Как рассчитать оптимальный водомет

Постепенно водометный движитель (ВД) завоевывает среди судостроителей-любителей все большую популярность. Достоинства его общеизвестны: высокая проходимость по. мелководью, заросшим и засоренным водоемам; простая конструкция устройства для обеспечения заднего хода, удобство технического обслуживания и безопасность в эксплуатации; относительная простота в изготовлении.

Удачно рассчитать высокоэффективный водомет для быстроходной глиссирующей лодки очень непросто. Намного упрощают задачу приводимые ниже графики и диаграммы, разработанные специально для судостроителей-любителей.

При проектировании ВД наиболее часто требуется определить рабочие параметры движителя, геометрию его лопастной системы и максимальную скорость движения, исходя из характеристик имеющегося двигателя и учитывая предполагаемую весовую нагрузку, а также ожидаемую форму буксировочной кривой.

Как правило, ВД быстроходных глиссирующих катеров выполняются одноступенчатыми. В этом случае оптимально спроектированное РК работает в широком диапазоне скоростных режимов без возникновения кавитации лопастей. Поэтому характеристики ВД обычно определяются для условий установившегося глиссирования на полном ходу.

В ряде случаев, минуя сложные расчеты, легче подобрать лопастную систему ВД на базе экспериментально исследованных моделей типовых насосов и РК с известными геометрическими элементами. Однако при этом важно связать область оптимальных по КПД характеристик насоса с остальными параметрами ВД, исходя из заданной мощности N (л. с.) двигателя и частоты вращения n (об/с) РК. При таком подходе необходимо также учесть зависимость достижимой скорости хода от гидравлического сопротивления ВЗ и кавитационных качеств РК.

Результаты модельных испытаний серий осевых насосов при различных шаговых отношениях Н/D или углах поворота лопастей РК φ обычно представляют в форме универсальных диаграмм, связывающих коэффициенты расхода K_Q и напора К_H с КПД насоса η_p, а также с критическим числом кавитации х_{s кр}, при котором начинается срыв напорных характеристик¹.


На основе оптимизации КПД струи ВД получены следующие соотношения для потребных К_H и K_Q:


где ρ — 102 кг·с²/м⁴ и g = 9,81 м/с² — массовая плотность воды и ускорение силы тяжести; Т — полная тяга ВД, кгс; D — диаметр РК, м;


— достижимая скорость движения катера, м/с;


— относительная скорость потока в ВЗ перед РК;


— оптимальное значение относительной скорости струи на срезе, где ζ₀(V_s) — коэффициент гидравлических потерь в водозаборной части движителя; ζ_с = 0,03 — коэффициент потери напора внутри сопла ВД.

Как правило, на быстроходных глиссирующих катерах применяются ВЗ статического типа, входное отверстие которых расположено в плоскости днища (рис. 1, а). На рис. 1, б приведена экспериментальная кривая 1 минимальных значений ζ₀ для ВЗ указанного типа, полученная на основе натурных испытаний серии ВЗ с различными соотношениями геометрических элементов и построенная в зависимости от V_s.


Поскольку входное отверстие ВЗ обычно закрывается защитной решеткой из металлических продольных полос, к величине ζ_{0 мин} добавлена относительная потеря напора от установки такой решетки, т. е. суммарный ζ₀ соответствует кривой 2. В этом случае число полос в решетке рассчитывается по формуле


где b_ВЗ — ширина входного отверстия ВЗ, мм; t — толщина полосы, мм; m — коэффициент, зависящий от поперечного профиля полосы: m = 0,15 — для полос с закругленными по радиусу кромками; m = 0,22 — для полос обтекаемого профиля. Ширина полосы обычно принимается не менее пяти ее толщин. Полученное i_п округляется до целой величины.

Оптимальные геометрические соотношения размеров ВЗ, обеспечивающие минимум ζ₀ при каждой V_s, приведены на рис. 1, а и в.

Формулы (1) и (2) в комплексе с (3), (5) и кривой ζ₀(V_s) на рис. 1, б позволяют при заданном х_{s кр}. ограничивающем область оптимальных режимов выбранного насоса, рассчитать и построить диаграмму Тn² — V₀ в осях К_{H потр} — K_{Q потр}. Совмещение таких диаграмм по осях К_H и K_Q с универсальными диаграммами ряда типовых насосов позволяет оперативно оценить степень их пригодности в отношении достижимой скорости и развиваемой при этом тяги.


На рис. 2 показано совмещение диаграммы Тn² — V₀, рассчитанной для x_{s кр} = 3, с расходно-напорными характеристиками серии четырехлопастных насосов (описываемых в упомянутой выше книге).

Для учета дополнительных энергетических потерь при использовании геометрически подобных насосов в составе ВД η_р последних снижен на 3%. Геометрические элементы РК и СА указанных насосов приведены на рис. 3 и 4.

Снимая далее соответствующие значения Тn², V₀ и η_р на каждой линии H/D, можно построить зависимости параметра Тn² и КПД полной тяги η_т от V₀ (см. рис. 5 и 6).

Вычисление η_т произведено по формуле


где η_m = 0.98 — механический КПД валопровода. В дополнение на рис. 6 нанесена кривая оптимального коэффициента поджатия сопла


где d_c - диаметр сопла, м.


Кривые η_т характеризуются наличием максимумов, сдвинутых влево относительно линии максимальных КПД самого насоса. Другими словами, на рис. 2 линия оптимальных по η_т режимов работы насоса в составе ВД будет находиться ниже линии максимальных значений η_р.

Связь между N и n при каждой V₀ можно установить при помощи формулы (7) и данных рис. 5 и 6


затем из (1) и (2) выразить


Зависимости проектных параметров Nn² и nD от V₀ при разных H/D рассматриваемой серии насосов представлены на рис. 7 и 8.

При помощи графиков на рис. 5—8 легко найти оптимальные характеристики ВД с используемым типом насоса при различной форме проектного задания Расчетную точку желательно расположить на кривой η_{т макс}. Отклонение влево от оптимального положения приводит к уменьшению V₀ и увеличению Т и наоборот.


Видно, что область использования четырехлопастных насосов в оптимальном режиме ограничена диапазоном V₀=8÷13 м/с (или 29÷47 км/ч), т. е. они скорее применимы к сравнительно тяжелым и тихоходным катерам.

Для получения более высоких скоростей движения при той же мощности необходимо использовать более высоконапорные насосы с одновременным снижением весовой нагрузки корпуса.

На рис. 9 представлена номограмма для определения оптимальных рабочих параметров ВД с высоко-напорным шестилопастным насосом, имеющим РК с поворотными лопастями. Геометрические характеристики этого насоса приведены на рис. 10—12. Номограмма соответствует режимам работы насоса по линии η_{т макс}; при этом оптимизация диаметра выполнена с учетом зависимости x_{s кр} от φ. Порядок пользования номограммой показан на примере Nn² = 27·10⁴ (N = 75 л.с.; n = 3600 об/мин, использован двигатель от автомобиля «ГАЗ-24»). Проведя вертикаль и горизонталь через заданное значение Nn², получим nD = 11,75; Тn² = 70·10⁴; φ = +2°; V₀ = 13,88 м/с; β_опт = 0,2833; V_s = 0,4782. Дополнительно вычислим D_опт = 0,196 м; Т = 194,4 кгс;


и через D приведем к размерному виду геометрические элементы РК и СА, пользуясь рис. 10—12.

При использовании вместо поворотных лопастей лопастей с фиксированным шагом РК может оказаться гидродинамически «тяжелым». Это объясняется устранением зазора между корнем лопасти и ступицей. Доводку РК в этом случае можно осуществить путем подрезки входной и выходной кромок лопастей с последующей их профилировкой.

Важно отметить, что при использовании лопаточного поджатия струи желательно иметь четное число спрямляющих лопаток (восемь вместо девяти — рис. 12). Такой переход возможен при сохранении суммарной ширины хорд лопаток zb и их относительной кривизны. Аналогичным образом можно поступить при возникновении технологических трудностей, связанных с изготовлением шестилопастного РК, когда необходимо увеличить расстояние между корневыми сечениями (например, для выполнения сварки и обработки лопастей). В этом случае число лопастей РК можно уменьшить до пяти.

Проектируя корпус водометного катера, следует иметь в виду, что установка ВД более предпочтительна на корпусах с плоско-килеватыми обводами днища с постоянным по длине углом килеватости β_к = 12÷18° (в диапазоне V₀ = 40÷55 км/ч соответственно). Такие обводы обеспечивают более высокую устойчивость на курсе, кроме того, гораздо меньше вероятность прососа воздуха к РК по сравнению с плоскодонными корпусами. При повышенной килеватости днища центр тяжести двигателя удается расположить гораздо ниже и улучшить заполнение движителя водой при запуске.

Если Т и V₀ известны, остается подобрать глиссирующий корпус с допустимой весовой нагрузкой Δ, продольной центровкой x_g, углом килеватости β_к и оптимальной шириной глиссирования b_опт.

Сопротивление голого корпуса R_r.k с ВД при глиссировании можно выразить в виде произведения


в котором


— аэродинамическое сопротивление корпуса (S_лоб — наибольшая площадь лобового сечения, м²), кгс;


внешнее гидродинамическое сопротивление ВЗ (С_D определяется по рис. 1, б после установления V_s), кгс;

ψ = 0,02 — коэффициент взаимодействия глиссирующей поверхности с ВД, учитывающий увеличение R_r.k из-за появления дополнительного ходового дифферента, вызванного подсасывающей силой иа диище в районе водозаборного отверстия.

Чтобы установить взаимосвязь между R_r.k, V₀, Δ, β_к, x_g и b_опт, можно воспользоваться методикой расчета оптимальных характеристик глиссирования, изложенной в «КЯ» №113. В качестве примера иа рис. 13 представлены результаты такого расчета для β_к = 15°; x_g = 1,8 м и Δ = 700÷1300 кг, объединенные в виде корпусной диаграммы Δ — b_опт в осях R_r.k — V₀. По диапазону Δ и V₀ эта диаграмма применима для глиссирующих катеров длиной 4,5—5,5 м, оснащенных двигателями N = 50÷100 л. с. При помощи такой диаграммы при известных R_r.k, V₀, x_g и β_к сперва находятся Δ и b_опт, а затем рассчитывается пропульсивный КПД движителя:


где η_внешн — внешний КПД, выражающий отношение полезной (R_r.k + R_a) и полной тяги Т.

В табл. 1 приведен пример определения характеристик ВД с четырехлопастным насосом и двигателем «ГАЗ-21». При желании использовать этот двигатель для привода ВД на катерах любительской постройки рекомендуем ознакомиться с проектами, опубликованными в разных номерах журнала (см., например, «КЯ» №64 и №79). Как следует из сравнения, расчетные характеристики ВД и корпуса очень близки к полученным на практике при том же типе РК.

В табл. 2 приведены результаты расчета трех основных ходовых режимов для ВД с шестилопастным РК и двигателем «ГАЗ-21». Рабочие параметры ВД на номинальном 1 режиме (N = 60 л. с., n = 3200 об/мин) найдены при помощи рис. 9. За счет имеющегося резерва мощности и числа оборотов можно развить скорость более 56 км/ч, если уменьшить весовую нагрузку на одну треть, т е. до 9—10 кг/л. с.


Полученные графики позволяют анализировать и другие виды проектных заданий (например, подбирать N и n при заданных Δ, V₀ или T) или же исследовать влияние n на остальные характеристики комплекса при установке редуктора для увеличения Т и Δ при меиьшей скорости и числе оборотов РК, или применения мультипликатора для достижения обратного эффекта.

---

При выборе типа движителя для быстроходного глиссирующего катера часто возникает вопрос, на сколько эффективно использование водометной установки по сравнению с гребным винтом (ГВ) при одной и той же мощности двигателя. Поскольку каждый из указанных движителей имеет детали конструкции, которые создают внешнее гидродинамическое сопротивление, уменьшающее полную тягу (обтекатели угловых передач, кронштейны, рули, наклонные валы, входные кромки ВЗ и т. д.), наиболее объективным показателем при такой оценке следует считать пропульсивный коэффициент η, связанный только с полезной тягой.

Для примера можно сравнить пропульсивиые качества ВД и подвесных моторов (ПМ) эквивалентной мощности, устанавливаемых на одном и том же корпусе. В качестве прототипа с ГВ рассмотрим глиссирующий корпус Δ = 550 кг с β_к = 15°, оснащенный двумя ПМ «Вихрь-М» (N = 50 л. с.), расчетные характеристики которого приведены в «КЯ» №113. Привод ВД можно осуществлять двигателем «УМЗ 412» или «ВАЗ 2103» при номинальной мощности N = 50 л с. Сопоставление полученных величин представлено в табл. 3.

Видно, что в рассмотренном случае пропульсивный коэффициент η ВД превосходит аналогичный показатель для ПМ почти на 10% благодаря более высокому внешнему КПД η_внешн. Это позволяет при тех же N и V₀ повысить расчетную нагрузку иа 80 кг, т. е. компенсировать неизбежное увеличение веса дви-жительного комплекса при переходе иа ВД со стацио нарным двигателем. Кроме того, последний имеет почти вдвое меньший расход топлива, что соответствует увеличению дальности движения при располагаемом запасе топлива. Остальные преимущества стационарных четырехтактных двигателей известны.

Таким образом, распространенное в любительской практике мнение о более низких пропульсивных качествах ВД по сравнению с ГВ не всегда оправдано. В ряде случаев это объясняется неудачным подбором рабочих параметров ВД и его элементов, посредственным качеством изготовления, а также самим принципом расчетного сопоставления только по КПД полной тяги.

Примечания

1. Линии постоянных значений x_{s кр} нанесены на диаграммах напорных характеристик серийных насосов в книге М. М. Мавлюдова и др. «Движители быстроходных судов» (Л., Судостроение, 1973).