Новый тип трансмиссии — привод Арнесона
Об изобретателе новой трансмиссии
Имя Ховарда Арнесона хорошо известно в различных кругах Америки. Он — промышленник, мультимиллионер, гонщик, изобретатель во многих областях техники. Но, пожалуй, самое известное его изобретение — это трансмиссия для быстроходных катеров с частично погруженным гребным винтом. Привод Арнесона получил широкое распространение на катерах различного назначения с мощностью двигателя от 200 до 10 000 л. с.
Сейчас Арнесону 70 лет, а родился он в маленьком калифорнийском городке Сан-Рафаэль, расположенном на берегу бухты. Все детство его прошло на воде — среди рыбаков и яхтсменов, а отец работал на верфи, где впоследствии начал свою трудовую деятельность до призыва в армию и Ховард.
То, что Арнесон стал известным изобретателем, совсем не случай, а вполне закономерное для Америки явление. Энтузиазм, одержимость, умение самостоятельно мыслить позволили Арнесону воплотить многие идеи в жизнь. Парадоксально, что он не имеет специального технического образования. Изобретать он начал, работая продавцом телевизоров в магазине, когда в 1950 г. вместе с Мак Дональдом запатентовал поворотный сигнал для автомобилей. И хотя это изобретение опередило время на 10 лет, оно принесло ему достаточно денег, чтобы уволиться и стать независимым предпринимателем. Его второй патент — приманка для рыбной ловли, так же как и прибор для уборки листьев с клумб с помощью водяной струи, капитала изобретателю не прибавил.
Зато следующее изобретение Арнесона — первый автоматический прибор для очистки бассейнов, запатентованное в 60-х годах, принесло успех. Арнесон с семьей переехал в маленький порт Марин Каунти, близ Сан-Франциско, где было частных бассейнов, что песка в море. Там он построил собственный дом и открыл фирму по изготовлению и установке этих приборов. И хотя поначалу все шло не очень гладко, потому что было много скептиков, не доверяющих идее механизированной очистки бассейнов, депо пошло в гору благодаря настойчивости Арнесона, опыту, полученному в годы работы продавцом, а также поддержке спонсоров.
Оборот капитала его фирмы в конце 60-х годов достиг 10 млн. долларов, а число работников — 150. В 1982 г. оборот составлял уже 300 млн. долл., фирма объединяла 22 предприятия — изготовителя приборов.
В 1970 г. Арнесон купил свой первый катер — старую 36-футовую «Сигаретт». Сначала она использовалась только для прогулок, но через некоторое время он увлекся и гонками в открытом море. Желание добиться успеха в соревнованиях и привело его к мысли сделать катер быстроходнее, чем у соперников, усовершенствовав привод гребного винта. В итоге и появился новый патент ASD — A meson Surface Drive (поверхностный привод Арнесона).
Опытный образец ASD, изготовленный по чертежам изобретателя, успешно прошел испытания и в 1980 г. был выставлен на лодочной ярмарке в Чикаго. Скептиков и на этот раз оказалось достаточно — выглядит механизм хорошо, но как на практике?
Неуверенность и сомнения были развеяны на гонках океанских катеров в чемпионатах мира 1982 и 1983 гг. Тони Гарсия на катамаране, оснащенном приводом Арнесона, добился успеха, а в 1984 г. Тед Толеман установил новый рекорд скорости — 195 км/ч в гонках в открытом море.
Вскоре после ярмарки концерн «Борг Вернер» приобрел права на изготовление ASD для двигателей с вращающим моментом до 100 кгс·м. Лицензии на приводы большей мощности получила фирма «Гастл и Кук», которая изготовляет их преимущественно по военным заказам для скоростных патрульных катеров.
Наряду с США производство приводов Арнесона налажено в Индонезии, Тайване, Швеции. Сам Арнесон считает, что ASD принадлежит будущее, особенно с развитием новых типов быстроходных судов с малой площадью ватерлинии, на воздушной подушке и т. п.
Привод Арнесона
Среди современных типов устройств, используемых для передачи вращения от двигателя на гребной винт на быстроходных катерах, безусловно, перспективным считается изобретенный сравнительно недавно привод Арнесона.
Впервые читатели «КиЯ» узнали о новинке в 1981 г. (см. №93), а, как теперь говорят, презентация нового привода состоялась годом раньше на международной выставке лодок и катеров в Чикаго. В том же 1980 г. новинка прошла «боевую» проверку в океанской гонке катеров «Бенихэне Гран При» у Атлантического побережья США. Гонщик из Калифорнии Тони Гарсиа на катере «Си Свип», оснащенном необычной двухвальной установкой с полу-погруженными гребными винтами и валами, выходящими через транец, занял призовое третье место среди 80 стартовавших катеров.
На «Си Свипе», однако, еще не был испытан один из главных принципов изобретения. Частично погруженные гребные винты (ЧПВ) и ранее применялись конструкторами гоночных катеров, а их идея была запатентована еще в 1869 г. американцем Ц. Шарпом. Его патент содержит многие черты современных ЧПВ: выпукло-вогнутый профиль лопасти, необходимый для повышения КПД движителя, увеличенное число лопастей, которое должно уменьшить пульсирующие гидродинамические силы, попеременно возникающие на лопастях, когда они пересекают поверхность воды.
Частично-погруженные винты использовал на своих катерах и изобретатель «морских саней» Альберт Хикман в начале века, а в 1950-х годах на гоночных трассах блистал глиссер неограниченного класса «СлоМоШан», развивавший с ЧПВ скорости свыше 280 км/ч. Многие гонщики применяли ЧПВ и на сравнительно небольших гоночных лодках, используя практический метод «проб и ошибок»; нередко они добивались высоких результатов.
Как правило, главными причинами применения ЧПВ на гоночных судах было желание избавиться от излишнего гидродинамического сопротивления выступающих частей — гребных валов, их кронштейнов, а в установках с подвесными моторами и угловыми колонками — корпуса редуктора и дополнительной потери мощности в двойной зубчатой передаче.
Вторая причина — это возможность повышения эффективности кавитирующего гребного винта за счет вентиляции полостей (каверн) с пониженным давлением, которые образуются на засасывающей стороне лопастей на высокой скорости вращения. Лопасть ЧПВ, входя в воду, вносит пузыри воздуха в область каверны. Благодаря этому предотвращается вскипание воды (вследствие разрежения — падения давления в каверне), сопровождающееся лопаньем пузырьков пара и гидравлическими ударами в поверхность лопастей, что вызывает их эрозию (выкрашивание частиц металла), сильную вибрацию и потерю скорости судна. Все эти явления у ЧПВ отсутствуют.
При полной скорости на катере с ЧПВ в контакт с водой входят только часть поверхности лопастей, руль и небольшой плавник — защитная шпора. Устраняется не только гидродинамическое сопротивление формы и трения вала, ступицы винта и кронштейна, но и часть сопротивления воды, обусловленная эффектом Магнуса — появлением поперечной силы (в данном случае направленной вверх и назад) на цилиндрическом вращающемся теле — валу, обтекаемом встречным потоком воды. Величина этой составляющей, учитывая высокие скорости движения гоночных катеров и частоту вращения вала, играет довольно заметную роль и нередко для ее устранения вал помещают в неподвижную трубу-кожух.
И еще один дополнительный фактор в пользу ЧПВ: гребной вал выводится не под днище катера, а прямо через транец. Конструктор получает большую свободу при размещении двигателя в корпусе судна для достижения оптимальной центровки и общего расположения. Так же, как и при установке с угловой колонкой или реверс-редуктором, двигатель можно расположить непосредственно у транца.
Эти очевидные преимущества ЧПВ перед другими типами приводов на винт и были использованы в первых установках Арнесона на «Си Свип». Однако, как видно на фотографии, оставался еще руль довольно большой площади, оказывающий сопротивление движению. Кроме того, при эксплуатации этого, да и других быстроходных катеров, снабженных ЧПВ, выявился еще ряд проблем, требовавших своего решения. Например, упор и вращающий момент, развиваемые ЧПВ, в большой степени зависят от погружения лопастей винта в воду, которое изменяется в зависимости от изменений подъемной силы, возникающей на корпусе катера, его водоизмещения, характера волнения на акватории.
Водители катеров с ЧПВ испытывали определенные трудности с управляемостью судна, особенно на стесненных акваториях. Глиссирующие катера с ЧПВ плохо выходят на глиссирование: когда винт на стоянке полностью погружен в воду, требуется большой вращающий момент двигателя, чтобы «раскрутить» винт до полных оборотов и придать катеру ускорение. Двигатель в начальный момент испытывает перегрузку. Для повышения КПД винта приходится ставить его далеко за транцем судна с тем, чтобы он работал в невозмущенной корпусом воде, проектировать обводы кормовой части корпуса с учетом обеспечения плавности подтока воды к винту. Вследствие этого ЧПВ вместе с рулем устанавливался чаще всего на мощном кронштейне, сильно выступающем за транец катера.
С этими проблемами и столкнулся Арнесон, когда после испытаний ЧПВ, сменившего на гоночном катере угловые поворотно-откидные колонки, он обнаружил, что выиграл при такой замене около 150 л. с. мощности без замены двигателя. И он нашел довольно простое и изящное решение — разместил греб ной винт на конце шарнирного гребного вала; благодаря шарниру можно было и изменять наклон вала в вертикальной плоскости (в зависимости от необходимого заглубления диска винта) и поворачивать в горизонтальной плоскости для управления судном по курсу.
Теперь, как и в случае установки угловой колонки либо подвесного мотора, управление катером стало осуществляться изменением направления действия упора гребного винта, что гораздо эффективнее традиционного руля, особенно на малых скоростях. Кроме того, устраняется поперечная гидродинамическая сила на повернутом руле, которая дает составляющую, направленную назад, т. е. тормозящую движение катера.
В окончательном варианте привода ASD сохранился лишь маленький плавничок-шпора, служащий одновременно вспомогательным рулем и защитой гребного винта. Например, плавник обеспечивает управление катером в тех случаях, когда он движется по инерции с застопоренным двигателем.
Техническое воплощение идеи в реальной конструкции оказалось так же изящно и просто (тем не менее, изобретатель потратил несколько лет, чтобы найти оптимальный вариант). Гребной вал соединяется с промежуточным валом, выведенным через транец, при помощи короткого карданного шарнира, который позволяет передавать вращение при повороте гребного вала на 45° для управления по курсу и на 15° в вертикальной плоскости для регулирования заглубления винта. Опорами гребного вала служат роликовые подшипники высокого класса точности, установленные в дейдвудной трубе; они же воспринимают упор гребного винта на переднем и заднем ходу. Далее упор передается через шаровой шарнир большого диаметра на корпус привода, который крепится к транцу подобно угловой колонке.
Элементы шарового шарнира выполнены с высокой точностью и снабжены надежными резиновыми уплотнениями. Сам шар выточен из бронзы и имеет диаметр 200 мм на самом маленьком приводе ASD-6, рассчитанном на передачу мощности до 550 л. с. при 52СГ0 об/мин, и 610 мм у ASD-14 (350 л. с. при 2400 об/мин). Сальники установлены и на кормовом конце гребного вала, а вся полость привода заполнена маслом. При больших передаваемых мощностях на борту катера устанавливается масляный бак со специальной системой, которая поддерживает постоянное избыточное давление масла в приводе, что препятствует проникновению воды внутрь в случае износа сальников.
Дейдвудная труба снабжена рулевым плавником и кронштейном с брызгоотражателем над винтом; иногда плавник делается съемным. К трубе же крепятся штоки гидравлических цилиндров, управляющих наклоном гребного вала и поворотом устройства. Рулевой цилиндр может располагаться как с правой, так и с левой стороны. Обычно его ставят так, чтобы вращение гребного винта было направлено в его сторону. На ходу оба цилиндра оказываются над водой. При двухвальной установке ставят обычно один рулевой цилиндр и соединяют обе дейдвудные трубы поперечной штангой.
На чертеже представлен вариант ASD, непосредственно соединяемый с выходным валом двигателя. Заметим, что, поскольку привод Арнесона не имеет реверсивного устройства, двигатель обязательно должен быть снабжен реверс-редуктором. При этом гребной вал будет вращаться с той же частотой, что и выходной вал реверс-редуктора.
В промышленном производстве освоен выпуск приводов Арнесона со встроенной цепной или шестеренчатой передачей. Это позволяет разместить ось вала двигателя на 150—450 мм выше гребного вала и подвинуть его ближе к транцу. Передаточное число варьируется от 1:1 до 1:2,2, редуктор располагается в корпусе ASD, который крепится к транцу снаружи. Каких-либо изменений в конструкции транца по сравнению с обычным вариантом не требуется.
Корпус и дейдвудную трубу привода Арнесона отливают из алюминиевого сплава либо бронзы; если требуется повышенная стойкость к коррозии, гребной вал изготовляется из нержавеющей стали.
К характеристикам промышленных образцов следует добавить, что самая маленькая модель ASD-6 выступает за транец катера на 905 мм (вариант с редуктором — на 990 мм) и весит 61 кг в алюминиевом исполнении и 89 кг с бронзовыми корпусом и дейдвудной трубой. Встроенный редуктор увеличивает массу на 12—16 кг.
Результаты испытаний уже значительного числа катеров, на которых установлены приводы Арнесона, позволяют оценить эффект их применения. Общее сопротивление воды движению судна снижается от 5% на малых скоростях (Frv≈1) до 30% при Frv>5 (эти числа Фруда по водоизмещению соответствуют скоростям катеров длиной около 15 м от 10 до 45 уз). При установке ASD устраняется сопротивление всех выступающих частей за исключением небольшого тонкого плавника-шпоры, расположенного перед винтом. И даже при повороте катера на этом плавнике не возникает большой тормозящей силы, так как поворот осуществляется главным образом за счет изменения направления упора винта, а плавник практически постоянно ориентирован по линиям тока воды, засасываемой винтом.
Преимущества, достигаемые за счет отсутствия выступающих частей при установке ASD, можно проиллюстрировать результатами сравнительных испытаний 16-метровой моторной яхты водоизмещением 22,5 т, на которой традиционные гребные винты под днищем впоследствии заменили приводом Арнесона. С первоначально установленными двумя дизелями мощностью 950 л. с. при 2300 об/мин и редуктором 1,5:1 судно развило максимальную скорость 41 уз (76 км/ч); при этом расход топлива составил 245 л/ч. Когда с теми же самыми дизелями поставили два привода ASD-14, то скорость возросла до 47 уз (87 км/ч) или на 11% при прежнем расходе топлива.
Был испытан и третий вариант: с теми же приводами Арнесона поставили дизеля мощностью по 650 л. с. (на 32% меньше). При этом удалось достичь первоначальной скорости 41 уз и одновременно снизить расход топлива до 145 л/ч (на 40%).
Таким образом, эффект применения привода Арнесона состоит в повышении скорости либо уменьшении мощности двигателей и сокращении эксплуатационных расходов при сохранении той же скорости. А меньшая мощность двигателей означает и более низкую их стоимость, меньший вес и объем моторного отделения.
Можно говорить и еще об одном эксплуатационном преимуществе ASD: это уменьшенная габаритная осадка, поскольку нижняя точка лопастей гребного винта оказывается погруженной в воду лишь не намного ниже киля (при двухвальной установке винты вообще не выступают за габаритную осадку корпуса). Для крупных судов это облегчает докование и постановку катера на берегу — при помощи гидравлики приводы Арнесона могут быть подняты вверх и катер поставлен на кильблоки без риска погнуть гребные валы или повредить винты.
Добавим еще, что поскольку двигатель с входным валом привода ASD соединяется обычно посредством карданных валов, это дает конструктору и большую гибкость в выборе типа установки. Например, можно использовать двигатель с угловым реверс-редуктором, развернув его маховиком в нос, либо установить двигатель с прямым реверс-редуктором независимо от угла наклона гребного вала.
Были проведены испытания двух одинаковых спортивных катеров, на одном из которых был установлен водометный движитель, а на втором — привод Арнесона. Результаты замеров скорости и расхода топлива приведены в таблице. Как видим, привод Арнесона оказался более эффективным. Правда, за водометным движителем остаются такие преимущества, как компактность, защищенность от повреждений и безопасность для находящихся в воде людей.
Условия работы гребного винта с приводом Арнесона, когда в воде оказывается погруженным только 40—60% его диаметра, требуют применения винтов специальной геометрии. На сравнительно небольших скоростях используются винты, внешне не отличающиеся от обычных. Они имеют небольшой угол наклона лопастей; дисковое отношение варьируется в пределах 0,7—1,05. Профиль сечения лопастей — выпукло-вогнутый с лункой, смещенной к выходящей кромке, и заостренной входящей кромкой. Корни лопастей более толстые, чем на обычных винтах, чтобы без усталостных разрушений противостоять циклически повторяющейся нагрузке на изгиб — ведь упор приложен у конца лопасти в течение короткого времени, когда она пересекает поверхность воды. Контур лопасти проектируется таким образом, чтобы при ее входе в воду гидродинамические силы нарастали не мгновенно, в виде удара о поверхность воды, а постепенно, хотя речь идет о тысячных долях секунды.
При повышении скоростей свыше 45 уз (80 км/ч) применяют гребные винты с большим наклоном лопастей и малым дисковым отношением. Выходящая кромка становится тупой, лунка на нагнетающей стороне смещается к этой кромке.
Наконец, при скоростях, превышающих 60 уз (100 км/ч), применяют суперкавитирующие винты с клиновидным выпукло-вогнутым профилем лопастей. Обычно это 4-лопастные винты, но для уменьшения вибрации и повышения КПД при малом погружении диска число лопастей увеличивают до 8. Тупая выходящая кромка у таких винтов обеспечивает вентиляцию — прорыв воздуха из атмосферы в каверну на засасывающей поверхности лопасти, благодаря чему устраняется эрозия и повышается КПД.
Впрочем, с особенностями работы и геометрии суперкавитирующих гребных винтов интересующиеся могут ознакомиться по статье, опубликованной в «КиЯ» №53.
Катеростроители высоко оценивают перспективы развития приводов Арнесона, особенно в связи с расширением современных быстроходных типов судов — катамаранов, судов с малой площадью ватерлинии, на подводных крыльях и т. п. Как дальнейшее развитие принципа ASD появились приводы итальянского конструктора Ренато Леви (LDU — см. «КиЯ» №130) и выпускаемые американской фирмой «КААМА». Ожидается, что и на гоночных катерах открытого моря трансмиссии этого типа постепенно вытеснят более сложные по конструкции и менее надежные угловые колонки.
Источник
