ТРАНСЗВУКОВОЙ ВОДОМЕТНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ СУДНА
TRANSONIC WATER-JET VESSEL PROPULSOR

Изобретение относится к судостроению, а именно к водометным движителям судов и других плавсредств. Направлено, в первую очередь, на снижение расхода энергии для движения судна.
Известны водометные движители [1]. В общем случае они содержат водовод с входным и выходным отверстием, ускоритель потока воды (насос или гребной винт) и спрямляющий аппарат или без него. Недостатки аналога - большие гидродинамические потери и, как следствие, низкий по сравнению с гребным винтом коэффициент полезного действия, большой расход энергии на работу движителя, во многих случаях нерентабельность его использования.
Известны водометные движители или вставки-водоводы водометных движителей [2-5] с повышенными значениями тяги и КПД за счет рационального изменения поперечных сечений водовода и/или размещения в нем хорошо обтекаемых тел с высоким гидродинамическим качеством.
Недостаток модифицированных таким образом водометных движителей состоит в сравнительно большой трате энергии для работы движителя.
Известен ускоритель потока жидкости, содержащий, по меньшей мере, два сопла на одной оси, при этом, по меньшей мере, одно сопло соосно введено в следующее по ходу движения текучей среды сопло с образованием между соплами полости, причем не менее чем одна полость сообщена с устройствами подачи и отсоса текучей среды, по меньшей мере, в одной полости размещены средства ионизации текучей среды, причем в полости с устройствами подачи и отсоса текучей среды размещены электроды для осуществления электрогидравлических ударов в текучей среде, которые соединены с выходами блока формирования электрогидравлических ударов в текучей среде [5].
Недостатком этого ускорителя текучей среды является применение искрового электрогидравлического удара в жидкости и блока формирования электрогидравлических ударов в текучей среде [6], которые создают сильные импульсные электромагнитные помехи для окружающей электронной аппаратуры и таким образом либо существенно ограничивают область использования ускорителя, либо приводят к нерациональным затратам на изготовление для ускорителя средств защиты от электромагнитные помех.
Технический результат изобретения состоит в разработке конструкции водометного движителя с ускорителем потока жидкости, не создающим импульсные электромагнитные помехи, обладающим электромагнитной совместимостью с окружающей электронной аппаратурой и позволяющим при этом существенно снизить расход углеводородного топлива, а также повысить КПД движителя.
Технический результат достигается тем, что в водометном движителе судна, содержащем входной водовод, выход которого соединен с входом ускорителя потока текучей среды, выход которого соединен с входом выходного водовода, при этом ускоритель потока текучей среды содержит, по крайней мере, два сопла на одной оси, причем, по меньшей мере, одно сопло введено в следующее по ходу движения текучей среды сопло с образованием между соплами полости и, по меньшей мере, во всех полостях установлены датчики давления, а во входном и выходном соплах - датчики скорости, ускоритель выполнен с возможностью образования смеси воды и газов в зоне между соседними соплами.
Смесь воды и газов в зоне между соседними соплами создается за счет того, что сборка из двух соседних сопел выполнена в виде газожидкостного струйного аппарата, при этом первое по ходу движения текучей среды сопло выполняет функции активного сопла с входным сужающимся и выходным расширяющимся участками, полость в сборке между двумя соседними соплами образует приемную камеру с отверстием для подвода жидкой или газообразной среды, а пространство между выходным сечением первого сопла и выходным сечением второго по ходу движения текучей среды сопла выполняет функции камеры смешения, причем выходное сечение первого сопла превышает минимальное проходное сечение второго сопла.
Выполнение сборки из двух соседних сопел ускорителя в виде газожидкостного струйного аппарата позволяет в камере смешения между сечениями сопел создать двухфазную газожидкостную смесь из пузырьков газа и жидкости (воды). При движении этой смеси по ходу движения текучей среды к выходному сечению второго сопла, сужающемуся по ходу движения текучей среды в виде двухфазной газожидкостной смеси, эта смесь сжимается, происходит кавитация пузырьков в выходном сечении второго сопла с выделением дополнительной энергии. При этом двухфазный поток превращается в практически однофазный жидкостной поток, в котором могут присутствовать только мелкие газовые пузырьки, а за выходным сечением второго сопла резко возрастают давление и напор струи жидкости (воды), что позволяет протолкнуть струю текучей среды (воды) в ускорителе далее в следующие по ходу движения текучей среды сопла и обеспечить таким образом процесс работы ускорителя потока жидкости водомета в автономном режиме.
Таким образом, путем выполнения ускорителя с возможностью образования смеси воды и газов в зоне между соседними соплами, в частности, выполнения сборки из двух соседних сопел ускорителя в виде газожидкостного струйного аппарата описанным выше образом, удалось добиться выполнения поставленной в изобретении задачи - устранения импульсных электромагнитных помех, обеспечить электромагнитную совместимость ускорителя потока жидкости с электронными устройствами, при этом существенно снизить расход углеводородного топлива, а также повысить КПД движителя.
Конструкция ускорителя рассчитывается на задаваемую максимальную скорость потока на его выходе. При этом меньшие значения скорости получают путем варьирования величины вакуума в полостях с помощью устройств подачи и отсоса текучей среды, за счет давления газа в полости сборки из двух соседних сопел.
Схематически предлагаемое изобретение изображено на фиг.1. Трансзвуковой водометный движитель судна (фиг.1) состоит из входного водовода 1 с входным 2 и выходным 3 отверстием и ускорителя 4 потока текучей среды 5, а также выходного водовода б.
Ускоритель 4 потока текучей среды 5 (в общем случае смесь воды и газов) содержит размещенные соосно сопло 7 с входным сечением 8, выходным сечением 9 и критическим сечением 10, сопло 11 с критическим сечением 12 и полость 13 между этими соплами. Пространство между выходным сечением 9 и критическим сечением 12 сопла 11 образует камеру 14 смешения. Далее по ходу движения текучей среды следуют сопло Лаваля Л1 с критическим сечением 15, образованное соплами 16 и 17, а также сопло Лаваля Л2 с критическим сечением 18, образованное соплом 19 и соплом водовода 6. Между соплами 11 и 16 имеется полость 21, между соплами Лаваля Л1 и Л2 полость 22. При этом сопла 11 и 16, а также 16 и 17, 17 и 19 соединены между собой герметично. К полостям 21 и 22 подсоединены устройства 23 отсоса, подачи текучей среды внутрь этих полостей, а также контроля давления газа в них. Датчик измерения скорости движения потока текучей среды 5 на входе ускорителя 4, входное сечение 8, датчик измерения скорости движения потока текучей среды 5 на выходе ускорителя 4, выходное сечение 18, и блок управления работой ускорителя 4 на фигуре не показаны. Все сопла ускорителя 4 размещены в корпусе 24. Полость 13 в сборке между двумя соседними соплами 7 и 11 образует приемную камеру с отверстием для подвода газообразной среды 25 через патрубок 26. Блок 27 контролирует величину давления газообразной среды 25, поступающей в полость 13. Сопло 7 выполняет функции активного сопла с входным сужающимся 28 и выходным расширяющимся 29 участками.
Устройство работает следующим образом.
0
0
При работе водометного движителя судна вначале его ускоритель 4 соединяют с забортной водой через входной водовод 1. Далее под небольшим давлением, например, 1 атм, воду закачивают в сопло 7, в котором она при пересечении критического сечения 10 разгоняется в расширяющемся участке 29. Одновременно через патрубок 26 в полость 13 закачивают газ, например, воздух или водяной пар, под давлением в интервале от 1 атм до 10 атм. Поток газа взаимодействует с разогнанным в сопле 7 потоком воды, что приводит к образованию в пространстве 14 (камера смешения) двухфазной газожидкостной смеси пузырьков газа в воде. При движении двухфазной газожидкостной смеси в сужающемся сопле 11 эта смесь сжимается, кавитационные пузырьки охлопываются, излучая при этом в сечении 12 дополнительную энергию ударной волны, что приводит к резкому скачку давления в струе воды и напору ее за сечением 12. При необходимости, с помощью блоков 23 производят отсос (подачу) текучей среды в полости 21 и 22. Когда скорость потока текучей среды (вода и газы), идущей из полости 14, с учетом эжектируемой забортной воды (через сопло 7) между сечениями 12 и 13 будет достаточной для эжекции воды из полости 21, в последней возникнет некоторое разрежение. Оно будет способствовать повышению перепада давлений между сечениями 10 и 12 и, тем самым, увеличению скорости истечения и расхода забортной воды через входное сечение 8. Это, в свою очередь, приведет к усилению вакуумирования полости 21. Аналогично происходит вакуумирование полости 22 с последовательным повышением скорости потока воды в ускорителе в конечном итоге до величины V. В режиме разгона воды в ускорителе скорость на его выходе растет, при этом затраты энергии, необходимые для разгона воды насосом, будут уменьшаться вплоть до нуля, и при скорости на выходе водовода 6 V ускоритель 4 перейдет в режим самостоятельного поддержания режима разгона струи на выходе водометного движителя судна.
Такие процессы будут происходить до тех пор, пока не перестанет повышаться степень вакуума в полостях 21 и 22. Что касается вопроса управления работой ускорителя, то возможны два варианта. Первый, когда величиной вакуума в полостях 21 и 22 не управляют, тогда скорость потока будет наибольшей при технически возможной степени вакуума (за счет самовакуумирования [8]). Второй вариант, когда, наоборот, величину вакуума назначают и поддерживают в полостях 21 и 22 искусственно, скорость потока при этом будет управляемой.
0
При установлении постоянной скорости потока V в ускорителе 4 величину давления газа 23 в полости 13 постепенно уменьшают вплоть до полного выключения. Ускоритель и движитель в целом начинают работать только за счет засасывания в сопла 21 и 22 текучей среды (забортной воды) через отверстие 3 вакуумом этих полостей. При вакуумировании полостей 21 и 22 в выходном сопле 6 возникнет устойчивый реактивный поток текучей среды (в основном воды), создающий силу тяги судна. Насос или другое внешнее устройство для разгона текучей среды 5 в ускорителе 4, если оно использовалось, отключают.
Регулировка скорости (мощности) потока текучей среды на выходе из движителя (ускорителя) в реальном времени производится путем управления величиной вакуума в полостях 13, 21, 22. Для этого предусмотрены устройства 23 для отсоса текучей среды (газов, например воздуха) и подачи (впрыскивании) текучей среды (воды, воздуха). Для управления работой ускорителя используются показания датчиков давления, размещенных в полостях, датчиков скорости потока на выходе и входе из ускорителя, а также показания устройств 22, поступающие в блок управления работой ускорителя.
Затраты энергии на работу ускорителя сравнительно небольшие. Энергия расходуется на первоначальный разгон текучей среды внутри ускорителя до заданной скорости, компенсацию гидравлических потерь на трение и др. Кроме этого, энергия расходуется на работу механизмов, обеспечивающих давление газа 25 в полости 13, а также работу устройств 23, 27. Поддержание же задаваемой скорости струи на выходе движителя осуществляется, главным образом, за счет вакуума в полостях 21, 22 ускорителя 4.
Технический результат изобретения - устранение импульсных электромагнитных помех, обеспечение электромагнитной совместимости ускорителя 4 потока жидкости с электронными устройствами, при этом существенное снижение затрат энергии на движение судна (не менее 70-80%), следовательно, возможность увеличить скорость хода и/или дальность плавания, снизить запасы топлива, повысить КПД движителя.
Источники информации
1. Куликов С.В., Храмкин М.Ф. Водометные движители (теория и расчет). - 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Судостроение, 1980. - 312 с. (с.11).
2. Патент РФ №2240951, опубл. 2004 г.
3. Патент РФ №2247058, опубл. 2005 г.
4. Патент РФ №2285636, опубл. 2006 г.
5. Патент РФ №2343086, опубл.2009 г.
6. Юдкин, Электрогидравлический удар, 1986 г.
7. Е.И. Андреев, О.А. Ключарев, А.П. Смирнов, Р.А. Давиденко. Естественная энергетика. - СПб: Нестор, 2000. - 122 с.
8. Патент WO 03/25379, кл.7 F2K 7/00, опубл. 2003 г.