Характерной особенностью современного развития водометных движителей является повышение расчетной скорости движения судов, а следовательно, и мощности, подводимой к движителю. Нередко применяют миоговальные водометные установки с однотипными двигателями, используют водометы в качестве ускорительных (форсажных) движителей, предназначенных для обеспечения наибольшей скорости движения в течение сравнительно короткого промежутка времени. Скорость хода современных водометных катеров достигает 40—50 уз, мощность двигателей на них — 10 000 кВт и более.
Работы по проектированию, изготовлению и испытаниям водометных движителей ведутся в различных странах. Наиболее значительные результаты в освоении серийного производства водометов различного типа с широким варьированием расчетных параметров достигнуты шведской фирмой «КаМеВа», итальянскими фирмами «Кастольди» и «Рива Кальцони» и новозеландской компанией «Гамильтон».
На фирме «КаМеВа» в 1980 г. было освоено производство новой серии водометов, получившей обозначение «JPS». Их отличает конструктивная простота, хорошие экономические показатели; они обеспечивают работу двигателей без перегрузки на различных режимах эксплуатации. Движитель отличается высокой надежностью — гарантируется безаварийная эксплуатация его в течение 18 000 ч. В движителях серии «JPS» используется насос диагонального типа, обеспечивающий большой расход жидкости при умеренном напоре.
Водометы фирмы «Кастольди» предназначены для установки на быстроходных катерах и моторных яхтах длиной от 4 до 28 м. Серия движителей включает пять моделей типа «Джет»: 03; 04; 05; 06; 07, рассчитанных на мощность от 7,36 до 1030 кВт.
Другая итальянская фирма «Рива Кальцони» в настоящее время специализируется на выпуске водометов, рассчитанных на передачу мощности от 200 до 20 000 кВт. Наиболее известны две модели водометов этой фирмы: одна из них «JRC» имеет обычное реверсивно-рулевое устройство традиционной конструкции; другая модель «JDRC» оборудована специальным устройством, позволяющим изменять направление вектора силы тяги на 360" Это устройство обеспечивает изменение силы тяги от полной величины на переднем ходу до 80% по нормали к ДП и около 50% на режиме заднего хода.
«Рива Кальцони» имеет ряд заказов на изготовление водометов для катеров, развивающих скорость хода 50—65 уз, в том числе движителей, рассчитанных на мощность 3385 кВт и предназначенных для установки на глиссирующих катамаранах.
Новозеландская фирма «Гамильтон»1 специализируется на изготовлении водометов мощностью до 1000 кВт. Движители предназначены для установки на быстроходных паромах, патрульных судах, рыболовных катерах, спасательных и пожарных судах водоизмещением до 45 т со скоростью хода 30—35 уз.
Причины, по которым конструкторы быстроходных судов все чаще отдают предпочтение водометным движителям, можно объяснить рядом их преимуществ по сравнению с гребными винтами. Прежде всего, это лучшие кавитационные характеристики водомета, у которого кавитация начинает развиваться при более высокой скорости обтекания лопастей ротора, чем это происходит в случае гребного винта. Благодаря отсутствию выступающих частей — рулей, гребных валов, кронштейнов — водометная установка создает меньшее сопротивление воды движению судна. Водометный движитель, располагаясь в корпусе судна, хорошо защищен от повреждений и позволяет создавать суда с малой осадкой, которые могут эксплуатироваться в условиях мелководья. Реверсивно-рулевое устройство обеспечивает катеру хорошую управляемость на различных скоростях, высокие маневренные качества и эффективный реверс. Водометные движители работают с пониженным уровнем шума и не вызывают сильной вибрации корпуса обеспечивают хорошую экономичность эксплуатации судна.
Конструктивные и эксплуатационные особенности водометов
По способу создания реактивной струи — ускорения потока жидкости — различают водометные движители с механическим рабочим устройством, т. е. насосом или винтом, расположенным в трубе, и так называемые гидрореактивные или газоводометные. В гидрореактивных движителях (ГРД) ускорение потока, а следовательно, и реактивная тяга создается подачей в поток воды сжатого холодного газа или подводом тепла с образованием парогазоводяной смеси. Одним из недостатков ГРД непрерывного действия, так называемых прямоточных, является отсутствие тяги движителя в момент трогания катера, поэтому для разгона судна требуется дополнительный движитель с механическим рабочим органом. Это увеличивает вес и габариты всего двигательно-движительного комплекса. Другим существенным недостатком ГРД, значительно снижающим его эффективность по сравнению с лопастным движителем, является трудность в обеспечении равномерного смешивания больших масс воздуха с потоком воды, имеющим значительную скорость
По этим причинам газоводометные движители пока не получили практического применения в судостроении, поэтому остановимся на эксплуатационных особенностях и гидродинамических характеристиках водометных движителей с механическим рабочим органом.
Главная особенность водомета такого типа заключается в том, что, в отличие от других реактивных движителей, он расположен внутри корпуса катера или судна и конструктивно составляет с ним одно целое. Исходя из этой особенности водометный движитель состоит из следующих основных элементов: водозаборника, предназначенного для забора воды из свободного потока и подачи ее к рабочему колесу насоса, рабочего колеса, который передает энергию двигателя потоку, протекающему через движитель, сопла, формирующего струю, реактивная сила которой создает тягу движителя. Кроме того, водометный движитель включает в себя реверсивно-рулевое устройство (РРУ), которое изменяет направление действия тяги движителя без реверса приводного двигателя.
В зависимости от способа выброса струи из сопла движителя различают водометы с надводным (атмосферным), полуподводным и подводным выбросом. Наиболее эффективными на быстроходных катерах оказались водометные движители с надводным выбросом струи, хотя подъем воды над уровнем поверхности воды связан с ростом гидравлических потерь.
Эффективность работы водометного движителя в целом определяется конструктивным совершенством отдельных его элементов. Широкое применение водометов обусловило большое разнообразие типов и конструкций водозаборников, водопроточных каналов, насосов реактивных сопел и реверсивно-рулевых устройств.
В настоящее время на водометных катерах применяют водозаборники двух типов: статические и динамические, или полнонапорные. Большинство водоизмещающих и глиссирующих катеров крылатых и скеговых судов на воздушной подушке оборудованы водозаборниками статического типа, у которых приемное отверстие размещено в обшивке корпуса катера параллельно набегающему потоку. Такая конструкция обеспечивает небольшое гидравлическое сопротивление в широком диапазоне скоростей потока; характерным является также небольшая высота подъема выходного сопла и одно поворотное колено в водоводе. Однако, как показали испытания катеров, оборудованных водометами со статическим водозаборником, их мореходность ограничена — попадание воздуха в движитель при частичном оголении приемного отверстия приводит к снижению тиговых характеристик. Водозаборники статического типа применяются, например, в водометах фирмы «КаМеВа».
У полнонапорных водозаборников плоскость входного отверстия размещена перпендикулярно набегающему потоку. Применение таких водозаборников (дли них характерно наличие двух поворотных колен) позволяет сократить длину движителя с надводным выбросом струи и сделать ее независимой от глубины погружения приемного отверстия. Наряду с этим имеются значительные трудности в определении расчетным путем гидравлического сопротивления этих водозаборников.
Для быстроходных судов, например СПК или скеговых СВП, для которых характерны два или более режимов движения, возникает необходимость регулирования геометрических элементов водозаборника. Для решения этой задачи применяют водозаборники с изменяемой площадью входного отверстия.
В современных водометных установках скоростных катеров в качестве рабочего колеса применяют преимущественно осевые насосы, у которых направление движении жидкости совпадает с осью вращении. По способу закрепления лопастей рабочего колеса на ступице эти насосы подразделяются на пропеллерные (или жестколопастные) и поворотнолопастные. Благодаря повороту лопастей вокруг их осей, перпендикулярных гребному валу (в некоторых конструкциях водометов это можно осуществлять на ходу судна), возможно подбирать оптимальные характеристики движителя в зависимости от нагрузки судна и сопротивления его движению. Пропеллерные насосы при равных параметрах имеют меньшие поперечные габариты и массу по сравнению с поворотнолопастными, их конструкция проще, а КПД достигает 85—90%.
В тех случаях, когда не удается обеспечить необходимый напор одной ступенью, применяют двух- и трехступенчатые водометы. Полный напор такого движителя определяется как сумма напоров, создаваемых отдельными ступенями. Число ступеней рабочего колеса определяется величиной предельного напора, который может обеспечить одна ступень при заданных диаметре и частоте вращения. Применение многоступенчатых водометов позволяет отдалить кавитацию рабочего колеса, которая приводит к резкому снижению КПД и появлению эрозионных разрушений в деталях движителя.
За рабочим колесом водометного движителя располагается напорный канал — сопло, формирующее струю для обеспечения тяги. Площадь на срезе сопла обычно меньше чем на входе в него, поскольку рабочее колесо создает повышенное давление, которое необходимо преобразовать в кинетическую энергию выбрасываемой струи, т. е. обеспечить приращение скорости. Сопло может быть сделано либо с внешним поджатием — в этом случае в конце проточной части предусматривается сужение наружного трубопровода, либо с внутренним поджатием, которое осуществляется расширением центрального тела, являющегося продолжением ступицы спрямляющего аппарата. При выборе формы и геометрических элементов выходного сопла стремятся обеспечить плавный отвод жидкости от насоса, необходимое гидравлическое сечение, т. е. площадь выходного отверстия, максимально возможную устойчивость струи и минимальные гидравлические потери. Для сокращения длины движителя в некоторых конструкциях водометов совмещают сопло со спрямляющим аппаратом рабочего колеса. Такая компоновка сопла позволяет уменьшить диффузорность потока и снизить гидравлические потерн.
У водометных движителей в отличие от гребных винтов нельзя изменять направление силы упора путем изменения направления вращения рабочего колеса. Поэтому эти движители оборудуются специальными реверсивными устройствами, отклоняющими реактивную струю на ~180°, что приводит к изменению направления действия силы реакции струи, а значит, и направления тяги движителя. Поскольку эти устройства используются также и для управления катером, их обычно называют реверсивно-рулевыми (РРУ).
Используются различные конструктивные схемы РРУ. Например, на водомете фирмы «КаМеВа» усилие для поворота катера создается за счет отклонения реактивной струи на борт на угол ±30° путем разворота поворотного сопла. Реверс струи достигается путем поворота специальной камеры («черпака») под сопло, струя постепенно направляется снизу в канал и в результате возникает реверсивный упор. При установке «черпака» в среднее положение упор может непрерывно и плавно изменяться от нуля до максимума на переднем и заднем ходу.
РРУ водометной установки типа «JDRC» фирмы «Рива Кальцони» включает специальную поворотную решетку на выходе струи из сопла, которая приводится в движение гидравлическим приводом или электродвигателем. Устройство такого типа обеспечивает поворот реактивной струи на 360° и создание боковой силы для управления катером до 80% и реверсивной тяги до 50% от полной величины ее на переднем ходу. Двухвальная водометная установка такого типа может эксплуатироваться при совместном или раздельном использовании обоих агрегатов, обеспечивая катеру высокие маневренные качества и применение нереверсивных главных двигателей.
Пропульсивные качества водометного катера
Тяга изолированного водометного движителя согласно закону количества движения определяется выражением
где m=ρvвыхFi — секундная масса воды, протекающей через движитель; vвых, v — скорости истечения струи и движения катера, соответственно; Fi — площадь сечения сопла; ρ — массовая плотность жидкости.
Мощность, потребляемая насосом, определяется соотношением
где ∑h — гидравлические потери в проточном канале водомета; Q — расход жидкости; Н — полный напор; g=9,81 м/с2 — ускорение свободного падения; γ — плотность воды.
Гидравлические потери складываются из потерь на входе в водозаборный канал, в проточной части перед рабочим колесом водомета, потерь в сопле и потерь, связанных с подъемом воды над уровнем свободной поверхности воды. Ускорение потока в струе движителя происходит под действием напора, создаваемого рабочим колесом. Необходимый для работы движителя напор определяется выражением:
где ξс — коэффициент потери напора в сопле; ξо— коэффициент потери напора в водопроточной части; h — относительная высота подъема струи; vвых=vвых/v — относительная скорость потока воды на выходе из сопла.
КПД изолированного движителя, определяемый как отношение полезной работы к затраченной, составит
Здесь ηн — КПД рабочего колеса насоса, а первый множитель формулы называют КПД струи водометного движителя. Он характеризует совершенство преобразования энергии потока жидкости в работу поступательного движения катера, а ηн — степень совершенства преобразования механической энергии двигателя в энергию потока.
Значительное влияние на эффективность работы водометного движителя оказывает корпус катера, который изменяет скорость втекающего в движитель потока жидкости из-за возникновения попутного потока трения. Наличие же водозаборного отверстия и расхода воды через него изменяет картину обтекания кормовой оконечности корпуса, что приводит к изменению сопротивления катера. Поэтому для движителя, работающего вблизи корпуса, зависимости, определяющие гидродинамические характеристики водомета, уже несколько изменяются, в частности, величина напора, КПД струн, пропульсивный коэффициент.
Исследования и расчеты показывают, что КПД водометного движителя при одинаковой нагрузке возрастает с увеличением коэффициента попутного потока, величина которого на глиссирующих поверхностях определяется режимом работы водомета, формой водозаборного отверстия и может достигать 0,15—0,25 (при установке гребных винтов коэффициент попутного потока у глиссирующих катеров не превышает 0,03—0,05). Поэтому для повышения пропульсивных качеств водометного катера проектировать водозаборное отверстие следует таким образом, чтобы через движитель проходила возможно большая часть потока пограничного слоя. Этому условию наиболее полно удовлетворяет водозаборник, сделанный в виде щели, проходящей поперек корпуса катера. Увеличение пропульсивного коэффициента при водозаборнике такой конструкции подтверждено экспериментально.
Гидравлическое сопротивление трубопроводов и водозаборных патрубков снижает КПД движителя. В некоторых случаях это снижение достигает 30—50%. Поэтому водометный движитель на малых и умеренных скоростях уступает гребным винтам по пропульсивным качествам. Однако на больших скоростях движения (свыше 40 уз), когда возникают трудности в работе гребных винтов, КПД водомета становится сравнимым с КПД винта или даже превышает его. По данным шведской фирмы «КаМеВа», КПД водометов серии «JPS» составляет 0,5—0,6, причем возможно дальнейшее увеличение эффективности работы этих движителей.
За счет снижения гидравлических потерь в водопроточном канале повышается общий КПД водометного движителя. В последнее время изучается, в частности, возможность снижения сопротивления тела путем изменения структуры потока жидкости вблизи обтекаемой поверхности Одним из средств практического осуществления этого метода является введение в поток полимеров. Полимеры — это высокомолекулярные соединения, молекулы которых, имеющие линейное строение, состоят из большого числа повторяющихся комплектов. Как показали эксперименты с пластинами и трубами, использование даже очень слабых водных растворов полимеров (при концентрации 0,01—0,02%) может уменьшить сопротивление трения тела или гидравлические потери в трубе на 30—40% по сравнению с их значениями для чистой воды.
Механизм столь значительного снижения сопротивления трения еще не вполне ясен. Установлено, что полимерные добавки воздействуют прежде всего на пульсации скоростей и давлений в турбулентном пограничном слое. Это приводит к перестройке структуры турбулентного течения в непосредственной близости от твердой поверхности: уменьшается толщина пограничного слоя и значительно снижается турбулентное трение. Наличие малых количеств полимерных добавок в растворах практически не изменяет такие физические характеристики жидкое и, как плотность и кинематическая вязкость. Опыты показывают, что с повышением растворимости полимера эффект снижения сопротивления возрастает. Установлено также, что эффективность действия добавок определенного полимера растет с увеличением скорости движения тела лишь до определенного предела, после чего она начинает снижаться из-за разрушения молекул полимера.
Практическая реализация применения полимерных добавок для снижения сопротивления трения может быть осуществлена различными средствами — путем подачи полимеров через щели или пористую поверхность, либо с помощью использования полимерных покрытий (обмазок).
В последние годы за рубежом ведутся интенсивные исследования возможности снижения сопротивления тела с использованием так называемых пассивных методов — путем модификации геометрии поверхности с помощью «микробороздок» (риблетов), ориентированных в направлении основного потока. Такие поверхности получили название оребренных. Основными параметрами риблетов являются глубина h канавки и расстояние s между гребнями. Принято эти параметры представлять в безразмерном виде: h+=huτ/v и s+=suτ/v (где uτ — динамическая скорость v — коэффициент кинематической вязкости).
В аэродинамических лабораториях различных стран испытано большое количество оребренных пластин для определения рациональных размеров риблетов и профиля рифления поверхности. Установлено, что самой простой в конструктивном отношении является треугольная форма гребней и канавок с s=h или s=2h. Снижение сопротивления трения оребренной (рифленой) поверхности по сравнению с гладкой пластиной может достигать 8—10% при s+=h+=12. Опыты показали, что ребристые поверхности с более острой вершиной ребер при прочих равных условиях обычно обеспечивают большее снижение сопротивления трения, чем с округлой формой вершины. Кроме того, кривизна канавок риблетов также снижает сопротивление.
Физическая сущность эффекта снижения сопротивления трения, как считают специалисты, заключается в воздействии продольных канавок на характер обтекания в пристеночной области турбулентного потока. Опыты показали, что из-за замедления потока в риблетах происходит изменение структуры турбулентности во внутренней части пограничного слоя, поток жидкости в этой области становится менее возмущенным, турбулентные пульсации демпфируются канавками и тем самым снижается сопротивление трения.
Эффективность этого способа, как отмечают зарубежные специалисты, может быть повышена до 10—15% (в трубах до 20%) за счет дальнейшей отработки геометрии и схемы расположения риблетов на обтекаемой поверхности. Этот способ благодаря своей простой технической реализации очень перспективен. Практически сделать оребрение на обтекаемой поверхности можно с помощью пленки с риблетами, которая наклеивается на эту поверхность. Такой способ применяется в аэродинамике при испытании самолетов.
В заключение надо отметить, что все сказанное свидетельствует о перспективности водометных движителей для быстроходных катеров, судов с динамическими принципами поддержании. Ученым реально удалось сократить разрыв между эффективностью водомета и гребного винта, определить пути дальнейшего усовершенствования этого эффективного движителя.
Н. В. Корытов, доцент, кандидат технических наук.
Примечания
1. Конструкция и технические характеристики водометных движителей фирмы «Гамильтон» опубликованы в «КиЯ» №71.