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 корисного вантажу, мають порівняно невисокий ККД. Строго кажучи, ККД водометного рушія - поняття досить умовне, оскільки упор такого рушія створюється на корпусі і не завжди вдається точно розділити сили опору і упору. Грубо орієнтовно, ККД звичайного водометного рушія може становити приблизно 30%. Довгий час відмітні рушії мало застосовувалися на судах. Вважалось, що область їхнього застосування обмежується 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: по- перше, замість розвиненої системи водопроточних каналів було запропоновано влаштовувати один короткий канал в кормовій частині 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.

Переваги

1. На великих швидкостях забезпечує або збільшену максимальну швидкість, або економію палива.

2. Не потрібне використання реверс-редуктора.

3. Вибіг судна при екстреному гальмуванні найбільш короткий.

4. Судно може здійснити розворот на місці і навіть рухатися лагом (на відміну від судна з класичним гвинтовим рушієм).

5. Можливість проходження судна по мілководдю.

Недоліки

1.Затруднення подачі води крізь днище судна до насоса, на ефективність якого буде впливати швидкість руху судна відносно води.

2.Необхідність перевезення води в якості робочого тіла і вантажу - одночасно.

3.Втрати потужності через тертя води в трубопроводах.

4.Втрати потужності через турбулентні завихрення потоку води в каналах водомета.

5.Висока ступінь зносу пари ротор-статор, так як експлуатація проводиться на мілководді, ремонт більш затратний в порівнянні із звичайним гвинтом.

6.Висока вартість водомета - одна з найважливіших негативних сторін. Коштує він приблизно в півтора рази більше, ніж звичайний гвинто-кермовий комплекс.

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 p1 - тиск безпосередньо за ним, Δр1- 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

Графік 1.1 ККД струї водометного рушія

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)

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)

Кожному значенню [math]C_T[/math] відповідає оптимальне підтискання сопла і відношення [math]\frac{C_T}{\beta}[/math], при якому досягається найбільший ККД рушія. Опір.

Графік 1.2 Коефіцієнт гідравлічних втрат у водозабірниках

Опір Водозабірника в даний час визначають шляхом модельних випробувань. Криві залежності коефіцієнта вхідного опору від відносної швидкості[math]\bar{V_s}[/math] для двох забірників- статичного і повнонапірного поепзпні на графіку 1.2.(Коефіцієнт гідравлічних втрат у водозабірниках) При малих [math]\bar{V_s}[/math] опір повно напірного забірника менше, чим статичного, при великих - наоборот. Це звязано з наявністю у повнонапірного забірника двох поворотних колін, а статичного- одного.Взагальному опір повнонапірного водозабірника сильно залежить від кутів повороту в колінах, площі вхідного патрубка і в меншій степені - від підвищення сопла над вхідним патрубком.

Величина коефіцієнта [math]\bar{h}[/math] визначається конструкцією водозабiрника і швидкістю ходу судна. Він має значну величину у морехідних судів на підводних крилах з великою висотою підйому струменя (4-5 м), тоді як у звичайних водотоннажних судів і у глісерів він малий. Із зростанням швидкості [math]\bar{h}[/math] зменшується. Коефіцієнт опору сопла в наближених розрахунках приймається рівним 0,02.

Наведені вище формули припускають горизонтальний викид струменя.Якщо струмінь нахилений до горизонту під кутом [math]\alpha[/math], то упор рушія:

[math]T=m(V_1 cos\alpha - V_0).[/math] (2.4)

Одночасно появляється вертикальна сила:

Графік 1.3 Діаграма характеристик насоса

[math]T_y=m V_1 sin\alpha.[/math] (2.5)

Якщо струмінь спрямований вниз, сила [math]T_y[/math] направлена вверх,що призводить до зменшення опору судна. Наявність води в водопроточному каналі вище вільної поверхні призводить до зменшення ефективного упору. Водозабірні пристрої можуть бути додатковими виступаючими частинами і створювати додатковий опір.

На водотонажних судах при проектуванні водометного рушія необхідно враховувати його взаємодію з корпусом судна. В даний чач недостатньо даних для оцінки коефіцієнтів взаємодії, які доводиться визначати за результатами модельних випробувань. Але, оскільки при цьому велику роль відіграють сили вязкої природи, при моделюванні проявляється масштабний ефект (ми вже знаємо, що при моделюванні рівність чисел Рейнольдса недосяжно). За рекомендаціями А.А. Русецького коефіцієнт попутного потоку можна перерахувати з моделі на натуру (судно) за формулою:

[math]\psi_H=\psi_M (\frac{lg Re_M}{lg Re_H})^2^,^7^5[/math]

Особливе завдання представляє проектування робочих коліс осьових насосів водометних рушіїв. Існують спеціальні діаграми, побудовані за результатами модельних випробувань, на яких є криві коефіцієнта напору і моменту, а також критичних чисел кавітації. За допомогою цих діаграм можна за заданим значенням напору й витрати підібрати насос, що забезпечує найвищий ККД. Приклад такої діаграми наведено на графіку 1.3 (Діаграма характеристик насоса)

Література

Куликов С., Храмкін М. - Водометные движители 1965

Антоненко С. - Судові рушії 2007