РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ВОДОМЕТНОГО ДВИЖИТЕЛЯ

Полезная модель относится преимущественно к судостроению, в частности к судовым водометным движителям с насосами осевого типа, выбросом реактивной струи в атмосферу. Область применения - водометные движители быстроходных глиссирующих судов служебно-разъездного назначения, либо судов используемых в рекреационных (для отдыха, туризма, спорта) целях, наиболее актуальны там, где перед быстроходным малым судном стоит задача беспрепятственно двигаться по мелководью, либо обеспечить необходимую безопасность при проведении спасательных работ.
Известен водометный движитель по патенту№ 2357891 (B 63H 11/08, оп. 10.06.2009, БИ № 16), содержащий рабочее колесо, консольно расположенное на приводном валу и размещенное в цилиндрической насадке, и имеющее за счет этого существенные эксплуатационные преимущества перед классической схемой.
Однако для данного технического решения высокоэффективные рабочие колеса оседиагонального типа ранее известны не были.
Наиболее близкими к заявляемой полезной модели являются рабочие колеса компании "СВК-Борус", предназначенные для работы в одноступенчатых осевых насосах водометных движителей при достаточно высокой частоте вращения приводного вала (https://svk-borus.ru/catalog/impellery-180-mm/325/).
Однако их область применения ограничена водометными движителями, имеющими классическую компоновку подшипниковых узлов гребного вала, упрощенную профилировку лопастной системы, обусловленную технологическим процессом производства и, как следствие, меньший коэффициент полезного действия.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение коэффициента полезного действия рабочего колеса водометного движителя.
Указанный технический результат достигается рабочим колесом водометного движителя, включающим ступицу, лопасти, образующие однорядную лопастную систему, ступица имеет развитую окружность со стороны входных кромок лопастей и параболический профиль по направлению потока, лопасти выполнены с шагом, изменяющимся в радиальном направлении, обладают авиационным крыловым профилем и установлены оседиагонально, при этом переменное сечение от корня лопасти выполнено убывающим к периферии лопасти.
Предлагаемое рабочее колесо имеет оседиагональную однорядную лопастную систему, что позволяет в сочетании с профилировкой лопастей и ступицы, обеспечивающей “диагональный” характер течения жидкости в однорядной лопастной системе, получить улучшенные кавитационные и напорные характеристики рабочего колеса.
При разработке рабочего колеса водометного движителя учтены основные проблемы профилирования его лопастей, обусловленные с одной стороны сложностью проектирования и расчетов их геометрических параметров, зависящих от многочисленных сопутствующих факторов, таких как профили водоводных каналов, неравномерность полей скоростей и давлений в зоне рабочего колеса, влияния газовой фазы, наличия кавитационных зон и вихреобразований в рабочем процессе, с другой стороны - нелинейной зависимостью располагаемых мощностных характеристик двигателей внутреннего сгорания от частоты вращения приводного вала. Внешние характеристики современных малолитражных автомобильных двигателей предполагают максимальные мощности на значительных частотах вращения, что ставит особые требования к вопросу «отдаления» начала кавитации. Классически этот вопрос было принято решать для осевых насосов установкой на одном валу последовательно двух осевых насосов со спрямляющими аппаратами. При этом первая ступень насоса проектируется малонагруженной с целью обеспечения повышенных кавитационных качеств, а вторая - несущей основную нагрузку. Двухступенчатые конструкции применяются и в том случае, когда в одной ступени не удается реализовать необходимую величину напора. Недостатком двухступенчатой схемы водометного движителя является сложность конструкции движителя, существенное удорожание ухудшение его ремонтопригодности и живучести.
На прилагаемой фиг. 1 представлено рабочее колесо, состоящее из ступицы 1, имеющей параболический профиль по направлению потока, и четырех лопастей 2, образующих оседиагональную однорядную лопастную систему. Ступица 1 имеет развитую окружность со стороны входных кромок лопастей 2, что обеспечивает возможность применения рабочего колеса в потоке за подшипниковым узлом приводного вала при консольном его расположении, при этом в классической схеме расположения опор приводного вала может быть дополнительно установлен конический обтекатель (на рисунке не показаны). Параболический профиль ступицы 1, расширяющейся по потоку, обеспечивает “диагональный” характер течения в однорядной лопастной системе. Лопасти 2 имеют шаг, изменяющийся в радиальном направлении, и переменное сечение от корня лопасти 2, убывающее к ее периферии. С целью улучшения кавитационных характеристик лопасти 2 имеют авиационный крыловой профиль в отличие от традиционно применяемых сегментных профилей.
Расчет параметров рабочего колеса водометного движителя является сложной экспериментально-теоретической задачей. Необходимо исследование влияния на рабочий процесс комплекса геометрических и режимных параметров проектируемого рабочего колеса. Теоретическому расчету характеристики и геометрические параметры рабочего колеса поддаются лишь в узком диапазоне режимов и такие расчеты достаточно трудоемки. Для проведения физических экспериментов был отработан процесс быстрого получения высокоточных образцов рабочих колес. Применение технологий быстрого прототипирования для физических экспериментов в сочетании методами вычислительной гидродинамики и применением программного обеспечения AnsysFluent для моделирования лопаточных машин, позволяющего в отличие от физических экспериментов получать более подробную информацию о рабочем процессе в любой точке расчетной области, исследовать экстремальные режимы течения потока, производить визуализацию потоков частиц, позволило существенно сократить сроки получения необходимых результатов.
При построении математической 3D-модели рабочего колеса были приняты следующие основные допущения:
- не учитывался радиальный зазор по торцам лопастей рабочего колеса;
- не учитывались гидравлические потери водозаборника;
- не учитывалась неравномерность поля скоростей потока на входе в рабочее колесо
- учет кавитации произведен на основе рекомендаций для аналогичных условий рабочего процесса.
Приняты основные базовые геометрические параметры:
- наружный диаметр рабочего колеса постоянный, D=200 мм;
- количество рабочих лопаток zрк=4;
- диаметр ступицы на входе dвх=72 мм;
- диаметр ступицы на выходе dвых=89 мм;
- осевая длина рабочего колеса Lрк=90 мм;
- количество лопаток спрямляющего аппарата Zса=5;
- диаметр выходного сечения сопла d = 125 мм.
Варьируемыми параметрами приняты:
- профиль лопатки;
- изменение шага в радиальном направлении H=130 -210 мм.
3
Расчеты проводились для стандартных атмосферных условий внешней среды, давление принято p= 101325 Па, Т= 288 К, плотность жидкости р=1000 кг/м, вязкость 0,001 Па·с.
Предлагаемый в данной полезной модели авиационный крыловой профиль оседиагональной однорядной лопастной системы рабочего колеса получен на основании проведенных исследований с помощью численного моделирования и физических экспериментов, и показал наилучшую эффективность. Именно рабочее колесо водометного движителя, согласованное по своим параметрам с внешними характеристиками ДВС, решающим образом определяет эффективность, главные потребительские свойства и конкурентоспособность всей силовой установки, а нередко и маломерного судна в целом.
Предлагаемая полезная модель не ограничивается технологическими возможностями производства, что позволяет решить те же задачи при использовании одноступенчатого водометного движителя вместо многоступенчатого, тем самым решающим образом упрощая конструкцию и повышая эффективность движителя в целом.