В зависимости от условий эксплуатации импеллер водомета подвергается износу, и между стенкой патрубка и краем лопасти образуется зазор. Для сохранения максимальной производительности зазор должен быть минимальным. (На заводе устанавливается зазор 0,2 мм). С увеличением зазора КПД водомета снижается.
Обычно износ наблюдается на внешней стороне лопастей импеллера.
Импеллер водомета вращается в конусообразном патрубке, и его положение можно регулировать, смещая импеллер в направлении вала по мере износа.
Расположение импеллера в трубе определяет его энергозатраты. Чем глубже расположен импеллер, тем меньше мощности двигателя ему требуется, поскольку его диаметр меньше. Шаг, длина и количество лопастей также влияют на энергопотребление.
Регулировка импеллера позволяет значительно продлить срок его службы.
Регулировка импеллера должна проводиться в случае необходимости, но не реже чем раз в год следует проверять его состояние. Чтобы выполнить регулировку импеллера, его необходимо снять, а затем снова установить.
Проверка импеллера
Лопасти импеллера могут быть острыми и стать причиной пореза рук. Перед снятием импеллера следует надеть защитные перчатки.
Вы также можете вернуть импеллер на завод для проверки и ремонта.
Если вам кажется, что импеллер водомета поврежден, выполните следующие действия:
Если не обнаружены явные неисправности, выполните следующие действия:
Если необходимо, свяжитесь с импортером или производителем и запросите дополнительные инструкции.
Демонтаж импеллера
Перед демонтажем импеллера необходимо снять реверсивную заслонку, рулевое сопло и статор.
При вкручивании винта в резьбовое отверстие происходит ослабление крепления конуса, и импеллер можно легко снять с вала. Если переходник не поддается, воспользуйтесь несколькими винтами для его ослабления.
Рисунок 26. Винты реверсивной заслонки
Рисунок 27. Крепежные винты статора
Рисунок 28. Демонтаж статора, реверсивной заслонки и рулевого сопла
Рисунок 29. Крепежные винты импеллера
Установка импеллера
Новые или отремонтированные импеллеры устанавливаются таким же способом.
Водометный движитель (водомет) — это движитель, у которого сила, движущая судно, создается выталкиваемой из него струей воды (реактивная тяга). По сути это водяной насос, который работает под водой. Применяются обычно на судах, плавающих на мелководье.
Водометные движители используются в мире уже с 1950-х годов. Это новозеландцы изобрели лодочный мотор, который можно было использовать безопасно и надежно на мелководных реках для доставки в труднодоступные места разнообразных грузов. Но для более менее коммерческого и повсеместного применения водометов ждали около 50 лет.
Водометный движитель обычно состоит из:
импеллер
водовод
спрямляющий аппарат
сопловой аппарат
реверсивно-рулевое устройство
привод реверсивно-рулевого устройства
подшипниковые узлы и дейдвудные уплотнения
Достоинства водометного движителя
Хорошо защищён от механических повреждений и кавитации (процесс парообразования и последующего схлопывания пузырьков пара с одновременным конденсированием пара в потоке жидкости )
Хорошо плавает по мелководью (можно спокойно передвигаться по мелководным горным рекам и озерам с каменным дном), преодолевает засоренные участки водоёмов и даже перекаты и мели ( в отличие от винтового мотора, в котором такие штуки могут можно разрушить и винт, и сам мотор)
Безопасен для людей, которые находятся рядом в воде, т.к. импеллер находится внутри. Для применения в спасательной техники это очень актуально, т.к. спасательное судно должно быть как можно ближе к спасаемому человеку. И, кстати, глушить водомет нет необходимости
На больших скоростях КПД лучше, чем у винтовых. Тут на выбор: либо увеличенная максимальная скорость, либо экономия топлива
Водомётные катера более устойчивы и управляемы (даже при резких виражах на высокой скорости), потому что водомёт как бы «присасывает» катер к воде, за счет чего он устойчиво ведет себя. Можно совершить разворот практически на месте и двигаться бортом вперёд. Не требуется использование реверс-редуктора, торможение с полного хода, выбег судна при экстренном торможении наиболее короткий
Тише по сравнению с винтовыми движителями
Недостатки водометного движителя
Меньший, по сравнению с винтом, КПД на небольшой скорости из-за необходимости перевозки, помимо собственно полезного груза, также и воды, находящейся в трубопроводе; трения воды в трубопроводах;турбулентных завихрений потока воды в каналах водомёта
Затруднительность подачи воды сквозь днище судна к насосу, на эффективность которого будет влиять скорость движения судна относительно воды
Водозабор работает также как помпа и может затянуть со дна камни, песок, мусор. Это может забить систему охлаждения либо повредить импеллер и водовод
Высока степень износа пары ротор-статор, так как эксплуатация производится на мелководье.
Cвоеобразное поведение водомётного катера на малом ходу
Мы используем водометные двигатели фирм Mercury и Weber, потому что они и мощные, и надежные, и крутые, что отлично соответствует нашим катерам.
Для тех, кто хочет досконально разобраться как работает водометный движитель
Импеллер
Водовод
Основные правила проектирования водозаборников
Свод водозаборника не должен быть крутым, должно быть соблюдено условие безотрывности течения потока воды от днища катера к своду водозаборника.
Входящая кромка, так называемая «губа» должна иметь профиль максимально приближенный к гидродинамическому.
Сечения водозаборника должны быть максимально приближены к форме трубы. Плоские поверхности образующие вход водозаборника, за два калибра от импеллера должны плавно перейти к форме круга.
Спрямляющий аппарат
Спрямляющий аппарат создает на пути движения воды определенное сопротивление. Что бы это сопротивление уменьшить, в идеале профиль лопаток спрямляющего аппарата должен быть правильного гидродинамического профиля, при этом сама конструкция спрямляющего аппарата не имеет большого значения с точки зрения гидродинамики. Гидродинамические схемы исполнения спрямляющего аппарата. Лопаточное поджатие. Это когда лопатки спрямляющего аппарата выполняют одновременно и функцию соплового аппарата. В этом случае профиль лопаток имеет форму клина. У такого спрямляющего аппарата имеется одно преимущество – уменьшение осевого габарита всего водометного движителя. Но недостатков больше, чем преимуществ. Потери КПД достаточно велики, благодаря профилю лопаток. О недостатках такого сопла будет сказано ниже в разделе Сопловой аппарат. Щелевой водомет. Собственно самого спрямляющего аппарата 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. Для глиссирующих судов этот тип ВД не эффективен. Пропульсивный КПД 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 КПД дает потерю скорости катера более 40%.
Сопловой аппарат
Сопловой аппарат (или просто сопло) – элемент гидродинамической части водометного движителя, 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.
Виды сопловых аппаратов
В сопле размещен спрямляющий аппарат. Это значительно экономит осевой размер водомета, но требует очень дорогостоящего производства.
Сопло с лопаточными поджатием. В этом случае, так же спрямляющий аппарат расположен в сопле, но само сопло не имеет поджатия, эту функцию выполняют клиновые лопатки спрямляющего аппарата. Из недостатков конструктивных и практических: трудность организации реверсивно-рулевого устройства. Диаметр струи равен диаметру импеллера, 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.
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 кпд 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 не возможно организовать эффективное реверсивно-рулевое устройство. Этот тип водометного движителя предложен в ЦНИИ им. Акад. А.Н.Крылова и разрабатывался специально для водометов большой мощности, с частично напорным водозаборником.
Реверсивно-рулевое устройство (РРУ)
РРУ обеспечивает поворот судна, а при перекрытии потока из сопла, струя воды поворачивается обратно, что дает судну задний ход.
Задачи реверсивно-рулевого устройства
Максимально эффективно, без значительных усилий управлять судном на всех режимах переднего хода
Максимально эффективно использовать энергию водометного движителя на режиме заднего хода
Обеспечить хорошую управляемость судна при движении и маневрировании на заднем ходу
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.
Для управления на переднем ходу большинство производителей применяют различные конструкции поворотных насадок.
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 водометного движителя. Эффективность такого поворотного сопла чрезвычайно высока. На водометах на малом ходу для улучшения управляемости необходимы «подгазовки», а при использовании 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 % кпд 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, и 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). Неэффективные реверсивные устройства – один из главных аргументов не в пользу водометных движителей 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.
Подшипниковые узлы и дейдвудные уплотнения
Водомет подвержен забиванию водорослями, которые, наматываясь на вал с импеллером, могут его заклинить. В случае заклинивания водомета, для предотвращения поломки стационарного двигателя, на валу предусмотрена срезаемая шпонка. Очистить от водорослей можно, открыв смотровой лючок и убрав их. Смотровой лючок находится в своеобразном «колодце», края которого подняты выше ватерлинии, что позволяет иметь доступ к водоводу на плаву. От попадания в водомет крупных камней предохраняет решетка во впускном отверстии.
Водометные движители для катеров и лодок: отзывы о производителях, достоинства и недостатки
Как правило, люди, решившие связать род деятельности (будь то хобби или профессия) с водоёмами вроде рек или озёр, рано или поздно сталкиваются с проблемой выбора катера и типа движителя для него. Мотор-водомёт или всё же винтовой? У каждого имеются свои плюсы и минусы. Как правильно выбрать, на что стоит обращать внимание? И стоит ли вообще делать выбор между водомётом и классическим мотором с открытым винтом?
Водомётные движители
Водомётом назван двигатель, обеспечивающий движение судна при помощи силы, создаваемой путём выброса водной струи.
Движитель состоит из винта с валом (импеллером), водомётной трубки, спрямляющего аппарата и рулевого приспособления.
Принцип работы заключается в поступлении воды через импеллер в водозаборный отсек, а после жидкость выбрасывается через конусообразную трубку, выходное отверстие которой меньше в диаметре, чем входное. Так создаётся струя, обеспечивающая движение моторной лодки. При помощи рулевого устройства производится изменение направления движения струи путём поворота движителя в горизонтальной плоскости, что обеспечивает повороты судна, а перекрытие выходного отверстия создаёт обратнонаправленный поток, обеспечивая катеру задний ход.
К выбору водомётов обычно склоняются люди, которым часто приходится преодолевать замусоренные или порожистые водоёмы. Обычный винтовой мотор в данных условиях рискует прийти в негодность из-за высокого риска наматывания тины на винт на мелководье или обычного попадания крупного мусора. В подобных ситуациях незаменимы именно водомётные движители, обеспечивающие высокую скорость, манёвренность и безопасность.
Не стоит ограничиваться мнениями участников различных форумов. Ведь составить полную картину позволяет не всякий отзыв. Водомёт представляет собой не только достаточно сложную конструкцию, он не для всякой модели судна может подойти. Если новичка устраивает сама идея использования судна с водомётным движителем, следует остановиться на готовом варианте судна с водомётом в заводской комплектации. Причём желательно выбирать изготовителя, занимающегося производством данных движителей достаточно давно.
Импеллеры — что это такое?
Лопаточная машина, работающая в специальном кожухе, называется импеллером.
В переводе с немецкого дословно звучит как «направленный, канализированный вентилятор».
Сравните: пропеллер работает в открытом пространстве. Внешний кожух устройства помогает эффективно направлять воздушные потоки (или рабочую среду), эффективно распределяя центробежные усилия. Это предотвращает концевые потери.
Достоинства и недостатки
Устройство водомёта особенно тем, что все важнейшие подвижные детали «спрятаны» внутри корпуса. Если лодка садится на мель, касание дна происходит корпусом судна. Данная особенность конструкции позволяет защитить детали от повреждения, чего нельзя сказать про подвесные моторы с «оголённым» винтом. Водомётному движителю не страшны встречи с подводным мусором.
При движении моторной лодки по мелководью с глубиной примерно равной посадке корпуса (около 20 сантиметров) водомёт позволяет преодолевать замусоренные участки, а также места с выступающими из воды преградами, благодаря своей манёвренности.
Иногда водомётные движители используются и на прогулочных судах из-за мягкой работы силовой передачи (трансмиссии) и отсутствия вибрации.
К достоинствам также следует отнести отсутствие дополнительного сопротивления воде, свойственное двигателям с открытым гребным винтом (лопасти винта и создают дополнительное сопротивление). Помимо этого, выделяют высокие показатели инерции, более удобную управляемость на высокой скорости (как при переднем ходе, так и при заднем). Немалую важность имеет и низкий диапазон шума: подвесной водомёт работает заметно тише, нежели мотор с гребным винтом.
Тем не менее следует отметить отрицательную сторону: при движении по мелководью есть большой риск, что в двигатель будут затянуты камни, песок и мусор со дна, ведь водомёт работает по принципу помпового насоса. Это может привести к повреждению импеллера, выходу из строя охладительной системы и некорректной работе водоотводного сопла.
Ещё одной отрицательной стороной является трение. Обусловлено оно высокой скоростью движения воды внутри трубы. Не стоит забывать и о стоимости установки. Водомётные лодочные моторы примерно в два раза дороже обычных подвесных моторов с открытым винтом. Из-за этого катера с водомётным движителем в комплекте значительно прибавляют в своей стоимости и воспринимаются клиентами как каприз или непозволительная роскошь.
Непривычным для поклонников классических винтовых моторов является и система управления водомётом. Проблема связана с тем, что классический движитель с открытым гребным винтом имеет однорычажную систему управления. Водомётные движители же имеют многорычажное реверсивно-рулевое устройство. Некоторые изготовители умудряются выпускать катера со встроенным водомётом с однорычажной системой управления. С одной стороны, это помогает освоить водомёт, с другой стороны, скорее влечёт за собой неприятности, чем приносит пользу:
Недостатки водометного движителя
Меньший, по сравнению с винтом, КПД на небольшой скорости из-за необходимости перевозки, помимо собственно полезного груза, также и воды, находящейся в трубопроводе; трения воды в трубопроводах;турбулентных завихрений потока воды в каналах водомёта
Затруднительность подачи воды сквозь днище судна к насосу, на эффективность которого будет влиять скорость движения судна относительно воды
Водозабор работает также как помпа и может затянуть со дна камни, песок, мусор. Это может забить систему охлаждения либо повредить импеллер и водовод
Высока степень износа пары ротор-статор, так как эксплуатация производится на мелководье.
Cвоеобразное поведение водомётного катера на малом ходу
Мы используем водометные двигатели фирм Mercury и Weber, потому что они и мощные, и надежные, и крутые, что отлично соответствует нашим катерам.
Для тех, кто хочет досконально разобраться как работает водометный движитель
Импеллер
Импеллер (или винт, или рабочее колесо)
— это лопаточная машина, заключенная в кольцо, снижает потери мощности и шумность. Импеллер является главным элементом водометного движителя, преобразующим энергию двигателя в энергию поступательного движения судна. Гидродинамически импеллеры бывают: осевые с цилиндрической и конической ступицей, осе-диагональные, диагональные и шнековые. Каждый из типов имеет свою область использования. Осевые импеллеры являются предшественниками всех типов импеллеров водометных двигателей. Отличаются высокими значениями упора на низких скоростях движения. Имеют достаточно низкий кпд и небольшой запас по кавитации, что определяет применение низкооборотных двигателей. Просты в изготовлении. Осе-диагональные импеллеры характеризуются достаточно высокими значениями кпд, способны эффективно работать на любых скоростях движения судна. Могут быть применены в компоновке со среднеоборотными двигателями. Диагональные и шнековые импеллеры – это наиболее современные импеллеры, проектирование которых могут себе позволить только фирмы, имеющие базу разработки гидродинамики. У таких импеллеров максимальные значения кпд находятся в зонах высоких оборотов двигателей и скоростей движения судна. Вообще, импеллер самая сложная деталь в составе водометного движителя, обычно они изготавливаются литыми с последующей механической обработкой лопастей. Некоторые производители изготавливают сварные импеллеры, заранее обработанные лопасти привариваются к ступице. Такая технология допустима в случае с низкооборотными осевыми импеллерами и совершенно не допустима для высокооборотных движителей. Значительный дисбалансы таких импеллеров, 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 импеллеры методом точного литья с минимальной последующей обработкой . Такая технология дает значительное снижение стоимости изготовления при соблюдении высокой точности геометрии. Импеллеры изготавливаются из нержавеющей стали или коррозионно-стойких бронз и латуней.
Водовод
Водовод (или водометная труба, или водозаборник)
— обычно это профилированная труба. Водяной поток ускоряется либо лопастным механизмом, либо энергией сгорания топлива или давлением сжатого газа, что и обеспечивает направленный выброс струи через выпускное отверстие в корме. Отбрасываемая масса воды создает упор движителя, что и приводит судно в движение. Водовод с точки зрения гидродинамики очень важная деталь любого водомета. Кроме этого конструктивно водозаборник, как правило, является несущей силовой деталью водометного движителя . Именно в водозаборнике происходит «подготовка» воды перед импеллером. Очень важно, чтобы течение жидкости подошедшей к импеллеру 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 водометного движителя, считая, что основная задача просто подвести воду к импеллеру. В угоду технологичности и компактности, водозаборники делают зачастую из листового материала, с очень крутыми подъемами свода водозаборника.
Основные правила проектирования водозаборников
Свод водозаборника не должен быть крутым, должно быть соблюдено условие безотрывности течения потока воды от днища катера к своду водозаборника.
Входящая кромка, так называемая «губа» должна иметь профиль максимально приближенный к гидродинамическому.
Сечения водозаборника должны быть максимально приближены к форме трубы. Плоские поверхности образующие вход водозаборника, за два калибра от импеллера должны плавно перейти к форме круга.
Спрямляющий аппарат
Спрямляющий аппарат создает на пути движения воды определенное сопротивление. Что бы это сопротивление уменьшить, в идеале профиль лопаток спрямляющего аппарата должен быть правильного гидродинамического профиля, при этом сама конструкция спрямляющего аппарата не имеет большого значения с точки зрения гидродинамики. Гидродинамические схемы исполнения спрямляющего аппарата. Лопаточное поджатие
. Это когда лопатки спрямляющего аппарата выполняют одновременно и функцию соплового аппарата. В этом случае профиль лопаток имеет форму клина. У такого спрямляющего аппарата имеется одно преимущество – уменьшение осевого габарита всего водометного движителя. Но недостатков больше, чем преимуществ. Потери КПД достаточно велики, благодаря профилю лопаток. О недостатках такого сопла будет сказано ниже в разделе Сопловой аппарат. Щелевой водомет. Собственно самого спрямляющего аппарата 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. Для глиссирующих судов этот тип ВД не эффективен. Пропульсивный КПД 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 КПД дает потерю скорости катера более 40%.
Сопловой аппарат
Сопловой аппарат (или просто сопло)
– элемент гидродинамической части водометного движителя, 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.
Виды сопловых аппаратов
В сопле размещен спрямляющий аппарат. Это значительно экономит осевой размер водомета, но требует очень дорогостоящего производства.
Сопло с лопаточными поджатием. В этом случае, так же спрямляющий аппарат расположен в сопле, но само сопло не имеет поджатия, эту функцию выполняют клиновые лопатки спрямляющего аппарата. Из недостатков конструктивных и практических: трудность организации реверсивно-рулевого устройства. Диаметр струи равен диаметру импеллера, 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.
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 кпд 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 не возможно организовать эффективное реверсивно-рулевое устройство. Этот тип водометного движителя предложен в ЦНИИ им. Акад. А.Н.Крылова и разрабатывался специально для водометов большой мощности, с частично напорным водозаборником.
Реверсивно-рулевое устройство (РРУ)
РРУ обеспечивает поворот судна, а при перекрытии потока из сопла, струя воды поворачивается обратно, что дает судну задний ход.
Задачи реверсивно-рулевого устройства
Максимально эффективно, без значительных усилий управлять судном на всех режимах переднего хода
Максимально эффективно использовать энергию водометного движителя на режиме заднего хода
Обеспечить хорошую управляемость судна при движении и маневрировании на заднем ходу
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.
Для управления на переднем ходу большинство производителей применяют различные конструкции поворотных насадок
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 водометного движителя. Эффективность такого поворотного сопла чрезвычайно высока. На водометах на малом ходу для улучшения управляемости необходимы «подгазовки», а при использовании 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 % кпд 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, и 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). Неэффективные реверсивные устройства – один из главных аргументов не в пользу водометных движителей 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.
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 водометного двигателя является величина зазора между импеллером и обечайкой. При значительном увеличении этого зазора кпд движителя может существенно упасть. Подшипник скольжения из-за своих свойств не может обеспечить постоянный зазор. Импеллер 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.
Водомет подвержен забиванию водорослями, которые, наматываясь на вал с импеллером, могут его заклинить. В случае заклинивания водомета, для предотвращения поломки стационарного двигателя, на валу предусмотрена срезаемая шпонка. Очистить от водорослей можно, открыв смотровой лючок и убрав их. Смотровой лючок находится в своеобразном «колодце», края которого подняты выше ватерлинии, что позволяет иметь доступ к водоводу на плаву. От попадания в водомет крупных камней предохраняет решетка во впускном отверстии.
Водомёт — это безопасно!
Разумеется, безопасность водомётного двигателя – главная положительная черта. Так как импеллер находится внутри, водомёт не представляет опасности для человека, пребывающего в воде. Применяются такие устройства на гидроциклах и катерах при буксировании водных лыжников и сёрферов.
Особенности строения водомётного движителя позволяют моторной лодке осуществлять повороты практически на месте благодаря реверсивно-рулевому устройству (РРУ), обеспечивающему изменение направления (реверс) выходящего потока.
Запчасти водомёта легко доступны, и ремонт не вызывает особых сложностей. Если двигатель водомёта вышел из строя, следует воспользоваться услугами любой автомастерской, где таковой с лёгкостью отремонтируют или заменят новым. Всё будет зависеть от степени повреждения. Возможно, потребуется доработка системы крепления, охлаждения и выхлопа в случае с заменой.
Водомётный движитель обладает рядом нюансов, о которых не следует забывать. Один из таковых: маневрировать следует на больших оборотах, не стоит сбрасывать таковые до окончания манёвра, будь то поворот, разворот или задний ход.
Как и подвесной мотор, водомётный движитель подвергается риску намотки водорослей на импеллер, который, в свою очередь, может заклинить. Для предотвращения повреждения двигателя в случае намотки водорослей на вал, предусмотрена специальная шпонка, которую можно срезать. От водорослей также легко избавиться, лишь открыв лючок. Предусмотрена защита от попадания камней – решётка.
Достоинства водометного движителя
Хорошо защищён от механических повреждений и кавитации (процесс парообразования и последующего схлопывания пузырьков пара с одновременным конденсированием пара в потоке жидкости )
Хорошо плавает по мелководью (можно спокойно передвигаться по мелководным горным рекам и озерам с каменным дном), преодолевает засоренные участки водоёмов и даже перекаты и мели ( в отличие от винтового мотора, в котором такие штуки могут можно разрушить и винт, и сам мотор)
Безопасен для людей, которые находятся рядом в воде, т.к. импеллер находится внутри. Для применения в спасательной техники это очень актуально, т.к. спасательное судно должно быть как можно ближе к спасаемому человеку. И, кстати, глушить водомет нет необходимости
На больших скоростях КПД лучше, чем у винтовых. Тут на выбор: либо увеличенная максимальная скорость, либо экономия топлива
Водомётные катера более устойчивы и управляемы (даже при резких виражах на высокой скорости), потому что водомёт как бы «присасывает» катер к воде, за счет чего он устойчиво ведет себя. Можно совершить разворот практически на месте и двигаться бортом вперёд. Не требуется использование реверс-редуктора, торможение с полного хода, выбег судна при экстренном торможении наиболее короткий
Тише по сравнению с винтовыми движителями
Как выбирать водомёт
Обычные подвесные моторы с открытым гребным винтом имеют коэффициент полезного действия (КПД) равный 0,65–0,75 при движении на умеренных скоростях. Для водомёта же КПД составляет примерно 0,55 на скорости движения 40–55 км/ч. При увеличении скорости до 100 км/ч составляет уже 0,60–0,65. Грамотное проектирование всех элементов водомётных движителей даёт КПД около 0,70. При этом следует рассматривать не только водомёт, но и ускорение катера с установленной конструкцией водомёта.
Рекомендуется изучить ряд правил, позволяющих грамотно выбирать водомёты, основной упор в которых касается проектирования и технологии изготовления. Следует отметить, что необходимо обращать внимание на форму сопла. Водоотвод должен иметь круглую или эллипсоидную форму сечения. Менее желательными вариантами являются квадратные водоотводные трубки и в форме прямоугольника со скруглёнными углами.
Немаловажным аспектом является и угол наклона оси водозаборника. Выбирать следует по принципу «скорость выше – наклон меньше». Водомётные катера развивают скорость движения в пределах 55–65 км/ч, что достигается при помощи угла 35–39 градусов. Для достижения более высоких скоростей угол следует уменьшить до 25 градусов. При этом угол наклона оси гребного вала выбирается в диапазоне от нуля до пяти градусов.
Выбираем импеллер
Выбор импеллера очень ответственное и важное мероприятие. От того какой установлен импеллер в водомётном движителе зависит ходовые характеристики и расход топлива, и при определённых обстоятельствах безопасность прохождения сложных порожистых участках рек. В этой статье постараюсь подробно изложить методику выбора импеллера. Так как именно импеллер преобразует крутящий момент ДВС в реактивную силу движущую катер. Чем больше воды подаст импеллер и чем выше будет скорость выходящей струи, тем быстрее поедет катер. Кажется всё просто, за количество воды отвечает шаг импеллера, чем больше шаг, тем больше воды, и больше скорость…но…?
Увеличение и снижение скорости катера с обычным гребным винтом происходит почти пропорционально частоте вращения двигателя. Совсем по-другому ведет себя водометный движитель.
Высокая скорость выброса струи достигается благодаря создаваемому в водомете давлению, а так же правильно подобранному импеллеру или площади выпускного сопла. Чтобы струя создавала наибольший упор, вся движительная установка, состоящая из двигателя и водомёта, должна быть рассчитана на максимальные мощность и частоту вращения двигателя. Как только частота вращения снижается, катер теряет скорость, начинает уменьшаться давление в сопле, так как площадь сопла отрегулирована на максимальную частоту вращения. При этом напор и скорость струи снижается в значительно большей степени, чем частота вращения двигателя.
Нужно понимать, что импеллер всего лишь преобразует крутящий момент в поступательную энергию реактивного потока, он не трансформирует, только преобразует. Увеличение давления струи и скорости катера соответственно можно добиться изменением величины пропульсивного КПД водомётного движителя и увеличением мощности двигателя. Пропульсивный КПД сложный параметр, находится в жестких рамках и добиваться максимальной величины его на глиссирующем водомётном катере не всегда рентабельно. Можно заставить ДВС крутится на всю катушку, но увеличившийся расход топлива, заставит взять большее количество топлива на тот же маршрут, а дополнительный вес уменьшит скорость и все вернётся на круги своя, на воде каждый кг влияет на скорость катера. Для получения хороших экономических показателей нужно, чтобы двигатель как можно дольше работал в номинальном а лучше в экономичном режиме. Для этого ставят более мощные ДВС, и в максимальном режиме получают большую скорость, а в номинальном меньший расход топлива, но всё это должно быть в рамках нормативов ГИМС МЧС РОССИИ. Безопасность это самый важный параметр, всегда помните об этом.
Моделирование, и процесс изготовления импеллеров производится с использованием 3Д технологий и на оборудовании с ЧПУ.
ООО «СВК-БОРУС» выпускает серийно импеллеры диаметрами 180, 200, 220, 240, 400 мм. (информацию по каждому импеллеру можно посмотреть внизу страницы, открыв файл с нужным диаметром)
По индивидуальному заказу штучно и мало серийно импеллеры от 120 до 600 мм, с различным направлением вращения, различным дисковым и ступичным отношением. Количество лопастей и профиль лопасти разрабатываются под конкретный крутящий момент двигателя и его номинальные и максимальные обороты.
Импеллеры для водомётных движителей различаются:
1. Наружному диаметру D (180-200-220-240-400 мм)
2. Шагу на входе лопасти H (измеряется расстояние между лопастями импеллера на входе и умножается на G количество лопастей)
3. Количеству лопастей G ( двух, трёх, четырёх, пяти, шести и многолопастные с расположением лопастей на разных уровнях).
4. Профилю лопасти (код профиля лопасти, последнее обозначение на импеллере).
5. Дисковому отношению (отношению суммарной площади лопастей к площади полости импеллера, чем больше зона перекрытия лопастей Р, тем больше дисковое отношение).
6. Размеру ступицы D1 (обычно диаметр ступицы импеллера D1 равно 0,45 диаметра импеллера D, но все чаще используют отношение 0,6-0,65 D, на водомётных движителях с более высоким пропульсивным КПД, работающих на более высоких оборотах)
7. Направлению вращения
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: по умолчанию (если не указано направление вращение) это импеллер ЛЕВОГО
вращения наиболее распространённый.
Маркировка импеллеров ООО «СВК-БОРУС» отражает наиболее важные параметры
200- Наружный диаметр импеллера D, мм. Н-Шаг на входе лопасти H*G
170-величин шага, мм. 4-количество, шт. Л-лопастей Кт-54 Код профиля лопасти. Вращение не указано, значит импеллер левого вращения.
Код лопасти всегда связан с числом лопастей. Код лопасти содержит информацию производителя о профиле лопасти импеллера.
Профиль лопасти может быть с различными углами на входе и выходе, а так же сама лопасть может быть расположена под постоянным углом как 4Л-Кт56 и 3Л-555, а также иметь прогрессии. Меняя значения углов, прогрессии и величину дискового отношения можно иметь бесконечно много вариантов профилей. Вот рабочие профили лопастей ООО «СВК-БОРУС».
4Л-111 Импеллер разработан в 2007 году для водомётных движителей с полостью импеллера 50-60 мм, позволяет получать максимальные скорости, при малой и средней загрузки маломерного судна.
Недостатки: при резком старте в среднем и полном водоизмещении возможны срывы потока «прохваты».
4Л-211 Импеллер разработан в 2007 году для водомётных движителей с полостью импеллера 60-70 мм, позволяет получать максимальные скорости, при малой и средней загрузки маломерного судна.
Недостатки: при резком старте в среднем и полном водоизмещении возможны срывы потока «прохваты»
4Л-112 Импеллер разработан в 2009 году для водомётных движителей с полостью импеллера 50-60 мм, позволяет получать максимальные скорости, при малой и средней загрузки маломерного судна.
Недостатки: при резком старте в среднем и полном водоизмещении возможны срывы потока «прохваты».
4Л-Кт54 Импеллер аналог импеллера КТ12……..54 (Комсомольск на Амуре) Серийно выпускается с 2010 года для водомётных движителей с полостью импеллера 50-60 мм, позволяет получать максимальные скорости, при малой и средней загрузки маломерного судна.
Недостатки: при резком старте в среднем и полном водоизмещении возможны срывы потока «прохваты».
4Л-Кт56 Импеллер аналог импеллера КТ12……..56 («морковка» Комсомольск на Амуре) Серийно выпускается с 2010 года для водомётных движителей с полостью импеллера 50-60 мм, работает ровно, в экономичном и номинальном режиме даёт большую скорость в сравнении с другими импеллерами, при малой и средней загрузки маломерного судна.
Недостатки: Не даёт максимальной скорости на этом диаметре импеллера, при резком старте в среднем и полном водоизмещении возможны срывы потока «прохваты».
3Л-222 Импеллер разработан в 2011 году для водомётных движителей с полостью импеллера 50-60 мм, позволяет получать максимальные скорости, при малой и средней загрузки маломерного судна.
Недостатки: На ДВС с крутящим моментом более 140 Н*м при очень резком старте в полном водоизмещении возможны срывы потока «прохваты».
3Л-113 Импеллер разработан в 2014 году для водомётных движителей с полостью импеллера 80-90 мм, для эксплуатации с постоянной максимальной загрузкой катера, работает ровно, в экономичном и номинальном режиме даёт большую скорость в сравнении с другими импеллерами, не имеет срыва потока «прохватов»
Недостатки: Не дает максимальной скорости, которая возможна на этом диаметре импеллера.
2Л-200 Импеллер разработан в 2020 году для водомётов с полостью импеллера не менее 100 мм, для любой загрузки и получение максимальной скорости, срыва потока «прохватов» НЕТ.
Недостатки: На определённых оборотах возможна небольшая вибрация, повышенный расход топлива.
3Л-123 Импеллер разработан в 2020 году для водомётов с полостью импеллера не менее 90 мм, для любой загрузки и получение максимальной скорости, работает ровно, срыва потока «прохватов» НЕТ.
3Л-321 Импеллер разработан в 2020 году для водомётов с полостью импеллера не менее 90 мм, для любой загрузки и получение максимальной скорости, работает ровно, срыва потока «прохватов» НЕТ.
3Л-555 Импеллер разработан в 2020 году для водомётов с полостью импеллера не менее 80 мм, для любой загрузки и получение максимальной скорости, работает ровно, срыва потока «прохватов» НЕТ
В описании импеллеров по профилю лопасти с указанием кода, обязательно указываются дополнительные параметры: дисковое отношение, максимальные обороты импеллера при максимальном крутящем моменте ДВС, рекомендации по использованию импеллера, а также размер ступицы импеллера и направление вращения.
При выборе импеллера необходимо учитывать максимальную мощность, максимальные обороты ДВС, и максимальный крутящий момент.
Пример 1: Водомётный движитель БОРУС 200 jet (Минусинск ООО ПКФ Борус) и ДВС TOYOTA 2JZ-GE максимальная мощность 225 л.с. на 6000 об/мин, максимальный крутящий момент 300 Н*м на 4400 об/мин. Из продукции ООО «СВК- БОРУС» для этого комплекса нам подойдет
импеллер с шагом Н200-Н215 Серия 4Л-111, 4Л-Кт-56, 2Л-200 имеют серьёзные недостатки, поэтому их не рассматриваем.
Серия 3Л-113 разрабатывалась для походов с большим грузом на дальние дистанции и имеет ограничения по максимальной скорости, для кого-то это не важно. Серия 3Л-321, 3Л-123 и 3Л-555 однозначно фаворит в выборе, с той лишь разницей, что 3Л-321 и 3Л-123 даст максимально возможную скорость и совсем немного проиграет в экономичности 3Л-555.
Пример 2: Водомётный движитель КнААПО (Комсомольск на Амуре) 200мм и ДВС TOYOTA 2JZ-GE максимальная мощность 225 л.с. на 6000 об/мин, максимальный крутящий момент 300 Н*м на 4400 об/мин. Из продукции ООО «СВК- БОРУС» для этого комплекса нам подойдет
200-Н215-4Л-111 и 200-Н215-4Л-Кт56, к сожалению, из-за ограничения по размерам водомётного движителя другие импеллеры будут выступать за границы полости, и нам не подойдут. Выбор не велик, но все же есть серия 4Л-111, даст максимально возможную скорость, серия 4Л- Кт56 даст немного большую скорость в номинальном и экономичном режиме, у каждого из этих импеллеров есть недостатки, «прохваты» при резком старте.
ВАЖНО: при выборе импеллера нужно учитывать длину полости импеллера. Импеллер не должен выступать за полость импеллера (рабочую зону). Пример: водомётный движитель КнААПО Кт 12 (Комсомольск на Амуре) 200мм имеет длину полости всего 50 мм.
1. Импеллер 200-Н200-4Л-Кт56. Шаг импеллера Н200 разделить на количество лопастей 4Л и умножить на дисковое отношение 1,1 мы узнаем рабочую зону 200/4*1,1=55 мм, этот импеллер подойдёт для водомёта КнААПО.
2. Импеллер 200-Н200-3Л-555. Шаг импеллера Н200 разделить на количество лопастей 3Л и умножить на дисковое отношение 1,4 200/3*1,35=90 мм, этот импеллер будет выступать за рабочую зону и его нельзя устанавливать в водомётный движитель КнААПО.
ВАЖНО: ступица импеллера имеет размеры с точностью до 0,1 мм. Обязательно смотрите и сравнивайте размеры, указанные в паспорте водомётного движителя и размеры заказываемого импеллера.
ВАЖНО: самое распространенное вращение ДВС и импеллеров ЛЕВОЕ.
Но существуют и правосторонние водомётные комплексы, в основном это комплексы с ДВС HONDA объёмом от 2 до 3 литров, и в случаях, когда применяется редукция. Как правило, левое направление вращение не указывается в маркировке. напорные характеристики импеллера, но и сопротивление потока воды тоже выше и соответственно пропульсивный КПД ниже. Как правило, импеллеры с дисковым отношением более 1,1 используются при постоянной максимальной загрузке катера. В некоторых случаях используются для достижения максимальных скоростей на максимальных оборотах ДВС
ВАЖНО: Дисковое отношение это, отношение площади всех лопастей импеллера к площади диаметра импеллера. Визуально можно увидеть по «перекрытию» лопастей. Чем больше дисковое отношение, тем выше антикавитационные свойства импеллера.
В зависимости от условий эксплуатации, импеллер подвергается износу,
и между стенкой полости и краем лопасти образуется зазор. Для
сохранения максимальной производительности зазор должен быть
минимальным. (На заводе устанавливается зазор 0,25-0,35 мм для водомётов 180-200 мм, 0,35-0,45 для водомётов 220-240 мм и 0,85 для водомёта 400 мм). С увеличением зазора КПД водомета снижается.
по использованию импеллера
При получении изделия необходимо проверить соответствие заказанной и полученной Вами маркировки импеллера. В случае несоответствия сообщить в ООО «СВК – Борус» по эл.почте, с указанием номера счета, или по телефону: 89135558870
ООО «СВК – Борус» снимает с себя гарантийные обязательства в случаях неправильной эксплуатации импеллера:
— Импеллер выступает за габариты рабочей полости импеллера
— Зазор между полостью импеллера и лопастью импеллера менее 0,25 мм (при работе лопасть задевает за полость);
— Импеллер имеет механические повреждения (сколы, следы ударов, деформации);
— Импеллер имеет следы доработок (проточка по наружному диаметру, след работы УШМ).
ВАЖНО! импеллеры, используемые с нарушением правил эксплуатации, возврату и обмену по гарантийным обязательствам ООО «СВК – Борус» не подлежат.
Установка
Устанавливать водомётный двигатель следует на лёгкие быстроходные суда, получившие название «глиссирующие». Такие лодки рассчитаны на скорость свыше 60 км/ч. Однако иногда водомёт устанавливается и на средние моторные лодки с углом наклона днища (килеватостью) от 10 до 30 градусов.
При установке следует учитывать и массу движителя, ведь находящаяся постоянно внутри вода добавляет солидную долю веса судну. Потому, занимаясь расчётами «ходкости» судна, следует учесть этот немаловажный нюанс. Но если рассматривать картину полностью, установленный водомёт на лодку — более компактный вариант, нежели двигатель с угловой колонкой. Добавочный вес с лёгкостью компенсируется отсутствием коробки передач, которую заменяет реверсивно-рулевой механизм. Стоит отметить, экспертами рекомендуется установка специальной соединительной муфты между двигателем и водомётом. Таким образом обеспечивается изолированное функционирование мотора, вне зависимости от режима работы водомётного движителя.
Актуальность
Неподдельный интерес к водомётным движителям со стороны коммерческих организаций возник сравнительно недавно. Благодаря экспериментам судостроительных компаний в виде установки водомётов на скоростные морские паромы, военные и коммерческие суда, данный вид судового движителя завоевал себе популярность.
Успешный опыт эксплуатации показал немало скрытых достоинств, помимо очевидного превосходства, которое завоевали водомётные катера на мелководье.
Так, одна из итальянских судостроительных компаний, рекламируя яхту с водомётным движителем, указывает на такие особенности, как высокая степень адаптируемости к изменению нагрузки на судно (которая очень часто может меняться), а также более существенную эффективность на скоростях от 60 до 95 км/ч.
Водомёты вне мелководья
Данные характеристики играют далеко не последнюю роль для скоростной яхты, так как на классическом движителе с открытым гребным винтом скорость судна напрямую зависит от скорости вращения винтов. Изменение погодных условий, способствующее замедлению хода судна, приводит к затруднению поддержания постоянной скорости. Это негативно сказывается на производительности двигателя ввиду невозможности развить большее количество оборотов. Из-за особенности водомёта, заключающейся в невозможности перегрузки двигателя, появилась возможность развить большое количество оборотов, вне зависимости от скорости движения судна. То есть количество оборотов не упадёт, нагрузка на двигатель останется прежней, сохранится неизменным расход топлива в единицу времени, но возрастёт потребление горючего на единицу пути.
Кроме того, манёвренность водомётных движителей позволяет яхтам швартоваться в условиях тесных речных причалов, а не специализированных портов. Кроме того, немаловажным аспектом, благодаря которому водомёты завоевали признание в сфере применения на круизных яхтах, является их бесшумность.
Моторные яхты начинают испытывать трудности при движении свыше 50 км/ч в открытом море. Связано это с нарастающим сопротивлением воды о лопасти (пусть даже вращающегося) гребного винта. При использовании водомёта сопротивление практически нулевое благодаря конструкции движителя, обеспечивающей постоянное обтекание корпуса.
Круизные яхты редко ходят на большой скорости, необходимость применения водомётов вызвана скорее желанием рационального и безопасного функционирования двигателя. Но встречаются и экземпляры, предусматривающие увеличение скорости движения в открытом море за счёт мощности — то есть установки нескольких двигателей.
Виды импеллеров и их особенности
Различают два вида импеллеров:
Стальные винты или лопасти изготавливают методом литья или штамповки (пресс с усилием до 40 тонн профилирует лопатки). Заготовки проходят комплекс механической обработки для снятия заусенцев, зазубрин и прочих дефектов. Применяют для этого токарно-фрезеровочные комплексы mazak и фрезеровочные машины MIKRON. После чего лопатки проходят термическую и обработку, отпуск и нормализацию. После чего проводится комплекс испытаний на прочность и твердость.
Благодаря особой конструкции импеллера удается достичь минимального шума и отсутствие потери мощности работающей турбины. Корпус импеллерного двигателя обладает меньшими размерами, чем пропеллерные, при этом полезная мощность остается та же. Крыльчатка (закреплена на роторе) представляет собой многолопастной винт в кольцевом канале. Воздух, затянутый в импеллер под большим давлением, имеет какой-то вес, поэтому в результате движения воздушных масс возникает реактивная тяга. Усилие двигает машину или перемещает рабочую среду.
Основная сфера применения импеллеров
Импеллеры применяются в самых разных направлениях. Это не только крупные промышленные двигатели турбин, градирен или компрессоров, но и небольшие механизмы, например, аквариумные фильтры, помпы, двигатели посудомоечных машин, водометы.
Импеллер — механизм для создания реактивной тяги. Принцип используется в авиационных двигателях. Поршневые механизмы давно отошли на задний план, так как реактивные двигатели более легкие, экономичные в работе, работают на более дешевом топливе. Направляющие лопатки могут регулироваться на разных механизмах. Импеллер — механизм, способный обеспечивать максимальную тягу при минимальном диаметре вентилятора, поэтому спрос на такие механизмы очень высок. В настоящее время лопастные высокооборотные электродвигатели нашли широкое применение в авиамоделировании категории F4 (модель копирует реактивный самолет).
Импеллерные двигатели также применяются для двигателей гидроциклов, катеров и прочего водного транспорта. Система придает более высокую тягу и необычайную эффективность, немыслимый разгон и максимальную производительность. Лопаточные элементы — расходный материал, при этом можно заменить только лопастной узел.
Импеллеры применяют как основной механизм насосного оборудования. Такие насосы применяют в пищевой, фармацевтической, косметической, химической промышленности. Основная конструктивная особенность — ротор с резиновыми или пластиковыми лопастями, заключенные в овальный корпус. Такие машины обладают свойствами самовсасывания до 5 метров, имеют реверс (то есть перекачивают жидкость в обе стороны, легко меняется направление перекачивания), допускается перекачивать жидкости с твердыми включениями, для вязких (с пределами вязкости среды до 50000 сСт) и прочих сред. Наиболее часто это насосы-дозаторы, так как производительность жестко связано с частотой вращения. Импеллерные насосы имеют ряд недостатков: ограничение по температуре, а также ограничение по перекачиваемым средам. Оборудование относится к дорогостоящему и технически сложному, поэтому часто используют альтернативные варианты.
Рыночная доля
Надёжность водомётов в замусоренных водоёмах не вызывает никаких нареканий. Известно, что суда преодолевают такие загрязнённые места, как Ла-Манш, без единой поломки.
Несмотря на свою полезность, водомётные движители применяются в диаметрально противоположных сферах судостроения: либо на многомоторных круизных яхтах, либо на малых скоростных катерах или водных мотоциклах. Причём для последних водомёт является единственным возможным вариантом. Львиную долю рынка же составляют лодки разных габаритов с классическими гребными винтами. Про крайне малое количество катеров, которые сходят с конвейера, имея уже встроенный водомёт, не стоит и упоминать.
Итого около 11% (по мнению экспертов) рынка принадлежит водомётным движителям. Но и данная цифра может значительно снизиться, если рассматривать не полностью рынок пропульсивных устройств, исключая водные мотоциклы, где водомёт является неотъемлемой частью конструкции.
Согласно прогнозам компаний, выпускающих моторы, существует вероятность возрастания данной цифры до 45% благодаря раскрытию потенциала рынка водомётных движителей.
Отзывы о моторах и производителях
Множество любителей рыбалки предпочитают использовать лодки «Ротан 240М» в связке с водомётом Yamaha 40.
Согласно их мнениям, к производителю Yamaha претензии весьма незначительные. В основном связаны с ошибками «с непривычки», ибо отзывы составлены по большей части теми, кто недавно сменил водомёт с одного на другой. То не сразу дёргается с места после плавной подачи рычага, то глубоко проваливает заднюю часть лодки.
Негативные отзывы замечены в адрес компании Tohatsu. Во-первых, рыбаки жалуются на частое приобретение бракованной продукции. Во-вторых, модель Tohatsu 40 получила прозвище «нечестная сороковка», так как 40 лошадиных сил двигатель не выдаёт. Часто заменяют на Tohatsu 50, но эта модель быстро перегревается.
Целесообразность использования гребного винта
Установка классического подвесного движителя целесообразна в случае необходимости использования максимально упрощённой конструкции и передвижения по акваториям с глубиной больше среднего на небольших скоростях (до 50 км/ч).
Хорошо зарекомендовали себя моторы Yamaha. Выделяют три основных типа:
реактивное движение
Максимальная скорость привычных водных транспортных средств ограничена. В их двигателях происходит непрямое преобразование химической энергии топлива в энергию движения воды: через преобразование в механическую энергию различного рода движителей (гребных винтов, турбин, насосов). Неизбежные при непрямом преобразовании потери приводят к ограничению на максимальную скорость — на уровне 100-130 км/ч (это связано с кавитацией, разрушающей лопасти винтов, импеллеров и др.). Но это ограничение преодолеть можно.
В Центре импульсно-детонационного горения (Центр ИДГ) при Институте химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук (ИХФ РАН) разработаны, созданы и испытаны экспериментальные образцы прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя, работающие на иных физических принципах и не имеющие мировых аналогов. В новом движителе происходит прямое преобразование химической энергии топлива в энергию движения воды. В результате надводному объекту сообщается гидрореактивная тяга, ускоряющая его до скоростей, недостижимых при использовании традиционных движителей. Отличительная особенность нового движителя — применение наиболее энергоэффективного и энергосберегающего рабочего цикла: цикла Зельдовича* с управляемым детонационным горением смеси моторного топлива с окислителем. Кроме того, в нем нет подвижных механических частей.
Экспериментальные образцы спроектированы специалистами ИХФ РАН на основе гидродинамических расчетов, позволивших оптимизировать параметры движителя. Конструкция и принцип работы движителя просты (рис. 1). Он представляет собой водовод (профилированную трубу с водозаборным устройством и соплом, погруженную в воду) с введенной в него импульсно-детонационной трубкой. Импульсно-детонационная трубка — сердце движителя — предназначена для генерации коротких, но очень интенсивных периодических импульсов давления в виде ударных волн, выходящих в водовод и выбрасывающих забортную воду из водовода через сопло. Каждый импульс давления в импульсно-детонационной трубке — это детонационная волна, образованная в результате зажигания топливной смеси и последующего быстрого, но управляемого перехода горения в детонацию — ускорения пламени от
2000 м/c. Каждая ударная волна, выходящая в водовод, вовлекает воду в движение к соплу и, следовательно, придает движителю импульс силы — реактивной тяги.
Важнейший фактор, влияющий на передачу количества движения от ударной волны к воде, а значит, и на энергоэффективность,— это сжимаемость воды, которая сильно зависит от содержания в ней газов. Вода в таком движителе всегда насыщена пузырьками с газообразными продуктами детонации предыдущего цикла, а при высокой скорости — еще и кавитационными пузырьками. Сжимаемость пузырьковой среды велика, больше, чем сжимаемость чистого газа. Расчет показывает, что при газосодержании в 20-25% прибавка скорости воды за ударной волной в водоводе может достигать 30-40 м/c.
На рис. 2 показан пример расчета одного цикла (частота циклов 10 Гц) на установившемся режиме работы плоского прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя (ИДГРД) при набегающем со скоростью 5 м/с потоке воды. Сверху вниз на шести картинках показана эволюция распределения объемной доли. Верхняя и нижняя картинки очень похожи, значит, начальные условия для каждого рабочего цикла хорошо воспроизводятся. К такому же выводу приводит рис. 3, на котором показана расчетная зависимость мгновенной тяги движителя от времени в первых семи рабочих циклах. Повторяемость формы импульсов достигается уже после двух-трех начальных «выстрелов», а средняя тяга в них положительна, то есть направлена против набегающего потока воды. Если разделить значение средней тяги на секундный расход топливной смеси, придем к ключевому показателю энергоэффективности — удельному импульсу тяги. Расчеты показали, что такой прямоточный движитель может иметь удельный импульс на уровне 400 с при начальном давлении топливной смеси в импульсно-детонационной трубке, близком к атмосферному. Это выше, чем у самых современных ракетных двигателей (200-300 с на уровне моря) при очень высоком давлении в их камере сгорания.
Рис. 2. Рабочий цикл прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя при частоте 10 Гц. Красный цвет соответствует газу, синий — воде, а промежуточные цвета — воде с разным объемным газосодержанием. Расчет проведен для половины движителя
Рис. 3. Расчетная зависимость мгновенной тяги прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя от времени при рабочей частоте 10 Гц. Горизонтальная штриховая линия — средняя тяга после нескольких первых циклов
На рис. 4 показана схема экспериментального образца импульсно-детонационного гидрореактивного движителя (ЭО ИДГРД). Как и в расчетной схеме (см. рис. 1), ЭО состоит из импульсно-детонационной трубки и из прямоточного водовода с водозаборным устройством и соплом. Всего создано и испытано шесть ЭО ИДГРД разных конфигураций: пять в бесклапанном исполнении и один с механическим клапаном.
Рис. 4. Схема экспериментального образца прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя
Компоненты топлива — горючее (бензин) и окислитель (кислород) — подаются в импульсно-детонационную трубку раздельно. Чтобы исключить преждевременное воспламенение топливной смеси, непосредственно перед ее подачей в трубку кратковременно подается продувочный газ — азот.
Система зажигания состоит из электронного модуля зажигания и двух автомобильных свечей. Система управления включает блок управления и исполнительные устройства — электромагнитные клапаны подачи кислорода и азота, форсунки и модуль зажигания. Программное обеспечение блока управления позволяет задавать интервалы подачи топливных компонентов, продувочного газа и импульса зажигания
Для организации быстрого перехода горения в детонацию и образования детонационной волны в импульсно-детонационной трубке установлены турбулизаторы-завихрители. Трубка изгибается, так что донорная детонационная волна выходит в сопло водовода соосно (параллельно) потоку воды и, трансформируясь в ударную волну, передает воде запасенное количество движения.
Для проведения огневых испытаний ЭО ИДГРД изготовлен испытательный стенд. Схема испытательного стенда — бассейна с системой создания затопленной струи воды — представлена на рис. 5. Для измерения тяги используется тягоизмерительная рама с датчиком усилия (рис. 6). При обтекании ЭО струей воды без подачи топливных компонентов показания датчика усилия принимаются за ноль, а при работе ЭО датчик измеряет тягу.
Система создания затопленной струи включает мотопомпу, а также приемный и подающий водоводы. Вода засасывается в мотопомпу через приемный водовод и вводится обратно в бассейн в виде затопленной струи через подающий водовод. Выходной диаметр сопла подающего водовода практически совпадает с входным диаметром водозаборного устройства ЭО, так что через него проходит большая часть водяного потока, и лишь небольшая часть обтекает ЭО снаружи. Таким образом, испытания проводятся в условиях, когда внешним гидродинамическим сопротивлением можно пренебречь.
На рис. 7 показаны примеры записей датчика усилия при работе ЭО ИДГРД с частотой 1 и 20 Гц. Экспериментальные записи мгновенной тяги очень похожи на расчетные (см. рис. 3), причем средняя тяга в эксперименте также существенно положительна.
Рис. 7. Измерения мгновенной тяги при работе экспериментального образца прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя с частотой 1 Гц (сверху) и 20 Гц (снизу)
На рис. 8 показана итоговая экспериментальная зависимость основного показателя энергоэффективности движителя — удельного импульса тяги — от рабочей частоты для всех испытанных ЭО ИДГРД. Видно, что с увеличением рабочей частоты удельный импульс тяги в среднем снижается от
1000 с при частоте 1 Гц до
300 с при 20 Гц, причем при частоте 10 Гц эксперимент хорошо согласуется с расчетом (см. рис. 3). При этом средняя измеренная тяга возрастает с увеличением рабочей частоты от
10 Н при частоте 1 Гц до
40 Н при частоте 20 Гц. Как и в расчете, при экспериментальном определении тяги и удельного импульса первые рабочие циклы не учитывались. В отдельных сериях испытаний показано, что удельный импульс тяги возрастает с увеличением скорости набегающего потока. Это связано с улучшением наполнения водовода водой перед следующим рабочим циклом. Следует подчеркнуть, что во всех испытаниях начальное давление топливной смеси в импульсно-детонационной трубке было близким к атмосферному
Рис. 8. Измеренные зависимости удельного импульса тяги экспериментального образца прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя от рабочей частоты (разные значки для разных образцов)
Отдельно отметим низкий уровень шума при работе ИДГРД и практически полное отсутствие вредных веществ в выхлопных газах. Низкий уровень шума связан с быстрым затуханием ударных волн в струе пузырьковой среды, а отсутствие вредных веществ — с использованием детонационного горения топлива, при котором высокотемпературные химические превращения происходят в режиме самовоспламенения с очень большой скоростью и высокой полнотой реакции.
Таким образом, впервые в мире спроектированы, изготовлены и испытаны ЭО движителя нового типа для скоростного водного транспорта — прямоточного ИДГРД с прямым преобразованием химической энергии топлива в движение воды.
Испытания проведены на специально разработанном стенде, позволяющем создавать набегающий поток воды со скоростью до 10 м/с. Для лучших образцов движителя экспериментально получены удельные импульсы тяги на уровне 1400 с при низкой рабочей частоте (1 Гц) и 400 с при высокой рабочей частоте (20 Гц). То есть удельный импульс оказался значительно выше, чем у современных жидкостных ракетных двигателей с высоким давлением в камере сгорания (до 200-300 атм.).
Создание практического ИДГРД должно стать одной из приоритетных задач для отечественного скоростного флота. Но новый движитель может использоваться и на тихоходных судах, особенно на мелководье и в арктических водах, где ледяная шуга вызывает эрозию гребных винтов. Он отличается энергоэффективностью, простотой конструкции, отсутствием видимых ограничений по быстроходности, чистотой выхлопных газов и низкой шумностью. Для него также характерны: простота регулирования тяги за счет изменения рабочей частоты, простота масштабирования тяги за счет укрупнения и/или изменения количества импульсно-детонационных трубок, простота регулирования вектора тяги без использования поворотных рулей, а также способность работать на любом топливе, причем при использовании воздуха в качестве окислителя.
Сергей Фролов, доктор физико-математических наук, Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, профессор НИЯУ-МИФИ
(По материалам проекта Минобрнауки «Разработка технологии создания гидрореактивной тяги в водометных двигателях высокоскоростных водных транспортных средств и создание стендового демонстрационного образца гидрореактивного импульсно-детонационного двигателя»).
*О демонстрационном образце ракетного двигателя с детонационным горением, использующем цикл Зельдовича, «Наука» рассказывала в февральском номере.
