Васильев В.Ф. Водометные движители: Учебное пособие
Подождите немного. Документ загружается.
МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
В.Ф.Васильев
Водометные движители
Учебное пособие
Москва 2007
УДК 629.014.17:629.035
ББК 39.336
Васильев В.Ф. Водометные движители: Учебное пособие/ МАДИ
(ГТУ). – М., 2006. – 45 с.
Рецензенты:
Амелин В.С. канд. техн. наук, проф.;
Хмелюк П.С. канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник.
В учебном пособии изложены основы теории и расчета
водометных движителей и вопросы использования их при
проектировании подобных движителей для амфибийных машин.
Дано описание гидродинамических и конструктивных схем
водометных движителей.
Пособие предназначено для студентов конструкторско-
механического факультета МАДИ (ГТУ) и других вузов страны,
готовящих специалистов по амфибийным машинам высокой
проходимости. Пособие может быть использовано при выполнении
курсовых и дипломных проектов и может оказаться полезным для
аспирантов.
©Московский автомобильно-дорожный институт
(государственный технический университет), 2007
2
3
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время водометный движитель (ВД) признается как
несомненная альтернатива традиционным гребным винтам (ГВ).
Область применения ВД постоянно расширяется и не
ограничивается только маломерными судами, работающими на
мелководье. Потребители давно оценили простоту конструкции и
компоновки ВД, высокую маневренность и хорошие реверсивные
характеристики судов, оборудованных ВД, возможность работы при
минимальных осадках без выступающих частей, что делает ВД
незаменимым для скоростных судов и плавсредств, работающих на
мелководье.
Все возрастающий интерес к водометным движителям в нашей
стране обусловлен не только успехами отечественных
разработчиков. В значительной степени это определяется и
мировой конъюнктурой. За рубежом водометные движители также
успешно применяются. Достаточно вспомнить рекордные переходы
через Атлантику моторной яхты «Дестриеро» с тремя ВД,
способными перерабатывать суммарно мощность около 45 МВт.
Особенности конструкции ВД способствуют широкому применению
таких движителей на амфибийных машинах различного назначения.
По данным, приведенным в [1], около 40% всех плавающих машин
оборудовано водометными движителями.
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДОМЕТНОГО ДВИЖИТЕЛЯ.
ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ
К водометным движителям обычно относят движители,
содержащие водозаборник, насосное устройство, сопло и
реверсивно-рулевое устройство (РРУ). Водозаборник, камера
насосного устройства и сопло образуют водовод (водопроточный
тракт) водометного движителя.
Водозаборник предназначен для приема воды из свободного
потока и подачи ее к рабочему колесу насосного устройства с
обеспечением согласования внешнего и внутреннего течений с
минимальными гидравлическими потерями.
4
Насосное устройство, включающее, как правило, рабочее колесо
и камеру рабочего колеса, предназначено для передачи энергии
двигателя потоку, протекающему через движитель.
Сопло, преобразуя энергию за насосным устройством в
кинетическую энергию потока, формирует струю, реактивная сила
которой создает тягу движителя.
РРУ осуществляет поворот струи за соплом на угол
необходимый для обеспечения управляемости плавсредства как на
переднем, так и на заднем ходу и движения задним ходом, как
правило, без изменения направления вращения гребного вала.
По отношению к другим типам движителей ВД обладают
рядом преимуществ. Перечислим некоторые из них:
возможность работы на мелководье;
меньшая чувствительность к влиянию мелководья, течения и
волнения на водной преграде;
возможность при наличии РРУ исключения из конструкции
привода реверс-редуктора;
обеспечение при наличии РРУ высокой управляемости, в том
числе на минимальных скоростях движения;
широкие возможности в выборе компоновочных решений;
высокая энерговооруженность, обеспечивающая реализацию
больших мощностей при ограниченных массе и габаритах;
возможность существенного повышения частоты вращения
гребного вала по сравнению с винтовыми вариантами за счет более
высоких кавитационных характеристик;
хорошая защищенность от повреждений при движении по суше,
мелководью, при входе в воду и выходе из нее;
возможность использования насосного устройства в качестве
водоотливного устройства большой подачи для удаления забортной
воды из корпуса машин или в качестве пожарного насоса.
В качестве недостатков ВД по сравнению с гребными винтами в
условиях амфибийных машин следует отметить некоторое
снижение пропульсивных характеристик, более сложную и
дорогостоящую в производстве конструкцию. В ряде случаев
отмечается возможность засорения при эксплуатации в засоренных
акваториях.
5
На рис. 1- 8 приведены отдельные конструктивные схемы
движителей, как плавающих машин, так и катеров и судов
различного назначения. Эти иллюстрации не отражают всего
многообразия гидродинамических и конструктивных схем ВД, тем не
менее позволяют создать общее представление о водометных
движителях. В табл.1 указаны некоторые технические
характеристики ВД плавающих машин, приводимые в литературе
[8].
Преимущества и недостатки водометных движителей в
значительной степени определяются их конструктивным
исполнением.
2. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ
ВОДОМЕТНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ
Построение гидродинамических схем водометных движителей и
их конструктивное исполнение чрезвычайно разнообразны и
определяются как типом насосного устройства (осевые,
диагональные, оседиагональные, центробежные одностороннего и
двустороннего всасывания, одноступенчатые, двухступенчатые), так
и рядом других факторов. В частности, конструктивная схема ВД в
значительной степени определяется назначением ВД, расчетными
скоростями движения, ориентацией оси гребного вала
(расположение горизонтальное, вертикальное, вдоль или поперек
диаметральной плоскости плавсредства), вариантом расположения
ВД на плавсредстве, наличием и типом РРУ и т.д.
Рис.1. Водометный движитель с реверсивно-рулевым
устройством с каналом заднего хода
6
Таблица 1
Водометные движители плавающих машин
Рабочее
колесо
Характеристики на
швартовом режим
е
№
п/п
Тип
машины
Мощность
двигателя
N, кВт
Удельная
мощность,
кВт
Кол-
во
Диаметр,
мм
Гидравл.
сечение,
F
s
, м
2
Скорость
движения
по воде,
км/ч
Тяга,
Р
е
, кН
Частота
вращения,
об/мин
Удельная
тяга на
швартовых
Р
е
/N,
кН/кВт
Удельная
нагрузка на
швартовых
Р
е
/F
s
, кН/м
2
Удельная
мощность
N/F
s
,
кВт/ м
2
1
Объект
19
220,8 16,8 2 340* 0,181 10,0 12,1 1900 60 67,1 1220
2
БРДМ 66,2 11,8 425 0,142 8,0 - 9,0 4,4-4,9
1900-1400
71,7 32,7 466
3
БТР- 60П 132 13,5 600 0,283 9,0 – 10,0 9,8-9,9 800 75 34,8 466
4
БРДМ-2 103 14,7 500 0,196 10,0 6,9-7,0 900-1000 69 35,5 525
5
Объект
1015
132,5 2 340* 0,181
11,6-11,8
88,6 64,6 732
6
Объект
1200
220,8 16,1 2 340* 0,181 11,7 17,5 2000 108,7 96,7 1215
7
БМП-3 368 19,7 2 280 0,123 10 12,8 34,8 104,0 3000
8
БТР80 191 13,8 425 0,142 9,7
10,2-10,5
54,2 72,9 1345
9
ПТ-76 176,6 12,6 2 340 0,181 10,2
11,0-12,0
65,2 63,5 976
10
ГАЗ 59037 191 13,7 425 0,142 9,5 10,5 54,9 73,9 1347
11
Penoult-
Racoon
193 95,1 9,2 4,4 22,8
12
Aguatrak**
112,5
176,5
7,5
11,8
2 11,1
14,8
13
ПТ-90 2 9,0-9,5
12,0-12,2
14
Объект
911
220,8 18,3 10,0
12,5-12,7
57,1
15
Объект
9115
10,1
14,8-15,0
Примечания: * рабочие колеса ПТ-76;
** с круговым изменением упора.
Рис.2. Двухступенчатый водометный движитель с различной
частотой вращения первой предвключенной и второй основной
ступеней насосного агрегата
Рис.3. Двухступенчатый водометный движитель
с реверсивно-рулевым устройством
с поворотным барабаном
Рис. 4. Схема водометного движителя с угловым редуктором
1 – водозаборник с защитной решеткой; 2 – рабочее колесо; 3 – спрямляющий
аппарат; 4 – водовод; 5 – окно канала заднего хода
7
Рис.5. Водометные движители (1 – БТР «1015-Б»; 2 – БТР-60П)
Рис.6. Водометный движитель с заслонкой заднего хода
Рис.7. Водометный движитель с центробежным насосом и поворотной
улиткой. 1- днище плавсредства; 2 - корпус; 3 - поворотная улитка;
4 - механизм поворота улитки; 5 – редуктор; 6 – рабочее колесо;
7 – сопло; 8 – защитная решетка
8
Рис. 8. Водометный движитель с осевым насосом
и поворотным соплом
3. ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
ВОДОМЕТНОГО ДВИЖИТЕЛЯ
3.1. Определение тяги водометного движителя
Рассмотрим схему изолированного водометного движителя (рис. 9),
полагая, что давление в струе движителя на выходе из сопла равно
давлению на бесконечности.
Рис.9. Схема течения воды в движителе
Применяя закон количества движения, можно записать
выражение для тяги движителя
9
10
P = m(V
:
- V
o
)
, (1)
где
V
:
- скорость в струе движителя на бесконечности;
V
o
- скорость движения плавсредства.
Масса жидкости
m
на основании уравнения неразрывности
в уравнении (1) может быть вычислена как произведение
m
= ρV
i
F
i
,
(2)
где F
i
-
площадь сечения сопла;
V
i
-
скорость на выходе из сопла.
Согласно сделанному выше допущению скорость на выходе из
сопла должна быть равна скорости на бесконечности V
:
.
Справедливость этого допущения для сопла хорошо отработанной
формы в настоящее время подтверждена экспериментально. Тогда
можно принять, что V
i
= V
:
,
и привести уравнение (1) к виду
P = m(V
i
- V
o
) или
P = ρQ(V
i
- V
o
),
(3)
учитывая, что на основании уравнения неразрывности потока для
любого j –того сечения в водопроточном тракте можно записать
m
= ρV
j
F
j
= ρQ, (4)
где Q – объемный расход жидкости через водометный движитель.
Рассмотрим течение жидкости внутри водометной трубы и
найдем, используя уравнения Бернулли, выражение для перепада
давлений на рабочем колесе насоса. Для участка линии тока от
точки на бесконечности перед движителем до сечения
непосредственно перед диском рабочего колеса будем иметь
p
1
+ ρV
1
2
/2 = p
0
+ ρV
o
2
/2 - Δp
1
, (5)
где V
1
- скорость в плоскости рабочего колеса;
p
0
– атмосферное давление;
p
1
- давление непосредственно перед колесом;
Δp
1
- гидравлические потери на рассматриваемом участке.
Для участка от диска рабочего колеса до точки на бесконечности
за движителем соответственно получим
p
2
+ ρV
2
2
/2 = p
0
+ ρV
i
2
/2- Δp
2
, (6)
где
Δp
2
- гидравлические потери на участке за рабочим колесом.