Основные элементы  ВД

 

Рабочее колесо (РК)

 

Рабочее колесо является главным элементом ВД, преобразующим энергию двигателя в энергию поступательного движения судна. Гидродинамически рабочие колеса бывают осевые с цилиндрической и конической ступицей, осе-диагональные, диагональные и шнековые.

Каждый из типов колес имеет свою, преимущественную область использования.

Осевые РК – предшественниками всех типов рабочих колес ВД.

Отличаются высокими значениями упора на низких скоростях движения. Имеют достаточно низкий к.п.д. и небольшой запас по кавитации, что определяет применение низкооборотных двигателей. Просты в изготовлении.

Осе-диагональные РК – характеризуются достаточно высокими значениями к.п.д., способны достаточно эффективно работать на любых скоростях движения судна. Могут быть применены в компоновке со среднеоборотными двигателями.

Диагональные и шнековые РК – наиболее современные рабочие колеса, проектирование которых может себе позволить только фирмы имеющие базу разработки гидродинамики. У таких РК максимальные значения к.п.д. находятся в зонах высоких оборотов двигателей и скоростей движения судна.

Можно с уверенностью сказать, что рабочее колесо самая сложная деталь в составе ВД.

Рабочие колеса в основном изготавливаются литыми с последующей механической обработкой лопастей. Некоторые производители изготавливают сварные рабочие колеса, заранее обработанные лопасти привариваются к ступице. Такая технология допустима в случае с низкооборотными осевыми РК и совершенно не допустима для высокооборотных движителей. Значительный дисбалансы таких РК, переменные силы действующие на лопасти неизменно приводят к отрыву лопастей, что может в свою очередь привести к разрушению всего движителя.

Большинство производителей водометов для малого судостроения изготавливают РК методом точного литья с минимальной последующей обработкой. Такая технология дает значительное снижение стоимости изготовления РК при соблюдении высокой точности геометрии. Рабочие колеса изготавливаются из нержавеющей стали или коррозионно-стойких бронз и латуней.

Шаг РК водометного движителя не является универсальным параметром по которому можно провести сравнение различных движителей, тем более движителей различных производителей.

Вообще, шаг РК ВД величина переменная по радиусу лопасти, только в этом случае возможно получить удовлетворительные параметры ВД.

Почти все производители предлагают линейку винтов для одного и того же ВД и различают их по размеру шага, допустим на периферийном сечении лопасти. Это делается для того, что бы была возможность более точно подобрать параметры ВД к двигателю корпусу катера.

 

Спрямляющий аппарат (СА)

 

Спрямляющий аппарат выполняет очень важную роль в водометном движителе – возвращает энергию вращения воды в энергию прямолинейного движения.

И тем не менее СА создает на пути движения воды определенное сопротивление. Что бы это сопротивление уменьшить, в идеале профиль лопаток СА должен быть правильного гидродинамического профиля. При этом сама конструкция СА не имеет большого значения с точки зрения гидродинамики.

Существует несколько известных гидродинамических схем исполнения СА.

Одна из них, так называемое лопаточное поджатие. Это когда лопатки спрямляющего аппарата выполняют одновременно и функцию Соплового аппарата. В этом случае профиль лопаток имеет форму клина.

У такого СА имеется одно преимущество – уменьшение осевого габарита всего водометного движителя. Но недостатков больше, чем преимуществ. Потери к.п.д. в СА такого движителя достаточно велики, благодаря профилю лопаток. О недостатках такого сопла будет сказано ниже в разделе Сопловой аппарат.

Еще одним примером крайне неудачного совмещения СА и сопла является схема, так называемого щелевого водомета. Собственно самого СА в такой схеме нет. Функцию спрямления струи выполняет сжатое в прямоугольник сопло.

Авторство этого типа водометного движителя принадлежит ЦНИИ им. Акад. А.Н.Крылова. Разрабатывалось это щелевое сопла для водометов большой мощности, для водоизмещающих судов с частично напорным водозаборником. Такой водометный движитель был создан и установлен (две единицы) на артиллерийском корабле «Астрахань».

Для глиссирующих судов этот тип ВД не эффективен. Пропульсивный к.п.д. такого движителя не более 0,46, тогда как у традиционных ВД не менее 0,6, а у лучших образцов до 0,65. Такая разница в к.п.д. дает потерю скорости катера более 40%.

 

Водозаборник.

 

Водозаборник с точки зрения гидродинамики очень важная деталь любого водомета.

Кроме этого конструктивно водозаборник, как правило, является несущей силовой деталью ВД. Именно в водозаборнике происходит «подготовка» воды перед РК.

Очень важно, чтобы течение жидкости подошедшей к рабочему колесу было максимально равномерным и ламинарным по всему сечению. Кроме того законом изменения сечений водозаборника можно добиться минимального разрежения на входе водозаборника, что положительно сказывается на способности водомета не «засасывать» в себя посторонние предметы.

Многие разработчики и производители недооценивают значения этого важного элемента ВД, считая, что основная задача просто подвести воду к рабочему колесу. В угоду технологичности и компактности, водозаборники делают зачастую из листового материала, с очень крутыми подъемами свода водозаборника.

Есть несколько основных правил проектирования водозаборников.

Первое. Свод водозаборника не должен быть крутым, должно быть соблюдено условие безотрывности течения потока воды от днища катера к своду водозаборника.

Второе. Входящая кромка, так называемая «губа» должна иметь профиль максимально приближенный к гидродинамическому.

Третье. Сечения водозаборника должны быть максимально приближены к форме трубы. Плоские поверхности образующие вход водозаборника, за два калибра от РК должны плавно перейти к форме круга.

 

Сопловой аппарат.

 

Сопловой аппарат, или просто сопло – последний элемент гидродинамической части ВД, формирующий струю, которая выходя из сопла обеспечивает реактивную тягу.

Задача соплового аппарата произвести поджатие воды на выходе из водомета. Уменьшение в сопле проходного сечения преобразует давление воды в ее скорость. Наибольшая эффективность сопла достигается его точной, правильной профилировкой. Уменьшая или увеличивая поджатие сопла, можно менять характеристики водометного движителя. Для одних типов РК диапазон этик изменений может быть достаточно большим, для других незначительным.

Как было сказано выше в разделе Спрямляющий аппарат, конструктивно сопловой аппарат может иметь различный вид.

Некоторые именитые производители размещают в сопле спрямляющий аппарат. Это значительно экономит осевой размер водомета, но требует очень дорогостоящего производства.

Существует, так называемое сопло с лопаточными поджатием. В этом случае, так же СА расположен в сопле, но само сопло не имеет поджатия, эту функцию выполняют клиновые лопатки СА.

О гидродинамических недостатках такого сопла рассказано в разделе Спрямляющий аппарат.

Из недостатков конструктивных и практических можно указать такой как, трудность организации реверсивно-рулевого устройства. Диаметр струи равен диаметру РК, соответственно увеличиваются и размеры реверсивного устройства. Струя на выходе из такого сопла рваная и неравномерная, единственный вариант рулевого устройства – рули в потоке – не самый лучший вариант. Об этом подробнее в разделе Реверсивно-рулевое устройство (РРУ).

Еще один тип соплового аппарата – щелевое сопло. В таком сопле, в угоду технологичности (можно все сделать из листового металла) и стремлению к уменьшению габаритов, некоторые изготовители водометов существенно пренебрегают эксплуатационными и техническими параметрами водометных движителей. Как было сказано выше, пропульсивный к.п.д. такого движителя не более 0,46, что ведет к недобору скорости и перерасходу топлива. Как и для сопла с лопаточным поджатием, на водомете с щелевым соплом невозможно организовать эффективное РРУ. Как говорилось выше, это тип водометного движителя предложен в ЦНИИ им. Акад. А.Н.Крылова и разрабатывался специально для водометов большой мощности, с частично напорным водозаборником и там это могло быть оправдано.

 

Реверсивно-рулевое устройство (РРУ)

 

С технической точки зрения реверсивно-рулевое устройство является наиболее интересным элементом водометного движителя. Наибольшее количество патентов, касающихся водометных движителей, относится именно к РРУ.

Практически все ведущие фирмы, производителей водометной техники имеют свои, отличающиеся от других производителей схемы РРУ. Но в конечном итоге, задача РРУ сводится к трем основным требованиям.

Первое - максимально эффективно, без значительных усилий управлять судном на всех режимах переднего хода,

второе - максимально эффективно использовать энергию ВД на режиме заднего хода и

третье – обеспечить хорошую управляемость судна при движении и маневрировании на заднем ходу.

Для управления на переднем ходу большинство производителей применяют различные конструкции поворотных насадок. Это наиболее простая и эффективная конструкция рулевого устройства ВД. Существует, так называемое полноповоротное сопло, устройство, которое не воздействует на сформированную в сопле струю, поворачивая ее, а само поворачивается вместе со струей. То есть такое сопло по праву может называться устройством управления вектором тяги ВД. Эффективность такого поворотного сопла чрезвычайно высока. Все знают, что на водометах на малом ходу для улучшения управляемости необходимы «подгазовки». При использовании в конструкции ВД полноповоротного сопла, такая необходимость отпадает, судно одинаково эффективно управляется как на полном, таки на малом ходу. Конечно, конструкция такого рулевого устройства более сложная, чем у поворотной насадки.

В качестве рулевого устройства иногда используют рули в потоке. Такие устройства имеют целый ряд недостатков таких как: худшая управляемость, нагруженность конструкции, потери эффективности (до 5 % к.п.д. движителя), повышенные усилия на штурвальном устройстве.

Известны схемы РРУ, когда рули в потоке при повороте на 90 градусов перекрывают весь поток струи водомета и вода начинает поступать в реверсивную камеру для обеспечения заднего хода. Излишне говорить, что такая схема ущербна по своей сути: при осуществлении реверса управляемость судном отсутствует.

Недостатком многих РРУ является нарушение мнемоники управления на режимах заднего хода (это когда при ходе назад, для поворота направо, штурвал необходимо крутить налево). Не эффективные реверсивные устройства – один из главных аргументов не в пользу ВД при сравнении различных типов движителей.

Привод реверсивно-рулевого устройства (РРУ)

Существует великое множество приводов РРУ водометных движителей. Как правило каждая модель водомета любой фирмы имеет свой привод РРУ.

Для водометов большой мощности (более 250-300 л.с.), как правило, применяются приводы, использующие гидравлические исполнительные механизмы. Такие приводы достаточно дороги, так как требуют насосных станций, трубопроводов, исполнительных механизмов. Если исполнительные гидроцилиндры привода РРУ вынесены за борт судна, нужно быть готовым к тому, что он потребует очень внимательного отношения при эксплуатации. Совершенно не допустимо, что бы исполнительные гидроцилиндры находились под водой.

Для водометов малой мощности (до 150 л.с.), как правило приводы исключительно механические, так как нагрузки на элементы привода незначительны.

При выборе водометного движителя надо обращать внимание на то, предложен ли производителем привод, или это «отдано на откуп» потребителю.

 

Подшипниковые узлы и дейдвудные уплотнения.

 

Многие производители существенно экономят на стоимости производства водометной техники и устанавливают опорные подшипники скольжения и дейдвудные уплотнения – сальниковые набивки.

Применение подшипника скольжения в водометном движителе с технической точки зрения абсолютно не оправдано. Одним из главных параметров ВД является величина зазора между рабочим колесом и обечайкой. При значительном увеличении этого зазора к.п.д. движителя может существенно упасть. Подшипник скольжения из-за своих свойств не может обеспечить постоянный зазор. Рабочее колесо начинает задевать за обечайку, изнашиваться и в конечном счете зазор увеличивается.

Некоторые производители для уменьшения этого эффекта используют коническую обечайку и рабочее колесо, требующее в процессе эксплуатации регулировки в осевом направлении.

При использовании подшипников качения таких проблем не существует. Безусловно, подшипниковые узлы должны быть надежно защищены от попадания в них воды. Эту функцию выполняет, в том числе, дейдвудное уплотнение.

Идеальным типом дейдвудного уплотнения является торцевое уплотнение. Такое уплотнение требует обязательного использования шарикоподшипниковых опор вала водомета. Торцевое уплотнение при эксплуатации неприхотливо, не требует обслуживания и единственное чего «не любит» - работы без воды.