Водометный лодочный мотор Медуза МС-3.5⁠⁠

Не так давно я стал обладателем интересного комплекта - сплавной катамаран MASTERKAT К-530 Л4 и водометный лодочный мотор Медуза МС-3.5. Водометный лодочный мотор Медуза МС-3.5 – это мотор из известной серии водометов Микроша и Кальмар. Эти моторы очень похожи и отличатся двигателями. Имеются также некоторые конструктивные различия в устройстве самого водомета. Мотор Медуза МС-3.5 (по крайней мере, последние его партии) оснащен четырёхтактным двигателем Honda GXV-57 мощностью 2 л.с.

На сайте Моделист-конструктор я нашел интересную статью Григория Дьяконова "Вездеходные лодочные моторы" от 17.12.2018 г

В этой статье приводятся данные по испытаниям водомета Микроша с разными двигателями. Я хочу привести одну иллюстрацию из этой статьи, на график из статьи (слева) я добавил красной линией характеристику момента двигателя Honda GXV-57. Видно, что этот двигатель как нельзя лучше подходит для работы в области 4000 rpm.

Справа я привел для сравнения характеристики двигателей Honda GXV-57 и Honda GXV-50, последний использовался на водометах Кальмар и на ранних Медузах. Двигатель GXV-50 рассчитан под большие обороты (видимо, так отрегулирован угол опережения зажигания), двигатель GXV-57 выдает свои честные 2 л.с. при 4800 rpm и максимальный момент на валу уже при 4000 rpm.

Теперь расскажу немного о катамаране MASTERKAT К-530 Л4 . Это - сплавной катамаран с алюминиевой рамой из труб и однослойными баллонами высокого давления. Длина катамарана 5.3 м, при этом баллоны имеют необычную форму. Спереди - это веретенообразное тело вращения с нависающими над водой острыми носами, а сзади они имеют несимметричную форму с притопленной острой кормой. Ниже будут фотографии этого катамарана. Как я понял суть такой «хитрой» формы баллонов – создать дополнительную плавучесть на корме, чтобы тяжелый рулевой вместе с мотором не создавали слишком большого дифферента на корму судна.

Первые испытания комплекта Медуза МС-3.5 с катамараном MASTERKAT К-530 Л4 были проведены мной на Волге в летом 2020 года (в районе Иваньковского водохранилища)

Первые испытания на Волге. Катамаран, действительно, выглядит довольно большим.

Вот предварительные данные испытаний:

Максимальная частота вращения вала (при полном газе) составила около 4700 prm, дальше мотор упирается в момент на валу импеллера и быстрее не раскручивается.

В рабочем диапазоне оборотов от 3000 rpm до 4600 rpm скорость груженного (450 кг) катамарана изменялась от 4 км/ч до 6.5 км/ч. На средней «крейсерской» скорости 5.5 км/ч я истратил чуть меньше 2.5 литров бензина на дистанции 24 км.

На полупустом катамаране (1 взрослый + 1 ребенок, водоизмещение составило 190 кг) нам максимально удалось разогнаться до скорости 8 км/ч.

Почему так плохо? Ожидал, что катамаран окажется более быстроходным, и расход бензина будет поменьше. Я решил сделать некоторые расчеты и понял, что все дело в большом бускировочном сопротивлении катамарана.

Я обнаружил еще один довольно неприятный момент: катамаран постоянно рыскает и стремится уйти с курса. Приходилось все время подруливать. У меня есть идея – в следующий раз установить мотор спереди. Транец я могу навесить на носу, а ногу мотора можно легко перевернуть, чтобы румпель и сопло смотрели в одну сторону. Так и сидеть будет удобнее. Но это уже следующим летом где-нибудь в верховьях р. Ветлуги.

Что еще меня подтолкнуло к расчетам – это присутствие на рынке некоторого винтового мотора Honda BF 2.3, у которого, как выяснилось, используется точно такой же двигатель Honda GXV-57.

Я решил сравнить пропульсивный КПД водометного и винтового моторов с одинаковыми ДВС. Пропульсивный КПД – это такая вещь, которая зависит не только от мотора, но и от кривой буксировочного сопротивления судна. Это отношение «полезной» механической мощности, затрачиваемой на преодоление буксировочного сопротивления судна на определенной скорости к механической мощности на валу двигателя (гребного винта, или импеллера водомета).

Поэтому нужно выбрать какие-то конкретные суда. Поскольку у меня есть предварительные данные испытаний для катамарана MASTERKAT К-530 Л4 в вариантах массы 190 и 450 кг, я буду использовать эти варианты. Для мотора Honda BF 2.3 я нашел некоторый график:

Это график с сайта одного из продавцов моторов Honda BF 2.3, график заимствован с сайта австралийского представительства Honda. Здесь приведены данные для комплекта: лодка HONDA HONWAVE 2.4 + мотор Honda BF 2.3. Полный вес лодки – 165 кг. Кстати, максимальная скорость не больше 8.5 км/ч, а расход на крейсерской скорости – около 10 л/100 км.

Итак, объекты сравнения:

Рассчитаем сначала буксировочное сопротивление катамарана и лодки, потом наложим на них упорные характеристики моторов.

Я буду учитывать три составляющие буксировочного сопротивления: силу трения, силу сопротивления формы и волновое сопротивление. Катамаран я рассчитаю с двумя вариантами загрузки 190 и 450 кг.

Данные для расчета:

К вычислению площади смачиваемой поверхности катамарана (вид вдоль поплавков). При длине 5м и диаметре 0.5 м у меня получился угол AOB = 92° и AOB = 128° для D = 190 кг и D = 450 кг, соответственно.

Для расчета буксировочного сопротивления я частично воспользовался пособием Н.Ф. Емельянова «Ходкость водоизмещающих морских судов», уч. пос. Владивосток: Дальрыбвтуз, 2004 г.

Сила сопротивления формы: в пособии Н.Ф. Емельянова рекомендуется также использовать площадь смачиваемой поверхности, умножить ее на квадрат скорости и на некоторый коэффициент формы, который вычисляется из геометрии обводов судна, но я использовал упрощённую формулу:

Для катамарана, я считал для каждого поплавка отдельно, подставляя половину водоизмещения D/2, потом просуммировал результат.

(я пробовал считать также по рекомендациям, изложенным в пособии Н.Ф. Емельянова по приближенной формуле Палмеля, через площадь смачиваемой поверхности, но там присутствует неочевидный параметр: величина кормового заострения, в зависимости от значения которого я легко получил количественно тот же самый результат для силы сопротивления формы).

Волновое сопротивление:

Для судов с малым удлинением (буксиры), когда речь идет о чисто водоизмещающем режиме, волновое сопротивление зависит в основном от длины корпуса. Я воспользовался диаграммой Неймана для остаточного сопротивления буксиров траулеров:

Вот, что получилось:

На первом и втором графиках сверху вниз: MASTERKAT 450 кг и 190 кг, HONWAVE 165 кг.

На третьем графике слева направо: HONWAVE 165 кг, MASTERKAT 450 и 190 кг.

Просуммировав все компоненты, я получил следующий график:

Здесь зависимость буксировочного сопротивления от скорости для лодки HONWAVE 165 кг, катамарана MASTERKAT 450 кг и катамарана MASTERKAT 190 кг в диапазоне малых скоростей.

У катамарана получились почти квадратные параболы, основной вклад – сопротивление трения и сопротивление формы за счет большой смачиваемой поверхности и большого водоизмещения.

Для того, чтобы убедиться в том, что я не очень сильно ошибся, я сравнил результат расчета для лодки HONWAVE 2.4 с экспериментальными данными:

В номере журнала 182 «Катера и Яхты», 2003 год был опубликован график - зависимость буксировочного сопротивления 5 разных надувных лодок от объёмного числа

Фруда:

Здесь зеленые кружки – это мой расчет для лодки HONWAVE 2.4. Если не учитывать переходный и глиссирующий режимы, все надувные лодки ведут себя примерно одинаково на малых скоростях.

Теперь займемся двигателями. Требуется построить упорные характеристики (сила упора в зависимости от скорости судна для разной частоты вращения и с учетом ограничения мощности).

Чтобы построить зависимость тяги мотора от скорости судна при определенной частоте n вращения вала, нужно нарисовать линию для заданной частоты вращения, соединяющую точку

Для винта я понятия «массовый расход» и «скорость струи» взял в кавычки, это условные понятия. Но без учета вязкости воды эти формулы должны работать. Вязкость воды и прочее «хитрое» обтекание лопастей я учел в виде коэффициента КДП по мощности. Я принял значение КПД = 0.64, чтобы «соответствовать» предварительным экспериментальным данным.

Получил нечто такое. На втором графике (справа) штриховые линии – это Honda BF 2.3, сплошные линии – водомет Медуза. Максимальные обороты у водомета ограничены моментом на валу двигателя при 4700 rpm, поэтому максимальная скорость тоже ограничена. Интересно, при одной и той же частоте вращения скорость при использовании Медузы получается больше. Но мотор Honda BF 2.3 работает при 4700 prm на примерно 3/4 газа, а Медуза для обеспечения того же значения оборотов на валу мотора работает на полную мощность (100 % газа).

Интересно сравнить пропульсивный КПД – отношение буксировочной мощности к мощности на валу мотора. Для мотора Honda BF 2.3 пропульсивный КПД получился 20.5 % для всех судов (совпадающие штриховые линии), для водомета Медуза, в зависимости от судна и водоизмещения, 18.5 %, или 16 % (16 % - для груженого катамарана – нижняя сплошная линия темно-красного цвета).

Теперь перейдём к расходу:

Про двигатель Honda GXV-57 известно, что максимальный момент 3.2 Нм достигается при 4000 prm, номинальная мощность 1.5 л.с., расход при номинальной мощности 0.58 л/ч, при 6000 rpm и 2.3 л.с. (максимум для мотора Honda BF 2.3) расход 1.0 л/ч. На следующем графике я изобразил линию удельного расхода топлива Q ( л/ч на 1 л.с.), правая шкала).

Кривая Q – удельного расхода – обычно зеркальное отражение кривой момента (я провёл две параболы влево и вправо из точки 4000 rpm). Минимум, соответственно, при 4000 rpm. Здесь же момент M и мощность P двигателя (левая шкала), красная и изумрудно-зеленая линии – мощность на валу импеллера водомета Медуза и гребного винта мотора Honda BF 2.3, соответственно. Справа для сравнения график для четырехтактного двигателя ВАЗ 21011. Зная удельный расход топлива, мощность на валу и частоту вращения я могу рассчитать, а также скорость лодки я смог рассчитать обратный путевой расход и сравнить его с данными, полученными экспериментально:

Это график для комплекта лодка HONDA HONWAVE 2.4 + мотор Honda BF 2.3, заимствованный с сайта австралийского представительства Honda, который я уже приводил в начале статьи.

На графике я наложил штрихами мои расчетные кривые.

Я также построил графики обратного расхода (км/л) от частоты вращения и расхода (л/100 км) от скорости для всех рассмотренных вариантов:

Здесь цвета такие же, как на предыдущих графиках: темно-красный – катамаран весом 450 кг,

Синий – катамаран 190 кг, оранжевый – лодка 165 кг. Штриховые линии – Honda BF 2.3, сплошные линии– водомет Медуза.

Вывод такой, в принципе, водомет Медуза неплохо утилизирует максимальную мощность двигателя и работает в области оптимальных оборотов от 3000 до 4700 rpm (рекомендованный производителем диапазон, который, кстати, соответствует максимальному моменту на валу).

Расход у Медузы получается больше за счет меньшего КПД, по сравнению с винтовым мотором. Разница в пропульсивном КПД – небольшая, и составляет от 1.1 до 1.3 раз, примерно так же различается расход топлива при одинаковой скорости.

Максимальная скорость ограничена для Медузы моментом мотора при 4700 rpm. Максимальная скорость для ПЛМ Honda BF 2.3 ограничена максимальной частотой вращения мотора. Разница составляет от 0.5 до 1 км/ч, в зависимости от судна.

В общем, я своими расчетами «попал» в данные, полученные в эксперименте, но получилось как в известной книге:

«Физики продолжают шутить» - Сборник переводов. / Сост.-пер.: Ю. Конобеев, В. Павлинчук, Н. Работнов, В. Турчин. — М.: Издательство «Мир», 1968

«Однажды мы закончили важный эксперимент по определению соотношения между двумя физическими величинами A и B. Я бросился к телефону и позвонил знакомому теоретику, который занимался тем же вопросом.

– Володя! Закончили! A оказалось больше B!

– Это совершенно понятно. Вы могли и не делать вашего опыта. A больше B по следующим причинам...

– Да нет! Я разве сказал: A больше B? Я оговорился – B больше A!

– Тогда это тем более понятно. Это вот почему...*»

Теперь немного о грустном:

Как любая отечественная техника мотор Медуза MC-3.5 сразу после покупки потребовал ремонта и исправления конструктивных дефектов и заводского брака сразу после покупки, еще до начала использования.

Изначально новый мотор был в нерабочем состоянии.

Выявленные дефекты:

1. Забит главный топливный жиклёр. Симптомы: заводится и работает только на холостых, при попытке добавить газа – сразу глохнет. Лечение: прочистил и промыл главный топливный жиклёр и диффузионную трубку карбюратора. Карбюратор снимать не нужно, достаточно отсоединить отстойник карбюратора и вывернуть жиклёр. Инструкцию по промывке карбюратора нашел на форумах пользователей мотоблоков.

2. Рукоятка газа не фиксируется в открытом состоянии. На румпеле рядом с рукояткой газа есть кольцо, которое свободно болтается. Если это кольцо зафиксировать в неподвижном положении относительно румпеля, тогда рукоятка газа будет фиксироваться. Я зафиксировал это кольцо с помощью изоленты.

3. Внутри ноги между валом двигателя и валом водомета установлен промежуточный вал, который представляет собой отрезок трубы, в верхней и нижней части которой вварены направляющие втулки. Крутящий момент от вала двигателя передается через шпонку, которая входит в продольный паз вала двигателя, а вал водомета имеет проточку (как бы под огромную плоскую отвертку). В нижней части промежуточного вала трубу пересекает поперечный цилиндрический штифт, который должен заходить в зацепление с валом водомета.

Так вот, этот промежуточный вал был смещен вверх в направлении двигателя и зацеплял вал водомета только на половину диаметра поперечного штифта. Соответственно при нагрузке вал водомета начал проскальзывать относительно промежуточного вала. Я чуть было не «перепилил» штифт об торец вала водомета, вовремя заметил этот дефект. Пришлось все разобрать и сместить промежуточный вал в правильное положение, я сместил его в направлении вала водомета таким образом, чтобы штифт вошел в зацепление с валом водомета.

Нужно отметить, что в таком положении промежуточный вал удерживается лишь силой тяжести, но при перевозке мотора в горизонтальном положении он легко за счет вибрации может снова сместиться в сторону двигателя. Это либо конструктивный дефект, либо заводской брак. Промежуточный вал должен был быть длиннее на 2 см. В дальнейшем для устранения дефекта я планирую установить стопорный хомут на вал двигателя выше торца промежуточного вала, который бы исключал подобное смещение промежуточного вала в направлении двигателя.

4. Все отверстия выполнены не точно. Это касается водозаборной решетки и фланцевых соединений на ноге мотора. Например, симметричные отверстия для трех винтов крепления водозаборной решетке перестают совпадать при повороте решетке на 120 градусов. Собрать все можно только в одном единственном положении, не смотря на то, что по чертежу отверстия должны быть симметрично расположены относительно поворота.

5. Винты, стягивающие две полумуфты крепления мотора к струбцине – слишком короткие. Эти стальные винты с учетом подложенных под головки винтов шайб заходят в резьбу, нарезанную прямо в алюминии всего на 4 нитки резьбы. Это чревато потерей мотора на дне водоёма. Винты должны быть длиннее, либо вместо винтов следует использовать шпильки с гайками-барашками, при этом шпильки можно будет ввернуть по резьбе до упора и посадить на эпоксидную смолу.