Васильев В.Ф. Водометные движители: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

использованием коэффициентов напора K

, расхода или подачи K

насосного к.п.д. η

и кавитационного запаса K

Δh1

= H/n

; K

= Q/nD

; η

= ρgQH / N; K

Δh1

= Δh

, (37)

где H – напор, м;

Q – расход, м

/с;

Δh

– кавитационный запас, м,

D – диаметр колеса, м;

n - частота вращения, 1/с;

N – мощность, подведенная к насосному устройству.

При этом надо иметь в виду, что коэффициент K

на самом деле

имеет размерность [с

/м].

Безразмерные характеристики насосов, как правило,

представляются в виде зависимостей K

= K

) для

фиксированных значений углов установки лопастей рабочих колес с

приведением

линий постоянных значений η

и K

Δh1

. В качестве

примера на рис. 13 приведены безразмерные характеристики

насоса ОП3, а на рис.14 насоса ОД2.

Иногда дополнительно используются принятые при расчете

гребных винтов коэффициенты упора K

, момента K

и число

кавитации æ

= P/ρn

; K

= M/ρn

; æ

s kp

= 2(p

-p

)/ ρV

, (38)

где P – упор на гребном валу рабочего колеса;

M - момент на гребном валу рабочего колеса;

- статическое давление перед рабочим колесом;

– давление насыщенных паров воды;

- скорость в диске рабочего колеса насосного устройства.

Зависимости этих коэффициентов обычно приводятся в функции

от коэффициента подачи K

или от относительной поступи

/nD.

Коэффициент K

при этом удобен при выполнении расчетов

внешних нагрузок, действующих на упорный подшипник

водометного движителя. Для оценки кавитационных характеристик

наряду с приведенными используется ряд других параметров.

Наиболее часто используется понятие кавитационного

Рис.13. Безразмерные характеристики насоса ОП3

Рис.14. Безразмерные характеристики лопастной системы насоса ОД2

коэффициента быстроходности или коэффициента Руднева

C = 5,62nQ

1/2

/Δh

3/4

, (39)

где величина n указана в об/мин.

Связь между различными представлениями параметров

кавитации определяется следующими соотношениями:

= (gπ

/8)(5,62/C K

)

4/3

-1 = (gπ

/8)(Κ

Δh1

 K

)-1 (40)

Основное условие отсутствия кавитации

Δh

1расп.

>Δh

, (41)

где Δh

1расп.

располагаемый кавитационный запас.

Δh

1расп.

= (p

- p

)/ ρg + (V

- ζ

)/2g, (42)

где p

– атмосферное давление;

- давление насыщенных паров воды.

4. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВОДОМЕТНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ

4.1. Водозаборные устройства водометных движителей

Тяговые характеристики ВД и его кавитационные качества в

значительной степени зависят от величины гидравлических потерь в

водозаборнике движителя. Исполнение водозаборника может

оказывать также существенное влияние на величину

коэффициентов взаимодействия с корпусом плавсредства, на

возможности движения по мелководью или в условиях волнения и,

по существу, является одним из важнейших элементов движителя,

определяющим его конструктивный облик.

Водозаборники можно разделить по виду приема и характеру

течения воды. По виду приема воды можно выделить следующие

типы:

водозаборники статического типа (рис.10), у которых плоскость

водоприемного отверстия совпадает с направлением движения

плавсредства;

водозаборники полнонапорные (рис.15), у которых плоскость

водоприемного отверстия расположена нормально направлению

движения плавсредства;

водозаборники промежуточного типа, у которых только часть

входного сечения ориентирована на восприятие полного напора

набегающего потока.

По характеру течения воды в водозаборнике последние можно

разделить на конфузорные и диффузорные.

Для статического водозаборника характерны относительно

небольшая высота подъема входного сечения в насосное

устройство над водозаборным отверстием, одно поворотное колено

с большим радиусом закругления и, как правило, выполнение

водозаборного отверстия заподлицо с корпусом плавсредства.

Такая форма водозаборника обеспечивает возможность движения

на мелководье, защиту рабочего колеса от непосредственного

контакта с посторонними предметами. Статические водозаборники

применяются в большинстве конструкций водометных движителей

водоизмещающих и глиссирующих судов. Этот тип водозаборника

наиболее часто применяется и в составе ВД плавающих машин.

Для конструкции полнонапорного водозаборного устройства

характерны два соединенных между собой водоводом поворотных

колена, одно из которых сопрягается с входным сечением

водоприемного отверстия, а другое с входным отверстием

насосного устройства. Такие водозаборники в основном

используются на судах с динамическими принципами поддержания.

В частности, на судах на подводных крыльях при расположении ВД

в корпусе судна с надводным выбросом струи водозаборник

совмещается со стойкой несущего крыла судна, при этом

Рис.15. Схема водозаборника полнонапорного типа

водоприемное отверстие с поворотным коленом располагается в

специальной гондоле на несущем крыле. Такая конструкция

позволяет повысить мореходные качества судна, улучшить

кавитационные характеристики ВД за счет использования

динамического напора на входе в водозаборник.

Водозаборники промежуточного типа используются на тех же

судах, что и водозаборники статического типа. Их применение

обычно диктуется необходимостью повысить давление перед

рабочим колесом и “отдалить” начало кавитации.

Одной из важнейших функций водозаборника является

обеспечение равномерного поля скоростей на входе в рабочее

колесо насосного устройства. Необеспечение этой функции может

приводить к существенному изменению напорных и кавитационных

характеристик рабочего колеса, как правило, в худшую сторону. Для

обеспечения равномерности потока перед рабочим колесом нельзя

допускать в водозаборнике слишком крутых поворотов потока,

срывных течений в водозаборнике, загромождения водовода

какими-либо конструкциями перед рабочим колесом.

Остановимся более подробно на особенностях водозаборников

статического типа применительно к плавающим машинам.

Гидравлическое сопротивление водозаборника является функцией

ряда факторов, прежде всего соотношения площадей входного и

выходного отверстий водозаборника, угла наклона оси входного

участка водовода, конфигурации входного сечения, радиусов

закругления водозаборного отверстия, а при наличии защитной

решетки ее ориентации и геометрических параметров. В качестве

примера на рис. 16 приведены данные модельных испытаний,

показывающие влияние на гидравлическое сопротивление угла

наклона оси входного участка водовода и соотношения ширины b и

длины l водозаборного отверстия.

Приведем некоторые рекомендации по проектированию

водозаборников плавающих машин, изложенные А.П.Степановым в

[16]. Площадь входного отверстия с учетом потерь на элементы

защитной решетки должна быть больше площади, описываемой

рабочим колесом, и находиться в пределах S

вх

= (2,5-3,0)πD

/4. Т. е.

водозаборники плавающих машин, учитывая их относительно

малые скорости движения, всегда являются конфузорами.

Рис.16. Характер влияния геометрии водозаборника

на его гидравлическое сопротивление

Входное отверстие имеет обычно форму эллипса или трапеции,

обращенной большим основанием в сторону движения.

Эллиптическая форма входного отверстия технологически

предпочтительнее, так как позволяет плавно перейти к

цилиндрической форме трубы на входе в рабочее колесо. Здесь

надо отметить, что в последнее время применяются конструкции

входного отверстия упрощенной прямоугольной формы

позволяющие легче обеспечить стыковку и уплотнение

водозаборника с корпусом машины.

Угол наклона оси входного участка водовода α

вх

, с одной

стороны, не должен превышать 50

, так как чем больше этот угол,

тем больше гидравлические потери. С другой стороны, при

небольших углах α

вх

заборный участок водовода плохо

самоочищается от грязи и мокрого грунта, который может попасть в

водовод при движении по бездорожью. Окна защитной решетки, как

правило, выполняются вытянутыми вдоль продольной оси машины

с установкой нескольких поперечных пластин. Это обуславливается

тем, что направление линий тока в этом случае практически всегда

совпадает с ориентацией продольных пластин. Размеры окон

решетки могут быть в пределах 0,10…0,20 м по длине и 0,04…0,10

м по ширине. При небольших размерах окон решетки увеличивается

ее гидравлическое сопротивление, при больших - возрастает

вероятность повреждения рабочего колеса и спрямляющего

аппарата посторонними предметами.

Известны конструкции защитных решеток, в которых продольные

пластины решетки выполняются поворотными на 90

относительно

продольной оси, обеспечивая при этом закрытие водозаборника при

неработающем движителе.

4.2. Насосные устройства водометных движителей

В литературе [6] описываются возможности применения в

конструкции ВД самых разнообразных типов насосных устройств. На

практике в настоящее время наиболее часто используются

лопастные насосы: осевые и диагональные насосы, реже

центробежные и гребные винты в трубе.

В табл.2 и на рис.17 приведены обобщенные данные по

различным типам лопастных насосов. В качестве основной

обобщающей характеристики принят коэффициент быстроходности

насоса n

=3,65n

1/2

3/4

, (43)

где n

– частота вращения рабочего колеса в об/мин.

Анализ данных рис.17 показывает, что характеристики насосов

различной быстроходности в зависимости от расхода Q изменяются

по-разному. Так, при поджатии сопла ВД с осевым насосом следует

ожидать увеличения потребляемой мощности, а для ВД с

центробежным насосом может наблюдаться противоположная

картина.

Учитывая относительно небольшие скорости движения в воде,

исходя из соображений, приведенных в главе 3, для получения

приемлемых пропульсивных характеристик плавающих машин

необходимо стремиться к применению насосных устройств с более

высокими коэффициентами быстроходности. Этим объясняется, в

частности, что большинство конструкций ВД плавающих машин

оснащено осевыми насосами. Гребные винты в трубе, несмотря на

высокие значения n

, применяются реже из-за более низких

насосных коэффициентов полезного действия η

Таблица 2

Типы лопастных колес

Тип

насоса

Центробежные

тихоходные

Центробежные

нормальные

Центробежные

быстроходные

Диагональные Осевые

Гребные

винты

Разрез

колеса

насоса

n 40 - 80 80 - 140 140 - 300 300 - 600 600-1800

1400-5000

/D 2,5 2,0 1,6 1,2 – 1,1 0,8 – 0,6 0,6

Рис.17. Сравнительные характеристики лопастных насосов различной

Быстроходности

Осевые лопастные насосы (рис.3, 4), как правило, содержат

рабочее колесо, состоящее из ступицы с расположенными на ней

лопастями, работающее в цилиндрической камере. На выходе из

рабочего колеса устанавливается спрямляющий аппарат,

содержащий радиально расположенные лопатки, ступицу и

обечайку спрямляющего аппарата. Каждая из лопаток

спрямляющего аппарата жестко закреплена с одной стороны на

ступице, с другой стороны на обечайке. Спрямляющий аппарат

устанавливается с целью повышения коэффициента полезного

действия насоса путем использования энергии закрученного потока

за рабочим колесом для повышения напора насоса. В ступице

спрямляющего аппарата, как правило, устанавливается опорный, а

иногда и упорный подшипник. С целью снижения виброактивности

ВД при проектировании стремятся, чтобы количество лопаток

рабочего колеса не совпадало с количеством лопаток

спрямляющего аппарата.

Вопрос «отдаления» начала кавитации решается для осевых

насосов установкой на одном валу последовательно двух осевых

насосов со спрямляющими аппаратами (см. рис.3). 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. Однако применение

двухступенчатой схемы ВД усложняет конструкцию движителя и

делает ее менее ремонтопригодной. Появление в последнее время

современных конструкций диагональных и оседиагональных

лопастных систем с улучшенными кавитационными

характеристиками позволяет решить те же задачи при

использовании одной ступени.

В составе водометных движителей, особенно в зарубежной

практике, все чаще используются диагональные насосы (рис.18).

Эти насосы по сравнению с осевыми позволяют реализовать

более высокие величины напоров, имеют хотя и незначительные, но

все-таки преимущества по величине насосного к.п.д., а также

хорошие кавитационные характеристики. Использование

диагонального насоса в составе ВД позволяет в ряде случаев

сократить размеры водозаборника. Основное конструктивное

отличие от осевых насосов заключается в расширяющейся по

потоку камере насоса, обеспечивающей “диагональный” характер

течения в лопастной системе.

Надо отметить, что до недавнего времени в составе ВД

использовались в основном модели общепромышленных насосов,

которые, как правило, являются гидравлическими машинами для

создания перепада давления, а не для ускорения потока, что, по

существу, является главным предназначением ВД. Поэтому в таких

движителях происходят неоправданные преобразования энергии.

Рис.18. Меридианное сечение лопастной системы диагонального насоса

большой быстроходности n =630: 1 – рабочее колесо; 2 – спрямляющий аппарат

В настоящее время появились модели насосов, специально

спроектированных для работы в составе ВД, в частности, модели

оседиагональных насосов (рис.19).

Рис.19. Рабочее колесо с улучшенными кавитационными характеристиками

Рабочее колесо такого насоса представляет собой лопастную

систему с достаточно большим дисковым отношением, входная

часть которого выполнена с учетом обеспечения высоких

кавитационных характеристик. Основная нагруженная часть

лопастной системы имеет «диагональный» характер течения за счет

расширяющейся по потоку ступицы. Камера имеет цилиндрическую

форму, как и у обычного осевого насоса, что важно для обеспечения