Малогабаритный водометный движитель со щелевидным соплом

Водометные движители (далее — ВД), имеющие ряд преимуществ по сравнению с наиболее распространенным движителем — гребным винтом, хорошо известны нашим постоянным читателям. Однако ВД не находят широкого применения, несмотря на их высокие пропульсивные характеристики, что объясняется не только весьма высокой стоимостью, сопоставимой со стоимостью приводных двигателей, но и сложностью конструкции, высокими массогабаритными характеристиками, а также расположением их водозаборников внутри корпуса судна, вследствие чего снижается его полное водоизмещение. Около 50% объема конструкции ВД (например, фирмы "КаМеWа") приходится на их реверсивно-рулевое устройство (РРУ). Для ряда ВД характерна недостаточная эффективность рулевого устройства при малых углах отклонения. Для удержания судна на прямом курсе приходится использовать перекладку рулей, что сказывается на его скоростных показателях.

В ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова работают над усовершенствованием конструкции ВД. Выполненные исследования позволили создать малогабаритный ВД со щелевидным соплом (в отличие от круглого), в конструкции которого отсутствует традиционный спрямляющий аппарат. Благодаря этому удалось уменьшить габариты и вес РРУ и ВД в целом, повысить его КПД. Подобный движитель можно устанавливать и на маломерных судах. С результатами исследований и особенностями конструкции этого движителя и знакомит читателей статья.

Выполненные недавно в ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова исследования показали, что на обтекаемых рулях, действующих в струе воды, истекающей в воздух выше ее свободной поверхности, при малых углах перекладки возникает отрицательная боковая сила. Это объясняется тем, что происходит отрыв потока с засасывающей стороны пера руля и образование воздушной каверны, поэтому на ней не создается разряжение, обеспечивающее подъемную силу, как это происходит при работе руля в сплошном потоке. Лишь при больших углах перекладки руля возникает положительная подъемная сила, когда на нагнетающей стороне руля определяется повышенное давление. На рис. 1 приведены зависимости коэффициентов подъемной силы рулей с различной профилировкой в свободной струе воды от угла их перекладки. Видно, что на рулях с обтекаемой профилировкой при малых углах отклонения боковая сила отрицательная. По-видимому, этим эффектом объясняется недостаточная эффективность ВД при удержании судна на прямом курсе. Исследования показали, что профилировка в виде прямощекого клина позволяет рулям, действующим в свободной струе, обеспечить нормальную зависимость поперечной силы от угла атаки. Поэтому в РРУ ВД с надводным или частично затопленным выбросом струи для обеспечения хороших маневренных качеств судна целесообразно использовать рули, профиль сечения которых выполнен в виде прямощекого клина.

Рабочие колеса, аналогичные осевым насосам, при развитии кавитации резко снижают напорные характеристики, особенно на режимах работы с уменьшенным расходом. Поэтому тяга ВД, оборудованных подобным рабочим колесом, на режимах разгона судна (это соответствует уменьшенному коэффициенту расхода) в случае развития кавитации снижается практически до нуля. При наличии "горба сопротивления" подобные ВД не могут обеспечить тягу, требуемую для разгона судна, вследствие чего их использование на скоростных судах с динамическими принципами поддержания является проблематичным.

Гидродинамические характеристики большинства типов ВД резко снижаются при попадании некоторого количества воздуха в их гидравлическое сечение. При эпизодическом попадании воздуха в ВД, что может быть при эксплуатации судна на предельном волнении, появляются резкие колебания скорости вращения гребного вала, повышенная вибрация конструкции, которые делают невозможным дальнейшую эксплуатацию ВД на номинальном режиме.

Для решения некоторых упомянутых проблем ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова при участии ФГУП МП "Звездочка" разработало новую конструктивную схему малогабаритного ВД (рис. 2). Основными задачами при этом были:

• уменьшение габаритов и веса ВД в основном за счет РРУ;
• упрощение конструкции ВД;
• обеспечение тяги ВД, достаточной для разгона судов различной модификации в случае развития кавитации рабочего колеса, а также для снижения влияния попадания воздуха в ВД на его гидродинамические характеристики.

Этот малогабаритный водометный движитель (МГВД) защищен патентом (приоритет № 2002112283 от 6 мая 2002 г.).

Для снижения габаритов РРУ было предложено выбросное сечение сопла ВД выполнить не традиционно круглым, а в виде щели с прямолинейной верхней кромкой. Переход от круглой формы сечения сопла за рабочим колесом к щелевой на его выходе осуществлен за счет увеличения стрелки прогиба, отсекаемого в каждом сечении сегмента, по мере продвижения по направлению к выбросному сечению сопла. В верхней части за соплом устанавливается горизонтальная плоская ограничительная плита, нижняя поверхность которой является продолжением верхней поверхности сопла. Под плитой в струе МГВД размещаются два руля сечением в виде прямощекого клина, привод для поворота которых располагается над плитой. Реверс осуществляется за счет отклонения направления истечения струи заслонкой в виде части кругового цилиндра, ось вращения которой совпадает с осью цилиндра. Плоская форма струи за щелевидным соплом и наличие ограничительной плиты позволили свести к минимуму радиус кривизны реверсивной заслонки, благодаря чему и удалось уменьшить габариты РРУ (см. рис. 2) по сравнению с традиционным ВД фирмы "KaMeWa".

При щелевой форме выбросного сечения стенки сопла способствуют раскрутке потока за рабочим колесом. Поэтому для получения аксиального потока в струе ВД оказалось возможным отказаться от традиционного многолопастного спрямляющего аппарата. В МГВД всего четыре профилированные стойки обтекателя ступицы рабочего колеса, причем этому обтекателю придана форма, согласованная с обводами сопла со щелевой формой выбросного сечения.

Выполненные ФГУП МП "Звездочка" конструктивные разработки показали, что отказ от общепринятой конструкции спрямляющего аппарата и образование сопла из элементов, имеющих плоскую развертку, намного упрощают конструкцию движителя и облегчают его изготовление.


Известно, что энергия двигателя, подводимая к рабочему колесу, преобразуется в напор за счет диффузорности (расширения) течения в межлопастном пространстве рабочего колеса. При снижении относительной скорости статическое давление в потоке возрастает и тем самым создается перепад давления в рабочем колесе. Поток при наличии большой диффузорности канала имеет тенденцию к отрыву от его стенок, который и приводит к резкому уменьшению перепада давления. Одними из "виновников" отрыва потока в лопастях рабочего колеса являются очаги кавитации на их поверхности. Поэтому при развитии кавитации на лопастях рабочих колес вследствие отрыва потока от их поверхности происходит резкое снижение напора, причем тем большее, чем больше расширение канала. Из изложенного следует, что снижения потерь, вызванных падением напора рабочего колеса, и, соответственно, тяги ВД при развитии кавитации можно добиться за счет уменьшения диффузорности межлопастного канала. Таким образом, чтобы увеличить в пределах лопастной системы аксиальную скорость потока, надо создать уменьшающееся в пределах лопастей гидравлическое сечение, одновременно увеличив диаметр ступицы. Наибольший диаметр ступицы соответствует выходящим кромкам лопастей, наименьший — входящим. Для исключения резкого снижения тяги в режиме разгона рабочие колеса МГВД имеют переменный в пределах лопастей диаметр ступицы (рис. 3). На входе в лопастную систему относительный диаметр ступицы d_ст = d_ст/D_РК = 0.2-0.3, на выходе d_ст = 0.60-0.75 (здесь D_РК — диаметр рабочего колеса-импеллера).

Все предположения, сделанные при разработке МГВД, были подтверждены и проверены в ходе модельных испытаний.

Одним из наиболее спорных вопросов является возможность создания компактной струи с помощью щелевидного сопла при отсутствии традиционного спрямляющего аппарата и получения при этом высокого КПД движителя. Для определения структуры потока за щелевидным соплом была испытана модель на гидродинамическом стенде. На фотографии струи МГВД (рис. 4) видно, что в комплексе щелевидного сопла происходит практически полная раскрутка потока за рабочим колесом. Подобная структура струи движителя наблюдалась на всех режимах работы МГВД — от швартовного до полного хода.


Для определения влияния щелевидного сопла на КПД движителя были проведены сравнительные испытания модели судна, оборудованного традиционным ВД и МГВД. При этом модель МГВД имела те же водозаборник и рабочее колесо, что и модель традиционного ВД, отсутствовал лишь спрямляющий аппарат и отличалась форма сопла. Результаты сравнительных испытаний характеризуют зависимости коэффициентов тяги, момента и КПД от относительной поступи (рис. 5, 6). При одинаковых тяговых характеристиках модель со щелевидным соплом имела несколько больший КПД, чем модель с традиционным ВД. Результаты этих сравнительных испытаний, а также компактная структура струи за щелевидным соплом без следов закрутки позволили считать, что переход на такое сопло (с исключением традиционного спрямляющего аппарата), по крайней мере, не приводит к снижению КПД движителя при его существенном упрощении.

Благодаря предложенной конструкции щелевидного сопла достаточно просто изменять гидродинамические характеристики МГВД путем корректировки площади выбросного сечения сопла за счет установки на его срезе интерцептора, выдвинутого в струю. Результаты модельных испытаний сопла с различной высотой выдвига интерцептора (рис. 7) показывают, что регулировать характеристики МГВД в широком диапазоне можно, немного усложнив конструкцию. Такая регулировка характеристик движителя особенно целесообразна на судах, имеющих несколько режимов эксплуатации, например на катерах-спасателях, которые на свободном ходу и при швартовном режиме должны иметь возможность использовать полную мощность двигателя.

На рис. 8 приведены результаты испытаний моделей МГВД с рабочим колесом, имеющим переменный в пределах лопастной системы диаметр ступицы. Они подтвердили возможность получения требуемой достаточно высокой тяговой характеристики при развитии кавитации на лопастях. В ходе этих же испытаний определялось влияние прорыва воздуха в движитель, для этого воздух подавался в водовод перед рабочим колесом таким образом, чтобы он занимал 5-10% площади сечения водовода. На расчетном режиме при максимальном КПД снижение тяги и момента от попадания воздуха в гидравлическое сечение оказалось незначительным (около 10%). Большее влияние прорыв воздуха оказывает при меньших поступях, соответствующих кратковременному режиму разгона судна. Как видим, испытания подтвердили возможность снижения влияния прорыва воздуха на его гидродинамические характеристики. Однако окончательное суждение о надежной эксплуатации МГВД при прорыве воздуха в его гидравлическое сечение можно будет сформулировать после длительных испытаний ряда таких движителей в различных условиях.

Эффективность управления судном посредством движительно-рулевого комплекса предложенной конструкции, т. е. клиновых рулей, установленных в плоской струе МГВД, была исследована при испытаниях его модели, при этом учитывалось влияние рулевого устройства на гидродинамические характеристики движителя. Оказалось, что эти рули практически не оказывают влияния на тягу движителя при нулевом угле перекладки. Это иллюстрируют зависимости коэффициентов тяги движителя и момента от угла перекладки рулей, построенные по результатам испытаний (рис. 9).

На рис. 10 представлено отношение боковой силы к тяге движителя различных рулевых устройств, а именно: поворотного сопла, парных рулей, одиночного руля, расположенных в струе осевого водометного движителя, и парных клиновых рулей в струе МГВД. Как видим, при маневрировании судна эффективность управления посредством парных клиновых рулей в струе МГВД практически одинаковая с эффективностью парных рулей традиционных ВД. Таким образом, щелевая форма выбросного сечения сопла (основная отличительная черта МГВД ) позволила не только значительно уменьшить размеры РРУ, но и обеспечить хорошую маневренность судна в широком диапазоне скоростей. За счет клиновой профилировки рулей МГВД и их расположения в плоской струе отсутствует "мертвая" зона при поддержании прямого курса судна, характерная для многих ВД, при незначительном снижении тяги движителя (2%).

Существенные преимущества МГВД по сравнению с другими ВД побудили ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова и ФГУП МП "Звездочка" создать производство по их изготовлению для отечественных и иностранных судостроительных фирм. К сожалению, в настоящее время еще не решен вопрос о массовом производстве МГВД для маломерного флота. Авторы надеются, что настоящая статья будет полезна для создателей самодельных судов.