ЛЕГКОНАГРУЖЕННЫЙ ВОДОМЕТНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ
LIGHT-LOADED WATER-JET PROPELLER

Изобретение относится к области судостроения и касается разработки легконагруженных водометных движителей.
Известен водометный движитель с реверсивно-рулевым комплексом (ВДРК) (патент РФ №2205774, МПК B63H 11/08, 11/10, 11/103, 06.05.2002). В состав ВДРК входит водовод, рабочее колесо с обтекателем ступицы, установленное на валу с подшипниками, спрямляющий аппарат и реверсивно-рулевое устройство с поворотным дефлектором за соплом. За входным круговым сечением сопла его поперечные сечения имеют вытянутую в горизонтальном направлении форму. Отношение ширины к высоте вытянутых в горизонтальном направлении поперечных сечений сопла составляет 2÷10. Профиль поперечных сечений обтекателя рабочего колеса повторяет профиль поперечных сечений внутреннего контура сопла. Спрямляющий аппарат образован стенками сопла, обтекателем и профилированными стойками.
Указанный ВДРК наиболее близок к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату, поэтому принят за прототип. Вместе с тем, он имеет ряд недостатков, к которым следует отнести: большие вес и габариты конструкции реверсивно-рулевого устройства; при работе ВДРК на стоповом режиме реверсивная заслонка направляет поток воды вперед вниз, что может приводить к размыву дна водоема, в результате чего может происходить всплытие затопленных предметов; наличие выступающих частей в тракте водовода за рабочим колесом (спрямляющие лопатки, рули) может привести к застреванию на их кромках попавших в движитель предметов (обрывки кабелей, тросов, рыболовных сетей, водорослей и т.д.), в результате засорения гидравлического сечения может возникнуть аварийная ситуация.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в:
- упрощении конструкции водометного движителя из-за отсутствия реверсивно-рулевого устройства;
- повышении эффективности движителя и уменьшении потребной мощности главного двигателя судна;
- повышении технологичности и экологической чистоты водометного движителя.
Для достижения упомянутого технического результата предлагается легконагруженный водометный движитель, состоящий из рабочего колеса, спрямляющего аппарата, водовода, выполненного в виде кольцевого крыла с цилиндрической или конической внутренней поверхностью и центрального тела, образованного носовым обтекателем ступицы рабочего колеса, ступицей рабочего колеса, ступицей спрямляющего аппарата и обтекателем ступицы спрямляющего аппарата.
Рабочее колесо может иметь фиксированный или регулируемый шаг (угол установки) лопастной системы.
Диаметр центрального тела переменен по его длине и имеет максимальную величину на кормовом срезе водовода.
Водовод выполнен в виде кольцевого крыла, образованного вращением плоского крылового профиля вокруг оси движителя с углом установки хорды профиля относительно этой оси в диапазоне от 0° до 17°. Осевая протяженность водовода составляет 0,6-1,0 диаметра рабочего колеса.
Внутренний водопроточный канал образован внутренней поверхностью водовода и поверхностями ступиц рабочего колеса и спрямляющего аппарата и имеет кольцевую форму поперечных сечений, площадь которых уменьшается вдоль оси движителя от носа к корме за счет увеличения диаметра упомянутых ступиц. Выходное отверстие водовода расположено непосредственно за выходящими кромками лопастной системы спрямляющего аппарата, в области кормового среза ступицы, за которой установлен обтекатель.
Применение рабочего колеса с регулируемым шагом (углом установки) лопастной системы позволяет обеспечить быстрое реверсирование движения, а следовательно, уменьшить время реверсирования по сравнению с рабочим колесом фиксированного шага.
Применение водовода, представляющего собой кольцо с длиной хорды сечения от 0,6 до 1,0 диаметра рабочего колеса, позволяет существенно снизить потери на обтекание за счет его малых размеров.
Применение центрального тела с переменным диаметром по его длине, а также расположение выходного отверстия кольцевого канала непосредственно за выходящими кромками лопастной системы спрямляющего аппарата, в районе конца ступицы и установка за ней обтекателя обеспечивают наиболее высокие пропульсивные качества для водометного движителя, тем самым позволяют увеличить КПД движителя и решает задачу уменьшения потребной мощности.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображен вариант исполнения легконагруженного водометного движителя и результаты испытаний.
На Фиг.1 изображена схема легконагруженного водометного движителя. На Фиг.2 изображен график зависимости коэффициента полезного действия легконагруженного водометного движителя в свободной воде от его поступи. На Фиг.3 изображен график зависимости потребной мощности Ps от скорости хода Vs судна для различных типов движительно-рулевого комплекса.
Рабочее колесо 2 правого или левого вращения имеет диаметр D, диаметр ступицы Dct больше или равен половине D, длина лопастей меньше или равна 0,25 D. Рабочее колесо 2 вращается внутри водовода 3 с внутренней цилиндрической или конической поверхностью и диаметром Dв, равным 1,01 D. Длина водовода 3 может составлять от 0,6 до 1,0 D. Перед рабочим колесом 2 расположен обтекатель рабочего колеса 1, к которому подведен гребной вал 6. Водовод 3 в продольном сечении выполнен в виде крыльевого профиля с максимальной толщиной порядка 0,05 D, верхняя часть водовода 3 закреплена на корпусе судна 7.
За рабочим колесом 2 правого (левого) вращения располагается неподвижный спрямляющий аппарат 4 левого (правого) направления, имеющий лопасти, соединенные с кольцом водовода 3. Диаметр ступицы спрямляющего аппарата увеличивается от носовой плоскости к кормовой плоскости, причем диаметр ступицы Dст в ее носовой плоскости составляет порядка 0,5 D. Длина лопастей спрямляющего аппарата в его кормовой плоскости составляет порядка 0,15 D. В данном движительном комплексе вода течет в кольцевом зазоре шириной 0,25 D на входе в легконагруженный водометный движитель и порядка 0,15 D на выходе из него. За спрямляющим аппаратом располагается обтекатель спрямляющего аппарата 5, с плавно уменьшающимся диаметром, имеющим значительную протяженность порядка 0,7D.
Наиболее высокие пропульсивные качества достигаются, если отношение площади кольцевого зазора на выходе водопроточного канала к площади кольцевого зазора на его входе составляет от 0,5 до 0,8 при диаметре ступицы рабочего колеса 0,4-0,6 от внутреннего диаметра водовода Dв, причем Dв составляет 1,01 диаметра рабочего колеса D.
Легконагруженный водометный движитель обеспечивает движение судна с разными скоростями на переднем ходу и реверсирование движения. При работе движителя поток воды сначала проходит через рабочее колесо, к которому осуществляется подвод энергии, а затем спрямляется, проходя через спрямляющий аппарат, и отбрасывается в виде струи, поджатой в спрямляющем аппарате. Для реверсирования судна в легконагруженном водометном движителе меняется направление вращения рабочего колеса или регулируется шаг лопастной системы рабочего колеса, при этом поток воды принимает обратное направление - сначала вода проходит через спрямляющий аппарат, а потом попадает в рабочее колесо. На любом режиме работы движителя при обтекании вращающегося рабочего колеса создается упор рабочего колеса и тяга движителя.
Предполагаемый технический эффект легконагруженного водометного движителя основан на результатах модельных испытаний, приведенных на Фиг.3 (график зависимости потребной мощности Ps от скорости хода Vs судна для различных типов движительно-рулевого комплекса).
Результаты испытаний показывают, что наиболее эффективным для грузопассажирского судна является установка легконагруженных водометных движителей. Так,для достижения скорости хода примерно 33 узла потребная мощность двигателей Ps составляет:
- 35766.6 кВт при установке двух ВДРК,
- 33764.4 кВт при установке двух легконагруженных водометных движителей, что на 5% ниже, чем при установке ВДРК.