Для правильного понимания сути определимся с терминами.
Движитель — это устройство, преобразующее часть потока окружающей среды в ускоренную струю. Только при наличии струи образуются тяга и упор движителя за счет сил реакции вытекающей и втекающей в него жидкости.
Под упором обычно понимают силу, направленную по валопроводу от вращающегося рабочего колеса насоса (РК) или гребного винта (ГВ), передающего механическую энергию вращения лопастных систем (ЛС) РК в энергию жидкости, протекающей через движитель в образующейся струе на выходе; эта энергия повышается с приращением внешней (натекающей на движитель) скорости потока в струе.
Под тягой понимают суммарную силу, действующую в сторону, обратную движению, и определяемую разностью количества движения на выходе и входе в движитель.
Под водометом (ВД) будем понимать ряд устройств — водозаборник, сопло и пр., объединенных для создания струи с помощью канала, в котором размещается любая ЛС — от ГВ, осевых и диагональных насосов до комбинированных или центробежных. ЛС насосов — это ряд вращающихся лопастей, размещенных на ступице, соединенной с валом двигателя, за которой размещается ЛС спрямляющего аппарата (СА), раскручивающая поток, идущий от РК, для устранения потерь энергии1.
Под насадкой понимается профилированное кольцевое крыло, в котором устанавливается ГВ с малым зазором между концами лопастей и внутренней стенкой насадки. Обычно это насадки с цилиндрическим выходом или с некоторым расширением. При размещении ЛС осевого насоса со спрямляющим аппаратом в короткой насадке канал обычно делают сужающимся, т. е. с поджатием потока.
Наиболее показательно различие действия упора и тяги иллюстрируется работой ВД в виде ГВ в направляющей (пропульсивной) расширяющейся или сужающейся насадке. В этом случае на швартовном режиме тяга может превосходить упор ГВ примерно в два раза. Это связано с тем, что насадка увеличивает количество жидкости, протекающей через ГВ, что влияет на силу реакции вытекающей жидкости. В насадках с поджатием картина обратная. Такие ВД получили за границей название PJ ("pump jet" — насосная струя).
Теперь можно ответить на интересующие вас вопросы.
— Оцените перспективы применения ВД на судах различного типа.
— Наибольшее распространение до последнего времени получили ГВ. Они просты в изготовлении, удобны при установке за судном, достаточно эффективны и хорошо работают в условиях кавитации лопастей на больших скоростях движения.
Отметим вначале ряд гидродинамических особенностей работы ВД:
- достигнут высокий КПД насосов, передающих механическую энергию вращения вала двигателя в жидкость;
- профилировка канала ВД в виде сопла на выходе позволяет влиять на кавитационные качества ВД, определяемые конструктивными особенностями насосов. В основном это дисковое отношение лопастей и тип насоса, режим его работы и гидравлическое поджатие сопла.
Однако гидродинамические особенности взаимодействия ВД с корпусом судна изучены недостаточно. В большинстве случаев рассматривается теория ВД, а не общая ходкость (пропульсия) судна с заданным типом ВД. Пропульсия в переводе с английского означает продвижение вперед.
По существу, ВД всегда можно сделать меньшего диаметра, чем ГВ, при этом ВД будет иметь более высокий пропульсивный коэффициент в отсутствии кавитации на РК при любых скоростях хода.
Не все специалисты-"ходовики" это себе представляют. Однако ряд примеров показателен, так:
- ВД типа "пропульсивная насадка с ГВ" получили признание и широко используются в судостроении на буксирах, траулерах и других подобных судах и катерах, когда скорости хода не превышают 15-18 уз. Дальнейшее их совершенствование связано с исследованиями структуры потока за судном и его влияния на реактивные силы ВД;
- судя по международным выставкам морского оружия (торпед), ВД типа PJ пришел на смену соосным ГВ, считавшимся самыми совершенными с точки зрения пропульсивных качеств. Отсутствие сложного редуктора и возможность использования полных кормовых обводов обеспечили их широкое применение;
- для придания судну хороших маневренных качеств делают пропульсивную насадку поворотной относительно ГВ или соединяют вал ГВ с угловой колонкой, позволяющей поворачивать одновременно ГВ с насадкой.
Размещение ВД в корпусе судна позволяет при высоких скоростях осуществлять надвод ный выброс струи. Это дает возможность установить на транце судна реверсивно-рулевое устройство (РРУ). С помощью откидывающихся и поворачиваемых заслонок или каналов заднего хода изменяют направление струи, заставляя судно двигаться в любую сторону. Имеющийся опыт показывает, что и в этих случаях ВД по пропульсивным качествам лучше ГВ, работающих под корпусом катеров с кронштейнами в скошенном потоке.
Таким образом, можно утверждать, что в настоящее время по пропульсивным и маневренным характеристикам ВД нет равных среди ГВ. Установка ГВ целесообразна, когда требуется максимальная простота конструкции движителя.
— Каковы основные способы повышения пропульсивных и кавитационных качеств, применяемые при конструировании судов и катеров с ВД?
— В последние годы появились глиссирующие катера, оборудованные суперкавитирующими ГВ (вентилируемыми за счет засасывания воздуха из атмосферы). Возникновение развитой каверны на лопасти РК снижает подъемную силу на лопасти как на крыле и ее профильное сопротивление. При этом эффективность по сравнению с некавитирующим крылом ухудшается на больших углах атаки, хотя и возрастает в определенных пределах при малых углах. Иными словами, вентилируемое РК создает упор, который при наличии каверны слабо зависит от оборотов и скорости и тем самым ограничивает тяговые характеристики ВД, особенно на режимах разгона. Отсюда вытекает, что некавитирующие по второй стадии РК (когда отсутствует влияние кавитации на упор) все-таки более эффективны. КПД ВД можно повысить, расположив его водозаборное отверстие в зоне пограничного слоя судна. Тем самым эффективность (пропульсия) будет зависеть от того, какую часть по расходу воды из пограничного слоя пропускают через канал водомета. Это относится к водоизмещающим судам. Для глиссирующих судов подобные способы повышения эффективности еще недостаточно разработаны.
Кавитационные качества ВД определяются кавитационной устойчивостью РК. Ее можно улучшать, увеличивая дисковое отношение или устанавливая двухрядную лопастную систему, добиваясь одновременного вступления в развитую кавитацию обоих рядов. Кавитационные качества улучшаются при увеличении диаметра выходного отверстия сопла и одновременном увеличении поджатия канала сопла по длине.
— Как бы вы оценили опыт использования ВД зарубежными и нашими фирмами?
— Особенностью ВД зарубежных фирм (в основном это "KaMeWa" и ее последователи) является то, что используются в качестве РК вращающася и неподвижная лопастные системы диагональных насосов. Достаточно сложный по форме канал лопастных систем соединяют с водозаборником, соплом и РРУ, формируя весь облик ВД. Следует обратить внимание, что западные фирмы-разработчики водометов унифицировали их по габаритам и шаговым отношениям РК, обеспечив использование ряда разработанных двигателей; таким образом, проектирование движительной установки для судна с заданными водоизмещением и скоростью сводится к простому подбору и компоновке необходимого количества ВД.
Информация об изображении
Совмещенный двигательно-движительный комплекс голландской яхты "Vri-Jon Hydrocraft 46"
В отечественном судостроении использовались ВД с ГВ или лопастными системами насосов осевого типа. Они ничем не уступают ЛС диагональных насосов по гидродинамическим качествам, более просты в изготовлении, имеют более широкий диапазон коэффициента быстроходности. Последнее позволяет использовать двигатели с большим разбросом по оборотам. Правда, диагональные насосы имеют более пологую характеристику вращающего момента от расхода жидкости, т. е. на их работе мало сказывается изменение режима движения катера.
Совмещенный двигательно-движительный комплекс голландской яхты "Vri-Jon Hydrocraft 46"
Еще одна особенность ВД иностранных фирм — это достаточно высокий пропульсивный коэффициент — около 0.55 — на скоростях хода до 2030 уз и повышение его до 0.60-0.65 с увеличением скорости хода до 5060 уз. По моему мнению, это связано с тем, что зависимость сопротивления судна от скорости хода получают по модельным данным без ВД. На режимах движения катера с ВД происходит изменение посадки и дифферента катера, что влияет на величину буксировочной силы, а следовательно, изменяется затрачиваемая мощность. Указанные вопросы стоят на повестке дня и требуют своего решения. При этом надо рассматривать не столько сам ВД, сколько ходкость (пропульсию) самого катера с конкретной конструкцией ВД.
— Что интересного за последнее время появилось в конструкциях ВД?
— Следует обратить внимание на то, что многие конструкторы используют в качестве привода РК ВД угловые колонки. Особенно впечатляет применение поворотных на 360° угловых колонок на ледоколах, позволяющих значительно улучшить их маневренные характеристики при движении во льдах. ВД глиссирующих судов зарубежных конструкций имеют сопло с круглым отверстием. Это позволяет уменьшить габаритные (поперечные) размеры струи и сделать конструкцию РРУ в виде поворотных навесных заслонок без дополнительных каналов заднего хода, которые, тем не менее, могли бы служить хорошей защитой от повреждений самих рулей и заслонок.
— Появились ли новые методы расчета и проектирования ВД, опубликованные в печати?
— Следует различать теории ВД, работающих за корпусом судна и в системе с судном. Это отражается на результатах модельных самоходных испытаний, и разница в их эффективности выражается через коэффициент, представляющий собой отношение условной полезной мощности в виде буксировочной мощности судна без ВД к мощности, подведенной к ступице вращающегося РК. Каких-либо новых подходов мне неизвестно.
Необходимость нового подхода, особенно для глиссирующих судов, определяется потребностью оценить не только силы на самом ВД, но и учесть условия эксплуатации катеров, связанных с их загрузкой и дифферентовкой без хода и на ходу.
— На какие особенности надо обратить внимание при разработке новых перспективных ВД?
— Успешность работы ВД в системе с корпусом водоизмещающего судна или катера с динамическими принципами поддержания во многом зависит, во-первых, от соотношения вязкой составляющей трения с полным сопротивлением воды движению судна, во-вторых, от разработанных габаритов ВД и РК, обеспечивающих одновременно их минимальные размеры при достаточно высоком пропульсивном коэффициенте и, в-третьих, от отсутствия влияния кавитации на силовые характеристики ВД на всех эксплуатационных режимах движения.
Указанные задачи проектирования достаточно сложны, но для специалистов, думается, вполне решаемы.
Примечания
1. Предлагаемая расширенная трактовка понятия о ВД несколько расходится с традиционной, предполагающей обязательное наличие изогнутого водозаборника и поджимающего поток сопла. Правда, компания "KaMeWa" уже разработала прямоточные ВД, более сложные по конструкции, чем просто "винт в трубе". Видимо, предлагаемое различение упора и тяги ВД является ключом к их отмежеванию от разнообразных конструктивных исполнений ГВ.