Парусная лодка: замена дизеля на электродвигатель

[Владимир400]

Доброго времени суток, форумчане.

Мы с женой давно увлекаемся парусным спортом. Год назад, примерно, было принято спонтанное решение о приобретении парусной лодки, найденной на шведском авито. Несмотря на почтенный возраст (почти 50 лет) лодка оказалась на радость выносливой, доставив нас в г. Выборг аж из самой Швеции через Финляндию. Большую часть пути была пройдена под парусами, как полагается парусной лодке такого почтенного возраста. Но иногда все же приходилось пользоваться родным дизелем: в сильный встречный ветер и на швартовках. В общем к двигателю претензий особых не было, за исключением сильной вибрации, сильного шума и очень большого количества масляных пятен на одежде. Отвалившийся бензобак заставил понервничать, но к делу не относится. Максимальная скорость в 3 узла наводила на мысль, что не все лошади у дизеля выжили за полвека, да и оставшиеся состарились. Ну и стоит учесть что винт стоял не родной 3-х лопастной, а всего лишь 2-х да и с бОльшим шагом. Каждое использование данной пропульсивной установки, заканчивается мыслью об обновлении оной в соответствии новыми открывшимися технологическими возможностями. Первым делом был изучен рынок дизельных двигателей, получены рекомендации и расценки (Установка нового, самого простого дизеля предлагается за сумму, за которую можно приобрести ещё 4 такие же лодки). Но ютуб упорно рассказывает о том как тихо и экологично можно ходить за счет дешевого электричества, что заставило углубиться в тему и оказаться здесь, перед вами. Извиняюсь за долгое вступление, попробую сформулировать задачу, как я её вижу.

Дано:
Имеем лодку длиной 9.24м (6.71м по ватерлинии), шириной ~2.3м по ватерлинии весом 3600 кг, осадкой 1.65 м
Двигатель оригинальный 10 л.с. одноцилиндровый Volvo Penta MD1 1970 года выпуска, с одним контуром охлаждения забортной водой, термостат не работает, но на средних оборотах зимой не перегревается. Стартер-генератор в одном корпусе, выдает 10А (в идеальных условиях, пока таких не было).
Максимальная скорость под старыми парусами 6 узлов (думаю можно больше, но пока больше не давали жару), под двигателем 3 узла. В свежий ветер (15 м/с) стоим на месте если нет парусов, а "газ в пол". Ситуация нормальная.

Задача:
найти BLDC мотор мощностью 5-10кВт (это поидее будет походить на то, что есть сейчас),
с напряжением до 96в (говорят, что больше может "убить на тот свет"),
с оборотами до 1200 об/мин (не встречал такого при выше указанных параметрах).
Хочется обойтись без редуктора, чтобы иметь возможность рекуперации. Сейчас винт крутится после 3 узлов по звуку, а может и раньше.
Водяное охлаждение (летом и так жарко, а тут ещё тепловая пушка под боком), можно собрать самим, особых сложностей не вижу если форма мотора позволяет отводить тепло
Запас хода 3-4 узла 2 часа в штиль ~6-8 миль, или 5-6 узлов 30 мин (если не хватило запускаем генератор или ходим под парусами неделю и заряжаемся ещё на 2 часа).
Заряжаемся от розетки, солнечные батареи с ветряками оставляем на следующую итерацию.

Решение:
Есть готовые решения типо Bellmarine DriveMaster, сразу с упорным подшипником, но стоимость оказывается в 2 раза больше стоимости лодки (и это без аккумуляторов, проводов и п.р.).

В интернетах предлагают использовать Motenergy ME1115 (не нашел где можно заказать) или Golden Motor HPM5000B (есть вроде официальное представительство), но у них высокие обороты, что предполагает редуктор 2:1
Чисто умозрительно предполагаю: что используя 10кВт мотор, при сопоставимых затратах энергии с 5кВт, получим меньшее число оборотов при меньшем КПД. Имеет смысл двигаться в этом направлении пока не упремся в цену или низкий КПД?

Прочитал что можно перемотать мотор таким образом, что изменится характеристика обороты/момент. Это правда? Можно ли такими манипуляциями уменьшить обороты в 2 раза? Или можно где то заказать расчет/изготовление двигателя с заданными параметрами?

Обратил внимание на т.н. Моментные двигатели (Synchronous Torque Motors) к примеру Rexroth серии MBT ссылка. Вроде водяное охлаждение, низкие обороты, но высокое напряжение 500в. А там где напряжение низкое, то мощность до 1кВт. Может их можно последовательно соединить? А конструкция как бы намекает использовать в сборе с упорным подшипником.

Вариант "оставить как есть" тоже имеет право на жизнь, но требует затрат на восстановление двигателя, выхлопной системы и электрики сопоставимых со стоимостью лодки.
Вариант подвесного мотора не рассматривается в силу эстетических соображений и большого подзора кормы (нужна сверхдлинная нога и все равно не хватит на волне).

Чувствую что где то ошибаюсь в постановке задачи. Прошу помощи у экспертного сообщества.

С уважением,
Владимир.

[Piramidon]

Чувствую что где то ошибаюсь в постановке задачи.

 Владимир400, В Вашем техописании нигде нет требуемых оборотов винта?

[slav]

Похожая тема .

ссылка

[Alex75]

Тоже сразу подумал об электродвигателе Honda Civic 2009 [1A200RMX000] 4D LDA. У электродвигателя KV=15 rpm/v. Его родное напряжение 158 вольт. На 80 вольтах батарейного напряжения получите свои 1200 об/мин. Цена за электромотор(это только статор и ротор) начинается от 5т.р. Вал и крышки сделать несложно. Перематывать ничего не надо. Вот тема про него:  ссылка .

[Владимир400]

 Владимир400, В Вашем техописании нигде нет требуемых оборотов винта?

Да, каюсь.
Написал обороты до 1200 об/мин, но это умозрительное заключение, основанное на увиденных графиках дизельных двигателях и их редукторах.
Полагаю, исходя из документации на мой дизель (редукция 1.87:1 максимальные обороты 2700 ), обороты на винте в диапазоне 400 - 1400 об/мин.
Винт 2-х лопастной 13 дюймов, шаг тоже 13 (было измерено по разным методикам, по расчетам вроде сошлось).
Оригинальный винт должен быть (но это не точно) 3-х лопастной 13 дюймов, но с шагом 9.

[yurgen]

можно ходить за счет дешевого электричества

Забудьте об этом.
Никакой дешевизны не будет.
Будет даже дороже дизеля.( в конечном счете).
А вот тишина , это да .
Но у вас же обычный парусник, а не секретная субмарина для разведывательных спецопераций

[Владимир400]

Тоже сразу подумал об электродвигателе Honda Civic 2009 [1A200RMX000] 4D LDA. У электродвигателя KV=15 rpm/v. Его родное напряжение 158 вольт. На 80 вольтах батарейного напряжения получите свои 1200 об/мин. Цена за электромотор(это только статор и ротор) начинается от 5т.р. Вал и крышки сделать несложно. Перематывать ничего не надо. Вот тема про него:  ссылка .

Эта тема уже прорабатывается. Мотор лежит рядом, только без огромного алюминиевого обода.
Пока вижу следующие проблемы, конкретно с этим экземпляром:
- Нужно делать 2 крышки. Если одну ещё можно нормально закрепить, то со второй уже проблема.
- Пока не понимаю как оцентровать оба подшипника (есть идея использовать от вазовской ступицы). Отверстия на двигателе не симметричны, а допуски не такие и большие.
- Отвод тепла (возможно при использовании на 96 вольтах не будет греться?). Воздушное охлаждение отпадает, а водяное можно посадить на крышку, но эффективность будет не очень, из за конструкции крепления крышек. Остается залить внутренность трансформаторным маслом или чемто подобным и делать герметичным, что влечет дополнительные проблемы.
- Подбор контроллера (возможно не такая уж проблема)

Пока думаем над сварной коробкой, которую можно потом отфрезеровать. Ищем технолога, который поможет понять и объяснить как исполнить изделие с необходимой точностью. Рисуем 3д картинки.

[Владимир400]

Забудьте об этом.
Никакой дешевизны не будет.
Будет даже дороже дизеля.( в конечном счете).
А вот тишина , это да .
Но у вас же обычный парусник, а не секретная субмарина для разведывательных спецопераций

Понимаю куда вы клоните. Стоимость проводов, контроллеров и батарей, их вес и пр. И я скорее соглашусь с вами. Но есть несколько НО, относительно текущей конфигурации:
- Сейчас нужно кричать что бы тебя услышали снаружи при работающем дизеле, а уж из кокпита докричаться внутрь без вариантов.
- Вибрация на ходу такая, я что чайник прыгает на плите.
- Лодку летом покрасили, а корма уже вся черная от гари.
- Максимальная скорость 3 узла
- Низкая энерговооруженность, генератор едва стартерную батарею поддерживает. Сервисную на берегу заряжаем, а в Крыму нужно ходить с AIS + рация + ходовые огни + гаджеты. Зимой планар. Автономность получается низкая хоть и есть стационарный дизель.
- Сам двигатель мы используем довольно редко и важным фактором является его мгновенная доступность на скорости до 4-5 узлов в течении короткого отрезка времени.

Можно немного улучшить ситуацию (стоимость сопоставима с набором эл.двигатель + контроллер 5кВт без батарей):
- немного подумать над дополнительным навесным генератором (съест место и мощность)
- капитальный ремонт двигателя немного уменьшит вибрацию, но не сильно (двигатель с одним цилиндром)
- замена выхлопа немного замедлит выход гари на поверхность
- замена винта возможно улучшит ситуацию со скоростью под двигателем (но также вероятно ухудшит под парусами).
- солнечные батареи могут облегчить ситуацию с сервисным электричеством (но не решить).

Можно купить новый дизель, с установкой стоит как решение от Bellmarine или OceanVolt с минимально необходимой под нашу задачу батарейкой. Потому что менять надо все, включая бензобак, винт, управление и электрику.

Можно поменять на старый дизель, но более мощный. По затратам как половина нового, а может и больше.

Остается посмотреть в сторону т.н. Brushless Sailboat Kit ссылка. Это бюджетный вариант по сравнению с официальными производителями ссылка И похоже это и правда работает. Возможно не так эффективно как у официалов, но решение интересно тем что оно простое (ломаться особо нечему), эффективное (по крайней мере для моих задач) и не дорогое (относительно).

Побочные плюсы от электротяги помимо тишины и чистоты вижу в большом количестве запасенной энергии, которую можно использовать не по прямому назначению (индукционная плита/микроволновка, холодильник или ноутбук), т.к. двигатель мы используем редко. Возможность перераспределить вес в лодке, сейчас нос не загружен, даже с полным баком воды.
Использование генератора, солнечных панелей и рекуперации потенциально существенно увеличит автономность подобной системы.

В идеале я хочу добиться недельной автономности от базы стоянки для 3х человек и одного кота (это касается также воды, еды и новостей). Т.е. заряжаемся от розетки раз в неделю ночью. Как вы думаете такое возможно в условиях Крымского лета?

[Piramidon]

 Владимир400, все получится, только нужны деньги. Для прокорма пятикилловатного моторчика нужна не хилая батарейка, плюс подкючение гаджетов. Солнечная панель с рекуперативной энергией ситуацию сильно не поменяют, они мало дадут энергии. Я находился в Крыму, когда диверсанты обесточили полуостров, с собой у меня был электромопедик, который на аватарке, небольшой домик из трех комнат питал от этого мопедика, там стоит батарея на 1500Вт, плюс бензогенератор 3000Вт, его хорошо видно. Батареи мне хватало, примерно, на 2 часа, после этого приходилось запускать бензогенератор, в течении часа с небольшим батарея заряжалась, при этом энергии генератора хватало для зарядки и обеспечения дома энергией. Для преобразования постоянного напряжения от батареи, использовал синусный преобразователь на 3000Вт. Вывод: нужна ёмкая батарея, я бы рекомендовал от 5000Вт, солнечные панели сумарной мощностью не менее 400-500Вт, чем больше, тем лучше, бензогенератор, так же в пределах 3000Вт, ну и СИНУСНЫЙ преобразователь, почему синусный?  На других, микроволновка, холодильник, возможно управление инфракрасной панелью могут работать очень не корректно, а могут  и сгореть.  Считать затраты не буду, надеюсь у Вас это получится.

[slav]

Эта тема уже прорабатывается.

 Оочень бюджетный вариант . 

Двигатель LIFAN 13 л.с. GS212E (вал d19 мм) катушка 7А 84Вт .

Горя знать не будете.

[yurgen]

и рекуперации потенциально существенно увеличит автономность подобной системы.

не понял, что значит "рекуперация" применительно к водному транспорту?
Вы плывете по течению, а двигатель в режиме генератора вырабатывает ток?
так чтоль?

[Водномоторник]

Солнечные батареи - одно сплошное неудобство, а в литре бензина электричества как с солнечных панелей за неделю.
Я имею количество панелей размещённых на плавсредстве, площадь.

[Piramidon]

Солнечные батареи - одно сплошное неудобство, а в литре бензина электричества как с солнечных панелей за неделю.
Я имею количество панелей размещённых на плавсредстве, площадь.

Я это знаю, ну если человеку очень хочется и деньги есть, пусть пробует.

[Владимир400]

не понял, что значит "рекуперация" применительно к водному транспорту?
Вы плывете по течению, а двигатель в режиме генератора вырабатывает ток?
так чтоль?

Лодка парусная. Можем сутками идти если ветер позволяет. Комфортная скорость от 2 до 6 узлов. При силе ветра от 3 до 15 м/с, можно и больше если нет сильной или короткой волны.
Судя по ютубу при скорости выше 5 узлов  рекуперация забирает около 1 узла скорости, но дает от 100 до 200 ват и с повышением скорости увеличивается генерация. Пока не достигнем скорости корпуса у нас это 7 узлов. На больших лодках и катамаранах генерация уже за кВт перевалила.
Конечно очень много переменных влияющих на результат, но иметь такую возможность очень даже неплохо для спокойного сна. Одно дело остаться без двигателя (на парусной лодке это не критично в большинстве случаев), а другое без средств связи.

[Владимир400]

Солнечные батареи - одно сплошное неудобство, а в литре бензина электричества как с солнечных панелей за неделю.
Я имею количество панелей размещённых на плавсредстве, площадь.

Согласен с вами полностью. Солнечными панелями не получится восполнить энергию потраченную на движение под мотором. Да и места у нас нет.
Поэтому этот вопрос оставляю на послезавтра.
Генератор гораздо более удобное решение, в случае большого потребления энергии. Но включать его каждый раз когда возникла потребность, тоже не правильно. Большой запас батарей позволяет выбирать момент запуска исходя из режима отдыха, а не потребности в энергии.
 
Повторюсь, сейчас генератор с дизеля никакой и замена 150 килограммового монстра на ящик размером с канистру выглядит довольно привлекательно.
Выглядит так, кабудто мы сначала добавляем кучу батарей, а это в свою очередь позволяет избавиться от старого дизеля заменив его на компактный бензиновый генератор (вопрос надежности в море открыт) и компактный электрический мотор. При этом режим использования двигателя не меняется, но появляется бОльший запас энергии в батареях и в канистре теперь бензин а не дизель.

[Владимир400]

Я это знаю, ну если человеку очень хочется и деньги есть, пусть пробует.

Увы бюджет ограничен. Ищем рациональное решение исходя из текущих потребностей. Хочется думать что за 50 лет мир немного изменился.

[Владимир400]

Оочень бюджетный вариант . 

Двигатель LIFAN 13 л.с. GS212E (вал d19 мм) катушка 7А 84Вт .

Горя знать не будете.

Есть опыт хождения на парусной лодке с двигателем с воздушным охлаждением. Приятного мало, если честно. Ну если только зимой погреться. А летом невозможно зайти внутрь после часа работы двигателя. Да и больше часа он не может - перегревается, хотя есть вытяжка для него и мокрый выхлоп (помпа заливает воду из моря в выхлопной 4-х метровый рукав чтобы не сгорел). Считайте, что в центре лодки печка которая работает в +40.
Тут морской дизель конечно вне конкуренции (имею ввиду для парусных лодок).

[Дмитрий423]

.
      Самый правельный выбор это переходить на повышенную скорость в коробке автомат используя нагнетатель крыльчатку вискомуфту - наши моторы с муфтами