Водометная движительная установка

 

Изобретение относится к судостроению, к водометным судовым установкам. Сущность изобретения заключается в том, что в водометной установке с водозаборником, неподвижной обечайкой с рабочим колесом, спрямляющим аппаратом и соплом водозаборник имеет ширину канала, равную диаметру обечайки, приемное отверстие имеет прямоугольную в плане форму, площадь входного канала равна (0,65-1,2πD²)/4, где D - диаметр рабочего колеса, при этом поверхность свода канала от приемного отверстия до сопряжения с обечайкой, а также образующая ступицы рабочего колеса выполнены выпукло-вогнутой формы. Длина ступицы рабочего колеса составляет (0,5-0,6)D, а длина сопла - (0,5-0,65)D. Использование изобретения приводит к повышению КПД движительной установки за счет уменьшения гидравлических потерь при прохождении через нее водного потока. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области судостроения, и в частности, к водометным движительным установкам для судов и кораблей, плавающих в водоизмещающем, переходном и глиссирующем режимах движения и использующих эффект воздушной подушки с жесткими скегами в диапазоне скорости хода от 10 до 50 узлов.

Известны водометные движительные установки (см. С. В. Куликов и М.Ф. Храмкин. Водометные движители. -Л.: Судостроение, 1980, с.34-44) с осевой лопастной системой. Недостатками этого типа движителя являются: острая входная кромка водозаборника, при обтекании которой возникает отрицательное взаимодействие движителя с корпусом судна, т.е. дополнительное сопротивление воды движению; постоянный диаметр ступицы рабочего колеса, обусловленный применением лопастной системы осевого типа, при этом осевая составляющая потока также постоянна и поэтому профили лопастей делаются такими, чтобы большая часть энергии (напора), передаваемой потоку, носила потенциальный характер; коническая форма сопла, площадь на срезе которого всегда не равна расчетной площади струи на бесконечности, что требует значительных затрат времени на доводку движителя.

Поскольку для требуемого приращения скорости потока необходима значительная величина напора, течение в пределах осевого рабочего колеса с постоянным диаметром ступицы приобретает сильно выраженную диффузорность, что ведет к увеличению гидравлических потерь, т.е. снижению КПД лопастной системы, величина которого в данном случае может составлять 0,7 - 0,8.

Известны водометные движительные установки с диагональной лопастной системой (см. Svensson R. The KaMeWa water-jet propulsion system. "Maritime Defence", 87, 12, N 12, 427-429, 433-436).

Недостатками ее являются: так же, как и в предыдущем случае, отсутствие профилировки входной кромки водозаборника, большие габариты движителя. Это связано с тем, что при идентичных с осевым водометным движителем условиях на входе (скорость потока и подводимая мощность), наружный диаметр диагонального рабочего колеса, в силу его конструктивных особенностей, всегда больше, чем у осевого.

Наиболее близким аналогом может служить известная водометная движительная установка (см. патент Японии N 61-58357 кл. B 63 H 11/08, опубл. в 1986) с лопастной системой, которая имеет постоянный наружный диаметр рабочего колеса, как у осевой лопастной системы, и ступицу переменного диаметра, как у диагональной. Таким образом осуществляется ускорение потока в пределах рабочего колеса за счет переменного, увеличивающегося по потоку диаметра ступицы, что уменьшает диффузорность течения. КПД такого колеса имеет порядок 0,8 - 0,82, т.е. выше, чем у осевого, но ниже, чем КПД диагонального, который колеблется в пределах 0,86 - 0,9, что связано с неоптимальными размерами и формой ступицы, а также величиной дискового отношения. Другим недостатком является отсутствие профилировки входной кромки водозаборника, что приводит к возникновению дополнительного сопротивления воды движению судна и, следовательно, снижению эффективности водометной движительной установки.

Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков водометного движителя, для повышения его эффективности как за счет повышения КПД рабочего колеса до уровня КПД диагонального рабочего колеса, так и снижения гидравлических потерь в водозаборнике и сопле.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в водометной движительной установке, содержащей соединенные между собой водозаборник, включающий в себя приемное отверстие и канал, неподвижную обечайку, внутри которой расположено рабочее колесо, спрямляющий аппарат и сопло, причем ступица рабочего колеса установлена на приводном валу и выполнена с плавно увеличивающимся диаметром от d_вх до d_вых, где d_вх и d_вых - входной и выходной диаметры ступицы рабочего колеса, а сопло выполнено с плавно уменьшающимся диаметром от входа к выходу, водозаборник выполнен с постоянной в плане шириной канала, равной диаметру неподвижной обечайки, его приемное отверстие имеет прямоугольную форму в плане, свод его канала плавно сопряжен с его боковыми стенками, причем канал водозаборника во входном сечении, проведенном от начала входной кромки водозаборника перпендикулярно своду имеет площадь где D - диаметр рабочего колеса.

Поверхность свода канала водозаборника от приемного отверстия до сопряжения с неподвижной обечайкой выполнена вогнуто-выпуклой относительно линии днища судна, профиль входной кромки водозаборника в продольном сечении имеет форму четверти эллипса, образующая ступицы рабочего колеса от d_вх до d_вых выполнена в виде вогнуто-выпуклой кривой относительно оси рабочего колеса, при этом d_вх составляет (0,15 - 0,25) D, d_вых составляет (0,55 - 0,78) D, а длина ступицы рабочего колеса составляет (0,5 - 0,6) D, входящая кромка каждой лопасти рабочего колеса имеет форму выпуклой кривой, ориентированной выпуклостью в сторону водозаборника, при этом длина сопла составляет (0,5 - 0,65) D, образующая внутренней поверхности сопла выполнена выпукло-вогнутой идентично образующей ступицы рабочего колеса, а входной диаметр сопла равен диаметру неподвижной обечайки.

Кроме того, линия разделения внутреннего и внешнего контуров входной кромки водозаборника расположена выше плоскости днища судна, линия разделения внутреннего и внешнего контуров входной кромки водозаборника расположена или выше, или на уровне днища судна, или ниже плоскости днища судна.

На фиг. 1 и 2 приведены водометные движительные установки для скоростей судна соответственно 10 узлов и 50 узлов, где показано: 1 - водозаборник; 2 - неподвижная обечайка; 3 - рабочее колесо; 4 - ступица рабочего колеса; 5 - лопасти рабочего колеса (входная кромка); 6 - спрямляющий аппарат; 7 - сопло; 8 - приводной вал; 9 - входная кромка водозаборника.

Работает водометная движительная установка следующим образом. Приводной вал 8 осуществляет вращение рабочего колеса 4. В результате водный поток через водозаборник 1 поступает в рабочее колесо 4, а затем через спрямляющий аппарат 6 поступает в сопло 7, которое формирует струю, создающую тягу. Так как водозаборник 1 выполнен с постоянной в плане шириной канала (размер в плоскости шпангоута), равной диаметру неподвижной обечайки 2, его приемное отверстие имеет прямоугольную форму в плане, свод канала плавно сопряжен с его боковыми стенками, канал водозаборника во входном сечении, проведенном от начала входной кромки 9 водозаборника перпендикулярно своду, имеет площадь где D - диаметр рабочего колеса (неподвижной обечайки), поверхность (площадь) свода канала водозаборника от приемного отверстия до сопряжения с неподвижной обечайкой 2 рабочего колеса 3 выполнена вогнуто-выпуклой относительно линии днища судна, а профиль входной кромки 9 водозаборника 1 в продольном сечении имеет форму четверти эллипса, это позволяет уменьшить гидравлические потери водозаборника 1. Для судов с малыми скоростями движения площадь сечения F водозаборника имеет большее значение, и линия разделения внутреннего и внешнего контуров входной кромки расположена выше плоскости днища судна. Так, например, для судов со скоростями порядка 10-15 узлов площадь сечения и кромка расположена, как показано на фиг. 1. Для судов с большими скоростями движения площадь сечения F водозаборника имеет меньшее значение и линия разделения внутреннего и внешнего контуров входной кромки может занимать, как уже отмечалось выше, различное положение. Так, например, для судов с максимальными скоростями порядка 50 узлов

и кромка может быть расположена как на фиг. 2. Водный поток с уменьшенными гидравлическими потерями в водозаборнике 1 поступает к рабочему колесу 3, где за счет выдвижения в область входа кромки лопасти рабочего колеса 5 обеспечивается постоянная скорость натекания потока вдоль нее, что в свою очередь улучшает кавитационные свойства лопасти. Положение входной кромки закоординировано относительной величиной

где
C_r - расстояние от осевой лопасти до ее выходящей кромки на текущем радиусе, R - наружный радиус рабочего колеса.

Выполнение ступицы 4 рабочего колеса 3 с плавно увеличивающимся диаметром от d_вх до d_вых с образующей в виде вогнуто- выпуклой кривой относительно оси рабочего колеса 3, причем d_вых составляет (0,55 - 0,78) D и длина ступицы 4 составляет (0,5 - 0,6) D, позволяет совместно с лопастями плавно и равномерно увеличивать скорость водного потока с уменьшенными гидравлическими потерями за счет оптимального (по суммарной величине гидравлических потерь) соотношения потерь на трение и обусловленных диффузорностью течения.

Водный поток, пройдя спрямляющий аппарат 6, поступает в сопло 7. За счет выполнения сопла 7 с плавно уменьшающимся диаметром и образующей в виде выпукло-вогнутой кривой, идентичной образующей ступицы рабочего колеса 4, и выбора его длины (0,5 - 0,65) D, осуществляется формирование струи с минимальными гидравлическими потерями в сопле и равенством величин площадей на срезе сопла и расчетной площади струи на бесконечности, что не требует дополнительных затрат на доводку движителя.

Таким образом, КПД водометной движительной установки повышается за счет уменьшения гидравлических потерь на всех участках прохождения водного потока.

Формула изобретения

1. Водометная движительная установка, содержащая соединенные между собой водозаборник, включающий в себя приемное отверстие и канал, неподвижную обечайку, внутри которой расположено рабочее колесо, спрямляющий аппарат и сопло, причем ступица рабочего колеса установлена на приводном валу и выполнена с плавно увеличивающимся диаметром от d_вх до d_вых, где d_вх и d_вых - входной и выходной диаметры ступицы рабочего колеса, а сопло выполнено с плавно уменьшающимся диаметром от входа к выходу, отличающаяся тем, что водозаборник выполнен с постоянной в плане шириной канала, равной диаметру неподвижной обечайки, его приемное отверстие имеет прямоугольную форму в плане, свод его канала плавно сопряжен с его боковыми стенками, причем канал водозаборника во входном сечении, проведенном от начала входной кромки водозаборника перпендикулярно своду, имеет площадь
F = (0,65 - 1,2)π·D²/4,
где D - диаметр рабочего колеса,
поверхность свода канала водозаборника от приемного отверстия до сопряжения с неподвижной обечайкой выполнена вогнуто-выпуклой относительно линии днища судна, профиль входной кромки водозаборника в продольном сечении имеет форму четверти эллипса, образующая ступицы рабочего колеса от d_вх до d_вых выполнена в виде вогнуто-выпуклой кривой относительно оси рабочего колеса, при этом d_вх составляет (0,15 - 0,25)D, d_вых составляет (0,55 - 0,78)D, а длина ступицы рабочего колеса составляет (0,5-0,6)D, входящая кромка каждой лопасти рабочего колеса имеет форму выпуклой кривой, ориентированной выпуклостью в сторону водозаборника, при этом длина сопла составляет (0,5 - 0,65)D, образующая внутренней поверхности сопла выполнена выпукло- вогнутой идентично образующей ступицы рабочего колеса, а входной диаметр сопла равен диаметру неподвижной обечайки.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что линия разделения внутреннего и внешнего контуров входной кромки водозаборника расположена выше плоскости днища судна.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что линия разделения внутреннего и внешнего контуров входной кромки водозаборника расположена или выше, или на уровне, или ниже плоскости днища судна.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2