Главная страница Контакты Карта сайта Поиск по сайту:
Barque.ru
 
  • Судостроение
  • Моторы
  • Проекты
  • Спорт
  • Консультации
  • Кругозор
  • Истории
  • Главная / Судостроение / Моторные суда / 2003 год / Параметрическая диаграмма водометного движителя при максимальном КПД струи
    Краткое оглавление
    Расчет максимума КПД струи Приведенный диаметр канала ВЗ перед РК Построение параметрической диаграммы Учет коэффициента быстроходности Кавитационные ограничения Оценка достижимой скорости хода Применение параметрической диаграммы Проектировочный расчет ВД Поверочный расчет ВД Заключение Литература


    Подкатегории раздела
    Парусные суда Моторные суда Технологии Экранопланы


    Поделитесь информацией


    Похожие статьи
    Работа водометного движителя на аквабайках класса PRO-1200
    Опыт эксплуатации и выбора размеров водометного движителя
    Водометный движитель с изменяемым направлением струи
    Диаграмма для определения скорости катеров на крыльях
    Диаграмма определения сопротивления лодок с мотором «Вихрь»
    Реверсивно-рулевое устройство водометного катера
    Морские испытания водометного катера «Крым-4»
    Испытаниние водометного гидроцикла «AlSjet» А. И. Сулейманова
    Два варианта движителя для мелких плавсредств
    Комплексные испытания роторного ветряного движителя
    Испытания мощного водометного катера «Freerider-490-jet»
    Новые модификации водометного катера «Freerider-490-jet»
    Первый в прибалтийских провинциях России яхт-клуб в Риге
    Плавание на мотолодке «Морсан» по Прибалтийскому кольцу


    Параметрическая диаграмма водометного движителя при максимальном КПД струи

    Год: 2003. Номер журнала «Катера и Яхты»: 185 (Все статьи)
              0


    Любителей водно-моторного спорта, которые самостоятельно рассчитывают и изготовляют водометные движители, у нас в стране много. Статья кандидата технических наук Ю.М.Войнаровского может быть очень полезна для них. Несомненный интерес она представляет и для специалистов, занимающихся теорией и расчетом движителей этого типа для быстроходных катеров.

    В настоящее время водометные движители (ВД) получили широкое распространение на быстроходных судах в основном благодаря высокому пропульсивному КПД, полученному, прежде всего за счет отсутствия выступающих частей при расположении водоприемного отверстия ВД в плоскости днища.

    Однако проектирование высокоэффективного ВД для выбранной формы корпуса представляет определенные трудности, поскольку необходимо оптимизировать параметры ВД в комплексе с массогабаритными и эксплуатационно-экономическими показателями судна [1, 2], а также с учетом факторов взаимодействия с корпусом [3] и индуктивных эффектов в канале водозаборника [4].

    Информация об изображенииРис. 1. Общий вид и пропульсивные характеристики ВД
    Рис. 1. Общий вид и пропульсивные характеристики ВД
     
    Возможность изготовления ВД в одном агрегате, содержащем все компоненты для обеспечения тяги и маневрирования, привела к развитию серийного производства ВД, приспособленных к различным мощностям и скоростным режимам.

    Обычно лопастные системы (ЛС) таких ВД проектируются для определенной оперативной точки, соответствующей максимальному пропульсивному КПД на заданной скорости хода. С целью увеличения области использования ВД каждого типоразмера их производители стремятся максимизировать КПД в широком диапазоне скоростей и тяг для возможности перехода от одной формы корпуса к другой, независимо от полной оптимизации проекта судна.


    В качестве примера на рис. 1, а-в приведены тяговые характеристики ВД "KaMeWa" FF Jet 450 [5] с изопропульсивными кривыми, дающими наглядное представление о диапазоне значений его КПД и располагаемой тяги в зависимости от скорости хода и потребляемой мощности.

    Предварительную оптимизацию проектных характеристик ВД или подбор и анализ параметров серийного образца можно выполнить, приняв в качестве исходного показателя максимальный КПД струи.

    Расчет максимума КПД струи


    Информация об изображенииРис. 2. Основные проточные элементы ВД
    Рис. 2. Основные проточные элементы ВД
     
    Как известно, проточная часть ВД состоит из трех гидродинамически сбалансированных конструктивных частей: водозаборника (ВЗ), ЛС, содержащей рабочее колесо (РК) со спрямляющим аппаратом (СА) и сопла (С), формирующего выходную струю с заданной скоростью выброса Vj (рис. 2).

    Рабочие характеристики перечисленных элементов при выбранном геометрическом типе ВЗ и потребляемой мощности двигателя N (л.с.) связаны с величиной полной тяги Т (кгс), скоростью хода V0 (м/с) и частотой вращения РК nc (об/с).

    При этом КПД полной тяги ВД ηт (рис. 1, б) при указанных ниже размерностях величин выражается следующими соотношениями [6]:


    в которых T=ρQV0(Vj-1) — полная тяга ВД, кгс; N — мощность двигателя, л.с.; Н — статический напор, создаваемый РК, м вод. ст.; Q — объемный расход воды, м3/с; ηр — КПД лопастной системы (РК и СА); Vj=Vj/V0 относительная скорость струи на срезе сопла:



    ηm — механический КПД трансмиссии; γ — удельный вес воды, кгс/м3; g = 9.81 — ускорение силы тяжести, м/с2.

    Пренебрегая высотой подъема струи над уровнем воды, КПД струи можно определить из уравнения баланса напора в водопроточном тракте ВД:


    Информация об изображенииРис. 3. Коэффициенты гидравлических потерь днищевых ВЗ с различной геометрией входа
    Рис. 3. Коэффициенты гидравлических потерь днищевых ВЗ с различной геометрией входа
     
    где Vs=Vs/V0 — относительная скорость потока в ВЗ перед РК; ζ0(Vs) и ζс = 0.02 — коэффициенты гидравлических потерь в каналах ВЗ и С [6].

    На рис. 3 приведены экспериментальные кривые ζ0(Vs) для днищевых ВЗ (статического типа), полученные при испытаниях модели глиссирующего корпуса с ВД в опытовом бассейне. Потери напора ВЗ определены при наличии вала РК.

    На рис. 4 показаны расчетные зависимости ηj от Vj, согласно (2), построенные для ряда постоянных значений ζ0.

    Информация об изображенииРис. 4. Связь КПД струи с безразмерной скоростью
    Рис. 4. Связь КПД струи с безразмерной скоростью
     
    Каждая из кривых на рис. 4 имеет свой максимум, положение которого зависит от значений ζ0 и Vj.

    Поскольку значения ηp и ηm в (1) практически узко ограничены, а ηj изменяется в широком диапазоне, оптимизировать рабочие параметры ВД можно аналитически для каждой точки с максимальным КПД струи ηj, используя формулу (2) и кривую гидравлических потерь применяемого ВЗ (см. рис. 3).


    В этом случае ηj max определяется из решения системы двух уравнений, представленной функцией (2) и ее первой производной, приравниваемой к нулю:


    Линия ηj max, проведенная на рис. 4, соответствует уравнению (3) при вариации ζ0 в (4).

    Приведенный диаметр канала ВЗ перед РК


    На основе формул (1) и (3) легко рассчитать оптимальный напор и расход для заданной тяги (м вод.ст.) и скорости хода (м3/с):


    где ρ — массовая плотность воды, (кгс·с2)/м4; ρ = 102, γ = 1000 — пресная вода.

    Приравнивая Qopt=VsFs=Vs(πD02/4) к Qopt из (6), находим приведенный диаметр D0 "живого" сечения потока перед РК, используемый далее в качестве базового размера ВД:


    где dB=dB/DPK — относительный диаметр приводного вала.

    Как будет показано ниже, величина V0 имеет определенные ограничения, связанные с величиной гидравлических потерь в ВЗ и кавитационной устойчивостью РК.


    Построение параметрической диаграммы


    Диаметр D0 можно связать с расходно-напорными характеристиками и частотой вращения nc (об/с) РК через коэффициенты расхода и напора (1/g), используемые при испытаниях насосов:


    Из условия постоянства расхода находим оптимальный диаметр струи за срезом сопла


    Информация об изображенииРис. 5. Параметрическая диаграмма ВД с днищевым ВЗ
    Рис. 5. Параметрическая диаграмма ВД с днищевым ВЗ
     
    Формулы (10) и (11) совмещаются графически в виде параметрической диаграммы, построенной в осях KQ0opt и KH0opt для ряда постоянных значений Kn и Vs (рис. 5). При этом линии постоянных значений Vs представляют собой параболы вида


    Учет коэффициента быстроходности


    На полученную диаграмму можно нанести линии постоянных значений коэффициента быстроходности Ns (рис. 6), характеризующего, как известно, конструктивный тип РК (центробежное, диагональное или осевое), форму его проточной части, в зависимости от соотношения между расходом и напором ЛС ВД:



    Кавитационные ограничения


    Особое значение при проектировании ВД и его РК имеет оценка критического числа кавитации кs кр в потоке на выходе из ВЗ, соответствующего началу срыва напорной характеристики РК, а также предельной по кавитации скорости хода для применяемого типа ВЗ и РК.

    Для оценки кавитационных качеств осевых РК можно воспользоваться диаграммой критических напоров [6], построенной на основе серийных испытаний осевых насосов и гребных винтов в трубе (рис. 7). Кривые на диаграмме аппроксимируются эмпирической формулой


    В итоге графики на рис. 4-6 можно свести в сводную параметрическую диаграмму ВД, имеющую максимальный КПД струи (рис. 8).

    Информация об изображенииРис. 6. Коэффициент быстроходности
    Рис. 6. Коэффициент быстроходности
     
    Информация об изображенииРис. 7. Диаграмма критических напоров осевых РК
    Рис. 7. Диаграмма критических напоров осевых РК
     
    Информация об изображенииРис. 8. Сводная параметрическая диаграмма ВД с днищевым ВЗ
    Рис. 8. Сводная параметрическая диаграмма ВД с днищевым ВЗ
     

    Оценка достижимой скорости хода


    При расчете ВД необходимо, с одной стороны, определить расчетную скорость V0, достижимую при заданных энергетических и пропульсивных характеристиках в сочетании с выбранными значениями n и Kn:


    С другой стороны, эта скорость не может превышать предельную скорость V0, ограниченную условием равенства числа кавитации кs в потоке на выходе из ВЗ и критического числа кавитации кs кр, предшествующего срыву напорной характеристики РК:


    Для осевых РК, применяемых в составе ВД, кs кр можно определить, приравнивая (13) и (14) через отношение KH/KQ2:


    Информация об изображенииРис. 9. Границы достижимых скоростей хода для осевых РК с различными ВЗ
    Рис. 9. Границы достижимых скоростей хода для осевых РК с различными ВЗ
     
    Зависимости V0 пред от Vs, полученные подстановкой (17) в (16) для различных Fi/Fs (см. рис. 3), приведены на рис. 9. Из него видно, что для каждого типа ВЗ существует максимум V0, зависящий от формы кривой гидравлических потерь.

    Общая точка пересечения кривых на рис. 9 при Vs≅0.65 соответствует точке при равных ζ0 на кривых рис. 3. Чем ниже ζ0, тем выше предельная скорость хода.

    Применение параметрической диаграммы


    Построенная параметрическая диаграмма позволяет:
    • установить границы или точку оптимального использования ЛС с известными характеристиками в комплексе с применяемым типом ВЗ;
    • определить конструктивный тип РК по Ns и спроектировать РК для оптимальных параметров, установленных с ее помощью в заданной точке;
    • найти оптимальное сочетание N и n при заданных Т, V0 и Kn;
    • оценить критические числа кавитации осевых РК и пределы достижимой скорости хода для используемого типа ВЗ;
    • произвести расчетный анализ параметров натурного ВД при максимальном КПД струи;
    • определить необходимую форму кривой гидравлических потерь ВЗ и его конструктивный тип применительно к заданным характеристикам используемого РК.

    Проектировочный расчет ВД


    Информация об изображенииРис. 10. Совмещение характеристик 4-лопастных серийных РК с параметрической диаграммой
    Рис. 10. Совмещение характеристик 4-лопастных серийных РК с параметрической диаграммой
     
    Пример совмещения области максимальных КПД серии четырехлопастных осевых РК [6] с параметрической диаграммой (см. рис. 8) представлен на рис. 10, где для последующего расчета выбрано РК с H/D = 1.15, расходно-напорная кривая которого пересекает зону максимальных np указанной серии РК.

    Из (15) видно, что при постоянных N и n максимум расчетной скорости достигается при наибольшей величине произведения nT·Kn2 , которое является переменным в зависимости от положения расчетной точки на выбранной рабочей характеристике. Зависимость этого параметра от Vs, построенная графоаналитически на рис. 11, имеет максимум вблизи Vs=0.65, расположенный практически в точке с наибольшим ηp серии.

    Рассчитаем далее характеристики ВД (с ВЗ при Fi/Fs=1.0 — см. рис. 3), работающего совместно с двигателем "ГАЗ-21", опыт применения которого на малых глиссирующих катерах достаточно известен. Результаты вычислений приведены в табл. 1.


    Информация об изображенииРис. 11. График для определения оптимального Vs РК с H/D
    Рис. 11. График для определения оптимального Vs РК с H/D
     
    Найденные значения Dрк и dc практически совпадают с величинами, полученными на практике методом подбора для ряда проектов катеров, имевших такой же двигатель [7].

    Далее из расчетной величины Т следует выделить сопротивление голого корпуса ЯRгк (на тихой воде или заданном волнении) путем вычета сопротивления выступающих частей и аэродинамической составляющей.

    Для получения Rгк и V0 одним из известных методов определяется допустимый ходовой вес катера и оптимальная ширина глиссирования с заданной продольной центровкой xg и выбранным углом килеватости βк корпуса. Последний таким образом будет сбалансирован с ВД.

    Поверочный расчет ВД


    На основе представленных графиков можно выполнить расчетный анализ рабочих характеристик натурного ВД с ВЗ, близким по конфигурации к варианту показанному на рис. 3.

    В качестве примера принят ВД "KaMeWa" FF Jet 450 [5], характеристики которого приведены на рис. 1. Указанный ВД имеет набор сменных осевых РК диаметром 0.45 м, предназначенных для различной мощности и частоты вращения.

    Полагая, что ВЗ указанного ВД близок по геометрии и гидравлическому сопротивлению к имеющемуся прототипу (см. рис. 3, Fi/Fs=1.0), на основе рис. 1, 3 и 8, 9 в табл. 2 рассчитаны оптимизированные характеристики ВД для режима полного хода при мощности N=1000 кВт. Выбранная точка 2 на рис. 1 расположена вблизи правой границы предельных скоростей и тяг; соответствующей началу 2-й стадии кавитации РК (см. рис. 10).


    Согласно (7), dв≅0.2, что реально для рассматриваемого ВД при наличии обтекателя приводного вала (см. рис. 3). В целом полученные характеристики можно считать достаточно достоверными.

    Действие ВД на переходном режиме (индекс 1). Безразмерную скорость Vsi на переходном режиме при заданной тяговой характеристике можно рассчитать на основе методики [8]:


    Снижение ηp и кs (по сравнению с режимом полного хода) свидетельствует о том, что рабочая точка смещается вверх по расходно-напорной кривой РК в сторону ударного входа на лопастном профиле РК, что может вызвать 2-ю стадию кавитации и срыв тяговой характеристики (точки Т1 и V01 на рис. 1 находятся вблизи левой границы располагаемой тяги). Сравнение положения точек — Vs1 и Vs2 на кривой ζ0(Vζ) при Fi/Fs=1.0 (см. рис. 3), показывает, что диапазон изменения Vs в процессе набора скорости в указанном диапазоне охватывает зону минимальных гидравлических потерь ВЗ ("впадина" на кривой ζ0), т. е. режим течения в ВЗ при рассматриваемой форме тяговой характеристики данного ВД можно считать оптимальным.

    Заключение


    Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

    1. Параметрическая диаграмма, построенная в предлагаемой форме, дает возможность подобрать оптимальное сочетание характеристик ВЗ и ЛС (РК) с целью получения максимальных значений пропульсивного КПД и скорости хода.

    2. В случае необходимости учета других проектных показателей, связанных с увеличением нагрузки на движитель, область оптимизации ВД может быть расширена за счет увеличения поджатия сопла.

    3. При использовании осевых РК совместно с днищевыми ВЗ статического типа существует максимум достижимой скорости хода, который зависит от формы кривой гидравлических потерь применяемого ВЗ.

    Полученные расчетные соотношения и представленные графики применимы для оценки характеристик движения быстроходных судов и маломерных катеров с ВД, а также для подбора и анализа параметров серийных ВД при заданной кривой буксировочного сопротивления.

    Литература


    • 1. Wang G. S., BarhamH. L. Some aspects ofwater-jet optimization SAE Preps, S. A. № 740282, New York, 1974.
    • 2. Allison J. L, Goubault P. Water-jet Propulsion for Fast Craft — Optimized Integration of Hull and Propulsor. — Proceeding of the Second International Conference on Fast Sea Transportation (FAST'93). — Vol. 1., Yokohama, Japan, 13-16 December 1993.
    • 3. Svensson R. (KaMeWa AB) Water-jet Propulsion of high-speed Craft. — IMAS 91. High speed Marine Transportation, 11-13 November 1991.
    • 4. Ocamoto Y, Sugioka H., Kitamura Y. On the pressure Distribution of Water Jet Intake Duct in Self Propulsion Conditions. - Proceeding of the Second International Conference on Fast Sea Transportation (FAST'93). — Vol. 1, Yokohama, Japan, 13-16 December 1993.
    • 5. KaMeWa FF Jet 450. Power/rpm curves. Thrust curves.
    • 6. Мавлюдов М. А., Русецкий А. А. и др. Движители быстроходных судов. Л., Судостроение, 1973.
    • 7. Войнаровский Ю. М. Как рассчитать оптимальный водомет // Катера и яхты, 1986, №119.
    • 8. Он же. Определение рабочих параметров водометного движителя с полнонапорным водозаборником: Совершенствование ходовых, мореходных и маневренных качеств судов. — Мат-лы по обмену опытом / НТО судостроителей им. акад. А.Н.Крылова, 1983, вып. 378, с. 16-25.


    Понравилась ли вам эта статья?
    +5

    ПРЕДЫДУЩИЕ СТАТЬИ
    Технические возможности парусного судна сегодня
    К вопросу о самостоятельной постройке многокорпусных судов
    Совершенствование обводов глиссирующих катеров
    Малошумные пропульсивно-рулевые дизель-электрические приводы
    Парус для океанских грузовозов «SkySails»
    Высокоскоростные моторные яхты — тенденция или причуда одиночек?
    Катер со стреловидным реданом для повышения скорости
    Технология изготовления корпуса катера из стеклопластика
    Размышления о килевом комплексе современной яхты
    Влияние изменения размерений судна на его характеристики
    Обводы корпуса скоростного судна повышенной мореходности «FSC»
    Малогабаритный водометный движитель со щелевидным соплом
    Маленькие хитрости ремонта дюралевых корпусов лодок
    Тримаран на подводных крыльях «DAT» не боящийся волнения
    Яхта «Distancia 60» с двумя независимыми управляемыми килями

    ТЕКУЩАЯ СТАТЬЯ
    Параметрическая диаграмма водометного движителя при максимальном КПД струи

    СЛЕДУЮЩИЕ СТАТЬИ
    Варианты рулевого комплекса многокорпусной яхты
    Печальное открытие — выпускаются ли еще стеклопластиковые суда?
    Катер для буксировки парашютиста
    Динамически стабилизированный многокорпусный гоночный катер
    Исследование динамики парусных яхт
    Снова о поперечном редане, или На пороге реданного ренессанса?
    Паяльный пруток для ремонта корпусов дюралевых лодок
    Моторная яхта-кич «Wally Power 118» Луки Бассани
    Из чего делают надувные лодки
    Есть ли прогресс в области Personal Water Craft
    Какая мощность мотора допустима для моторной лодки?
    Топливные элементы на малом судне
    Трехмерный киль инженера Лукаса
    Водоизмещающе-глиссирующие обводы и оптимальная форма корпуса судна
    Заменит ли водоизмещающе-глиссирующее судно быстроходные катамараны?


    Ссылка на эту статью в различных форматах
    HTMLTextBB Code

    Комментарии к этой статье


    Еще нет комментариев



    Сколько будет 41 + 46 =

           



    Barque.ru © 2013 | Контакты | Карта сайта
    Судостроение: Парусные суда Моторные суда Технологии Экранопланы
    Моторы: Описание моторов Устройство моторов Самодельные моторы Тюнинг моторов Обслуживание моторов Дистанционное управление
    Проекты: Парусные яхты Парусные катамараны Парусные тримараны Моторные лодки Катера Туристические суда Рыболовные суда Виндсерфинги и лыжи Прицепы и трейлеры Прочие проекты
    Спорт: Новости спорта Парусные соревнования Водномоторный спорт Воднолыжный спорт Виндсерфинг Буерные соревнования Соревнования туристов
    Консультации: Полезные устройства Полезные советы Улучшение судов Улучшение моторов Опыт эксплуатации Техника плавания Разбор аварий Рыболовам
    Кругозор: Новые суда и устройства Интересные события Интересные факты Интервью Карты и маршруты Официальные данные Проблемы малого флота Яхт-клубы и стоянки Письма в редакцию
    Истории: Путешествия Туристические походы Знаменитые корабли Военная страничка Литературная страничка История флота Прочие истории