СУДОВОЙ ВОДОМЕТНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК B63H11/08 

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано в качестве движителя на судах со скоростью хода 25 37 уз.

В водометных движителях судов в качестве рабочего органа используются лопастные системы диагонального и осевого типов. В диагональных лопастных системах диаметр на выходе из рабочего колеса всегда больше, чем на входе. Осевые лопастные системы размещаются, как правило, в цилиндрических каналах. При этом диаметры на входе и выходе рабочих колес равны между собой. Лопастные системы этого типа, используемые в судостроении, по своей геометрии близки к общепромышленным насосам, предназначенным для перекачивания жидкостей. Без снижения лопастного КПД они не могут быть адаптированы к условиям работы рабочего органа водометного движителя, предназначенного для создания скоростного напора рабочей среды на выходе из сопла с целью обеспечения требуемой тяги.

Известен водометный движитель, имеющий лопастную систему осевого типа, размещенную в обечайке цилиндрической формы. Ступица рабочего колеса имеет постоянный диаметр в зоне расположения лопастей. Их входные и выходные кромки расположены нормально к оси его вала. Из-за постоянства диаметра ступицы решетка профиля в сечениях лопасти, прилегающих к ступице, имеет сильно выраженную диффузорность, кроме того, рабочее колесо водомета работает в составе водозаборника, создающего определенную неравномерность потока на входе в колесо. Эти факторы обуславливают относительно низкое значение лопастного КПД (0,8 0,84) такого водометного движителя.

Известен водометный движитель с рабочим колесом диагонального типа. Он состоит из ступицы переменного сечения, лопастной системы и конической обечайки канала. Смонтированные на ступице лопасти имеют прямолинейные кромки как со стороны входа в рабочее колесо, так и на выходе из него. Диаметр диагонально рабочего колеса на выходе потока жидкости всегда больше, чем диаметр на входе.

Недостатком лопастной системы этого водометного движителя является то, что для достижения одинакового с лопастной системой осевого типа расчетного числа кавитации первая имеет большие радиальные размеры и массу.

За прототип принимается водометный судовой движитель, у которого лопастная система расположена в цилиндрической обечайке, а ступица рабочего колеса имеет переменный диаметр. Входная и выходная кромки лопастей рабочего колеса выполнены прямолинейными. Этот движитель обладает повышенными кавитационными свойствами, также как и движители с диагональными лопастными системами, но относительно низкий КПД, не более 0,84. Тогда как КПД лопастных систем диагонального типа достигает значения 0,86 0,88.

Целью изобретения является повышение КПД.

Эта цель достигается тем, что образующая ступицы описывается формулой:
r_i d_вых/2 1,5(d_вых - d_вх)•(x_i/L)² + (d_вых - d_вх)•(x_i/L)³, при этом ступица имеет диаметр на входе, составляющий 0,20 0,25, а на выходе 0,68 0,72 от диаметра рабочего колеса соответственно, а входная кромка лопасти расположена на линии равных скоростей потока жидкости и выполнена в виде выпуклой кривой, выдвинутой в область входа потока, причем средняя линия профиля в цилиндрических сечениях лопасти описывается зависимостями:

где r_i текущая координата цилиндрического сечения по оси "r";
d_вых, d_вх диаметры ступицы рабочего колеса на выходе и входе соответственно;
x_i текущая координата образующей ступицы по оси x;
L длина ступицы рабочего колеса;
D диаметр рабочего колеса;
H_i шаг лопасти в цилиндрическом сечении по оси "r";
b_i величина хорды в этом сечении;
f_i стрелка прогиба средней линии профиля в этом сечении;
K₁ коэффициент шага профиля, равный 0,97 1,03;
K₂ коэффициент хорды профиля, равный 0,95 1,05;
K₃ коэффициент стрелки прогиба профиля, равный 0,97 1,03.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что предлагаемое оседиагональное рабочее колесо водометного движителя отличается относительной величиной диаметров на входе и выходе потока, геометрией лопастей: кривизной средней линии и хорды профиля сечений лопастей вдоль радиуса, шагом и кривизной выходящей кромки. Таким образом, заявляемое рабочее колесо водометного движителя отвечает критерию "новизна".

Сравнение технического решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в данной области техники позволяет сделать выход, что заявляемые отличия дают возможность направить поток рабочей водной среды как в осевом направлении на периферии лопасти, так и в диагональном направлении в сечениях, прилегающих к ступице, т.е. используют положительные качества как диагонального (высокие КПД и кавитационные свойства), так и осевого (малый вес и габариты) движителей, а предлагаемое геометрическое исполнение элементов рабочего колеса повышает лопастной КПД рабочего колеса до величины 0,89. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемой конструкции критерию "существенные отличия".

На чертежах изображено:
на фиг.1 меридианное сечение оседиагонального рабочего колеса; на фиг.2 решетка профиля лопастей.

В обечайке 1 расположено оседиагональное рабочее колесо 2, состоящее из ступицы 3 с двойной кривизной образующей 4, установленной на валу 5, и лопастей 6. Входные 7 и выходные 8 кромки лопастей на меридианном сечении колеса располагаются по линиям равных скоростей потока жидкости так, что входная кромка выдвинута в область входа 9 потока в оседиагональное колесо.

Ступица представляет собой тело вращения, образующая 4 которого описывается выражением:
r_i d_вых/2 1,5(d_вых - d_вх)•(x_i/L)² + (d_вых - d_вх)•(x_i/L)³,
при этом ступица имеет диаметр на входе, составляющий 0,20 0,25, а на выходе 0,68 0,72 от диаметра рабочего колеса соответственно, а входная кромка лопасти расположена на линии равных скоростей потока жидкости и выполнена в виде выпуклой кривой, выдвинутой в область входа потока, причем средняя линия профиля в цилиндрических сечениях лопасти описывается зависимостями:

где r_i текущая координата цилиндрического сечения по оси "r";
d_вых, d_вх диаметры ступицы рабочего колеса на выходе и входе соответственно;
x_i текущая координата образующей ступицы по оси "x";
L длина ступицы рабочего колеса;
D диаметр рабочего колеса;
H_i шаг лопасти в цилиндрическом сечении по оси "r";
b_i величина хорды в этом сечении;
f_i стрелка прогиба средней линии профиля в этом сечении;
K₁ коэффициент шага профиля, равный 0,93 1,07;
K₂ коэффициент хорды профиля, равный 0,95 1,05;
K₃ коэффициент стрелки прогиба профиля, равный 0,93 1,07.

Геометрические параметры рабочего колеса водометного движителя получены экспериментальным путем и позволяют обеспечить КПД рабочего колеса до 0,89 при высоких кавитационных качествах, а также при сохранении весовых и габаритных характеристиках, свойственных осевым насосам.

Использование: изобретение относится к области судостроения. Оседиагональное рабочее колесо 2 заключено в цилиндрическую обечайку 1. Колесо 2 состоит из ступицы 3 и прикрепленных к ней лопастей 6. Ступица 3 имеет форму тела вращения двойной кривизны. Ее диаметр на входе потока составляет 0,20 - 0,25 диаметра рабочего колеса, а на выходе - 0,68 - 0,72. Приведены формула расчета образующей ступицы, а также средней линии профиля в цилиндрических сечениях лопасти 6 рабочего колеса 2. Входная кромка лопасти расположена по линии равных скоростей потока жидкости и выполнена в виде выпуклой кривой, выдвинутой в область входа потока. 2 ил.

Судовой водометный движитель, содержащий цилиндрическую обечайку с осевым колесом, ступица которого установлена на валу и выполнена в виде тела вращения с образующей двойной кривизны и меньшим диаметром на входе в осевое колесо, а лопасти колеса выполнены с криволинейной средней линией профиля в цилиндрических сечениях, отличающийся тем, что ступица осевого колеса выполнена с образующей, выбранной в соответствии с соотношением

при этом диаметр на входе упомянутой ступицы выбран из соотношения (0,20 0,25) • D, а диаметр на выходе (0,68 0,82) • D,
где r_i текущая координата цилиндрического сечения по оси r;
d_в ы х, d_в х диаметры ступицы осевого колеса на выходе и входе соответственно;
x_i текущая координата образующей ступицы по оси x;
L длина ступицы;
D диаметр рабочего колеса,
причем каждая лопасть осевого колеса выполнена с входной кромкой в виде выпуклой кривой, ориентированной выпуклостью в сторону входа в осевое колесо, а средняя линия профиля в цилиндрических сечениях лопасти выбирается из следующих соотношений



где H_i шаг лопасти в цилиндрическом сечении по оси r;
D диаметр осевого колеса;
r_i- текущая координата цилиндрического сечения по оси r;
B_i величина хорды в данном сечении;
f_i стрелка прогиба средней линии профиля;
K₁ коэффициент шага профиля лопасти, равный 0,27 1,03;
K₂ коэффициент хорды профиля равный 0,95 1,05;
K₃ коэффициент стрелки прогиба профиля, равный 0,97 1,03.