 | ВОДОМЕТНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ |
рис. 1. ТУРБИНА 1 — реверсивно-рулевое устройство, 2 — сопло, 3 — спрямляющий аппарат; 4 — рабочее колесо (ротор), 5 — водометная труба; 6 — гребной вал, 7 — сальниковое уплотнение |
рис. 1а. Таже турбина, но с окном для прочистки рабочего колеса насоса (импеллра), 8 - окно для чистки |
Водометные движители
Водометные движители, как и гребные винты, относятся к числу гидрореактивных движителей, создающих упор за счет реакции отбрасываемой с некоторым ускорением массы воды. В отличие от гребного винта, движущиеся части водомета находятся внутри корпуса судна и надежно защищены от повреждений при встрече с подводными препятствиями, что и определяет основное преимущество этого вида движителей.
Моторные суда с водометами могут проходить по мелководью с глубинами, почти равными осадке корпуса, т. е. до 0,1—0,2 м, преодолевать засоренные и заросшие участки водоемов и даже отдельные препятствия, выступающие из воды. Кроме того, к преимуществам водометного движителя относятся:
— уменьшение сопротивления воды движению судна вследствие отсутствия выступающих частей;
— относительная простота изготовления реверсивно-рулевого устройства взамен более сложных реверс-редукторов;
— высокая маневренность, обеспечиваемая реверсивно-рулевым устройством, воздействующим непосредственно на выбрасываемую струю воды;
— значительное укорочение и упрощение линии валопровода;
— менее шумная работа движительной установки;
— возможность установки двигателя горизонтально или с минимальным наклоном, что улучшает его работу и ликвидирует потери, связанные с наклонным валопроводом.
Основной недостаток водометного движителя — более низкий по сравнению с гребными винтами пропульсивный к. п. д., равный 0,35—0,5. Это вызвано потерями мощности на подъем струи воды выше ватерлинии и преодоление дополнительного сопротивления в трубе водомета.
Однако отсутствие выступающих частей в значительной степени компенсирует этот недостаток, так что в конечном итоге эффективность водомета иногда оказывается выше, чем обычного гребного винта.
Любой водометный движитель состоит, как правило, из насоса (винта) с валом, водометной трубы (водовода), спрямляющего аппарата (контрпропеллера) и реверсивно-рулевого устройства. При вращении насоса на засасывающей стороне его лопастей, как и гребного винта, возникает разрежение, благодаря которому вода по приемной трубе (водозаборнику) поднимается к диску насоса. Здесь, получив некоторое ускорение, вода выбрасывается через сопло, выходное сечение которого меньше, чем диаметр трубы насоса. В силу неразрывности потока для прохода той же массы воды через меньшее сечение за одинаковое время скорость потока должна быть больше; таким образом, суженное сопло увеличивает скорость выбрасываемой струи воды.
Как известно, реакция отбрасываемой массы воды создает упор движителя. В данном случае полезный упор, равный сопротивлению воды, определяют по формуле
Pe = m(u – vp),
где т — масса воды, отбрасываемой движителем в 1 сек;
и — скорость струи за соплом, м/сек;
vp = v (1 - w) — скорость моторного судна с учетом попутного
потока
Из этой формулы следует, что упор водометного движителя увеличивается с увеличением отбрасываемой массы воды и сообщенной ей скорости w = u - vp
К. п. д. водометного движителя складывается из следующих составляющих:
h = hи hн hм hт
где hи — так называемый идеальный к. п. д. любого движителя, учитывающий потери мощности, связанные с перемещением отбрасываемых масс воды, не считая потерь на трение жидкости, закручивание потока и т. п.;
hн — к. п. д. насоса;
hм — механический к. п. д. валопровода;
hт — условный к. п. д. водометной трубы, учитывающий потери мощности на трение жидкости в трубе, на местные сопротивления и т. п.
Из теории известно, что к. п. д. идеального движителя
hи = 2 / ( 1 + ½ x u / v )
откуда следует, что чем больше разность между и и v( скорость хода судна ), тем ниже hи . Возвращаясь к формуле полезного упора, видим, что более высокую эффективность будет иметь водомет, отбрасывающий большие массы воды с меньшей скоростью.
Если перейти к насосным характеристикам, то массу воды можно выразить т = pQ, а сообщенная струе воды скорость, эквивалентная напору, создаваемому насосом, равна w = и — vp. Следовательно, водометный движитель может быть эффективным только при условии, что его насос будет создавать малый напор при большом расходе воды. Этому условию в наибольшей степени соответствуют осевые насосы пропеллерного типа, выпускаемые по ГОСТ 9366—60; их преимущественно и используют на рассматриваемых моторных судах. В некоторых случаях, например в подвесных моторах с водометными движителями, применяют центробежные насосы, однако это диктуется, в основном, стремлением упростить конструкцию за счет ликвидации конической передачи.
Конструкция водометного движителя для серийного двигателя СМ-557-Л приведена на
фото 1.Водометный движитель.
/ — реверсивно-рулевое устройство, 2 — сопло, 3 — спрямляющий аппарат; 4 — рабочее колесо (ротор), 5 — водометная труба; 6 — гребной вал, 7 — сальниковое уплотнение
Этот комплекс разработан для установки на мотолодке Казанка, но его можно применить на любой другой подобной мотолодке водоизмещением 500—600 кг. Элементы движителя могут быть использованы также в качестве прототипа при проектировании водометов и для других судов и двигателей.
Ниже приведены основные рекомендации по проектированию и изготовлению элементов водометного движителя.
Рабочее колесо (ротор). Рабочее колесо водометного движителя в принципе работает как гребной винт, поэтому расчет его основных характеристик можно производить методом эквивалентного винта по диаграммам для изолированных винтов, но с учетом специфических условий работы в трубе и взаимодействия с корпусом моторного судна. Не вдаваясь в теоретическую часть, поясним использование метода профессора А. М. Басина на примере расчета рабочего колеса водомета, изображенного на рис. 1.
Исходные величины: мощность двигателя Ne = 13,5 л. с., число оборотов п = 3500 об/мин, или пс — 58,3 об/сек, скорость хода лодки v = 31 км/ч = 8,62 м/сек, сопротивление корпуса при этой скорости RK = 52 кг, с учетом 3—4% надбавки на сопротивление трубы водомета общее сопротивление R = 54 кг.
Скорость хода судна и сопротивление корпуса определяют любым из изложенных ранее методов: расчетом по прототипу или, лучше всего, буксировкой корпуса за достаточно мощным моторным судном. При наличии кривой сопротивления в зависимости от скорости хода расчет производят для нескольких значений скорости.
Если известна только скорость хода, то сопротивление определяют по формуле
R = Pe = ( 75 Ne / v ) x h
К. п. д. водометного движителя составляет 0,35—0,50 в зависимости от скорости. В первом приближении можно принять h = 0,45, тогда для нашего случая
Pe = ( 75 х 13,5 х 0,45 ) / 8.62 = 53 кГ
Небольшое расхождение, практически не влияет на точность расчета, получается из – за приближенного значения h . В действительности для данного случая h = 0,46 и Pe = 54 кг.