Статьи
Про водометы
Водометный движитель (водомет) — это движитель, у которого сила, движущая судно, создается выталкиваемой из него струей воды (реактивная тяга). По сути это водяной насос, который работает под водой. Применяются обычно на судах, плавающих на мелководье.
Водометные движители используются в мире уже с 1950-х годов. Это новозеландцы изобрели лодочный мотор, который можно было использовать безопасно и надежно на мелководных реках для доставки в труднодоступные места разнообразных грузов. Но для более менее коммерческого и повсеместного применения водометов ждали около 50 лет.
Водометный движитель обычно состоит из:
Достоинства водометного движителя |
| Хорошо защищён от механических повреждений и кавитации (процесс парообразования и последующего схлопывания пузырьков пара с одновременным конденсированием пара в потоке жидкости ) |
| Хорошо плавает по мелководью (можно спокойно передвигаться по мелководным горным рекам и озерам с каменным дном), преодолевает засоренные участки водоёмов и даже перекаты и мели ( в отличие от винтового мотора, в котором такие штуки могут можно разрушить и винт, и сам мотор) |
| Безопасен для людей, которые находятся рядом в воде, т.к. импеллер находится внутри. Для применения в спасательной техники это очень актуально, т.к. спасательное судно должно быть как можно ближе к спасаемому человеку. И, кстати, глушить водомет нет необходимости |
| На больших скоростях КПД лучше, чем у винтовых. Тут на выбор: либо увеличенная максимальная скорость, либо экономия топлива |
| Водомётные катера более устойчивы и управляемы (даже при резких виражах на высокой скорости), потому что водомёт как бы «присасывает» катер к воде, за счет чего он устойчиво ведет себя. Можно совершить разворот практически на месте и двигаться бортом вперёд. Не требуется использование реверс-редуктора, торможение с полного хода, выбег судна при экстренном торможении наиболее короткий |
| Тише по сравнению с винтовыми движителями |
Недостатки водометного движителя |
| Меньший, по сравнению с винтом, КПД на небольшой скорости из-за необходимости перевозки, помимо собственно полезного груза, также и воды, находящейся в трубопроводе; трения воды в трубопроводах;турбулентных завихрений потока воды в каналах водомёта |
| Затруднительность подачи воды сквозь днище судна к насосу, на эффективность которого будет влиять скорость движения судна относительно воды |
| Водозабор работает также как помпа и может затянуть со дна камни, песок, мусор. Это может забить систему охлаждения либо повредить импеллер и водовод |
| Высока степень износа пары ротор-статор, так как эксплуатация производится на мелководье. |
| Cвоеобразное поведение водомётного катера на малом ходу |
Мы используем водометные двигатели фирм Mercury и Weber, потому что они и мощные, и надежные, и крутые, что отлично соответствует нашим катерам.
Для тех, кто хочет досконально разобраться как работает водометный движитель
Импеллер
Импеллер (или винт, или рабочее колесо) — это лопаточная машина, заключенная в кольцо, снижает потери мощности и шумность.
Импеллер является главным элементом водометного движителя, преобразующим энергию двигателя в энергию поступательного движения судна.
Гидродинамически импеллеры бывают: осевые с цилиндрической и конической ступицей, осе-диагональные, диагональные и шнековые. Каждый из типов имеет свою область использования.
Осевые импеллеры являются предшественниками всех типов импеллеров водометных двигателей. Отличаются высокими значениями упора на низких скоростях движения. Имеют достаточно низкий кпд и небольшой запас по кавитации, что определяет применение низкооборотных двигателей. Просты в изготовлении.
Осе-диагональные импеллеры характеризуются достаточно высокими значениями кпд, способны эффективно работать на любых скоростях движения судна. Могут быть применены в компоновке со среднеоборотными двигателями.
Диагональные и шнековые импеллеры – это наиболее современные импеллеры, проектирование которых могут себе позволить только фирмы, имеющие базу разработки гидродинамики. У таких импеллеров максимальные значения кпд находятся в зонах высоких оборотов двигателей и скоростей движения судна.
Вообще, импеллер самая сложная деталь в составе водометного движителя, обычно они изготавливаются литыми с последующей механической обработкой лопастей. Некоторые производители изготавливают сварные импеллеры, заранее обработанные лопасти привариваются к ступице. Такая технология допустима в случае с низкооборотными осевыми импеллерами и совершенно не допустима для высокооборотных движителей. Значительный дисбалансы таких импеллеров, переменные силы действующие на лопасти неизменно приводят к отрыву лопастей, что может в свою очередь привести к разрушению всего движителя.
Большинство производителей водометов для малого судостроения изготавливают импеллеры методом точного литья с минимальной последующей обработкой. Такая технология дает значительное снижение стоимости изготовления при соблюдении высокой точности геометрии.
Импеллеры изготавливаются из нержавеющей стали или коррозионно-стойких бронз и латуней.
Водовод
Водовод (или водометная труба, или водозаборник) — обычно это профилированная труба. Водяной поток ускоряется либо лопастным механизмом, либо энергией сгорания топлива или давлением сжатого газа, что и обеспечивает направленный выброс струи через выпускное отверстие в корме. Отбрасываемая масса воды создает упор движителя, что и приводит судно в движение.
Водовод с точки зрения гидродинамики очень важная деталь любого водомета. Кроме этого конструктивно водозаборник, как правило, является несущей силовой деталью водометного движителя.Именно в водозаборнике происходит «подготовка» воды перед импеллером. Очень важно, чтобы течение жидкости подошедшей к импеллеру было максимально равномерным и ламинарным по всему сечению. Кроме того законом изменения сечений водозаборника можно добиться минимального разрежения на входе водозаборника, что положительно сказывается на способности водомета не «засасывать» в себя посторонние предметы.
Многие разработчики и производители недооценивают значения этого важного элемента водометного движителя, считая, что основная задача просто подвести воду к импеллеру. В угоду технологичности и компактности, водозаборники делают зачастую из листового материала, с очень крутыми подъемами свода водозаборника.
| Основные правила проектирования водозаборников |
| Свод водозаборника не должен быть крутым, должно быть соблюдено условие безотрывности течения потока воды от днища катера к своду водозаборника. |
| Входящая кромка, так называемая «губа» должна иметь профиль максимально приближенный к гидродинамическому. |
| Сечения водозаборника должны быть максимально приближены к форме трубы. Плоские поверхности образующие вход водозаборника, за два калибра от импеллера должны плавно перейти к форме круга. |
Спрямляющий аппарат
Спрямляющий аппарат создает на пути движения воды определенное сопротивление. Что бы это сопротивление уменьшить, в идеале профиль лопаток спрямляющего аппарата должен быть правильного гидродинамического профиля, при этом сама конструкция спрямляющего аппарата не имеет большого значения с точки зрения гидродинамики.
Гидродинамические схемы исполнения спрямляющего аппарата.
Лопаточное поджатие. Это когда лопатки спрямляющего аппарата выполняют одновременно и функцию соплового аппарата. В этом случае профиль лопаток имеет форму клина. У такого спрямляющего аппарата имеется одно преимущество – уменьшение осевого габарита всего водометного движителя. Но недостатков больше, чем преимуществ. Потери КПД достаточно велики, благодаря профилю лопаток. О недостатках такого сопла будет сказано ниже в разделе Сопловой аппарат.
Щелевой водомет. Собственно самого спрямляющего аппарата в такой схеме нет. Функцию спрямления струи выполняет сжатое в прямоугольник сопло.
Авторство этого типа водометного движителя принадлежит ЦНИИ им. Акад. А.Н.Крылова. Разрабатывалось это щелевое сопла для водометов большой мощности, для водоизмещающих судов с частично напорным водозаборником. Для глиссирующих судов этот тип ВД не эффективен. Пропульсивный КПД такого движителя не более 0,46, тогда как у традиционных ВД не менее 0,6, а у лучших образцов до 0,65. Такая разница в КПД дает потерю скорости катера более 40%.
Сопловой аппарат
Сопловой аппарат (или просто сопло) – элемент гидродинамической части водометного движителя, формирующий струю, которая выходя из сопла обеспечивает реактивную тягу.
Задача соплового аппарата произвести поджатие воды на выходе из водомета. Уменьшение в сопле проходного сечения преобразует давление воды в ее скорость. Наибольшая эффективность сопла достигается его точной, правильной профилировкой. Уменьшая или увеличивая поджатие сопла, можно менять характеристики водометного движителя.
| Виды сопловых аппаратов |
| В сопле размещен спрямляющий аппарат. Это значительно экономит осевой размер водомета, но требует очень дорогостоящего производства. |
| Сопло с лопаточными поджатием. В этом случае, так же спрямляющий аппарат расположен в сопле, но само сопло не имеет поджатия, эту функцию выполняют клиновые лопатки спрямляющего аппарата. Из недостатков конструктивных и практических: трудность организации реверсивно-рулевого устройства. Диаметр струи равен диаметру импеллера, соответственно увеличиваются и размеры реверсивного устройства. Струя на выходе из такого сопла рваная и неравномерная, единственный вариант рулевого устройства – рули в потоке – не самый лучший вариант. |
| Щелевое сопло. В таком сопле, в угоду технологичности (можно все сделать из листового металла) и стремлению к уменьшению габаритов, некоторые изготовители водометов существенно пренебрегают эксплуатационными и техническими параметрами водометных движителей. Как было сказано выше, пропульсивный кпд такого движителя не более 0,46, что ведет к недобору скорости и перерасходу топлива. Как и для сопла с лопаточным поджатием, на водомете с щелевым соплом не возможно организовать эффективное реверсивно-рулевое устройство. Этот тип водометного движителя предложен в ЦНИИ им. Акад. А.Н.Крылова и разрабатывался специально для водометов большой мощности, с частично напорным водозаборником. |
Реверсивно-рулевое устройство (РРУ)
РРУ обеспечивает поворот судна, а при перекрытии потока из сопла, струя воды поворачивается обратно, что дает судну задний ход.
| Задачи реверсивно-рулевого устройства |
| Максимально эффективно, без значительных усилий управлять судном на всех режимах переднего хода |
| Максимально эффективно использовать энергию водометного движителя на режиме заднего хода |
| Обеспечить хорошую управляемость судна при движении и маневрировании на заднем ходу |
Наибольшее количество патентов, касающихся водометных движителей, относится именно к РРУ. Практически все ведущие фирмы, производителей водометной техники имеют свои, отличающиеся от других производителей, схемы РРУ.
Для управления на переднем ходу большинство производителей применяют различные конструкции поворотных насадок.
Существует, так называемое полноповоротное сопло, устройство, которое не воздействует на сформированную в сопле струю, поворачивая ее, а само поворачивается вместе со струей. То есть такое сопло по праву может называться устройством управления вектором тяги водометного движителя. Эффективность такого поворотного сопла чрезвычайно высока. На водометах на малом ходу для улучшения управляемости необходимы «подгазовки», а при использовании полноповоротного сопла, такая необходимость отпадает, судно одинаково эффективно управляется как на полном, таки на малом ходу. Конечно, конструкция такого рулевого устройства более сложная, чем у поворотной насадки.
В качестве рулевого устройства иногда используют рули в потоке. Такие устройства имеют целый ряд недостатков таких как: худшая управляемость, нагруженность конструкции, потери эффективности до 5 % кпд движителя, повышенные усилия на штурвальном устройстве.
Известны схемы РРУ, когда рули в потоке при повороте на 90 градусов перекрывают весь поток струи водомета и вода начинает поступать в реверсивную камеру для обеспечения заднего хода, и при осуществлении реверса управляемость судном отсутствует.
Недостатком многих РРУ является нарушение мнемоники управления на режимах заднего хода (это когда при ходе назад, для поворота направо, штурвал необходимо крутить налево). Неэффективные реверсивные устройства – один из главных аргументов не в пользу водометных движителей при сравнении различных типов движителей.
Привод реверсивно-рулевого устройства (РРУ)
Существует великое множество приводов РРУ водометных движителей. Как правило каждая модель водомета любой фирмы имеет свой привод РРУ.
Для водометов большой мощности (более 250-300 л.с.), как правило, применяются приводы, использующие гидравлические исполнительные механизмы. Такие приводы достаточно дороги, так как требуют насосных станций, трубопроводов, исполнительных механизмов.
Если исполнительные гидроцилиндры привода РРУ вынесены за борт судна, нужно быть готовым к тому, что он потребует очень внимательного отношения при эксплуатации. Совершенно не допустимо, что бы исполнительные гидроцилиндры находились под водой.
Для водометов малой мощности (до 150 л.с.), как правило приводы исключительно механические, так как нагрузки на элементы привода незначительны.
Подшипниковые узлы и дейдвудные уплотнения
Многие производители существенно экономят на стоимости производства водометной техники и устанавливают опорные подшипники скольжения и дейдвудные уплотнения – сальниковые набивки.
Применение подшипника скольжения в водометном движителе с технической точки зрения абсолютно не оправдано. Одним из главных параметров водометного двигателя является величина зазора между импеллером и обечайкой. При значительном увеличении этого зазора кпд движителя может существенно упасть.
Подшипник скольжения из-за своих свойств не может обеспечить постоянный зазор. Импеллер начинает задевать за обечайку, изнашиваться и в конечном счете зазор увеличивается. Некоторые производители для уменьшения этого эффекта используют коническую обечайку и рабочее колесо, требующее в процессе эксплуатации регулировки в осевом направлении.
При использовании подшипников качения таких проблем не существует. Безусловно, подшипниковые узлы должны быть надежно защищены от попадания в них воды. Эту функцию выполняет, в том числе, дейдвудное уплотнение.
Идеальным типом дейдвудного уплотнения является торцевое уплотнение. Такое уплотнение требует обязательного использования шарикоподшипниковых опор вала водомета. Торцевое уплотнение при эксплуатации неприхотливо, не требует обслуживания и единственное чего «не любит» — работы без воды.
Водомет подвержен забиванию водорослями, которые, наматываясь на вал с импеллером, могут его заклинить. В случае заклинивания водомета, для предотвращения поломки стационарного двигателя, на валу предусмотрена срезаемая шпонка. Очистить от водорослей можно, открыв смотровой лючок и убрав их. Смотровой лючок находится в своеобразном «колодце», края которого подняты выше ватерлинии, что позволяет иметь доступ к водоводу на плаву. От попадания в водомет крупных камней предохраняет решетка во впускном отверстии.
Источник
