Водометные движители
Идея создания водометных движителей возникла еще в XVII веке, но получила достаточно широкое распространение во второй половине XIX века, когда стала успешно конкурировать с другими типами движителей. В этот же период были заложены основы теории водометных движителей.
Большой вклад в эту теорию внес российский ученый Н. Е. Жуковский, который впервые записал выражение для тяги водометного движителя в современном виде. Дело в том, что ранее использовалось выражение, справедливое только для ракетного движителя. Однако уже к концу столетия стало ясно, что по эффективности водометы уступают гребным винтам. Относительно низкий коэффициент полезного действия водометных движителей обусловил их применение в тех случаях, когда специфические особенности этих движителей, возможность размещения внутри корпуса и защищенность от ударов о плавающие предметы рабочего колеса, играли определяющую роль.
Эти особенности наиболее четко проявляются на речных судах, эксплуатируемых на малых реках, как правило, мелководных, имеющих большое транспортное значение. Начиная с 50-х годов, прошлого столетия для таких рек в Советском Союзе строился большой транспортный флот, на судах которого широко применялись водометные движители. Это были буксиры, небольшие танкеры, сухогрузные и пассажирские суда, мощностью, не превышающей 700 л. с., но строили эти корабли большими сериями. Например, пассажирские суда типа «Заря» было построено более 300 единиц.
теплоход типа «Заря» проекта 946 с водометным движителем
Более мощные водометные движители начали использоваться на судах с подводными крыльями, гребные винты которых в условиях косого потока подвергались эрозии. Кроме того, при больших скоростях кавитация гребных винтов приводила к падению КПД, и их преимущества по этому параметру по сравнению с водометным движителем уменьшались. В 1962 году началось строительство скегового судна на воздушной подушке (скега — жёсткие бортовые погружённые в воду ограждения) типа «Чайка» с водометным движителем мощностью 1230 л.с., обеспечивающим судну скорость до 95 км/час.
Самым большим кораблем среди скеговых судов оборудованным водометным движителем, является «Буревестник», построенный в 1964 году. Он был оборудован двумя водометными движителями мощностью около 2700 л.с. на валу и развивал скорость до 95 км/час.
Все водометные движители судов такого типа имели статические водозаборники с щелевым забором, вытянутым вдоль судна и осевые насосы. В отличие от речного судна «Чайка», имеющее в качестве главного двигателя дизель, на судне «Буревестник» были применены конвертированные авиационные газовые турбины. Именно поэтому данное отличное по эксплуатационным характеристикам судно было построено в единственном экземпляре. Советский речной флот не располагал необходимой ремонтной базой для обслуживания таких двигателей.
скеговое судно на воздушной подушке типа «Чайка»
пассажирский газотурбоход на подводных крыльях типа «Буревестник» проекта 1708
Следующим этапом развития водометных движителей был связан с военно-морским флотом СССР. В 1956 году началось проектирование противолодочного корабля водоизмещением около 400 тонн, который должен был развивать скорость свыше 30 узлов. В этот период в стране не было дизелей, агрегатная мощность которых обеспечивала бы подобную скорость при двухвальной установке. В связи с этим было принято решение создать оригинальный двухступенчатый водометный движитель, первая ступень которого имела бы осевой насос, приводимый во вращение дизелем мощностью около 4000 л.с., а ускорение потока во второй ступени осуществлялось за счет подачи воздуха от компрессора с приводом от газовой турбины мощностью 17500 л.с.
схема двухступенчатого водометного движителя
Был построен и корабль с таким движителем. На экономических ходах работала только первая ступень, а на полных ходах, когда суммарная мощность на валу достигала 21700 л.с., использовались обе ступени.
корабль с двухступенчатым водометным движителем
Следует отметить, что для первой ступени валопровода КПД имело значение около 0,98, то для второй ступени он составлял примерно 0,5. В результате общий коэффициент пропульсивной установки на полном ходу не превышал 0,35.
Несмотря на низкую эффективность, отсутствие другого технического решения привело к тому, что всего было построено 63 корабля, которые эксплуатировались в ВМФ СССР, Болгарии и Румынии. Однако дальнейшего применения эти движители, получившие название газоводометных, не получили.
В связи с развитием в 70-х годах истекшего столетия кораблей с динамическими принципами поддержания были развернуты работы по созданию водометных движителей скеговых кораблей на воздушной подушке. В этот период были спроектированы и серийно строились скеговые пассажирские суда на воздушной подушке по трем проектам: «Зарница», «Орион» и «Чайка».
Судно на воздушной подушке «Зарница» предназначалось для перевозки 48 пассажиров со скоростью 20 узлов на малых реках. Всего было построено более 100 таких судов.
Суда на воздушной подушке «Орион» и «Чайка» были рассчитаны на 80 пассажиров, причем первое судно из них предназначалось для эксплуатации на реках, а второе было морским судном прибрежного плавания. Каждое из них оборудовалось двумя водометными движителями мощностью около 544 л.с. и развивало скорость 25-27 узлов.
Накопленный опыт позволил перейти к созданию оборудованных водометами кораблей на воздушной подушке для военно-морского флота СССР. На первом этапе был построен опытовый корабль водоизмещением 100 тонн.
опытовый корабль с двумя водометными движителями
Корабль был оборудован двумя водометными движителями, рассчитанными на мощность 3000 л.с. и установленными в скегах. На испытаниях была достигнута скорость 32 узла.
водометный движитель с реверсивным устройством
Успешные испытания этого корабля позволили перейти к проектированию движительного комплекса большого противолодочного корабля на скегах водоизмещением около 2000 тонн, оборудованного двумя водометными движителями, рассчитанными на мощность примерно 40800 л.с. Натурный водометный движитель был изготовлен, однако в связи с сокращением программы судостроения корабль до конца построить не удалось.
В период с 1965 по 1975 годы в Советском Союзе были созданы самые быстроходные суда и самые большие в мире корабли на глубокопогруженных подводных крыльях. Они имели в качестве главных движителей угловые колонки мощностью 17680 л.с. Однако эти колонки имеют весьма сложную конструкцию, дороги и недостаточно надежны. Поэтому были развернуты работы по созданию водометных движительных комплексов для судов на подводных крыльях.
Поскольку эти корабли были рассчитаны на максимальную мореходность 5-6 баллов, для уменьшения вероятности прорыва воздуха к насосам предполагалось применить полнонапорные водозаборники. Для этих водозаборников очень важно выбрать оптимальную профилировку в районе входного отверстия, поскольку в процессе разгона, особенно в условиях волнения, характерно наличие значительного «горба» сопротивления. Соотношение между скоростью хода и скоростью во входном участке водозаборника меняется в широких пределах. Чтобы избежать увеличения гидравлического сопротивления на входе и возможного возникновения кавитации водозаборника можно применять регулируемые водозаборники. В связи с этим была разработана оригинальная конструкция двухрежимного водозаборника, имеющего наряду с основным входным отверстием в напорной части два дополнительных отверстия в боковых стенках.
схема действия двухрежимного водозаборника
В процессе разгона эти отверстия находятся ниже ватерлинии, и через них осуществляется дополнительное поступление воды. После подъема корабля на крылья отверстия выходят из воды. Во избежание прососа воздуха через эти отверстия канал водозаборника профилируется так, чтобы внутреннее давление в районе отверстия было равно атмосферному давлению. В целом водозаборник проектируется таким образом, чтобы во всем диапазоне скоростей соотношение между скоростями внутри входного участка и вне водозаборника сохранялось по возможности неизменным, что позволяет рационально проектировать форму стенок входного участка водозаборника.
С целью проверки эффективности предложенной конструкции водометный движитель с таким водозаборником был установлен на пассажирском катере «Невка», испытания которого подтвердили его работоспособность.
пассажирский катер «Невка»
В 80-х годах началось проектирование еще более крупного судна на воздушной подушке водоизмещением около 600 тонн с двумя двигателями мощностью около 40000 л.с. и водометным движителем. Учитывая ответственность проекта, была построена модель водоизмещением около 5 тонн с водометно-крыльевым комплексом.
Испытания на открытом водоеме показали высокую эффективность крыльевого и движительного комплекса, что позволило разработать проект корабля. Однако вследствие недостатка финансирования работы по его созданию были прекращены.
Проблема работы водометного движителя, в насос которого прорывается воздух стала особенно острой после создания судов с каверной на днище, из хвостовой части которой воздух попадает в район водозаборного отверстия водомета.
В связи с этим была сформулирована идея водометного движителя, работающего в условиях непрерывной подачи воздуха на рабочее колесо. Такой движитель получил название вентилируемого водомета. Рабочее колесо водометного движителя имеет суперкавитирующую лопастную систему, причем на рабочем режиме воздух поступает на колесо со стороны струи, выбрасываемой в атмосферу.
Водометный движитель не имеет конического сопла, поджатие струи осуществляется за счет каверн формирующихся на лопастях. Поскольку за счет поступления атмосферного воздуха число кавитации практически всегда равно нулю, толщина каверн от скорости хода не зависит, и безразмерные характеристики рабочего колеса сохраняются постоянными и независимо от скорости. В начальном режиме работы движителя рабочее колесо полностью или частично располагается ниже ватерлинии.
модель катера на подводных крыльях с водометным движителем
Модельные испытания показали, что на рабочем режиме коэффициент полезного действия водометного движителя при малых нагрузках может быть выше КПД традиционного водомета и достигать 0,6-0,7. Вентилируемый водомет был испытан на упоминавшемся выше скеговом корабле на воздушной подушке, который развил с этим движителем скорость 34 узла. Конструктивно такой движитель существенно проще традиционного водомета, при его использовании для управления кораблем используются расположенные вне струи рули, а реверс осуществляется за счет изменения направления вращения рабочего колеса. В связи с этим вентилируемые водометы требуют применения реверсивных двигателей.
десантный корабль с каверной на днище
Подобными водометными движителями была оборудована серия десантных кораблей с каверной на днище, которые показали хорошие эксплуатационные качества. Проблемы возникают в случае установки таких движителей на судах с выраженным «горбом» сопротивления. В настоящее время возможности совершенствования таких движителей полностью не исчерпаны. В частности, для судов на подводных крыльях предложена схема так называемого двухконтурного водометного движителя.
В настоящее время водометный движитель традиционной конструкции успешно эксплуатируются на кораблях и судах различных типов. Однако этим водометам присущи некоторые недостатки, основными из которых являются высокие массогабаритные характеристики и сложность конструкции рабочих колес и реверсивно-рулевых устройств. Как следствие этого, для их изготовления требуется специализированное высокотехнологичное производство, а стоимость их соизмерима со стоимостью двигателей. Кроме того, в случае кавитации и попадания воздуха в рабочее колесо тяговые характеристики водометного движителя существенно ухудшаются. Для частичного преодоления этих недостатков разработана конструкция малогабаритного водометного движителя, основной конструктивной особенностью которого является отказ от традиционной круговой формы выбросного сопла и многолопастного спрямляющего аппарата за рабочим колесом, что позволило снизить габарит водомета на 30 процентов.
малогабаритный водометный движитель
Малогабаритный водометный движитель имеет удлиненную в поперечном направлении сопло прямоугольной формы и пару рулей, частично пересекающих сопло, которые обеспечивают хорошую управляемость на переднем ходу и реверсивно-рулевое устройство, специально разработанное для водомета такой конструкции.
Модельные испытания показали, что предлагаемая конструкция водометного движителя обеспечивает пропульсивный коэффициент 0,60, причем кавитация, которая может возникнуть в процессе разгона, не приводит к значительному снижению тяговых характеристик движителя.
Малые габариты и конструкция реверсивно-рулевого устройства позволяют опустить ось рабочего колеса так, что водометный движитель частично выдвигается под корпусом. При такой компоновке снижается объем воды внутри корпуса судна, что ведет к повышению эффективности комплекса.
В 2003 году малогабаритный водометный движитель был впервые продемонстрирован на катере «Атлас». Он прошел испытания на различных режимах, включая довольно сложные. Сейчас можно с уверенностью сказать, что все вопросы, возникшие при испытаниях, сняты, и водомет готов к внедрению. Планируется, что подобные водометные движители вследствие своей относительно низкой стоимости найдут широкое применение на малых судах для туризма и речных прогулок. Технологичность их изготовления, малые габариты, простота и надежность дают основание полагать, что все это может компенсировать некоторое снижение эффективности, и подобные водометные движители найдут применение и на больших кораблях.
Кроме российских судостроителей разработкой водометных движителей довольно успешно занимается британская фирма «KaMeWa», дочернее предприятие компании «Rolls Royce». У ее разработчиков имеется ряд плодотворных идей по проектированию рабочих колес водометов традиционной конструкции.
водометный движитель фирмы «KaMeWa»
В современных водометных движителях, как правило, применяются три типа лопастных систем:
— осевая лопастная система, имеющая постоянные по длине наружные диаметры импеллера, спрямляющего аппарата и их ступиц. Движение воды в пределах лопастной системы обеспечивается по поверхностям соосных цилиндров;
— диагональная система, имеющая переменные по длине наружные диаметры импеллера, спрямляющего аппарата и их ступиц; при этом движение воды в пределах импеллера осуществляется под наклоном линий тока от оси к периферии, в спрямляющем аппарате — с наклоном от периферии к оси;
— оседиагональная система, имеющая постоянный наружный диаметр импеллера и переменный по длине диаметр ступицы. Спрямляющий аппарат при этом может быть выполнен либо по осевой схеме, либо по диагональной, то есть совмещенной с соплом, с целью снижения осевого размера водометного движителя.
Для относительно тихоходных объектов обычно предпочтительнее осевые насосы, а для более быстроходных судов диагональные и оседиагональные.
Накопленный опыт и расчетные методы позволяют выбрать для каждого конкретного случая оптимальную насосную систему. В целом существующие экспериментальные установки в сочетании с расчетными методами и накопленным статистическим материалом позволяют спроектировать удовлетворяющий техническому заданию водометный движитель для судов практически всех типов и назначений.
