Полный КПД лодки с двигателем внутреннего сгорания около 15%. Это значит, что 85% энергии, заключенной топливе теряется впустую. Одна треть потерь приходится на трение в подшипниках и редукторе, остальное — потери на винте.

Плотность энергии различных источников. У литиевых аккумуляторных батарей она почти в сто раз меньше, чем у бензина или дизельного топлива. Источник: компания Torqeedo

Для судна с электромотором неэффективная работа силовой установки – непозволительная роскошь. Ведь единственный источник энергии на борту аккумуляторная батарея, плотность энергии которой в несколько раз меньше чем у бензина или дизельного топлива.

Плотность связывает количество хранимой энергии с размерами хранилища. Чем меньше плотность, тем больше места занимает источник энергии. Поскольку пространство, отводимое под аккумуляторные батареи ограничено, то добиться запаса хода в несколько десятков километров, можно, если свести потери к минимуму.

Сопротивление судна

Лодочный электромотор преобразует запасенную в аккумуляторной батарее энергию в механическую энергию вращения винта и расходует ее на преодоление силы, действующей в противоположном движению направлении. Сопротивление, возникающее из-за действия этой силы, зависит от скорости, водоизмещения и формы корпуса судна и складывается из сопротивления трения, остаточного и аэродинамического сопротивлений.

Сопротивление трения зависит от размера подводной части корпуса и от коэффициента трения. Во время движения сопротивление трения изменяется пропорционально квадрату скорости судна и возрастает при загрязнении корпуса.

Остаточное сопротивление состоит из волнового и вихревого сопротивлений. Волновое сопротивление характеризует энергию, расходуемую на образование волн во время движения, а вихревое – потери из-за перемешивания слоев воды, обтекающих судно. Волновое сопротивление быстро растет с увеличением скорости, поэтому для судна существует предел после которого дополнительная мощность не повышает скорость, а целиком идет на образование волн, создающих впечатление быстрого движения.

В спокойную погоду сопротивление воздуха пропорционально квадрату скорости судна и площади поперечного сечения над ватерлинией. Оно составляет около 2% от общего сопротивления и в некоторых случаях его не учитывают.

Чем меньше полное сопротивление, тем меньше мощность, которая требуется для движения с заданной скоростью, больше запас хода и время работы от аккумуляторов

Общее сопротивление возрастает из-за волн, ветра и течения и увеличивается на 50-100% от сопротивления в тихую погоду.

Мощность электромотора

Если известны зависимость полного сопротивления лодки от скорости и общий КПД силовой установки, то можно вычислить мощность электромотора для движения с заданной скоростью. Для этого по сопротивлению корпуса определяют эффективную мощность, и разделив ее на общий КПД получают мощность лодочного электромотора.

При полном КПД лодочного электромотора 50% (такая эффективность у электромоторов Torqeedo) катеру с длиной ватерлинии 21 фут для движения со скоростью 5 миль в час достаточно двигателя мощностью 1,6 кВт.

Если данных о сопротивлении корпуса на различных скоростях нет, приближенное значение сопротивления вычисляют по формулам, выведенным в результате испытаний судов различного класса.

Скорость лодки с электромотором

Большинство лодок с электромотором двигаются в водоизмещающем режиме. При этом типе движения на носу и на корме возникают волны, расходящиеся по диагонали от корпуса и волны, идущие вдоль него от носа к корме. Расстояние между гребнями двух соседних волн зависит от скорости и растет вместе с ней.

График изменения коэффициента волнового сопротивления судна в зависимости от относительной скорости. Чем больше скорость, тем выше сопротивление и больше потребляемая электромотором мощность.

После того как относительная скорость (отношении скорости к длине ватерлинии) достигает 0,4, длина волны сравнивается с длиной ватерлинии. Под лодкой остается всего два волновых гребня один из которых расположен на носу, а другой на корме. Скорость лодки в таком состоянии — максимальная скорость экономичного движения в водоизмещающем режиме.

Если двигатель обладает достаточной мощностью скорость можно увеличить. В этом случае гребень второй волны уйдет за корму и останется позади, нос лодки поднимется выше на передней волне, а корма окажется во впадине. Длина волны превысит длину лодки, сопротивление воды увеличится и для движения потребуется дополнительная мощность.

Зависимость эффективной мощности от скорости. При скорости 5 миль в час , эффективная мощность 800 Вт (чуть более 1 л.с.). С ростом скорости требуемая мощность возрастает, значит увеличивается ток, потребляемый электромотором и сокращается время работы от аккумуляторов

Катеру с длиной ватерлинии 21 фут достаточно 1 л.с. (746 Вт) чтобы двигаться со скоростью 5 миль в час. При скорости 6 миль в час эффективная мощность возрастает в два раза и растет с увеличением скорости, поэтому оптимальная экономичная скорость в водоизмещающем режиме — 75% от максимальной.

Мощность пропорциональна третьей степени скорости. Это значит, что если на скорости 5 миль в час уменьшить скорость на 5% (на 0,25 миль в час), потребляемая мощность уменьшится на 14%, а запас хода возрастет на 16%.

Запас хода и размер аккумулятора

Типичный 12 В свинцово-кислотный аккумулятор глубокого разряда (аккумулятор Trojan SCS225) обладает емкостью 105 Ач при пятичасовом разряде и емкостью 135 Ач при двадцатичасовом. Вес такого аккумулятора 30 кг, а удельная емкость 12 х 105/30 = 42 втч/кг при разряде в течении 5 часов и 54 втч/кг при разряде в течении 20 часов. Зная характеристики аккумуляторов определим количество батарей для движения на лодке, сопротивление корпуса которой представлено на графике. При этом предполагаем, что скорость движения составит 3-5 миль в час, полный КПД электромотора 50%.

Поскольку даже самые хорошие свинцово-кислотные тяговые аккумуляторы для электромоторов не рекомендуется разряжать более 80% емкости, увеличим вес батареи на 25%.

Скорость, миль в час	Мощность на винте, Вт	Электрическая мощность, Вт	Потребляемая мощность в течении 10 часов	Вес батареи, кг	Количество АКБ, шт
3	140	280	2800	65	2
3,5	220	440	4400	102	3
4	320	640	6400	148	5

Если запас хода 30-40 миль больше чем требуется, размер аккумуляторной батареи можно уменьшить. Повышение скорости так же сократит запас хода.

Задайте вопрос,

и получите консультацию по лодочным электромоторам, аккумуляторам или зарядным устройствам для катера или яхты

Что надо знать о гребном винте?

Как работает гребной винт? Гребной винт (рисунок 1) преобразует вращение вала двигателя в упор — силу, толкающую судно вперед. При вращении винта на поверхностях его лопастей, обращенных вперед — в сторону движения судна (засасывающих), создается разрежение, а на обращенных назад (нагнетающих) — повышенное давление воды. В результате разности давлений на лопастях возникает сила Y (ее называют подъемной). Разложив силу на составляющие — одну, направленную в сторону движения судна, а вторую перпендикулярно к нему, получим силу Р, создающую упор гребного винта, и силу Т, образующую крутящий момент, который преодолевается двигателем.

Рисунок 1. Схема сил и скоростей на лопасти винта (правого вращения)

Упор в большой степени зависит от угла атаки α профиля лопасти. Оптимальное значение α, для быстроходных катерных винтов 4-8°. Если α больше оптимальной величины, то мощность двигателя непроизводительно затрачивается на преодоление большого крутящего момента; если же угол атаки мал, подъемная сила и, следовательно, упор Р будут невелики, мощность двигателя окажется недоиспользованной.

На схеме, иллюстрирующей характер взаимодействия лопасти и воды, α можно представить как угол между направлением вектора скорости набегающего на лопасть потока W и нагнетающей поверхностью. Вектор скорости потока W образован геометрическим сложением векторов скорости поступательного перемещения v_a винта вместе с судном и скорости вращения v_r, т. е. скорости перемещения лопасти в плоскости, перпендикулярной оси винта.

Винтовая поверхность лопасти. На рисунке 1 показаны силы и скорости, действующие в каком-то одном определенном поперечном сечении лопасти, расположенном на каком-то определенном радиусе r гребного винта. Окружная скорость вращения v_r зависит от радиуса, на котором сечение расположено (v_r — 2πrn, где n — частота вращения винта, об/с). Скорость же поступательного движения винта v_a остается постоянной для любого сечения лопасти. Таким образом, чей больше r, т. е. чем ближе расположен рассматриваемый участок к концу лопасти, тем больше окружная скорость v_r, а следовательно, и суммарная скорость W.

Так как сторона v_a в треугольнике рассматриваемых скоростей остается постоянной, то по мере удаления сечения лопасти от центра необходимо разворачивать лопасти под большим углом к оси винта, чтобы α сохранял оптимальную неличину, т. е. оставался одинаковым для всех сечений. Таким образом, получается винтовая поверхность с постоянным шагом Н. Напомним, что шагом винта называется перемещение любой точки лопасти вдоль оси за один полный оборот винта.

Представить сложную винтовую поверхность лопасти помогает рисунок 2. Лопасть при работе винта как бы скользит по направляющим угольникам, имеющим на каждом радиусе разную длину основания, по одинаковую высоту — шаг Н, и поднимается за один оборот на величину Н. Произведение же шага на частоту вращения (H*n) представляет собой теоретическую скорость перемещения винта вдоль оси.

Читайте также: Вес резиновой лодки под мотор

Рисунок 2. Винтовая поверхность лопасти (а) и шаговые угольники (б)

Скорость судна, скорость винта и скольжение. При движении корпус судна увлекает за собой воду, создавая попутный поток, поэтому действительная скорость встречи винта с водой v_a всегда несколько меньше, чем фактическая скорость судна V. У быстроходных глиссирующих мотолодок разница невелика — всего 2-5%, так как их корпус скользит по воде и почти не «тянет» ее за собой. У катеров, идущих со средней скоростью хода эта разница составляет 5-8%, а у тихоходных водоизменшющих глубокосидящих катеров достигает 15-20%. Сравним теперь теоретическую скорость винта H*n со скоростью его фактического перемещения v_a относительно потока воды (рисунок 3). Пусть это будет «Казанка», идущая под мотором «Вихрь» со скоростью 42 км/ч = (11,7 м/с). Скорость натекания воды да винт окажется на 5% меньше:

Гребной винт на «Вихре» имеет шаг Н=0.3 м и частоту вращения n=2800/60=46.7 об/с. Теоретическая скорость винта:

Таким образом, мы получаем разность

Эта величина, называемая скольжением, и обуславливает работу лопасти винта под углом атаки α к потоку воды, имеющему скорость W. Отношение скольжения к теоретической скорости винта в процентах называется относительным скольжением. В нашем примере оно равно

s=	H*n-va	=	2.9	=0.207=20.7%.
	H*n		14

Максимальной величины (100%) скольжение достигает при работе винта на судне, пришвартованном к берегу. Наименьшее скольжение (8-15%) имеют винты легких гоночных мотолодок на полном ходу; у винтов глиссирующих прогулочных мотолодок и катеров скольжение достигает 15-25%, у тяжелых водоизмещающих катеров 20-40%, а у парусных яхт, имеющих вспомогательный двигатель, 50-70%.

Рисунок 3. Соотношение скорости лодки и осевой скорости винта.

Коэффициент полезного действия. Эффективность работы гребного винта оценивается величиной его КПД, т. е. отношения полезно используемой мощности к затрачиваемой мощности двигателя. Полезная мощность или ежесекундное количество работы, используемой непосредственно для движения судна вперед, равно произведению сопротивления воды R движению судна на его скорость V (N_п=RV кгсм/с).

Мощность, затрачиваемую на вращение гребного винта, можно выразить в виде зависимости N_з от крутящего момента М и частоты вращения n

Следовательно, КПД можно вычислить следующим образом:

Однако следует еще учесть взаимовлияние корпуса и винта. При работе гребной винт захватывает и отбрасывает в корму значительные массы воды, вследствие чего скорость потока, обтекающего кормовую часть корпуса повышается, а давление падает. Этому сопутствует явление засасывания, т. е. появление дополнительной силы сопротивления воды движению судна по сравнению с тем, которое оно испытывает при буксировке. Следовательно, винт должен развивать упор, превышающий сопротивление корпуса на некоторую величину

Pe=	R	кг.
	1-t

Здесь t — коэффициент засасывания, величина которого зависит от скорости движения судна и обводов корпуса в районе расположения винта. На глиссирующих катерах и мотолодках, на которых винт расположен под сравнительно плоским днищем и не имеет перед собой ахтерштевня, при скоростях свыше 30 км/ч t=0.02÷0.03. На тихоходных (10 — 25 км/ч) лодках и катерах, на которых гребной винт установлен за ахтерштевнем, t = 0,06÷0,15.

В свою очередь и корпус судна, образуя попутный поток, уменьшает скорость потока воды, натекающей на гребной винт. Это учитывает коэффициент попутного потока w:

Значения w нетрудно определить по данным, приведенным выше.

Таким образом, полезная мощность с учетом взаимовлияния корпуса и винта равна

Nп=Pe*(1-t)*	va	кгсм/с,
	1-w

а общий пропульсивный КПД комплекса судно-двигатель-гребной винт вычисляется по формуле:

η=	Nп	=	Pe*va	*	1-t	*ηM=ηp*ηk*ηM
	Na		2π*n*M		1-w

Здесь η_p — КПД винта; η_k — коэффициент влияния корпуса; η_M — КПД валопровода и реверс-редукторной передачи.

Максимальная величина КПД гребного винта может достигать 70-80%, однако на практике довольно трудно выбрать оптимальные величины основных параметров, от которых зависит КПД: диаметра и частоты вращения. Поэтому на малых судах КПД реальных винтов может оказаться много ниже, составлять всего 45%.

Максимальной эффективности гребной винт достигает при относительном скольжении 10-30%. При увеличении скольжения КПД быстро падает; при работе винта в швартовном режиме он становится равным нулю. Подобным же образом КПД уменьшается до нуля, когда вследствие больших оборотов при малом шаге упор винта равен нулю.

Коэффициент влияния корпуса нередко оказывается больше единицы (1.1-1.15), а потери в валопроводе оцениваются величиной η_M=0.9÷0.95.

Диаметр и шаг винта. Элементы гребного винта для конкретного судна можно рассчитать, лишь располагая кривой сопротивления воды движению данного судна, внешней характеристикой двигателя и расчетными диаграммами, полученными по результатам модельных испытаний гребных винтов, имеющих определенные параметры и форму лопастей. Для предварительного определения диаметра винта можно воспользоваться формулой

где N — мощность, подводимая к винту, с учетом потерь в редукторе и валопроводе, л.с.; n — частота вращения гребного вала, об/с; v_a — скорость встречи винта с водой, определенная с учетом коэффициента попутного потока w.

Диаметр гребных винтов, полученный как по приближенной формуле, так и с помощью точных расчетов, обычно увеличивают примерно на 5% с тем, чтобы получить заведомо тяжелый винт и добиться его согласованности с двигателем при последующих испытаниях судна. Для «облегчения» винта его постепенно подрезают по диаметру до получения номинальных оборотов двигателя при расчетной скорости.

Шаг винта можно ориентировочно определить, зная величину относительного скольжения s для данного типа судна и ожидаемую скорость лодки:

Оптимальная величина скольжения для винтов, имеющих шаговое отношение H/D 1.2, s=0.12÷0.14. При выборе шагового отношения H/D можно руководствоваться следующими рекомендациями. Для легких быстроходных лодок требуются винты с большим шагом или шаговым отношением H/D, для тяжелых и тихоходных — с меньшим. При обычно применяемых двигателях с номинальной частотой вращения 1500-5000 об/мин оптимальное шаговое отношение H/D составляет: для гоночных мотолодок и глиссеров — 0.9÷1.5; легких прогулочных катеров — 0.8÷1.2; водоизмещающих катеров — 0.6÷3-1.0 и очень тяжелых тихоходных катеров — 0,55÷0.80. Следует иметь в виду, что эта значения справедливы, если гребной вал делает примерно 1000 об/мин из расчета на каждые 15 км/ч скорости лодки; при иной частоте вращения вала необходимо применять редуктор.

Легкий или тяжелый гребной винт. Диаметр и шаг винта являются важнейшими параметрами, от которых зависит степень использования мощности двигателя, а следовательно, и возможность достижения наибольшей скорости хода судна.

Каждый двигатель имеет свою так называемую внешнюю характеристику — зависимость снимаемой с вала мощности от частоты вращения коленчатого вала при полностью открытом дросселе карбюратора. Такая характеристика для подвесного мотора «Вихрь», например, показана на рисунке 4 (кривая 1). Максимум мощности в 21.5 л.с. двигатель развивает при 5000 об/мин.

Рисунок 4. Внешняя и винтовая характеристики мотора «Вихрь».

Мощность, которая поглощается на данной лодке гребным винтом в зависимости от частоты вращения мотора, показана на рисунке 4 не одной, а тремя кривыми — винтовыми характеристиками 2, З и 4, каждая из которых соответствует определенному гребному винту, т. е. винту определенного шага и диаметра.

При увеличении и шага, и диаметра винта выше оптимальных значений лопасти захватывают и отбрасывают назад слишком большое количество воды: упор при этом возрастает, но одновременно увеличивается и потребный крутящий момент на гребном валу. Винтовая характеристика 2 такого винта пересекается с внешней характеристикой двигателя 1 в точке A. Это означает, что двигатель уже достиг предельного — максимального значения крутящего момента и не в состоянии проворачивать гребной винт с большой частотой вращения, т. е. не развивает номинальную частоту вращения и соответствующую ей номинальную мощность. В данном случае положение точки А показывает, что двигатель отдает всего 12 л.с. мощности вместо 22 л.с. Такой гребной винт называется гидродинамически тяжелым.

Наоборот, если шаг или диаметр винта малы (кривая 4), и упор и потребный крутящий момент будут меньше, поэтому двнгатель не только легко разовьет, но и превысит значение номинальной частоты вращения коленвала. Режим его работы будет характеризоваться точкой С. И в этом случае мощность двигателя будет использоваться не полностью, а работа на слишком высоких оборотах сопряжена с опасно большим износом деталей. При этом надо подчеркнуть, что поскольку упор винта невелик, судно не достигнет максимально возможной скорости. Такой винт называется гидродинамически легким.

Для каждого конкретного сочетания судна и двигателя существует оптимальный гребной винт. Для рассматриваемого примера такой оптимальный винт имеет характеристику 3, которая пересекается с внешней характеристикой двигателя в точке В, соответствующей его максимальной мощности.

Рисунок 5 иллюстрирует важность правильного подбора винта на примере мотолодки «Крым» с подвесным мотором «Вихрь». При использовании штатного винта мотора с шагом 300 мм мотолодка с 2 чел. на борту развивает скорость 37 км/ч. С полной нагрузкой 4 чел. скорость лодки снижается до 22 км/ч. При замене винта другим с шагом 264 мм скорость с полной нагрузкой повышается до 32 км/ч. Оптимальные же результаты достигаются с гребным винтом, имеющим шаговое отношение H/D = 1.0 (шаг и диаметр равны 240 мм): максимальная скорость повышается до 40-42 км/ч, скорость с полной нагрузкой — до 38 км/ч. Несложно сделать вывод и о существенной экономии горючего, которую можно получить с винтом уменьшенного шага. Если со штатным винтом при нагрузке 400 кг расходуется 400 г горючего на каждый пройденный километр пути, то при установке винта с шагом 240 мм расход горючего составит 237 г/км.

Читайте также: Как снять мотор с водяной станции

Рисунок 5. Зависимость скорости мотолодки «Крым» от нагрузки и шага гребного винта мотора «Вихрь» мощностью 14.8 кВт (20 л.с.)

На следующем рисунке представлен теоретический чертеж для изготовления «грузовых» гребных винтов для моторов семейства «Вихрь» с шагом 240 и 264 мм. Эти винты имеют саблевидные лопасти со значительным наклоном к оси винта. Профиль поперечного сечения лопасти — переменный. У концов лопастей использован сегментный профиль, к ступице он постепенно переходит в авиационный, Для повышения КПД шаг винтов принят переменным по радиусу (данные для построения шаговых угольников приведены на рисунке 6 и в таблице 1.

Рисунок 6. Построение шаговых угольников (а) и кривые изменения кромчатого шага лопасти (б).

Таблица 1. Величины для построения шаговых угольников (диаметр винта D=240мм)

У подвесных моторов изменение шага гребного винта — практически единственная возможность согласовать работу винта с двигателем, так как размеры корпуса редуктора ограничивают максимальный диаметр винта, который может быть установлен на моторе. В некоторой степени винт можно «облегчить», если его подрезать по диаметру, однако оптимальным вариантом является применение сменных винтов с различным шаговым отношением.

Численные рекомендации для наиболее популярных моторов мощностью 14-18 кВт (20-25 л.с.) могут быть следующие. Штатные винты, имеющие H=280÷300 мм, дают оптимальные результаты на сравнительно плоскодонных лодках с массой корпуса до 150 кг и нагрузкой 1-2 чел. На еще более легкой лодке массой до 100 кг можно получить прирост скорости за счет увеличения H на 8-12%.

На более тяжелых глиссирующих корпусах, на лодках, имеющих большую килеватость днища и при большой нагрузке (4-5 чел.), шаг винта может быть уменьшен на 10-15 % (до 240-220 мм), но использовать такой винт при поездке без пассажиров с малой нагрузкой не рекомендуется: двигатель будет «перекручивать обороты» и быстро выйдет из строя.

При установке подвесного мотора на тихоходной водоизмещающей шлюпке рекомендуется применять трех- и четырех лопастные винты с соотношением H/D не менее 0.7; при этом ширину лопасти и профиль ее поперечного сечения сохраняют такими же, как и на штатном винте мотора.

В случае, когда для облегчения винта подрезают концы лопастей до меньшего диаметра, кромки лопастей необходимо аккуратно скруглять, а получившийся контур лопасти плавно сопрягать со старым по возможности без существенного уменьшения площади лопастей. Обрезку винта или небольшое изменение его шага Источник

• Свежие записи
  • Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
  • Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
  • Какие моторы бывают у стиральных машин
  • Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
  • Как снять стопорную шайбу с вала
  • Правообладателям
  • Политика конфиденциальности

  
  

  источники:

  https://evakuatorinfo.ru/chto-takoe-kpd-lodochnogo-motora

  📸 Видео

  Как подобрать гребной винт для лодочного мотораСкачать

  

  ⚠️Для тех, кто только приобрел лодочный мотор. Краткая информация начинающим водномоторникамСкачать

  

  Трех и ЧетырехЛопастные винты​ к подвесным лодочным моторам (сравнение)Скачать

  

  Как выбрать правильный винт для лодочного мотораСкачать

  

  Двигатель внутреннего сгорания с КПД 70, своими руками (для лодок)Скачать

  

  Как увеличить СКОРОСТЬ или МОЩНОСТЬ ЛОДКИ? Подбираем ВИНТ для ЛОДОЧНОГО МОТОРА.Скачать

  

  Для ТЕХ, кто КУПИЛ лодочный МОТОР. Что вам ОБЯЗАТЕЛЬНО еще понадобится?Скачать

  

  Поговорим о винтах, какой винт выбрать для лодочного мотора ?Скачать

  

  Гимс Проверяет двигло 9.9Скачать

  

  Купили китайский лодочный мотор, что делать дальше ?Скачать

  

  Как отличить настоящий мотор YAMAHA 9.9 gmhs ОТ ПОДДЕЛКИСкачать

  

  Мощность лодочного мотора. Какой выбрать лодочный мотор? Лодочные моторыСкачать

  

  😡Конфликт с клиентом или как не убить лодочный мотор💥Скачать

  

  Двигатель от триммера как лодочный мотор. 24 км\ч.Скачать

  

  Увеличение мощности лодочного мотора Hidea 3.5Скачать

  

  Пробуем раздушить лодочный мотор 5 л.сСкачать