Усовершенствование водометных установок катеров «Дельфин»

Водометный катер «Дельфин»

С. А. Калинин, «Катера и Яхты», №6-1976г.

В 1969 г. горьковскими судостроителями-любителями А. Братишко, Б. Бодехиным, С. Безукладниковым и А. Алехиным были построены первые четыре пластмассовых водометных тримарана «Дельфин» по моему проекту. Катера эти горьковчанам понравились, в дальнейшем было отформовано еще восемь таких же корпусов.
Длина «Дельфина» — 5,15 м; ширина— 2,00 м; высота корпуса — 0,85 м. Вес порожнем — порядка 600—650 кг. На катерах устанавливаются двигатели «М-21» («Волга») мощностью 75 л.с. при 4000 об/мин. Применены днищевые обводы типа «крыло чайки», очень похожие на те, что показаны на стр. 16 «КЯ» № 31; особенностью является лишь продольный лыжеобразный выступ высотой около 25 мм на днище, отсекающий от водозаборника аэрированные потоки воды из днищевых тоннелей при дрейфе. Прототипом движителя послужил водомет (рис.1), разработанный Э. Э. Клоссом под двигатель с «Москвнча-407» («КЯ» вып. 5, 1965 г.).

”Водометный
За шесть навигаций на водометных «Дельфинах» пройдены тысячи километров как по малым (Ветлуга, Сура), так и по большим магистральным рекам и водохранилищам, накоплен, на наш взгляд, интересный опыт не только эксплуатации, но и доводки, усовершенствования движителей.
Известно, что водяной тракт состоит из нескольких последовательных участков; казалось бы незначительные потери энергии на каждом из них (2—3%) вызывают заметную (20% и более) общую потерю мощности двигателя.
Потери начинаются уже на входе воды в водозаборник из-за того, что, как правило, не уделяют должного внимания обеспечению плавности потока в районе передней кромки отверстия. За плохо обтекаемой кромкой (рис. 2) происходит срыв потока, уменьшающий эффективное сечение водовода и значительно увеличивающий гидравлические потери; возрастает неравномерность скоростей потока, поступающего на ротор.
”Водозаборник
Имеют существенное значение не только конструкция и качество изготовлении, но и правильность установки защитной решетки. Чтобы уменьшить срыв потока с ее передней поперечной пластины, целесообразно устанавливать решетку не в плоскости днища, а с наклоном, передвинув ее переднюю кромку за «зону подсасывания» водозаборника (рис. 3).
Равномерность поля скоростей потока, набегающего на ротор, всегда оказывается нарушенной, что приводит к нестационарности обтекания лопастей и снижению к.п.д. ротора. (Неравномерность потока обусловлена, в частности, наличием гидродинамического следа за пересекающим его гребным валом.)
Известны различные способы выравнивания скоростей в потоке.
Один из них — ускорение потока за счет сужения (конфузорности) водовода. Вариант конфузорного водозаборного тракта применительно к водомету Э. Э. Клосса показан в книге А. Н. Папира «Водометные движители малых судов» (Л.. «Судостроение», 1970). Другой способ — спрямление участка водовода перед ротором: поток до попадании на ротор должен пройти по прямому цилиндрическому участку длиной не менее диаметра трубы. (На катерах такое решение практически не применяется как приводящее к увеличению длины водометного комплекса и дополнительным потерям на трение.)
А. Братишко и его товарищи использовали другое решение — установку перед ротором направляющего аппарата (статора) из трех-четырех относительно тонких радиально расположенных профилированных пластин—колонок, которые одновременно поддерживают конец гребного вала. Это позволяет убрать опорный подшипник из спрямляющего аппарата, облегчает ремонт или замену спрямляющего аппарата. Для повышения эффективности статора можно рекомендовать увеличение числа пластин до пяти-шести, но желательно, чтобы оно не было равно или кратно числу лопастей ротора.
Если роль кронштейна, поддерживающего вал, выполняет одна отдельная утолщенная колонка, то за ней появляется значительный гидродинамический след — область заторможенного потока. В этом случае статор нужно устанавливать на расстоянии не менее 1,0 lc или 0,5 lp (где lc — длина статорной колонки, а lp — наибольшая длина хорды лопасти ротора) от входных кромок ротора.
Если гребной вал помещен в трубу, для уменьшения гидродинамического следа за нею можно рекомендовать установку обтекателя. Исследования влияния размера обтекателя на лобовое сопротивление цилиндра показывают, что при отношении хорды трубы с обтекателем b к диаметру трубы d, равном 6—7, сопротивление снижается в 5—6 раз. Практически с учетом косого обтекания (поток набегает на гребной вал водомета под углом 30—400) и из конструктивных соображений достаточно принимать b/d ≈ 2.
Размеры ротора и водозаборника по сравнению с водометом-прототипом увеличены: номинальный диаметр до dp = 220 мм, диаметр ступицы до dс = 100 мм, площадь живого сечения потока в районе ротора до S = 300 см2. На водометах испытывались роторы с шагом Н = 210, 220, 240 и 270 мм. Ротор с Н = 270 мм оказался «сверхтяжелым»; изменения шага в диапазоне 210—240 мм влияли на работу движители незначительно. В окончательном варианте остановились на Н = 230 мм.
Увеличение числа лопастей ротора с четырех до пяти почти не сказалось на его работе, а вот изменения дискового отношения имели существенное значение. При узких лопастях возникала кавитация, что приводило к падению упора. Мы пришли к выводу, что дисковое отношение должно быть как можно больше и во всех случаях — не менее единицы. Хорошие результаты показал ротор с пятью лопастями, имеющими при развертке на плоскость форму, близкую к прямоугольной, и хорду 140—160 мм (дисковое отношение 1,1—1,3).
Чтобы уменьшить вредное влияние центробежных сил, вызывающее падение упора умеренно нагруженных винтов на 3—4%, лопасти ротора несколько наклонили назад и придали им небольшую вогнутость (рис. 4).
Роторы делали сварными из высокопрочной термообрабатываемой стали. Хорошие результаты дало применение отработавших срок лопаток от газотурбинных двигателей: при нагреве лопаток докрасна им можно легко придать необходимую форму; материал самозакаливается на воздухе, обладает высокой механической прочностью.

”Лопасти

Испытания различных вариантов спрямляющих аппаратов показали, что для предотвращения кавитации их дисковое отношение должно быть больше, чем у ротора. В последних вариантах водометов на «Дельфинах» применены спрямляющие аппараты с шестью лопатками, имеющими хорду 140—160 мм (рис. 5); дисковое отношение при этом составляет около 1,5.
Сопло преобразует избыточную потенциальную энергию потока в кинетическую энергию струи, т. е. в приращение скорости. Форма проточной части выходного сопла должна обеспечивать плавный (с постоянным ускорением) отвод жидкости от спрямляющего аппарата, требуемую площадь выходного отверстия, цилиндрическую форму и максимальную устойчивость струи, выходящей из сопла, при минимальных гидравлических потерях, т. е. при условии безотрывного течения в сопле.
Изменения диаметра выходного отверстия сопла в диапазоне 150— 165 мм на упоре водомета почти не сказывалось. Число оборотов коленчатого вала двигателя составляло при полном открытии дроссельной заслонки 3200—3500 в минуту, что соответствует режиму максимального крутящего момента.
Выполнение отводящего тракта в принципе аналогичным прототипу обеспечивало «Дельфину» скорость 43—41 км/ч при водоизмещении 800—1200 кг. Катер глиссировал и при нагрузке 9 человек с багажом (водоизмещение около 1500 кг); при этом время разгона возрастало, но после выхода па глиссирование заметного уменьшения скорости не наблюдалось.
Казалось бы, из водомета «выжато все», однако А. Братишко и его товарищи не оставляли попыток усовершенствовать движитель и в первую очередь — его отводящий тракт. Их не устраивали сложность обычно применяемых спрямляющего и соплового устройств, малая живучесть спрямляющего аппарата, все еще значительные потери мощности.
Тонкие лопатки спрямляющего аппарата при больших нагрузках и попадании гальки выходили из строя; случалось, что водомет «выплевывал» лопатки. Угол установки передней кромки лопаток не удается рассчитать точно; в результате после каждой навигации эти кромки оказывались загнутыми в ту или иную сторону (рис. 6). После нескольких месяцев работы на лопатках появлялись участки с матовой поверхностью, как будто на них выпала накипь. А. Братишко считает, что это — участки отрывного обтекания с образованием застойных зон — «пузырей»; возможно, что «накипь» свидетельствовала о кавитационном разрушении поверхности лопаток.
Существенная часть энергии затрачивалась на поворот линий тока обратно к оси водомета, тогда как ротор отбрасывал частицы воды в стороны.
Изучение поведения воды при истечении ее через сопло (путем введения красителя в воду, проходящую через стеклянную модель традиционного соплового устройств) показало, что в потоке существуют зоны интенсивного вихреобразования (рис. 7). Этого недостатка лишены водометы, в которых поджатие выходной струи осуществляется не наружным сужающимся соплом, а внутренним расширяющимся телом (рис. 8). Водометы с внутренним поджатием, как отмечается и литературе, имеют более высокий к.п.д., однако на малых судах применяются редко, так как органы управления получаются громоздкими и сложными.
”Схема
Моделирование потока воды за сопловым устройством с внутренним поджатием показало, что за срезом внутреннего тела (втулки) образуется устойчивая воздушная каверна (рис. 9,а). С увеличением скорости потока в нижней ее части появляется обратная струя воды, каверна заполняется пеной; разрушение потока начинается на небольшом расстоянии от сопла. Замеры жидкостным манометром показали, что разрежение в каверне за втулкой достигает 0,2 атм. Зная величину разрежения в каверне, диаметр втулки, скорость движения катера и задавшись пропульсивным к.п.д. движителя = 0,45, было несложно оценить потери упора и мощности, вызванные установкой втулки. При dв = 100 на скорости 40 км/ч потеря упора составляет около 16 кг, а потеря мощности 5,15 л.с.; при dв = 150 эти потери возрастают уже до 35 кг и 11,6 л.с. От варианта с внутренним поджатием конусной втулкой отказались.
”Спрямляющий
С целью сокращения длины движителя иногда совмещают сопло со спрямляющим аппаратом. Как отмечается в книге М. А. Мавлюдова и др. «Движители быстроходных судов» (Л., «Судостроение», 1973), «это тем более рационально, что поджатие потока в пределах лопастей системы спрямляющего аппарата снижает гидравлические потери, так как уменьшается диффузность потока». Однако считается, что нельзя доводить выходящие кромки лопастей аппарата до среза сопла, поскольку при этом появляется опасность прорыва атмосферного воздуха на засасывающую сторону лопастей. В то же время, как показали эксперименты, внутрь кольцевого потока за сопловым устройством с внутренним поджатием целесообразно «запускать» как можно больше воздуха. (Если полость каверны сообщить трубкой с атмосферой, воздух с шипеньем засасывается в каверну, длина ееи, главное, длина самой струи резко возрастают; см. рис. 9,6.)
Родилась идея —и сопло, и внутреннее центральное тело (втулку) выполнить цилиндрическими, задние кромки спрямляющих лопаток совместить со срезом сопла, а поджатие потока осуществить путем придания этим лопаткам клиновидного профиля. При этом кольцевая струя разрежется на отдельные сегменты с широкими просветами между ними (за лопатками), воздух сможет легко поступать в полость каверны за втулкой (рис. 10). Кроме того, лопатки, поджимая поток, предотвратят появление зон кавитации или отрывного обтекания.
”Спрямляющий
Испытания уже первых образцов спрямляющих аппаратов с «лопаточным» поджатием потока (рис. 11) позволили выявить целый комплекс преимуществ новой конструкции, на которую А. С. Братишко и В. И. Савиновым получено авторское свидетельство № 451575 (опубликовано 30.XI 1974 Г, в «Бюллетене» № 44).
Конструкция отличается простотой и технологичностью. Сопло и втулка выполняются цилиндрическими из листовой 2—4-миллиметровой стали. Лопатки изготовляются каждая из двух заготовок толщиной 2 мм, сваренных по передней кромке, затем привариваются к центральной втулке и обжимаются обечайкой сопла. Нет необходимости точно подбирать угол установки входящих кромок лопаток. Регулировка поджатия струн может быть осуществлена деревянными клиньями, забиваемыми между стенками лопаток со стороны среза сопла; сами лопатки оказываются надежными и долговечными благодаря прочным приполненным передним кромкам (рис. 12).
Благодаря полному совмещению спрямляющего и поджимающего поток устройств длина отводящего тракта стала минимальной, что несколько уменьшило потери энергии.
К.п.д. движителя (рис. 13) возрос на всех скоростных режимах, поскольку спрямляющий аппарат хорошо работает в широком диапазоне углов закручивания потока за ротором. При исходной площади выбрасываемой струи двигатель стал работать с гораздо меньшей нагрузкой; число оборотов возросло до 4000 в минуту, т. е. до номинального, соответствующего максимальной мощности. При большем поджатии струн загрузка двигателя возросла; одновременно увеличилась скорость струи и скорость катера (к сожалению, максимальная скорость катера с новым водометом пока не замерялась). Катер выхолит на глиссирование, имея на борту 11 человек.

”Схема
Упростилось рулевое устройство. Теперь устанавливается обычный балансирный руль в ДП за двумя вертикальными спрямляющими лопатками (количество их, естественно, должно быть четным). Удается так подобрать площадь компенсации перед осью баллера, что нагрузки в проводке управления многократно уменьшаются.
На фото (см. рис. 11) показано отводящее устройство новой конструкции, у которого количество лопаток принято равным шести. По-видимому, их число можно уменьшить до четырех, но при этом лопатки придется делать большей длины и с закруткой, что ухудшит технологичность.

Добавить комментарий

CAPTCHA

Пожалуйста, ответьте на вопрос ниже, для того, чтобы оставить комментарий

style="display:block"
data-ad-client="ca-pub-2176297390054496"
data-ad-slot="6568306974"
data-ad-format="autorelaxed">