Инновации в яхту

сезон третий

Яхта это дырка в воде, куда надо бросать деньги.

(С) мой друг

Теперь настало время и появились деньги для проведения модернизации и реализации того, что было отложено на будущее. За время эксплуатации яхты мотор, подобранный по принципу минимизации показывал себя вполне неплохо до тех пор, пока мы не попали в шторм. Ну это было предсказуемо - он не справился. Заодно выявились и основные проблемы:

1. подвесной мотор во время шторма вылетает из воды и половину времени крутит воздух;

2. существенный недостаток мощности, в шторм (20 м/с) - надо отойти на безопасное расстояние и встать на якорь;

3. низкий КПД - энергия это деньги, а их надо экономить;

4. плохая управляемость при движении задним ходом;

5. малый предел автономности - надо увеличить хотя бы до 20-30 миль.

Воспользовавшись старым расчетом (из первого сезона) займусь подбором нормального мотора, благо теперь есть с чем сравнивать. Первоначально я рассматривал возможность установки подвесного мотора. Основные требования:

• модуль дистанционного управления и электростартер - корма высокая и до мотора не дотянуться;

• вес - возможность снятия установки в одиночку (до 30 кг);

• наличие встроенного бака - хранить бензин на яхте не хочется, а бензоколонок в яхт клубах я лично не видел ни разу;

• наличие генератора для заряда аккумуляторов;

• “морская нога” длиной не меньше 1 метра;

• наличие в продаже.

Ну сразу скажу - нет такого мотора! 

По мощности подходит четырехтактный Mercury 9,9. 

• мощность 7,3 кВт (минус КПД<0,8 редуктора и разной обвязки);

• обороты 3000 об/мин;

• винт D=13”=0,229 м, шаг Н=13”;

• максимальная скорость в штиль 4,5 узла;

• автономность в штиль - по размеру бака;

• При встречном ветре 20 м/с он способен дать яхте скорость 1,4 узла при КПД=10%;

• КПД в обычном режиме (не считая ДВС) около 50%.

 Его цена более 200 тысяч, плюс еще модуль дистанционного управления и внешний бензобак и новый подвес. Все обесценивает длина “ноги” в 0,5 м. В таком варианте в шторм его использовать просто не получится - нога будет выпрыгивать из воды и мотор перегреется. Есть еще одна проблема. Винт будет расположен сразу за пером руля и управляемость такого судна будет очень плохая.

Единственным решением мне кажется использовать стационарный мотор, расположенный под днищем яхты.

Даже первые попытки выбора обозначили стоимость, сравнимую с самой яхтой. Кроме того, мотор должен занять место в самом центре яхты, украв таким образом 2 из 3-х спальных мест в кормовой каюте. Установка такого мотора связана с серьезным уменьшением прочности килевого бруса - это основной хребет прочности судна. Такие работы надо делать на верфи, что тоже не бесплатно.

Остро становится проблема защиты винта от подводных препятствий. На двухкилевой яхте кили образуют своеобразный защищенный туннель - именно там, по логике вещей, лучше всего установить винт.

Значит Z-передача и вал займут место в центральном проходе кают-компании.

Решение, лишенное всех недостатков было таки найдено. Уже имея некоторый опыт эксплуатации электродвигателя на яхте, я обратил внимание на сравнительно новый класс устройств - стационарные электрические яхтенные моторы, так называемые pod-drive. В России они не представлены вообще. Да и в мире реального опыта использования, судя по интернету, очень мало. Единственный бренд, до которого я смог дотянуться из России, стал Torqeedo. 

Похоже, что эти устройства лишены всех недостатков, описанных выше. Сам мотор не занимает места на борту яхты и полностью расположен под водой. Это, кстати, решает вопрос с его охлаждением. 

КПД синхронного электромотора с ШИМ приводом обычно немногим отличается от 100%. А наличие складного винта делает его просто подарком для яхты. Ну что же, посмотрим насколько реклама соответствует реальности. 

Для такого мотора имеет смысл предусмотреть новые аккумуляторы. Места под пайолами достаточно, но габариты позволяют установить типоразмер не более 120 А*ч - возьму 4 штуки. 

В моем классе яхт, водоизмещением до 2,5 тонн, производитель предлагает два мотора CRUISE 2 FP - до 3 тонн и CRUISE 4 FP - до 10 тонн. Казалось бы, выбор очевиден - мне подходит тот, что поменьше. :-) Чуть было не поверил в рекламу!

Для получения необходимой для расчета информации я связался с тех.поддержкой производителя и получил параметры винта, шаг =0,229 м и диаметр =0,33 м. Этих данных нет в документации.

Теперь сравним рекламные заявления с расчетами, благо, что проверенный практикой расчет у меня уже есть. 

Начну с рекомендованного производителем мотора CRUISE 2 FP. 

• мощность 2 кВт;

• обороты 1300 об/мин;

• винт D=0,33 м, шаг Н=13”;

• максимальная скорость в штиль 4,5 узла;

• автономность в штиль при скорости судна 3 узла - 25 миль;

• При встречном ветре 14 м/с он способен дать яхте скорость больше 1 узла при КПД=10%;

• КПД в обычном режиме около 50%, но уже после 3,6 узла КПД начинает падать из за скольжения винта.

Ну, скажем так, не дотягивает он даже до mercury 5 sail по всем характеристикам - слабоват!

Посмотрим на что способен CRUISE 4 FP.

• мощность 4 кВт;

• обороты 1300 об/мин;

• винт D=0,33 м, шаг Н=13”;

• максимальная скорость в штиль 4,5 узла;

• автономность в штиль при скорости судна 3 узла - 30 миль;

• При встречном ветре 20 м/с он способен дать яхте скорость больше 1 узла при КПД=10%;

• КПД в обычном режиме более 52%.

Вот это уже совсем другое дело! Такой комплект оказался немного дороже, чем бензиновый 9,9 подвесник, но в бюджет укладывается. Беру!

Первая проблема, это переход бортовой сети с 12 на 48 В. Для приборов и огней яхты нужен преобразователь dc/dc 48-12 на 20-50 Вт. Ну тут алиэкспресс в помощь. Другое дело с солнечными батареями. Места на борту немного и я его уже занял подходящими батареями. Их рабочее напряжение 19,5 В и даже две вместе они не обеспечат заряд 48 В аккумулятора. К тому же энергоемкость аккумуляторов существенно подросла. Стандартных решений для 48В не нашлось, потому будем обходиться своими силами. Как на счастье у дочки курсовой проект. Подкидываю тему: “Контроллер солнечных батарей”. 

Требования:

• максимально возможный коэффициент использования батарей, напомню, что текущая солнечная установка имеет КПД < 10%;

•  заряд аккумуляторов 48 В;

• возможность подключать другие источники энергии: солнечные панели, ветряки, аккумуляторы, бензогенераторы - как опция расширения.

Об этом подробнее в ее статье. Я же сосредоточусь на моторе и аккумуляторах.

Какие взять аккумуляторы? Первый ответ, который приходит в голову - конечно же литий-железные! Легкие, компактные и бешено дорогие! А что же AGM? 

Двигатель в номинальном режиме потребляет всего 12 А при 48 В. Если взять AGM на 120 А*ч, то это же всего 0,1С! По разрядной характеристике это соответствует 9-и часам разряда - доступно 90% емкости. При средней летней температуре выше 30 градусов доступно 100% емкости. 

Результат, как у литий-железа, только в 4 раза дешевле.

Пиковый ток 80А возможен лишь в штормовом режиме. Тут заряда хватит меньше чем на час, чтобы отойти, спрятаться и заякориться. На будущее всерьез подумываю о небольшом бензогенераторе для совсем аварийных случаев. Время покажет. Но пока практика такая, что в шторм лучше постоять и подождать. 

Итак, решено, ставлю 4 штуки delta dt-12120. Так как аккумуляторы устанавливаются ниже ватерлинии, то лодка, вдобавок, приобретет еще лучшую остойчивость.

Выбор места установки мотора.

Для начала надо определиться с наилучшими скоростями движения. Каждый уважающий себя физик знает, что наш мир дискретный. Все, что движется и колеблется - квантуется. Лодка, двигаясь по воде, создает волну. Длина и амплитуда волны зависит от скорости движения.

Максимум этой волны приходится на нос. Вода в волне движется в направлении от максимума к минимуму. Если на корму лодки приходится нарастающий участок волны, то вода движется в ее сторону.

Это называется “корма тянет воду”.  На это расходуется часть энергии, и лодка испытывает дополнительное сопротивление движению. Когда на корму приходится спад волны, то все происходит наоборот, и сопротивление падает.

Таким образом, при нарастании скорости лодка как бы перескакивает через максимумы сопротивления, стараясь находиться в минимумах (в потенциальных ямах).

С другой стороны, мотор является по существу насосом, который создает разряжение  спереди и зону высокого давления после себя.

Вода стремится вернуться обратно из высокого давления в низкое и образует паразитные потоки. Это снижает КПД винта.

Чтобы уменьшить это “паразитство”, надо разместить винт так, чтобы спад волны приходился и на винт и на корму, как бы отводя излишнее давление воды. С подвесным мотором это происходит автоматически, а вот со стационаром все сложнее. 

Распределение волны при самой популярной яхтенной скорости 3 узла показывает, что установка винта перед пером руля является самым нежелательным местом (отмечено Х). Звездой обозначено наиболее удачное место с точки зрения КПД всей системы.

Установка винта в этом месте немного ухудшит управляемость лодки при очень малых скоростях при движении вперед под мотором, ведь струя от винта не будет доходить до пера руля. Зато улучшит маневренность при движении задним ходом, потому что рычаг силы будет значительным.

Наиболее удачными скоростями для этой яхты является ряд: 3,15 - 3,64 - 4,46 - 6,3 узла. Это соответствует ряду  где n - целое число; lвл- длина ватерлинии. 

А наиболее неудачными - ряд скоростей: 3,27 - 3,77 - 4,62 - 6,53 узлов. Степень влияния элементов рядов растет с ростом скорости судна. Скорость 6,3 недостижима под мотором и очевидно, что максимум волнового сопротивления на скорости 4,62 узла ограничивает максимальную скорость всех рассмотренных моторов. В то же время приемлемая автономность в 30 миль достигается при скорости чуть менее 3 узлов. А числа из ряда удачных скоростей соотносятся как Это говорит о том, что длины волны этих элементов ряда будут отличаться в два раза. Следовательно, и спад будет начинаться в одной точке, и оптимальный участок установки мотора тоже будет начинаться в той же точке -  3,32 метра от начала ватерлинии.

Аналогично, считаю место для наиболее неудачного расположения мотора - это будет соответствовать скоростям 3,27 и 4,62 узла. Самый неудачный участок установки мотора будет начинаться в 3,57 метра от начала ватерлинии.

Вывод: наиболее благоприятное место размещения винта с точки зрения экономии энергии и повышения КПД системы будет в диапазоне от 3,32 до 3,57 метров от начала ватерлинии.

Замечательный результат! Мотор будет расположен между килями и будет защищен от браконьерских сетей, которых у нас полно.

Теперь немного о немецких сюрпризах.

В комплекте с мотором идут силовые провода, блок управления двигателем, кабели и антенна gps. Но вот чего я не ожидал от педантичных немцев - силовой выключатель на напряжение 32 В для коммутации 48 В цепи.

Еще пару сюрпризов:

Во-первых, ключ безопасности сделан на основе такого сильного магнита, что имея такой на яхте можно легко вместо Индии открыть Америку. Компас реагирует на него на расстоянии метра!

Во-вторых, сам модуль управления не многим лучше. В рукоятку управления двигателем тоже встроен сильный магнит так, что при перемещении рукоятки газа компас поворачивается на 180 градусов! О чем теперь думают немцы?

Эти сюрпризы еще ждут своего инженерного решения. Ведь логично, что модуль управления должен быть размещен на штурвальной стойке в непосредственной близости с компасом.

ПС.

Конечно решения были найдены и двигатель прекрасно показал себя. Расчеты подтверждены в реальных походах. Предел автономности пока проверен только по показаниям мотор-контроллера - это 40 миль при скорости до 3 узлов и 95 миль в режиме мотор-сейл (парус с мотором).

В процессе эксплуатации обнаружились и проблемы. Во-первых, кили не очень то защищают винт от сетей. При боковом продольном заходе сеть наматывается превосходно, а вот срезать ее под килями - это квест! Во-вторых, в инструкции к двигателю немцы написали: не покрывать необрастающими покрытиями...