ВОДОМЕТНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК B63H11/08 

Изобретение относится к области судостроения и касается вопросов создания водометных движителей судов.

Как известно, в настоящее время на судах в качестве движителей используются в основном гребные винты и осевые водометные движители (ВД). Однако при больших скоростях КПД гребных винтов существенно уменьшается. Осевые водометные движители нестабильно работают вблизи поверхности воды, когда неизбежное попадание некоторого количества воздуха в гидравлическое сечение рабочего колеса приводит к резкому падению, вплоть до нулевого значения, пропульсивных характеристик водомета, а также к возникновению вибрации и шумов.

Снижение гидродинамических характеристик ВД от попадания воздуха обусловлено образованием воздушных каверн на засасывающих поверхностях лопастей, приводящих к повышению на них давления. При этом давление на нагнетающих поверхностях лопастей практически не изменяется. В совокупности это приводит к падению тяги ВД. Лопастная система рабочих колес ВД, как правило, имеет межлопастную диффузорность, обусловленную значительными окружными скоростями (ω·r) за диффузорной лопастной системой.

Известно, что при диффузорном течении имеется тенденция отрыва потока от стенок канала, причем возникновение кавитации и попадание воздуха инициирует начало такого отрыва. При недиффузорных течениях вероятность отрыва потока существенно меньше. Поэтому гидродинамические характеристики рабочего колеса ВД с недиффузорной лопастной системой менее чувствительны к возникновению на лопастях кавитационных каверн и более стабильны при попадании воздуха в лопастную систему. Для снижения диффузорности лопастных каналов необходимо увеличивать аксиальную (осевую) скорость потока Vs. Это может быть достигнуто путем увеличения диаметра ступицы рабочего колеса или сужением внутреннего контура водовода.

Известен водометный движитель по патенту РФ N2102278, В 63 Н 11/08, который содержит рабочее колесо, заключенное в цилиндрическую обечайку-водовод. Ступица рабочего колеса водометного движителя 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 - прототип. В известном решении уменьшение диффузорности потока в области рабочего колеса достигается за счет некоторого расширения диаметра ступицы рабочего колеса.

К недостаткам указанного технического решения можно отнести то обстоятельство, что в нем уменьшение площади сечения проточной части производится в пределах всей длины ступицы рабочего колеса и, следовательно, ускорение потока осуществляется также по всей длине ступицы, а не только в пределах лопастной системы. Вследствие чего не полностью используется аксиальное ускорение потока для снижения диффузорности течения. Кроме этого, предлагаемые размеры диаметра ступицы на входе и на выходе потока не учитывают геометрические элементы профилей сечений лопастей и поэтому не обеспечивают в полной мере улучшение кавитационных качеств и стабильность работы движителя при попадании в него воздуха.

Задачей заявляемого изобретения является достижение технического результата, заключающегося в исключении резкого снижения тяги при развитии кавитации на лопастях рабочего колеса на режиме разгона и обеспечении стабильности работы водометного движителя при попадании воздуха в гидравлическое сечение рабочего колеса на эксплуатационном режиме.

Решение поставленной задачи достигается обеспечением снижения или исключения диффузорности потока в пределах лопастной системы рабочего колеса движителя.

Для этого в известном водометном движителе, содержащем водовод, установленное на гребном валу и заключенное в обечайку рабочее колесо, ступица которого выполнена в виде тела вращения и с меньшим диаметром на входе в рабочее колесо, чем ее диаметр на выходе из него, а лопасти колеса выполнены с криволинейной линией профиля в цилиндрических сечениях, в пределах лопастной системы ступица рабочего колеса или обечайка имеют непостоянный диаметр поперечного сечения. При этом площадь поперечного сечения F_вх водометного движителя, ограниченная ступицей и внутренними стенками обечайки на входе в лопастную систему рабочего колеса, умноженная на синус угла α_вх.кас. наклона к плоскости диска рабочего колеса касательной, проведенной через входящую кромку профиля к средней линии серединного цилиндрического сечения лопасти, составляет не мене 0,7 значения произведения соответствующей площади F_вых на выходе из лопастной системы, умноженной на синус угла α_{вых.кас.} наклона к плоскости диска рабочего колеса касательной, проведенной через выходящую кромку профиля к средней линии серединного цилиндрического сечения лопасти. Очевидно, что при недиффузорном течении в межлопастном пространстве рабочего колеса относительная скорость потока перед входом в лопастную систему должна быть равна или меньше скорости потока в межлопастном пространстве и на выходе из него. В предлагаемом изобретении это достигается благодаря уменьшению в пределах лопастной системы площади сечения движителя, ограниченной ступицей и стенками обечайки, путем увеличения диаметра ступицы вниз по потоку и сужением внутреннего контура водовода. Это возможно в пределах лопастной системы вниз по потоку либо увеличением диаметра ступицы, либо уменьшением внутреннего диаметра водовода, либо одновременно тем и другим способом, что приводит к увеличению аксиальной скорости на величину V_a. При этом только при соотношении произведений величин F_вх*Sinα_вх.кас. и F_вых*Sinα_{вых.кас.}, равном не менее 0,7, обеспечивается недиффузорное течение в межлопастном пространстве рабочего колеса.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показан осевой разрез предлагаемого водометного движителя, на фиг.2 изображена решетка профиля цилиндрического сечения лопастей рабочего колеса и на фиг.3, 4 - диаграммы скоростей потока на входе и на выходе из лопастной системы рабочего колеса для традиционной (фиг.3) и предлагаемой конструкции (фиг.4). Рабочее колесо 1 (фиг.1) состоит из ступицы 2 и прикрепленных к ней лопастей 3, установлено на гребном валу 4 внутри обечайки 5. На фиг.2 углы α_{вых.кас.} и α_вх.кас. являются углами наклона касательных 6 и 7 к средней линии 8 профиля серединного цилиндрического сечения лопасти 3 на ее выходящей 9 и входящей 10 кромках.

Устройство работает следующим образом. При прохождении потоком лопастной системы в случае цилиндрической формы ступицы и водовода за счет действия лопастей возникает вызванная окружная скорость Vt и поэтому относительная скорость потока на выходе из лопастной системы оказывается меньше, чем на входе (V_вых<V_вх). Для снижения диффузорности потока в пределах лопастной системы увеличивается аксиальная скорость от величины V_s на входе до величины V_s+V_a на выходе из лопастной системы, что приводит к уменьшению разницы между V_вх и V_вых или их равенству. Величина вызванной окружной (тангенциальной) скорости Vt определяется кривизной средней линии профиля сечения лопасти. Эффективная ширина межлопастного канала на входе и на выходе определяется углом наклона касательной к средней линии профиля и пропорциональна Sinα_вх.кас. и Sinα_{вых.кас.}. Поэтому условием отсутствия диффузорности течения является соотношение:

F_вх*Sinα_вх.кас.≥F_вых*Sinα_{вых.кас.}, где F_вх и F_вых - площади между ступицей и стенкой водовода на входе и на выходе из лопастной системы соответственно.. Поскольку отклонение потока в лопастях происходит на меньший угол, чем α_{вых.кас.}, в приведенную выше зависимость введен коэффициент 0,7, и условие отсутствия диффузорности примет следующий вид: F_вх*Sinα_вх.кас.≥F_вых*Sinα_{вых.кас.}

Предлагаемая конструкция водометного движителя с недиффузорным течением потока через лопастную систему рабочего колеса улучшает кавитационные характеристики и обеспечивает стабильную работу движителя при попадании воздуха в гидравлическое сечение рабочего колеса.

Водометный движитель содержит водовод, установленное на гребном валу и заключенное в обечайку рабочее колесо, ступица которого выполнена в виде тела вращения и с меньшим диаметром на входе в рабочее колесо, чем ее диаметр на выходе из него, а лопасти колеса выполнены с криволинейной линией профиля в цилиндрических сечениях. В пределах лопастной системы по длине рабочего колеса диаметры ступицы и водовода на входном и выходном сечениях лопастной системы выбраны из условия где: F_вх. и F_вых. - площади гидравлического сечения проточной части, ограниченные ступицей и стенками водовода, на входе в лопастную систему и, соответственно, на выходе из нее; α_вх.кас. и α_{вых.кас.} - углы наклона к плоскости диска рабочего колеса касательных к средней линии профиля цилиндрического сечения лопасти, проведенных через входящую и, соответственно, через выходящую кромки лопасти. Такое выполнение движителя исключает резкое снижение тяги при развитии кавитации на лопастях рабочего колеса и обеспечивает стабильность его работы при попадании воздуха в гидравлическое сечение рабочего колеса. 4 ил.

Водометный движитель, содержащий водовод, установленное на гребном валу и заключенное в обечайку рабочее колесо, ступица которого выполнена в виде тела вращения и с меньшим диаметром на входе в рабочее колесо, чем ее диаметр на выходе из него, а лопасти колеса выполнены с криволинейной линией профиля в цилиндрических сечениях, отличающийся тем, что в пределах лопастной системы по длине рабочего колеса диаметры ступицы и водовода на входном и выходном сечениях лопастной системы выбраны из условия

где F_вх и F_вых - площади гидравлического сечения проточной части, ограниченные ступицей и стенками водовода, на входе в лопастную систему и соответственно на выходе из нее;

α_вх.кас и α_{вых.кас} - углы наклона к плоскости диска рабочего колеса касательных к средней линии профиля цилиндрического сечения лопасти, проведенных через входящую и соответственно через выходящую кромки лопасти.