных двигателей.
Последняя версия привода Арнесона снабжена двумя стабилизирующими плавниками — по одному с каждой стороны от ЧПВ, чтобы они не искажали набегающий поток воды.
Возникает вопрос: почему же при таком обширном списке преимуществ приводы Арнесона не устанавливаются на все катера без исключения? Во-первых, они дороже, чем обычные движители. Разница изменяется в широких пределах, но, например, для нового 70-футового катера, построенного итальянцем Антанго, она составляет 10 %.
Еще один минус (по крайней мере, для некоторых владельцев катеров) — это чисто психологический эффект от мысли, что за транцем работает пара винтов, лишь на несколько дюймов заглубленных в воду. Как правило конструкторы прикрывают эти работающие “в воздухе” винты платформой для ныряния, иногда даже специальными кожухами, лишь бы уменьшить опасность для купающихся, исключить поломки при доковании и швартовках и попадание рыболовных снастей.
Приводы с подсосом воздуха вообще имеют устойчивую репутацию плохо работающих на заднем ходу, но, по данным “Twin Disc”, в большинстве случаев это предрассудки, порожденные в те времена, когда такими приводами и винтами с увеличенной площадью лопастей оснащались одни лишь гоночные катера. Современные винты на заднем ходу имеют достаточно высокий КПД. Однако на заднем ходу струя от винта попадает чаще всего в транец, а не под корпус, что может снизить эффективность. С другой стороны, управляемость на заднем ходу даже лучше, чем у обычных судов, благодаря тому, что и здесь поворачивает катер изменение направления тяги винта.
Привод «Тримакс» |
Фирма “ZF”, торгующая приводами “Тримакс” в США, утверждает, что их главное преимущество состоит в меньшем весе, большей простоте и долговечности. Модели рассчитаны на мощность от 300 до 4000 л.с. Приводы с этой маркой можно видеть на многих новейших моторных яхтах (например, на “Fountain 65”).
История приводов этого типа также насчитывает не один год. Он разработан итальянским гонщиком Фабио Баззи для катеров, участвующих в гонках открытого моря (“оффшор”). Баззи считал, что приводы с подсосом воздуха, использующиеся для управления по курсу, на очень больших скоростях потенциально опасны и могут вызвать переворот катера. Его “Тримакс” имеет отдельное перо руля и фиксированное в горизонтальной плоскости положение ЧПВ. Привод включает в себя универсальный шарнир с ограничителем, причем этот ограничитель вмонтирован так, что вертикальный угол наклона гребного вала поддается регулировке. Однако это можно сделать только на суше, после чего вал закрепляется, и его угол наклона регулировать на ходу нельзя. Дифферентовка катера на ходу осуществляется триммерами — управляемыми гидравликой транцевыми плитами.
“Тонкая регулировка положения ЧПВ по высоте, — говорит Баззи, — производится по результатам ходовых испытаний каждого катера, что и обеспечивает максимальную эффективность привода. Таким образом мы выпускаем привод одновременно очень надежный, простой и в достаточной степени регулируемый. Как привод Арнесона, так и “SDS” механически сложнее и имеют плавник перед винтом, что снижает эффективность ЧПВ и может сделать привод нестабильным на больших скоростях”.
Ранние версии “Тримакса” конструктивно представляли собой отдельно поставляемый и монтируемый собственно привод. Перо руля ставилось позади винта и конструктивно не было связано с приводом (см. схему на стр. 30 в № 168).
Последние версии отличаются тем, что проектируются, поставляются и монтируются в едином комплексе с рулевым устройством и полностью интегрированы в обводы и конструкцию кормовой части катера. Комплекс крепится на транце или, чаще всего, под кормовым свесом, что требует определенной архитектуры кормовой оконечности. Соответствующие обводы кормы (и в частности — некоторый наклон транца) позволяют повысить эффективность привода на заднем ходу и улучшить распределение объемов плавучести по длине катера
Уже на первых высокоскоростных моделях на пятке руля находился патрубок водозабора системы охлаждения, поскольку эта нижняя точка последней выходит из воды при подлетах катера на волне. Патрубок газовыхлопа также вмонтирован в комплекс привода. Это немаловажная деталь, поскольку выпуск газов осуществляется целенаправленно — в верхней части диска винта, чтобы эта “дополнительная” вентиляция лопастей газами помогала выходу на режим глиссирования.
Главным же путем решения “извечной” для приводов с ЧПВ проблемы медленного выхода на глиссирование, является вентиляция верхней части винта воздухом. Рулевое устройство и кронштейн гребного вала имеют каналы для подачи атмосферного воздуха к винту, что “создает скольжение на малой скорости” и позволяет увеличивать обороты двигателя значительно быстрее. На режиме глиссирования, когда винт частично выходит из воды, воздух уже не влияет на эффективность винта.
Оборудованные “Тримаксом” катера могут выходить на режим глиссирования уже на скорости около 9 узлов.
Длина гребного вала, выступающего за пределы корпуса, в этом случае получается достаточно большой (в зависимости от модели привода), что требует пригонки по месту. Весь комплекс “Тримакса” в сборе состоит из 316 деталей; они выполняются из нержавеющей стали, так что коррозия не станет для владельца катера проблемой.
Важнейшим событием последних лет было то, что Фабио Баззи сумел соединить достоинства привода “Тримакс” и предложенной им же двухскоростной коробки передач. Это способствовало дальнейшему упрощению характеристик привода.
"Тримакс" с интегрированной двухскоростной коробкой передач уже принят на вооружение такими катеростроителями, как “Riva”, “Fountain”, “Sunseeker” и “FB Design”. В общей сложности выпускается около 200 единиц таких приводов в год, и эта цифра постоянно растет.
С одним существенным усовершенствованием фирма “FB Desing” выпустила на их основе привод “G-Drive”, предназначенный для того, чтобы составить конкуренцию приводу “Bravo” компании “Mercury”. Вместе с коробкой передач он гораздо дешевле, чем привод “Mercury” и, вполне возможно, потеснит его с рынка.
“Twin Disc” взяла курс на расширение ассортимента выпускаемой продукции. “ZF” в ответ подписала с итальянским производителем “FB Design” соглашение о продаже привода "Тримакс" по всему миру. Аналогичные соглашения подписаны ею с французской компанией “France Helices” о продажах привода “SDS” в США, а в будущем, возможно, и по всему миру. Продажа одновременно двух конкурирующих приводов кажется на первый взгляд трудной задачей, хотя представитель ZF в США сказал, что они взялись за продажи “SDS” лишь для того, чтобы этот привод не попал в руки конкурентов. Строго говоря, эти два привода не совсем конкурируют, поскольку “SDS”, подобно приводу Арнесона, позволяет регулировать ходовой дифферент, а “Тримакс” можно считать фиксированным (в части вертикальных углов поворота).
Привод «SDS» |
|
|
У стройство привода “SDS” фирмы “France Helices”.
|
Еще один привод с подсосом воздуха, также распространяемый “ZF”, это “SDS” (“Surface Drive System”). Как и приводы Арнесона и “Тримакс”, он изготовляется из нержавеющих материалов (по большей части — из нибрала).
Привод “SDS”, многим напоминающий привод Арнесона, имеет плавник перед винтом, который действует как руль; привод регулируемый — ось винта может поворачиваться как в вертикальной плоскости (на угол 15°) для удифферентовки на ходу, так и в горизонтальной плоскости (от 26° до 40° в зависимости от модели) для управления по курсу.
Основное отличие от привода Арнесона заключается в том, что вся гидравлика, осуществляющая эти перемещения, спрятана в корпус. Это, по словам инженеров “ZF”, исключает возможность повреждений гибких элементов гидравлики плавающим мусором и не загрязняет окружающую среду в случае утечек масла из гидроцилиндров; к тому же, упрощаются монтаж и ремонт во время эксплуатации катера. Ферменная тяга, управляющая углами поворота гребного вала, связана с управляющими гидроцилиндрами, расположенными внутри катера, через свой отдельный — дополнительный шарнир, закрепленный на транце.
Модели “SDS” рассчитаны на катера водоизмещением от 7 до 250 т и могут быть оснащены стандартной гидравлической или, альтернативно, электрической системой управления. Все винты для них поставляет компания “France Helices”. Имеются 4-, 5- и 6-лопастные винты.
Приводы других систем |
- “France Helices” выпускает версию “SDS” с винтом регулируемого шага. Если принять в расчет очень высокие нагрузки, которые создают и снимают лопасти ЧПВ примерно 1500 раз в минуту, применение ВРШ можно считать удачным решением. Данной версией пока оборудована только одна моторная яхта “Golden Eye” (и та еще проходит ходовые испытания).
- Из конкурентов применить ВРШ решилась норвежская компания “CPS”. Ее управляющий, но не регулируемый (не дифферентующий) привод является частью конструкции высокоскоростного катамарана “Citius”.
- В Бразилии построен привод “Monodrive”, которым оборудовано несколько местных судов. Это регулируемый привод весьма простой и надежной конструкции, и его концепция уже “уплыла” за границы Бразилии.
- В Италии “Victory Design” сконструировала привод “Victory Drive”, но его сфера применения ограничена чисто гоночными катерами.
- Несколько изготовителей выпускают фиксированные приводы с подсосом воздуха, имеющие плоский руль за винтом. Одной из первых стала “Lancing Marine” с ее приводом “Lance Drive” — вероятно самым простым из ныне представленных на рынке. Компания продает 30-40 единиц в год — в основном приверженцам идеи “навесных”, то есть не интегрированных в конструкцию кормы приводов.
Привод Леви разработан знаменитым Ренато (Сонни) Леви как целостная "навесная" система, включающая руль — поворотную верхнюю половину кольцевой насадки. При выходе на глиссирование двумя рулями служат нижние части насадки. Привод Леви ныне называется “Sea Rider” и выпускается компанией “LA.ME” в Милане в количестве 100 единиц в год, в основном для патрульных, пассажирских и прогулочных катеров. Представитель компании Патроне Раджи комментирует: “Наш главный конкурент — более сложный привод Арнесона, но спрос пока еще невелик в силу консерватизма верфей и проектантов”. Фирма выпускает 9 базовых моделей. Наименьшая — “Ti 3” — рассчитана на мощность от 40 до 292 л.с.(размеры: А = 886; В = 670; C = 526; вес — 85 кг); предназначена для однокорпусных катеров — до 1.25 т, катамаранов — до 2.5 т, тримаранов — до 3.7 т; стандартная длина вала — 1050 мм; диаметр патрубка газовыхлопа — 120 мм. Наибольшая — “Ti 120” рассчитана на мощность от 2200 л.с. при 1050 об/мин, до 3500 л.с. при 1650 об/мин (размеры: А = 1995; В = 1845; C = 1400; вес — 2200 кг).
Привод “Sea Rider” конструкции Ренато (Сонни) Леви. Общий вид и схема.- В Новой Зеландии известен фиксированный привод компании “Seafury”, рассчитаный на высокоскоростные катера длиной до 30 м и максимальные мощности около 2000 кВ. Владелец фирмы Лей Мичау сказал: "Мы производим около 50 единиц в год, но эта цифра постоянно растет. Наш привод, интегрированный в наклонный транец, стоит вдвое дешевле водометного движителя. Наибольший рост популярности ожидается на не очень быстроходных судах (20-30 узлов), где винт увеличенного диаметра дает наибольший КПД. Эта компания видит будущее в работе на вторичном рынке, т.е. культивирует замену на эксплуатируемых судах водометных движителей своими приводами; недавно ее агентом в Великобритании стала английская компания по производству винтов “Bruntons”.
- В США известный эксперт в области техники для гонок “оффшор” Джон Коннор разработал фиксированный привод с жесткой стойкой, поддерживающей гребной вал. Как и в предыдущем случае, руль расположен за винтом. “Мы знаем уже достаточно много о приводах с подсосом воздуха и можем расположить винт по высоте настолько точно, что необходимость в регулируемых системах отпадает, — сказал Коннор. — Наш привод “Eagle” — один из простейших и наименее дорогих, первая пара уже устанавливается на скоростных катерах”.
Поль Бецци, президент компании “France Helices”, напротив — убежден в преимуществах регулируемого привода. “Разница в КПД (измеряемом в кавитационном тоннеле), если сравнивать варианты с фиксированным и шарнирным валом, составляет 10%. Ввиду почти полного отсутствия опыта многие катеростроители сейчас неохотно используют регулируемые системы, но, если бы можно было убрать конкурентов с фиксированными приводами, спрос вырос бы очень быстро”. Тем не менее в 1999 г. компанией было продано 200 приводов против 100 в предыдущем. “Такой прирост вызван тем, что приводы с подсосом воздуха дешевле водометных движителей и более эффективны”, — говорит Бецци.
На сегодня он оценивает мировой рынок приводов с подсосом воздуха в 15 млн. долларов.
Стоимость — немаловажный фактор. На сегодня он склоняет чашу весов в пользу фиксированных приводов.
В секторе прогулочных судов катеростроители отдают предпочтение фиксированным приводам и еще по одной причине: регулируемые создают дополнительные проблемы для неопытных водителей, что может привести к перегрузкам двигателя. Строитель мощных катеров “Sunseeker”, например, намеревается заменить приводы Арнесона на “Тримаксы”, чтобы облегчить освоение катеров малоопытным водителям.
Сектор коммерческих пассажирских катеров пока вообще неохотно принимает новые приводы: нагрузка на них изменяется в очень широких пределах, что делает водометы более предпочтительным решением. Кроме того, скорости этих судов еще только подходят к тому рубежу, за которым применение приводов с подсосом воздуха дает существенный эффект.
Компромиссное решение представляет собой новый “полупогруженный” (по нашей терминологии — вентилируемый; см. статью на стр. 48) водомет, рекламируемый в США компанией “Debteck”. В этом движителе струя воды из водозаборника попадает только на нижние лопасти импеллера. Модельные испытания показали, что такой водомет значительно более эффективен, чем обычный с полностью погруженными в воду лопастями. Однако о коммерческом выпуске этого водомета фирмой “Debteck” говорить еще рано.
Подводя итоги, еще раз подчеркнем, что на сегодня многие малоосведомленные катеростроители и потенциальные владельцы быстроходных катеров предпочитают иметь “обычные” — традиционные движители. По старинке они делают ставку на простоту, а не на повышенную эффективность. В то же время, если в какой-то мере “закрыть глаза” на некоторые рассмотренные выше недостатки уже хорошо испытанных систем, можно констатировать следующее: приводы с подсосом воздуха, тщательно интегрированные в корпус на этапе проектирования катера, дают ряд ощутимых преимуществ, и повышение скорости — лишь одно из них.
 |
|
В библиотеку