Водометні рушії

24



Ідея створення водометних рушіїв виникла ще в XVII столітті, але отримала досить широке поширення у другій половині XIX століття, коли стала успішно конкурувати з іншими типами рушіїв. У цей же період були закладені основи теорії водометних рушіїв.
Великий внесок у цю теорію вніс російський вчений Н. Е. Жуковський, який вперше записав вираз для тяги водометного рушія в сучасному вигляді. Справа в тому, що раніше використовувалося вираження, справедливе тільки для ракетного рушія. Проте вже до кінця сторіччя стало ясно, що по ефективності водомети поступаються гребним гвинтам. Відносно низький коефіцієнт корисної дії водометних рушіїв зумовив їх застосування в тих випадках, коли специфічні особливості цих рушіїв, можливість розміщення всередині корпусу і захищеність від ударів про плаваючі предмети робочого колеса, відігравали визначальну роль.

Ці особливості найбільш чітко проявляються на річкових суднах, що експлуатуються на малих річках, як правило, мілководних, мають велике транспортне значення. Починаючи з 50-х років минулого століття для таких річок в Радянському Союзі будувався великий транспортний флот, на суднах якого широко застосовувались водометні рушії. Це були буксири, невеликі танкери, суховантажні і пасажирські судна, потужністю, що не перевищує 700 л. с., але будували ці кораблі великими серіями. Наприклад, пасажирські судна типу «Зоря» було побудовано більше 300 одиниць.

теплохід типу «Зоря» проекту 946 з водометним рушієм


Більш потужні водометні рушії почали використовуватися на суднах з підводними крилами, гребні гвинти яких в умовах косого потоку піддавалися ерозії. Крім того, при великих швидкостях кавітація гребних гвинтів приводила до падіння ККД, і їх переваги за цим параметром порівняно з водометним рушієм зменшувалися. У 1962 році почалося будівництво скегового судна на повітряній подушці (скега — жорсткі бортові занурені у воду огорожі) типу «Чайка» з водометним рушієм потужністю 1230 л. с., що забезпечує судну швидкість до 95 км/год.

Найбільшим кораблем серед скеговых судів обладнаним водометним рушієм, є «Буревісник», збудований у 1964 році. Він був обладнаний двома водометними рушіями потужністю близько 2700 л. с. на валу і розвивав швидкість до 95 км/год.

Всі водометні рушії суден такого типу мали статичні водозабірники з щілинним парканом, витягнутим уздовж судна і осьові насоси. На відміну від річкового судна «Чайка», що має в якості головного двигуна дизель, на судні «Буревісник» були застосовані конвертовані авіаційні газові турбіни. Саме тому дане відмінне за експлуатаційними характеристиками судно було побудовано в єдиному екземплярі. Радянський річковий флот не мав необхідної ремонтною базою для обслуговування таких двигунів.

скеговое судно на повітряній подушці типу «Чайка»


пасажирський газотурбоход на підводних крилах типу «Буревісник» проекту 1708


Наступним етапом розвитку водометних рушіїв був пов’язаний з військово-морським флотом СРСР. У 1956 році почалося проектування протичовнового корабля водотоннажністю близько 400 тонн, який повинен був розвивати швидкість понад 30 вузлів. В цей період в країні не було дизелів, агрегатна потужність яких забезпечувала б подібну швидкість при двовальною установці. У зв’язку з цим було прийнято рішення створити оригінальний двоступінчастий водомет, перша ступінь якого мала б осьовий насос, що приводиться в обертання дизелем потужністю близько 4000 л. с., а прискорення потоку у другий щаблі здійснювалося за рахунок подачі повітря від компресора з приводом від газової турбіни потужністю 17500 л. с.

схема двоступінчастого водометного рушія


Був побудований і корабель з таким рушієм. На економічних ходах працювала лише перша сходинка, а на повних ходах, коли сумарна потужність на валу сягала 21700 л. с., використовувалися обидві ступені.

корабель з двоступінчастим водометним рушієм


Слід зазначити, що для першої ступені валопроводу ККД мало значення близько 0,98, то для другої ступені він становив приблизно 0,5. В результаті загальний коефіцієнт пропульсивної установки на повному ходу не перевищував 0,35.

Незважаючи на низьку ефективність, відсутність іншого технічного рішення призвело до того, що всього було побудовано 63 корабля, які експлуатувалися в ВМФ СРСР, Болгарії і Румунії. Однак подальшого застосування ці рушії, що отримали назву газоводометных, не отримали.
У зв’язку з розвитком в 70-х роках минулого століття кораблів з динамічними принципами підтримки були розгорнуті роботи по створенню водометних рушіїв скеговых кораблів на повітряній подушці. У цей період були спроектовані і будувалися серійно скеговые пасажирські судна на повітряній подушці за трьома проектами: «Зірниця», «Оріон» і «Чайка».

Судно на повітряній подушці «Зірниця» призначалася для перевезення 48 пасажирів зі швидкістю 20 вузлів на малих річках. Всього було побудовано більше 100 таких судів.

Судна на повітряній подушці «Оріон» і «Чайка» були розраховані на 80 пасажирів, причому перше судно з них призначалося для експлуатації на річках, а друге було морським судном прибережного плавання. Кожне з них оборудовалось двома водометними рушіями потужністю близько 544 к. с. і розвивало швидкість 25-27 вузлів.

Накопичений досвід дозволив перейти до створення обладнаних водометами кораблів на повітряній подушці для військово-морського флоту СРСР. На першому етапі був побудований опытовый корабель водотоннажністю 100 тонн.

опытовый корабель з двома водометними рушіями


Корабель був обладнаний двома водометними рушіями, розрахованими на потужність 3000 л. с. і встановленими в скегах. На випробуваннях була досягнута швидкість 32 вузла.

водомет з реверсивним пристроєм


Успішні випробування цього корабля дозволили перейти до проектування движительного комплексу великого протичовнового корабля на скегах водотоннажністю близько 2000 тонн, обладнаного двома водометними рушіями, розрахованими на потужність приблизно 40800 л. с. Натурний водомет був виготовлений, однак у зв’язку з скороченням програми суднобудування корабель до кінця побудувати не вдалося.

В період з 1965 по 1975 роки в Радянському Союзі були створені найбільш швидкохідні суду і найбільші в світі кораблі на глубокопогруженных підводних крилах. Вони мали в якості головних рушіїв кутові колонки потужністю 17680 л. с. Однак ці колонки мають досить складну конструкцію, дороги і недостатньо надійні. Тому були розгорнуті роботи по створенню водометних движительных комплексів для суден на підводних крилах.

Оскільки ці кораблі були розраховані на максимальну мореходность 5-6 балів, для зменшення ймовірності прориву повітря до насосів передбачалося застосувати полнонапорные водозабірники. Для цих водозабірників дуже важливо вибрати оптимальну профілювання в районі вхідного отвору, оскільки в процесі розгону, особливо в умовах хвилювання, характерно наявність значного «горба» опору. Співвідношення між швидкістю ходу і швидкістю у вхідній ділянці водозабірника змінюється в широких межах. Щоб уникнути збільшення гідравлічного опору на вході і можливого виникнення кавітації водозабірника можна застосовувати регульовані водозабірники. У зв’язку з цим була розроблена оригінальна конструкція двухрежимного водозабірника, що має поряд з основним вхідним отвором в напірній частині два додаткові отвори в бічних стінках.

схема дії двухрежимного водозабірника


В процесі розгону ці отвори знаходяться нижче ватерлінії, і через них здійснюється додаткове надходження води. Після підйому корабля на крила отвори виходять з води. Щоб уникнути прососа повітря через ці отвори канал водозабірника профілюється так, щоб внутрішній тиск в районі отвори було дорівнює атмосферному тиску. В цілому водозаборник проектується таким чином, щоб у всьому діапазоні швидкостей співвідношення між швидкостями всередині вхідного ділянки і поза водозабірника зберігалося за можливості незмінним, що дозволяє раціонально проектувати форму стінок вхідного ділянки водозабірника.

З метою перевірки ефективності запропонованої конструкції водомет з таким водозабірником був встановлений на пасажирському катері «Невка», випробування якого підтвердили його працездатність.

пасажирський катер «Невка»


У 80-х роках почалося проектування ще більш великого судна на повітряній подушці водотоннажністю близько 600 тонн з двома двигунами потужністю близько 40000 л. с. і водометним рушієм. Враховуючи відповідальність проекту, була побудована модель водотоннажністю близько 5 тонн з водометно-крыльевым комплексом.

Випробування на відкритому водоймищі показали високу ефективність крыльевого і движительного комплексу, що дозволило розробити проект корабля. Однак через брак фінансування роботи з його створення були припинені.

Проблема роботи водометного рушія, насос якого проривається повітря стала особливо гострою після створення судів з каверною на днище, з хвостової частини якої повітря потрапляє в район водозабірного отвори водомети.

У зв’язку з цим була сформульована ідея водометного рушія, що працює в умовах безперервної подачі повітря на робоче колесо. Такий рушій отримав назву вентильованого водомети. Робоче колесо водометного рушія має суперкавитирующую лопатеву систему, причому на робочому режимі повітря надходить на колесо з боку струменя, що викидається в атмосферу.
Водомет не має конічного сопла, поджатие струменя здійснюється за рахунок каверн формуються на лопатях. Оскільки за рахунок надходження атмосферного повітря число кавітації практично завжди дорівнює нулю, товщина каверн від швидкості ходу не залежить, і безрозмірні характеристики робочого колеса зберігаються постійними і незалежно від швидкості. В початковому режимі роботи рушія робоче колесо повністю або частково розташовується нижче ватерлінії.

модель катери на підводних крилах з водометним рушієм


Модельні випробування показали, що на робочому режимі коефіцієнт корисної дії водометного рушія при малих навантаженнях може бути вище ККД традиційного водомети і досягати 0,6-0,7. Вентильований водомет був випробуваний на згадуваному вище скеговом кораблі на повітряній подушці, який розвинув з цим рушієм швидкість 34 сайту. Конструктивно такий рушій істотно простіше традиційного водомети, при його використанні для управління кораблем використовуються розташовані поза струменя рулі, а реверс здійснюється за рахунок зміни напрямку обертання робочого колеса. У зв’язку з цим вентильовані водомети вимагають застосування реверсивних двигунів.

десантний корабель з каверною на днище


Подібними водометними рушіями була обладнана серія десантних кораблів з каверною на днище, які показали хороші експлуатаційні якості. Проблеми виникають у випадку встановлення таких рушіїв на суднах з вираженим «горбом» опору. В даний час можливості вдосконалення таких рушіїв повністю не вичерпані. Зокрема, для суден на підводних крилах запропонована схема так званого двоконтурного водометного рушія.

В даний час водомет традиційної конструкції успішно експлуатуються на кораблях і судах різних типів. Однак цим водометам притаманні деякі недоліки, основними з яких є високі масогабаритні характеристики і складність конструкції робочих коліс і реверсивно-рульових пристроїв. Як наслідок цього, для їх виготовлення потрібно спеціалізоване високотехнологічне виробництво, а вартість їх порівнянна з вартістю двигунів. Крім того, у разі кавітації і попадання повітря в робоче колесо тягові характеристики водометного рушія істотно погіршуються. Для часткового подолання цих недоліків розроблена конструкція малогабаритного водометного рушія, основною конструктивною особливістю якого є відмова від традиційної кругової форми выбросного сопла і многолопастного спрямляющего апарату за робочим колесом, що дозволило знизити габарит водомети на 30 відсотків.

малогабаритний водомет


Малогабаритний водомет має подовжену в поперечному напрямку сопло прямокутної форми і пару рулів, частково перетинають сопло, які забезпечують хорошу керованість на передньому ходу і реверсивно-рульове пристрій, спеціально розроблене для водомети такої конструкції.

Модельні випробування показали, що запропонована конструкція водометного рушія забезпечує пропульсивний коефіцієнт 0,60, причому кавітація, яка може виникнути в процесі розгону, не призводить до значного зниження тягових характеристик рушія.

Малі габарити і конструкція реверсивно-рульового пристрою дозволяють опустити вісь робочого колеса так, що водомет частково висувається під корпусом. При такій компоновці знижується об’єм води всередині корпусу судна, що веде до підвищення ефективності комплексу.

У 2003 році малогабаритний водомет був вперше продемонстрований на катері «Атлас». Він пройшов випробування на різних режимах, включаючи досить складні. Зараз можна з упевненістю сказати, що всі питання, що виникли при випробуваннях, зняті, і водомет готовий до впровадження. Планується, що подібні водометні рушії внаслідок своєї низької вартості знайдуть широке застосування на малих суднах для туризму і річкових прогулянок. Технологічність їх виготовлення, малі габарити, простота і надійність дають підставу вважати, що все це може компенсувати певне зниження ефективності, і подібні водометні рушії знайдуть застосування і на великих кораблях.

Крім російських суднобудівників розробкою водометних рушіїв досить успішно займається британська фірма «KaMeWa», дочірнє підприємство компанії «Rolls Royce». У її розробників є ряд плідних ідей щодо проектування робочих коліс водометів традиційної конструкції.

водомет фірми «KaMeWa»


В сучасних водометних рушіях, як правило, застосовуються три типи лопатевих систем:
— осьова лопатева система, що має постійні по довжині зовнішні діаметри імпелера, спрямляющего апарату та їх маточин. Рух води в межах лопатевої системи забезпечується за поверхонь співвісних циліндрів;
— діагональна система, що має змінні по довжині зовнішні діаметри імпелера, спрямляющего апарату та їх маточин; при цьому рух води в межах імпелера здійснюється під нахилом ліній струму від осі до периферії, у спрямляющем апараті — з нахилом від периферії до осі;
— оседиагональная система, що має постійний зовнішній діаметр імпелера і змінний по довжині діаметр маточини. Спрямляющий апарат при цьому може бути виконаний або по осьовій схемою, або по діагоналі, тобто поєднаної з соплом, з метою зниження осьового розміру водометного рушія.

Для відносно тихохідних об’єктів зазвичай краще осьові насоси, а для більш швидкохідних суден діагональні і осьоводіагональний.

Накопичений досвід і розрахункові методи дозволяють вибрати для кожного конкретного випадку оптимальну насосну систему. У цілому існуючі експериментальні установки в поєднанні з розрахунковими методами і накопиченим статистичним матеріалом дозволяють спроектувати задовольняє технічному завданню водомет для суден практично всіх типів і призначень.
AfrikaansAlbanianArabicArmenianAzerbaijanibasquebelarusianbulgariancatalanchinese (Simplified)Chinese (Traditional)CroatianCzechDanishDetect languageDutchEnglishEstonianFilipinofinnishfrenchgaliciangeorgiangermangreekhaitian CreoleHebrewHindiHungarianIcelandicindonesianirishitalianjapanesekoreanlatinlatvianlithuanianmacedonianmalaymaltesenorwegianpersianpolishportugueseromanianrussianserbianslovakslovenianspanishswahiliswedishthaiturkishukrainianurduvietnamesewelshyiddishAfrikaansAlbanianArabicArmenianAzerbaijanibasquebelarusianbulgariancatalanchinese (Simplified)Chinese (Traditional)CroatianCzechDanishDutchEnglishEstonianfilipinofinnishfrenchgaliciangeorgiangermangreekhaitian CreoleHebrewHindiHungarianIcelandicindonesianirishitalianjapanesekoreanlatinlatvianlithuanianmacedonianmalaymaltesenorwegianpersianpolishportugueseromanianrussianserbianslovakslovenianspanishswahiliswedishthaiturkishukrainianurduvietnamesewelshyiddish
English (auto-detected) » Russian