Солнце, ветер и вода10.01.2020 19:02

Сезон первый

Переживем кризис вместе… — на яхте.
© мой друг

Статья о выборе минимально необходимого двигателя на яхту.

Шаг первый — с чего все началось

Примерно в середине 2014 года, когда стало понятно, что кризис будет весьма затяжной, снова пришло время верстать собственный антикризисный план. Ну чтобы не получилось как в известном фильме — «кризис это когда не хочется хотеть чего то хотеть», а было много-много интересных часов. В поле моего зрения попал яхтинг. На тот момент мои познания в этом вопросе были на уровне детского сада, когда мы делали кораблики из скорлупы грецкого ореха и пускали их в лужах. Я даже не знал, есть ли у меня морская болезнь. :-) Но, сказано — сделано. Тема есть, начинаем верстать план мероприятий.
Перво наперво надо бы где то поучиться. Поговорил с яхтсменами. Все они учились в ДЮСШ еще во времена СССР. Все наперебой давали советы, что надо сперва поехать в Турцию и брать разные яхты в чартер, и учиться прямо на практике. Ну, а прямо сейчас можно за скромные деньги «взять вот прямо эту и прямо здесь у меня». Ну их можно понять — для них это бизнес. Мы пойдем другим путем.
Решено было учится в частной школе и получить дополнительное образование «рулевой парусного судна», сдать экзамены и получить права ВФПС. Весь процесс обучения идет неторопливо по вечерам и в выходные. 72 часа теории + практика занимает более 4 месяцев. Информации достаточно чтобы начать выбирать яхту осознанно и самому ею управлять.

Шаг второй — выбор яхты

Надеюсь, что мой алгоритм выбора поможет другим:

Определиться с режимом использования яхты:
— Отдых, не отходя от причала;
— Прогулки одного дня — утром вышел, вечером вернулся;
— Прогулки выходного дня — условно с пятницы по понедельник;
— Морские путешествия — один, два или три за сезон длительных похода.
Определиться с минимальной и максимальной акваторией плавания
Определиться с возможностями зимнего хранения.

Вот пожалуй и все. Остальное, типа размеров, вместимости и прочего само собой решится. Посмотрим!
Мой выбор использования:

Прогулки выходного дня с длительностью до недели. Такой выбор определяет наличие на борту туалета (гальюна), кухни (камбуза), освещения, удобных спальных мест для всей семьи и достаточно места для припасов. Сразу стало понятно, что судно будет не маленькое. По описанию — московская однушка 11 кв.м.
Минимальная акватория — таганрогский залив и низовья Дона — чтобы путешествовать не только по фарватеру надо иметь осадку не более 1 метра (по пояс). Максимальная акватория — Черное море. На самом деле Азовское море более коварное в плане судоходства. Надо иметь высокие борта, хорошую остойчивость (тяжелый киль) и мощный стационарный мотор для аварийных случаев. Обычно в Азовском море длина волны около 4 -5 м, а высота 1,5 — 2 м. На судне меньшей длины (чем длина волны) можно будет с успехом тренировать космонавтов. Оно будет повторять все контуры волны и будет крутить и швырять свою команду с максимальными «космическими» перегрузками.
Зимнее хранение в яхт клубе, без перевозки по автодорогам. Очень важный показатель. Он просто «развязывает руки» на увеличение габаритов судна в ширину. Это прежде всего удобные спальные места и во вторую очередь хорошая остойчивость.

Дальше открываем свой кошелек и интернет и начинаем подбор по параметрам из представленных в продаже вариантов. Длина больше 7 метров это яхты больше 24 футов. Осадка менее 1 м это яхты менее 28 футов. Швертботы и компромисы не рассматриваем по соображения остойчивости и практичности обслуживания в нашем «зеленом» море. Кто найдет больше трех вариантов — тот молодец.
Хочу заметить еще один нюанс, тут так же как в квартирах и машинах, на обитаемость влияет степень «квадратности». Т.е., каждые лишние 10 см ширины будут существенно увеличивать обитаемость и комфорт на борту.
Я выбрал: яхта 25 футов, ширина 3 м, высота борта 1 м, спальных мест 6, осадка 0,9 м — двухкилевая для уменьшения боковой качки и с возможностью установки мотора. Конкретного места для него на яхте по умолчанию нет.
Пока выбранная яхта строится на верфи начинается шаг третий.

Шаг третий — транспортировка до места использования

Транспортировка негабаритных грузов это важнейшая кормушка для ДПС, потому автоперевозка исключена, будем гнать своим ходом.
Забавно, но в нашей стране права ВФПС дают право пользоваться парусом, но не лодкой. Новая непредвиденная задача — получить права на лодку. Сдаю тот же экзамен, но теперь в ГИМС.
Перегон яхты по низовьям Дона без мотора превращается в забавный квест даже для опытного капитана. Надо решать вопрос с мотором и, желательно, с минимальным бюджетом.

Шаг четвертый. Подбор мотора

Критерии выбора:
Временное решение

Бюджет — до 15 т.руб;
Предел автономности — хотя бы 10 миль;
Скорость — чтобы можно было управлять судном — больше 1,5 узлов;
Подвесной.

Постоянное решение

Стационарный;
Предел автономности — больше 20 миль;
Скорость — до 5 узлов.

Ну на постоянное решение денег нет, оставлю это на будущее. Пока сосредоточусь на минимуме.
Что мне потребуется:
Габаритный чертеж корпуса яхты. Высокая точность не имеет значения. Можно взять из паспорта судна или вообще из рекламного буклета.
Скачиваю замечательный свободный софт freeship
По проекциям из габаритного чертежа отрисовываю в программе профиль корпуса и получаю буксировочную характеристику.

Поразительно, но для выполнения минимальных требований достаточно мотора мощностью менее 100 Вт, это же меньше 1/7 лошадиной силы! Тут любой моторчик подойдет! Но Дьявол кроется в деталях.
Двигаясь по пути поиска минимального мотора я вынужден отказаться от высокооборотистых бензиновых «косилок». Зависимость мощности бензинового двигателя от оборотов описывается ниспадающей параболой с точкой максимума примерно на 5500–6000 оборотов в минуту. Уже на 3500 оборотах в минуту мощность падает вдвое, а на 1000 еще в четверо. На низкомощных моторах установлен редуктор 2,25:1 винт диаметром около 20 см. От 2700 оборотов в минуту ничего, кроме шума и пузырей, ожидать нельзя. Примерный расчет мощности двигателя можно провести по следующей формуле:

$ N=0,4*D^4*n^2*va=1,4 л.с.,$

КПД составит всего 10%.
Нужно что-то низкооборотистое, тихое и не вонючее.
Решение оказалось простым и изящным — китайский электрический мотор для троллинга. Китайцы учились в наших ПТУ на электриков, потому регулировка оборотов мотора происходит подключением последовательного сопротивления 0,4 или 0,8 Ом, или оба вместе. Максимальные обороты винта всего nmax=1300 в минуту. КПД среднестатистического двигателя постоянного тока обычно находится в пределах 85%. Так как обороты регулируются ступенчато, то расчет надо производить отдельно для каждой скорости.
Ручку мотора я удалю, все равно до нее нельзя дотянуться. Провода выведу в блок управления двигателем (БУД).
С помощью простой методики определяю параметры винта. Иду в магазин с веревочкой и линейкой и выполняю простые измерения — шаг винта равен $H = 2πr·(h/l)$ :

Измеренные параметры винта катайского лодочного электромотора: D=0,24 м; H=0,106 м.
Диаметр винта всего 24 см и потому КПД такого двигателя на тяжелой яхте тоже не космос. Попробую оценить насколько.
Воспользуюсь расчетом из статей («Расчет основных элементов катерных гребных винтов» журнал «Катера и яхты» 1/1963 и «Что надо знать о гребном винте?» «Справочник по катерам, лодкам и моторам. под редакцией Г.М. Новака»), поставив туда значения и размеры троллингового мотора. Точность конечно будет невелика, ведь аргументы не попадают в краевые условия расчета. Но для оценки надеюсь подойдет.
Для каждой скорости мотора надо проводить расчет-подстановку до тех пор пока упор винта не будет равен полному сопротивлению судна. Т.е., на какой то скорости наступит баланс двух сил — силы мотора и силы сопротивления.
Для примера я приведу расчет только для окончательной подстановки.
Для начала вычисляется коэффициент попутного потока:

$w=0,165*kop* \sqrt{\frac{\sqrt[3]{V}}D}=0,643$

где kop — коэффициент общей полноты, а V — водоизмещение судна. Эти параметры получаю из «гидростатики» в программе freeship; D — диаметр винта в метрах.
Далее нахожу скорость встречи винта с водой:

$va=v*(1-w), =1,12 м/с,$

при v=1,2 м/с — скорость судна (2,35 узла).
Яхта имеет лобовое сопротивление ветру, пропорционально площади фронтальной проекции. При движении возникает встречный ветер и создает дополнительное сопротивление движению. Кроме того, этот нехитрый прием позволяет мне определить против какого встречного ветра мотор может быть полезен.
Посчитаю сопротивление ветру:

$Rwind=0,61*Sfr*(v+vwind)^2=2,6 Н,$

при ветре vwind=0 м/с,
где Sfr — фронтальная площадь парусности (берем из freeship), v = 1,2 м/с скорость судна.
Сопротивление корпуса потоку воды находится по буксировочной характеристике Rw=118,87 Н.
Полное сопротивление $R=Rwind+Rw= 121,5 Н$ при ветре vwind=0 м/с
Полезная мощность, которая тратится на движение яхты:

$Pпол=va*(Rw+Rwind)=145,8 Вт.$

Вычислю мощность, подводимую к винту:

$Pэл=\frac{Imax*n}{nmax}*(Uakk-\frac{Imax*n}{nmax}*(K*0,4+0,15*\frac{Uakk}{Imax}))=509 Вт,$

при К=0, где К может принимать значения: 0 — наивысшая скорость, 1- средняя скорость, 2 — меньшая скорость.
Вычисляю вспомогательный коэффициент:

$Kn'=\frac{va}{\sqrt{n}}*\sqrt[4]{\frac{735*p*va}{Pэл}}=0,87,$

где n — частота вращения винта, об/с; p — массовая плотность воды (102 кгс2/м⁴).

По пунктирному графику нахожу значение КПД винта $\eta= 0,27$ ; дисковое отношение $H/D=0,59$ и относительную поступь $\lambda= 0,24$ .
Для проверки посчитаем реальный $КПД=Pпол/Pэл=0,243$ . Что же, похоже на правду.
Рекомендуемый диаметр и шаг винта $Dрек=\frac{va}{\lambda*n}=0,215 м$ , $Hрек=H/D*Dрек=0,127 мHрек=H/D*Dрек=0,127 м$ .
Значит реальный винт имеет не вполне оптимальные размеры, потому реальный КПД ниже расчетного.
Упор винта определяю по формуле на выбранной скорости яхты 1,2 м/с (2,35 узла):

$Pвинта=9,8*75*Pэл*КПДвинта/(735,5*va)=121,5 Н,$

при полном сопротивлении $R=Rwind+Rw= 121,5 Н$ . Баланс достигнут.
В результате получаем, что в самых лучших условиях КПД системы мотор-винт-яхта (наверно это называется — пропульсивный коэффициент) перевалит через 24%, а электромотор мощностью 600Вт разгонит яхту до 2,35 узла.
Результатик «так себе», но для временного решения подходит.
Производитель устанавливает на яхту аккумуляторы глубокого разряда 12В 160А/ч. Ток двигателя на максимальном ходу составит 49,9 А. Это составляет 0,25С. Всю емкость использовать нельзя, определяю сколько можно.

Т.е., аккумуляторов хватит примерно на 2,82 часа или около 2,82×2,35=6,64 миль на максимальном ходу в штиль. Для частичной компенсации разряда аккумуляторов надо установить солнечные батареи.
Свободного места на яхте, скажем так, немного. Везде что-то лежит или кто-то сидит. Наиболее безобидное место установки батарей на крышках задних рундуков. Это место наименее подвержено затенению парусами. Правда площадь там небольшая. На крышки рундуков как влитые становятся батареи 545×415 мм с заявленной мощностью 40 Вт при излучении 1000Вт/м².

Вопросы увеличения эффективности оставим на будущее. Пока беру самый дешевый солнечный контроллер ШИМ.
Сколько же добавят миль солнечные панели?
Средняя дневная энергия солнечного излучения в регионе в период навигации 5,8–6 квт*ч/м². Это в среднем 500 Вт в течении 10 — 12 часов в день.
Площадь двух батарей 2×0,545×0,415=0,45 м². Сделаю предположение, что ток батареи линейно зависит от мощности солнечного излучения, а напряжение, наоборот, практически не зависит. Это видно по графику.

При 1000 Вт/м² батарея дает ток 2,05 А, а при 500 Вт/м² будет давать всего чуть больше 1 А.
При применении ШИМ контроллера напряжение на аккумуляторе практически равно напряжению на батарее, т.е. всего, судя по разрядным характеристикам, в среднем 2,05×6=12,3 В.
В результате, две батареи дадут не менее 10×2=20 А/ч в день, что составит 20/49,9×2,35=0,94 мили.

Подведу итоги:

максимальная скорость при штиле = 2,35 узла,
дальность хода на максимальной скорости = 0,94+6,64=7,58 мили,
КПД на максимальном ходу = 24,3%,
средняя скорость при штиле = 1,4 узла,
дальность хода на средней скорости =15,54 мили,
КПД на среднем ходу = 18,8%,
минимальная скорость не дает никаких преимуществ, ни по дальности, ни по КПД,
максимальная скорость при ветре в 7,1 м/с составит 1 узел,
дальность хода на максимальной скорости при ветре в 7,1 м/с составит 2,82 мили,
КПД на максимальном ходу при ветре в 7,1 м/с составит 11%,
КПД солнечной системы получается примерно 2А*12,3В*10часов/0,45 м²/5,8кВт*часов=9,4%.
Основную часть пути будем использовать парус, а двигатель будем использовать как маневровый и чтобы убегать с фарватера от сухогрузов и танкеров. Хотя результат даже лучше чем планировалось.
Решено, в такой комплектации яхта сойдет со стапелей.
Наконец-то настал этот долгожданный день. Яхта впервые спускается на воду.

П.С. В этой комплектации яхта просуществовала 3 года. За это время она лишь дважды подключалась к береговому питанию для зарядки аккумуляторов.
Накоплен прекрасный опыт, а все расчеты неоднократно подтверждены практикой. Кроме того, на парусном ходу, опущенный в воду двигатель превращается в генератор и заряжает аккумуляторы. Ток заряда при скорости 3 узла составляет 2А.