Двигатели и устройства малотоннажного моторного судна
Общие сведения о двигателях
Водометные движители
Водометные движители, как и гребные винты, относятся к числу
гидрореактивных движителей, создающих упор за счет реакции отбрасываемой
с некоторым ускорением массы воды. В отличие от гребного винта,
движущиеся части водомета находятся внутри корпуса судна и надежно
защищены от повреждений при встрече с подводными препятствиями, что и
определяет основное преимущество этого вида движителей.
Моторные суда с водометами могут проходить по мелководью с глубинами,
почти равными осадке корпуса, т. е. до 0,1-0,2 м, преодолевать
засоренные и заросшие участки водоемов и даже отдельные препятствия,
выступающие из воды. Кроме того, к преимуществам водометного движителя
относятся:
- уменьшение сопротивления воды движению судна вследствие отсутствия
выступающих частей;
- относительная простота изготовления реверсивно-рулевого устройства
взамен более сложных реверс-редукторов;
- высокая маневренность, обеспечиваемая реверсивно-рулевым устройством,
воздействующим непосредственно на выбрасываемую струю воды;
- значительное укорочение и упрощение линии валопровода;
- менее шумная работа движительной установки;
- возможность установки двигателя горизонтально или с минимальным
наклоном, что улучшает его работу и ликвидирует потери, связанные с
наклонным валопроводом.
Основной недостаток водометного движителя - более низкий по сравнению с
гребными винтами пропульсивный к. п. д., равный 0,35-0,5. Это вызвано
потерями мощности на подъем струи воды выше ватерлинии и преодоление
дополнительного сопротивления в трубе водомета.
Однако отсутствие выступающих частей в значительной степени компенсирует
этот недостаток, так что в конечном итоге эффективность водомета иногда
оказывается выше, чем обычного гребного винта.
Любой водометный движитель состоит, как правило, из насоса (винта) с
валом, водометной трубы (водовода), спрямляющего аппарата
(контрпропеллера) и реверсивно-рулевого устройства. При вращении насоса
на засасывающей стороне его лопастей, как и гребного винта, возникает
разрежение, благодаря которому вода по приемной трубе (водозаборнику)
поднимается к диску насоса. Здесь, получив некоторое ускорение, вода
выбрасывается через сопло, выходное сечение которого меньше, чем диаметр
трубы насоса. В силу неразрывности потока для прохода той же массы воды
через меньшее сечение за одинаковое время скорость потока должна быть
больше; таким образом, суженное сопло увеличивает скорость выбрасываемой
струи воды.
Если перейти к насосным характеристикам, то массу воды можно выразить
т = рQ, а сообщенная струе воды скорость, эквивалентная напору,
создаваемому насосом, равна R = и - ир. Следовательно, водометный
движитель может быть эффективным только при условии, что его насос будет
создавать малый напор при большом расходе воды. Этому условию в
наибольшей степени соответствуют осевые насосы пропеллерного типа,
выпускаемые по ГОСТ 9366-60; их
преимущественно и используют на рассматриваемых моторных судах, В
некоторых случаях, например в подвесных моторах с водометными
движителями, применяют центробежные насосы, однако это диктуется, в
основном, стремлением упростить конструкцию за счет ликвидации
конической передачи.
Конструкция водометного движителя для серийного двигателя СМ-557-Л
приведена на рис. 193.
Этот комплекс разработан для установки на мотолодке Казанка, , но его
можно применить на любой другой подобной мотолодке водоизмещением
500-600 кг. Элементы движителя могут быть использованы также в качестве
прототипа при проектировании водометов и для других судов и двигателей.
Ниже приведены основные рекомендации по проектированию и изготовлению
элементов водометного движителя.
Рабочее колесо (ротор). Рабочее колесо водометного движителя в принципе
работает как гребной винт, поэтому расчет его основных характеристик
можно производить методом эквивалентного винта по диаграммам для
изолированных винтов, но с учетом специфических условий работы в трубе и
взаимодействия с корпусом моторного судна. Не вдаваясь в теоретическую
часть, поясним использование метода профессора А. М. Васина на примере
расчета рабочего колеса водомета, изображенного на рис. 193.
Исходные величины: мощность двигателя Ne = 13,5 л. е., число оборотов п
= 3500 об/мин, или пс = 58,3 об/сек, скорость хода лодки v = 31 км/ч =
8,62 м/сек, сопротивление корпуса при этой скорости RK = 52 кг, с учетом
3-4% надбавки на сопротивление трубы водомета общее сопротивление R = 54
кг.
Скорость хода судна и сопротивление корпуса определяют любым из
изложенных ранее методов: расчетом по прототипу или, лучше всего,
буксировкой корпуса за достаточно мощным моторным судном. При наличии
кривой сопротивления в зависимости от скорости хода расчет производят
для нескольких значений скорости.
В настоящее время разработано и проверено эксплуатацией несколько
конструкций водометных движителей для различных вариантов мощности и
скорости (см. табл. 68). Данные по этим водометам могут служить как для
проверки результатов расчета по любой методике, так и в качестве
прототипа при проектировании нового движителя. В последнем случае общие
элементы моторного судна (водоизмещение, скорость и т. п.) определяют,
как уже было сказано, любым методом: расчетом, по прототипу и т. п.
Однако вычисление элементов движителя по известным формулам подобия не
всегда возможно, так как эти формулы предполагают, как правило,
изменение только одного параметра, в то время как практически изменяются
все исходные данные - мощность, число оборотов, скорость. В таких
случаях рекомендуется пользоваться приведенными ниже формулами,
полученными на основании известных зависимостей для определения диаметра
и шага гребного винта.
Дисковое отношение рабочего колеса водометного движителя определяют в
основном по условиям прочности исходя из максимального упора на
швартовах, равного 6-8,5 кГ/л. с. При обычно принимаемом числе лопастей
г = 4 и рекомендуемой ниже относительной толщине их профиля дисковое
отношение составляет 0,6-0,8, причем большие значения относятся к более
нагруженным движителям.
В целях ликвидации концевых потерь вследствие перетекания воды через
края лопастей и для предотвращения кавитации зазор между краем лопасти и
водометной трубой должен быть минимальным (не более 0,5-1,0 мм) по всему
периметру края лопасти. Этому условию в наибольшей степени удовлетворяет
форма лопасти в виде симметричного сектора с обработанным по радиусу
краем. Такую форму чаще всего и применяют для лопастей рабочего колеса
водомета.
Многочисленные исследования и практика показали, что лучший профиль
сечений лопасти - сегментный, в котором максимальная толщина расположена
посредине (см. рис. 174). Относительную толщину профиля можно несколько
уменьшить по сравнению с гребным винтом: от 0,06-0,08 у корневых сечений
до 0,02-0,04 у крайних в зависимости от материала.
Рис. 196. Рабочее колесо водометного движителя.
D = 0,178 м; Н - 0,130 м; HJD = 0,73; 6 - 0,6; z = 4.
В целях упрощения конструкции колеса носовую часть его ступицы можно
сделать в виде отдельного легкого обтекателя, однако в таком случае на
гребном валу должен быть предусмотрен заплечик у носового конца ступицы
для восприятия упора рабочего колеса.
Материалы и способы изготовления рабочих колес водометных движителей
такие же, как гребных винтов. Подчеркнем только, что в данном случае
необходима более высокая точность изготовления, особенно это относится к
диаметру колеса.
Сопло и спрямляющий аппарат. Рабочее колесо водометного движителя
одновременно с полезной работой по перемещению массы воды закручивает
поток в направлении своего вращения. На это бесполезно тратится часть
мощности двигателя. Кроме того, если через сопло выбрасывается
закрученный поток, то это ведет к разбросу струи, что отрицательно
сказывается на эффективности движителя. Спрямление потока для повышения
к. п. д. водометного движителя производят в спрямляющем аппарате,
состоящем из ступицы и нескольких радиально расположенных лопастей.
Обычно число их принимают на 1-2 лопасти больше, чем число лопастей
рабочего колеса при примерно одинаковой ширине. Расстояние между
лопастями спрямляющего аппарата и лопастями рабочего колеса (вдоль оси)
рекомендуется принимать -0,05/5. Уменьшение этого расстояния может
привести к заклиниванию ротора попадающими в движитель мелкими
предметами (галькой, щепой и т. п.), а увеличение снижает эффективность
спрямляющего аппарата.
Лопасти спрямляющего аппарата изгибают таким образом, чтобы их передние
кромки были загнуты против вращения рабочего колеса, а задние
расположены вдоль оси водометной трубы. Угол изгиба лопастей лучше всего
определять экспериментально, принимая в первом приближении угол отгиба
передних кромок 30-40°, или по данным подходящего прототипа (например,
рис. 197).
Толщину лопастей для стали и латуни принимают 1,5-2,5 мм и для
алюминиевых сплавов 3-5 мм.
Наименее трудоемок в условиях любительского судостроения сварной вариант
спрямляющего аппарата, когда лопасти приваривают к предварительно
выточенной ступице и соплу или, в случае изготовления сопла из
стеклопластика, - к специальному закладному кольцу, как это условно
показано на нижней половине рис. 197, После приварки лопастей производят
окончательную расточку посадочного места в ступице для подшипника и
проточку центрирующего выступа фланца сопла (или закладного кольца).
Рис. 197. Сопло и спрямляющий аппарат: а - в
сварном исполнении; б - с закладным и съемным кольцами. 1 - сопло; 2 -
фланец; 3 - лопасть спрямляющего аппарата; 4 - ступица спрямляющей?
аппарата; 5 - резинометаллический подшипник гребного вала; 6 - закладное
кольцо; 7 - съемное регулировочное кольцо.
Вкладыши подшипника гребного вала чаще всего выполняют в виде
резино-металлической втулки, хотя можно применять и вкладыши из
текстолита ПТК-С, древесно-слоистого пластика (ДСП-А) и бакаута,
обеспечивая достаточный зазор. При определении зазора следует учесть
разбухание бакаута и ДСП.
Сопло, как уже отмечалось, служит для создания компактной струи
выбрасываемой воды и увеличения ее скорости. С этой целью сопло сужают к
кормовой части. Это сужение можно делать коническим, однако меньшие
потери мощности, а следовательно, более высокая эффективность характерны
для сопел с криволинейными образующими и небольшим цилиндрическим
участком на конце (см. рис. 197). Образующие рекомендуется строить,
сопрягая два радиуса, проведенные из плоскостей носового и кормового
торцов сопла; радиусы равны R = (0,8н-1,0) d, rj^ed = du или dK -
диаметр носового или кормового отверстия сопла соответственно.
Поджатие струи на выходе из сопла несколько подтормаживает воду в диске
рабочего колеса, увеличивая нагрузку движителя, поэтому площадь
выходного сечения сопла служит для регулировки нагрузки движителя и,
соответственно, двигателя (подобно шаговому отношению гребных винтов).
Так, если двигатель не развивает нормального числа оборотов, необходимо
облегчить движитель, увеличив выходное отверстие сопла и, наоборот, если
число оборотов двигателя больше нормального, то выходное отверстие
следует уменьшить. Такое согласование работы двигателя и движителя
неизбежно, поэтому рекомендуется конструкция сопла со съемными кольцами
(нижняя половина рис. 197). Имея в запасе 3-4 кольца, внутренние
диаметры которых отличаются на 4-5 мм один от другого (одни меньше,
другие больше расчетного диаметра), всегда можно подобрать оптимальное
выходное сечение сопла для данных условий загрузки.
Материал и способ изготовления сопла зависят от возможностей строителя.
Сопло можно изготовить литьем из алюминиевых сплавов, сварным из
нержавеющей или углеродистой стали, алюминиевых сплавов и т. п. Толщина
стенок при этом составляет 3-5 мм. Доступнее изготовление сопла,
выклеиваемого на деревянном отшлифованном болване из стеклоткани на
эпоксидной смоле; толщина стенок такого сопла равна 8-10 мм.
Одновременно выклеивают фланцы сопла - для крепления к водометной трубе
и транцу моторного судна и для крепления к соплу реверснвно-рулевого
устройства. При изготовлении болвана сопла следует предусмотреть
соответствующие утолщения для образования гнезд под съемные кольца и
кольцо выправляющего аппарата.
При любом варианте изготовления внутреннюю поверхность сопла следует
тщательно обработать и отшлифовать; сопряжения поверхностей должны быть
плавными.
