Розрахунки водометного рушія

Результати модельних випробувань серій осьових насосів при різних крокових відносинах H/D або кутах повороту лопат робочого колеса зазвичай представляють у формі універсальних діаграм, що зв'язують коефіцієнти витрати КQ і напору КH з ККД насоса зр , а також з критичним числом кавітації дsкр, при якому починається напірних характеристик.

На основі оптимізації ККД струменя водомета отримані наступні співвідношення для потрібних КH і KQ:

де ρ - 102 кг · З 2 / м 4 і g = 9,81 м / сек 2 - масова щільність води та прискорення сили тяжіння; Т - повна тяга водомета, кгс; D - діаметр робочого колеса, м:

- Досяжна швидкість руху катера, м / сек:

- Відносна швидкість потоку у водозабірнику перед робочим колесом;

— оптимальне значення відносної швидкості струменя на зрізі, де коефіцієнт гідравлічних втрат у водозабірній частині рушія; ζс = 0,03 - коефіцієнт втрати напору всередині сопла.

Як уже згадувалося, на швидкохідних катерах, що глісують, застосовуються водозабірники статичного типу, вхідний отвір яких розташовано в площині днища (рис. 11).

Мал. 11. Основні розміри днищового водозабірника.

На діаграмі (рис. 12) наведена експериментальна крива 1 мінімальних значень для водозабірника зазначеного типу, отримана на основі натурних випробувань серії водозабірників з різними співвідношеннями геометричних елементів і побудована в залежності від Vs.

Мал. 12. Залежність характеристик водозабірника від безрозмірної швидкості перед робочим колесом.

Оскільки вхідний отвір водозабірника зазвичай закривається металевими гратами з поздовжніхсмуг, до величини ζомін додана відносна втрата напору від установки такої решітки, тобто сумарний ζо відповідає кривій 2. У цьому випадку число смуг у решітці розраховується за формулою

де bвз - ширина вхідного отвору водозабірника, мм; t - Товщина смуги, мм; m - коефіцієнт, що залежить від поперечного профілю смуги: m = 0,15 для смуг із закругленими по радіусу кромками; m = 0,22 для смуг обтічного профілю. Ширина смуги зазвичай приймається не менше ніж п'ять її товщин. Отримане in округляється до цілої величини. Оптимальні геометричні співвідношення розмірів водозабірника, що забезпечують мінімум ζо при кожній Vs, наведено на рис. 11 .

Формули (1) і (2) у комплексі з (3) та кривою формула стор. 29 на рис. 12 б дозволяють при заданому δsкр, що обмежує область оптимальних режимів вибраного насоса, розрахувати та побудувати діаграму Tn 2 - Vо в осях КHпотр - КQпотр. Поєднання таких діаграм по осях КH і KQ з універсальними діаграмами ряду типових насосів дозволяє оперативно оцінити ступінь їх придатності щодо досяжної швидкості і тяги, що розвивається. На рис. 13 показано поєднання діаграми Tn 2 - Vo, розрахованої для δsкр = 3, з витратно-напірними характеристиками серії чотирилопатевих насосів (опис насосів можна знайти в 3 і 5 списку літератури).

Мал. 13. Поєднання діаграм наявних і потрібних витратно-напірних характеристик для чотирилопатевих насосів.

Для врахування додаткових енергетичних втрат при використанні геометрично подібних насосів у складі водометів останніх знижений на 3 %. Геометричні елементи робочих коліс і апаратів, що спрямовують зазначених насосів наведені нарис. 14 та 15.

Мал. 14.Геометричні співвідношеннядля чотирилопатевих роторів (dст = 0,5; А/Аd = 1/1).

Знімаючи далі відповідні значення Tn2, Vo і ηр кожної лінії H/D, можна побудувати залежності параметра Тn 2 і ККД повної тяги ηт від Vo (див.рис. 16і17) .

Мал. 16. Залежність параметра Tn 2 від Vo за різних H/D (zрк = 4).

Мал. 17. Залежність ККД повної тяги від Vo при різних H/D (zрк = 4).

Обчислення ηт провадиться за формулою

ηт = Т Vо/75N = ηр ηm/(1 + ζc)Vjопт,

де ηт = 0,98 - механічний ККД валопроводу. На додаток на рис. 18 нанесена крива оптимального коефіцієнта підібгання сопла

де dс - Діаметр сопла, м.

Криві ηт характеризуються наявністю максимумів, зрушених вліво щодо лінії максимальних ККД самого насоса. Інакше кажучи, на рис. 14 лінія оптимальних по ηт режимів роботи насоса у складі водомета перебуватиме нижче лінії максимальних значень ηр. Зв'язок між N і n за кожної Vo можна встановити за допомогою формули (7) і данихрис. 16 та 17.

Nn 2 = Tn 2 Vo/75 ηт

Потім із формул (1) і (2) виразити

Залежності проектних параметрів Nn 2 і nD від Vo при різних H/D серії насосів, що розглядається, представлені нарис. 18 та 19.

Мал. 18. Взаємозв'язок параметра Nn 2 c Vo при зміні H/D (zрк = 4). Рис. 19. Зміна параметра nD залежно від Vo та H/D (zрк = 4).

За допомогою графіків, поданих на рис. 16-19 легко знайти оптимальні характеристики водомета з типом насоса, що використовується при різній формі проектного завдання. Розрахункову точку бажано розташувати на кривій ηтмакс. Відхилення вліво від оптимального положення призводить до зменшення Vo та збільшення Т та навпаки.Видно, що область використання чотирилопатевих насосів в оптимальному режимі обмежена діапазоном Vo = 8-13 м/сек (або 29-47 км/год), тобто вони скоріше застосовуються до порівняно важких і тихохідних катерів.

Для отримання більш високих швидкостей руху за тієї ж потужності необхідно використовувати більш високонапірні насоси з одночасним зниженням вагового навантаження корпусу. На рис. 20 представлена номограма для визначення оптимальних робочих параметрів водомета з високонапірним шестилопатевим насосом, що має ротор з поворотними лопатями.

Мал. 20. Номограма для визначення оптимальних параметрів водомета із шестилопатевим ротором.

Геометричні характеристики цього насоса наведені на рис. 21-23 .

Мал. 21. Геометричні елементи шестилопатевого ротора (dст = 0,55; А/Аd = 1,42)

Мал. 22. Залежність розподілу кроку вздовж радіусу кута повороту φ лопатей для шестилопатевого ротора.

Номограма відповідає режимам роботи насоса по лінії макс; при цьому оптимізація діаметра виконана з урахуванням залежності δsкр від φ. Порядок користування номограмою показаний на прикладі Nn 2 = 27 · 104 (N = 75 к. с.; n = 3600 об/хв, використано двигун від автомобіля «ГАЗ-24»). Провівши вертикаль та горизонталь через задане значення Nn2, отримаємо nD = 11,75; Tn2 = 70 · 104; φ = +2 °; Vo = 13,88 м/сек; βопт = 0,2833; Vs = 0,4782. Додатково обчислюється Dопт = 0,196 м; T = 194,4 кгс; і через D приведемо до розмірного вигляду геометричні елементи ротора і апарату, що спрямовує, користуючись рис. 23-25.

Мал. 24. Розрахункова діаграма оптимальних характеристик гліссування для корпусу з плоско-кільватим днищем (βк = 15є; хg = 1,8 м).

Мал. 25. Залежність гідродинамічної якості (К) від питомого навантаження та центрування та графік для визначення ходового диферента (кута атаки) глісуючої пластини (β = 0°).

При використанні замість поворотних лопатей лопатей з фіксованим кроком ротор може виявитися гідродинамічно важким. Це пояснюється усуненням зазору між коренем лопаті та маточицею. Доведення ротора в цьому випадку можна здійснити шляхом підрізування вхідний і вихідний кромок лопатей з подальшим їх профілюванням. Такий перехід можливий за збереження сумарної ширини хорд лопаток zb та їх відносної кривизни. Аналогічним чином можна надійти у разі виникнення технологічних труднощів, що з виготовленням шестилопатевого ротора, коли необхідно збільшити відстань між кореневими перерізами (наприклад, виконання зварювання і обробки лопатей). У цьому випадку кількість лопат ротора можна зменшити до п'яти.

Проектуючи корпус водометного катера, слід мати на увазі, що установка водомета більш переважна на корпусах з плоско-кільвати обводами днища і постійним по довжині кутом кілеватості βк = 12-18° (в діапазоні Vo = 40-55 км/год відповідно). Такі обводи забезпечують більш високу стійкість на курсі, крім того, набагато менша ймовірність прососу повітря до ротора в порівнянні з плоскодонними корпусами. При підвищеній кіловатості днища центр ваги двигуна вдається розташувати набагато нижче і покращити заповнення рушія водою під час запуску.

Якщо Т і Vo відомі, залишається підібрати глісуючий корпус з допустимим ваговим навантаженням ∆, поздовжнім центруванням xg, кутомкілеватості βк і оптимальною шириною гліссування bопт. Опір голого корпусу Rг.к з водометом при гліссуванні можна виразити у вигляді твору

Rг.к = (T - Ra - RBЗ) (l - ψ), кгс,

- Аеродинамічний опір корпусу (Sлоб - найбільша площа лобового перерізу, м 2), кгс;

Зовнішній гідродинамічний опір водозабірника (CD визначається за рис. 12 після встановлення Vs), кгс; ψ = 0,02 - коефіцієнт взаємодії глісуючої поверхні з водометом, що враховує збільшення Rг.к через появу додаткового ходового диферента, викликаного підсмоктує на днище в районі водозабірного отвору. Щоб встановити взаємозв'язок між Rг.к, Vo, ∆, βк, xg та bопт, можна скористатися відомими методиками розрахунку оптимальних характеристик гліссування. Як приклад на рис. 24 представлені результати такого розрахунку для βк = 15°; xg = 1,8 м та ∆ = 700-1300 кг, об'єднані у вигляді корпусної діаграми ∆ - bопт в осях Rг.к - Vo.

По діапазону ∆ і Vo ця діаграма застосовна для глісирующих катерів довжиною 4,5-5,5 м, оснащених двигунами N = 50-100 л. с. За допомогою такої діаграми за відомих Rг.к, Vo, xg і βк спочатку визначаються ∆ і bопт, а потім розраховується пропульсивний ККД рушія:

де ηзовніш - зовнішній ККД, що виражає відношення корисної (Rг.к + Rа) і повної тяги Т.