Водометний рушій судна

Водометний рушій (водомет) - судновий двигун, у якого сила, яка змушує судно переміщатися, створюється струменем води що виштовхується знього.

Схема водометного рушія

Перші водометні рушія появилися в середині XVII століття. Цей пристрій передставляє собою систему вотопроточнийх каналів ( в частковому випадку - один канал) , розміщених всередині курпусу судна, по якому рухається вода за допомогою спеціального насосу , найчастіше- омьового (винт в трубі). За допомогою заслонок потік води направляється в ті чи інші канали( в випадку одного каналу змінюється напряв руху струї, яка виходить на кормі судна), що дозволяє змінити напрямок судна.

Історія

Вперше ідея водометного судна була висунута англійськими винахідниками Thomas Toogood (Тугудом) і James Hayes (Хейес), які в 1661 р. запропонували встановити на судні міхи. За допомогою їх засмоктувати воду в носовій частині судна, і відводити її в кормі. Винахід не було реалізовано.

У 1866 р. на порівняльних випробуваннях однакових за водотоннажністю англійських пароплавів: гвинтового "Volunteer" («Волонтер») і водометного "Nautilus" («Наутілус»), обладнаного рушієм Рутвена,який розвинув швидкість на 0.5 вузла більшу. Рушій Рутвена починають застосовувати на парових судах в Англії та інших європейських країнах. Зацікавилося водометом і Англійське адміралтейство, замовивши у 1867 р. перший у світі великий водометний корабель - канонерського човна "Watereach" («Уотеріч») водотоннажністю 1280 т з водометом Рутвена, в якому використовувався відцентровий насос з приводом від трьох парових машин. Але Адміралтейство поквапилося. Результати порівняльних випробувань "Watereach" і гвинтового канонерського човна "Viper" («Вайпер») виявилися не на користь водометного корабля. Справа була навіть не в тому, що "Viper" розвинув велику швидкість, ніж "Watereach". Комісія відзначила низьку економічність установки і надмірну складність її в обслуговуванні.

Спробам застосувати водометний рушій на кораблях не надавались серйозні значення, вважаючи основною причиною невдач низька якість проектування і виготовлення водометних рушіїв. У 1883 р. обидві міноносці були побудовані і випробувані. Оптимізм конструкторів поступився місцем розчаруванню: швидкість відмітні міноноскі виявилася на 30% менше, ніж у гвинтових, а економічність енергетичної установки набагато меншою.

Водометний рушій надовго вибув з арсеналу засобів боротьби за швидкість, але не назавжди.

Конструкція

Схема водометного рушія: 1.Днище судна 2.Водозбірник 3.Насосна частина 4.Сопло (стрілки показують напрям руху потоку води через рушій)

Водометні двигуни мають систему водопроточних каналів, розташованих усередині корпусу судна, по яких за допомогою насосу (осьового типу «гвинт в трубі», або відцентрового) переміщається забортна вода. В окремому випадку канал може бути один.Також запропоновано своєрідну модифікацію водометного рушія, який розташовується поза межами корпусу ( нерухомоа насадка в його кормовій частині). Схема типового водометного рушія показана на малюнку.

На водовиштовхуючих і гліссіруючих судах забір води здійснюється через отвір в днищі судна. На судах з підводними крилами водозабірник розташовується під корпусом і може мати різну конструкцію. Якщо отвір спрямований проти потоку, водозабірник називається повнонапорним, оскільки в його перерізі діє і гідростатичний, і швидкісний напір води. Якщо ж отвір розташовується в днищі і напрямок потоку збігається з його площиною, водозаборник називається статичним. Зустрічаються проміжні варіанти.

Осьовий насос водометного рушія має від одного до трьох робочих коліс на одному валу; збільшення числа коліс сприяє зменшеннню кавітації. За робочими колесами розташовуються направляючі апарати, що зменшують закручування потоку. Сопло забезпечує зжим потоку і регулювання його швидкості. Струмінь води може викидатися як у воду (нижче ватерлінії), так і в повітря (вище ватерлінії); можливий випадок, коли ватерлінія пересікає струмінь.

Ступені центробіжного насоса розташовують не послідовно, як в осьових, а параллельно, що потребує розділення трубопровода.

В попередніх конструкціях водометних рушіїв, управління судном здійснювалось за рахунок каналів що розгалужуються. За допомогою заслонок можна было направяти поток в різні канали, що дозволяло отримати передній, задній хід і поворот практично на місці. Але гідравлічний опір каналів що розгалужуються досить великий. Тому в сучасний конструкцфях використовують реверсивно-рульові пристрої, розміщені за кормою судна.

Коротка характеристика

До характерних особливостей водометних рушіїв можна віднести хорошую захищеність робочого органу (розташованого в каналі всередині корпусу; вхідний отвір каналу обладнаний гратами, які перешкоджають попаданню великих предметів в канал) і прекрасні маневрені якості (можливість рухатися переднім і заднім ходом, розвертатися майже на місці завдяки відповідній установці заслінок).Але ці рушії володіють великою масою (в яку входить система водопроточних каналів з водою всередині корпусу), займають великий обсяг, ускладнюючи розміщення полезнь вантажу, мають порівняно невисоким ККД. Строго кажучи, ККД водометного рушія - поняття досить умовне, оскільки упор такого рушія створюється на корпусі і не завжди вдається точно розділити сили сопротивлення і упору. Грубо орієнтовно, ККД звичайного водометного движителя може становити приблизно 30%. Довгий час відмітні рушії мало застосовувалися на судах. Ввалось, що область їхнього застосування обмежується порівняно тихохідними судами, плаваючими на мілководній або засміченому фарватері (наприклад, такі судна використовувалися на лісосплаві). Але приблизно з середини XX в. їх популярність почала зростати. Цьому сприяли дві обставини. Во- перше, замість розвиненої системи водопроточних каналів було запропоновано влаштовувати один короткий канал в кормової краю судна, забезпечуючи управління судном за допомогою заслінок, що відхиляють струмінь рушія в потрібну сторону. По-друге, було показано, що ККД водометного рушія на швидкохідних судах може досягати 60% і більш, тоді як у звичайних гребних гвинтів в цих умовах він може знижуватися через явище кавітаці.

Розрахунок водометних рушіїв

Згідно закону кількості руху упор реактивного, в тому числі водометного, рушія дорівнює: [math]T=(V_1-V)[/math] (1.1)

де m - маса води, що протікає через перетин рушія за одиницю часу 1 с. V1 - швидкість в струмені рушія на нескінченності за ним; V - швидкість ходу судна. Для ізольованого рушія упор збігається з тягою.

[math]m=\rho F_cV_1[/math] - маса води (1.2)

де [math]F_c[/math] і [math]V_1[/math] - відповідно площа і швидкість струменя на виході з сопла. Передбачається, що швидкість струменя на нескінченності і на виході з сопла однакова. Таким чином, виходить залежність, аналогічна залежності з теорії ідеального рушія.

Використовуємо рівняння Бернуллі для потоку рідини в каналі рушія. Для ділянки лінії струму до рушія (який зручно вважати нескінченно тонким, як і в згаданій теорії) отримуємо:

[math]p_0+\frac{\rho*V^2}{2} =p_1 \frac{\rho(V_s)^2}{2}+\Delta p_1[/math] (1.3)

де p2 - тиск безпосередньо за ним, Δр2- втрати напору на даній ділянці. Тоді перепад тисків в насосі:

[math]\Delta p_H=(\frac{\rho*V_1^2}{2}-\frac{\rho*V^2}{2})+\sum\Delta p[/math] - напір насоса Н, який зазвичай вимірюється в мм.рт.ст. (1.4)

Гідравлічні втрати складаються з втрат на вході в проточну частину, втрат в проточній частині перед колесом і в соплі. Їх приводять до безрозмірного коефіцієнту опору

[math]\zeta=2g*\frac{\Delta p}{V^2}[/math] (1.5)

причому в якості характерної швидкості v для втрат перед колесом і на підйом води приймають швидкість судна, а для втрат в соплі - швидкість в струмені водомета. Тоді вираз для напору можна записати у вигляді:

[math]H=\frac{V_1^2}{2g}*(1-\zeta_c)-\frac{V_2^2}{2g}*(1-\zeta_B-\bar{h})[/math] (1.6)

де [math]\bar{h}=\frac{2gh}{V^2}[/math] (1.7)

Корисна потужність насоса виражається:

[math]P=HQ_0 \gamma[/math] (1.8)

де [math]Q_0=F_p v_s[/math] -секундний розхід рідини через насос. [math]F_p[/math] - гідравлічне січення насоса. (1.9)

Після підстановок корисна потужність складе:

[math]P=[\frac{v_1^2}{2g} (1+\zeta_c)-\frac{V^2}{2g} (1-\zeta_B - \bar{h})] \gamma F_p v_s[/math] (2.0)

Якщо виразити швидкість в площині робочого колеса [math]V_s[/math] через швидкість на виході із сопла [math]V_1[/math] і коефіцієнт стиску сопла [math]\beta = F_c F_p[/math], формула (2.0) перетвориться до вигляду:

[math]P=[\frac{v_1^2}{2g}(1+\zeta_c)-\frac{v^2}{2g} (1-\zeta_B - \bar{h})] \gamma F_p v_1 \beta.[/math] (2.1)

Повна потужність [math]P_D[/math], споживана насосом, буде більше знайденої за формулою (2.1) за рахунок ККД робочого колеса:

[math]P_D=\frac{P}{\eta_p_k}[/math] (2.2)

ККД водометного рушія в цілому після деяких перетворень виходить у вигляді:

[math]\eta=\frac{C_T \eta_p_k}{[\bar{v_1^2}(1+\zeta_c_o_p)-1+\zeta_B_x + \bar{h})] \bar{v_1} \beta}[/math] 2.3

де [math]C_T=\frac{T}{\frac{\rho v^2}{2}F_p}[/math] ; [math]\bar{V_1}=\frac{v_1}{v}[/math] 2.4

ККД водометного рушія нерідко представляють у вигляді:

[math]\eta=\eta_p_k \eta_c_t[/math] 2.5

де другий співмножник - ККД струменя, формулу для якого неважко отримати з виразу (2.3)

ККД струї водометного рушія

Дослідження показують, що ККД насоса при різних режимах роботи може досягати [math]\eta_p_k=0,80-0,85[/math]

Залежність ККД струменя від коефіцієнта навантаження по площі сопла, віднесеного до його піджиманню, при постійних значеннях суми втрат [math]\zeta+\bar{h}[/math] показана на графіку (1.1)