RU208928U1

RU208928U1 - JET IMPELLER

Info

Publication number: RU208928U1
Application number: RU2021132222U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Пестов
Original assignee: ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "ДжетСтар" (ООО "ДжетСтар")
Priority date: 2021-11-03
Filing date: 2021-11-03
Publication date: 2022-01-24

Abstract

Полезная модель относится преимущественно к судостроению, в частности к судовым водометным движителям с насосами осевого типа, выбросом реактивной струи в атмосферу. Область применения - водометные движители быстроходных глиссирующих судов служебно-разъездного назначения либо судов, используемых в рекреационных (для отдыха, туризма, спорта) целях, наиболее актуальны там, где перед быстроходным малым судном стоит задача беспрепятственно двигаться по мелководью либо обеспечить необходимую безопасность при проведении спасательных работ. Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение коэффициента полезного действия рабочего колеса водометного движителя. Рабочее колесо водометного движителя включает ступицу, лопасти, образующие однорядную лопастную систему, ступица имеет развитую окружность со стороны входных кромок лопастей и параболический профиль по направлению потока, лопасти выполнены с шагом, изменяющимся в радиальном направлении, обладают авиационным крыловым профилем и установлены оседиагонально, при этом переменное сечение от корня лопасти выполнено убывающим к периферии лопасти. Предлагаемая полезная модель не ограничивается технологическими возможностями производства, что позволяет решить те же задачи при использовании одноступенчатого водометного движителя вместо многоступенчатого, тем самым решающим образом упрощая конструкцию и повышая эффективность движителя в целом. 1 фиг.The utility model relates primarily to shipbuilding, in particular to marine jet propulsion with axial-type pumps, ejection of a jet stream into the atmosphere. Scope of application - jet propulsion of high-speed gliding vessels for service and crew purposes or vessels used for recreational (for recreation, tourism, sports) purposes, are most relevant where a high-speed small vessel is faced with the task of moving freely in shallow water or providing the necessary safety during rescue operations. works. The technical result of the proposed utility model is to increase the efficiency of the water jet impeller. The impeller of the jet propulsion unit includes a hub, blades forming a single-row blade system, the hub has a developed circumference from the side of the leading edges of the blades and a parabolic profile in the direction of flow, the blades are made with a pitch that varies in the radial direction, have an aviation wing profile and are installed axially diagonally, while the variable section from the root of the blade is made decreasing towards the periphery of the blade. The proposed utility model is not limited to the technological capabilities of production, which allows solving the same problems when using a single-stage water jet propulsion unit instead of a multi-stage one, thereby decisively simplifying the design and increasing the efficiency of the propulsion unit as a whole. 1 fig.

Description

Полезная модель относится преимущественно к судостроению, в частности к судовым водометным движителям с насосами осевого типа, выбросом реактивной струи в атмосферу. Область применения - водометные движители быстроходных глиссирующих судов служебно-разъездного назначения, либо судов используемых в рекреационных (для отдыха, туризма, спорта) целях, наиболее актуальны там, где перед быстроходным малым судном стоит задача беспрепятственно двигаться по мелководью, либо обеспечить необходимую безопасность при проведении спасательных работ.The utility model relates primarily to shipbuilding, in particular to marine jet propulsion with axial-type pumps, ejection of a jet stream into the atmosphere. Scope - jet propulsion of high-speed gliding vessels for service and crew purposes, or vessels used for recreational (for recreation, tourism, sports) purposes, are most relevant where a high-speed small vessel is faced with the task of moving freely in shallow water, or providing the necessary safety during rescue work.

Известен водометный движитель по патенту№ 2357891 (B 63H 11/08, оп. 10.06.2009, БИ № 16), содержащий рабочее колесо, консольно расположенное на приводном валу и размещенное в цилиндрической насадке, и имеющее за счет этого существенные эксплуатационные преимущества перед классической схемой. Known jet propeller according to patent No. 2357891 (B 63H 11/08, op. 06/10/2009, BI No. 16), containing an impeller cantilevered on the drive shaft and placed in a cylindrical nozzle, and due to this having significant operational advantages over the classical scheme.

Однако для данного технического решения высокоэффективные рабочие колеса оседиагонального типа ранее известны не были.However, for this technical solution, highly efficient axial-diagonal impellers were not previously known.

Наиболее близкими к заявляемой полезной модели являются рабочие колеса компании "СВК-Борус", предназначенные для работы в одноступенчатых осевых насосах водометных движителей при достаточно высокой частоте вращения приводного вала (https://svk-borus.ru/catalog/impellery-180-mm/325/).The closest to the claimed utility model are the impellers of the company "SVK-Borus", designed for operation in single-stage axial pumps of water jets at a sufficiently high frequency of rotation of the drive shaft (https://svk-borus.ru/catalog/impellery-180-mm /325/).

Однако их область применения ограничена водометными движителями, имеющими классическую компоновку подшипниковых узлов гребного вала, упрощенную профилировку лопастной системы, обусловленную технологическим процессом производства и, как следствие, меньший коэффициент полезного действия.However, their scope is limited to jet propulsion units having a classic arrangement of propeller shaft bearing assemblies, a simplified profiling of the blade system due to the manufacturing process and, as a result, a lower efficiency.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение коэффициента полезного действия рабочего колеса водометного движителя.The technical result of the proposed utility model is to increase the efficiency of the water jet impeller.

Указанный технический результат достигается рабочим колесом водометного движителя, включающим ступицу, лопасти, образующие однорядную лопастную систему, ступица имеет развитую окружность со стороны входных кромок лопастей и параболический профиль по направлению потока, лопасти выполнены с шагом, изменяющимся в радиальном направлении, обладают авиационным крыловым профилем и установлены оседиагонально, при этом переменное сечение от корня лопасти выполнено убывающим к периферии лопасти.The specified technical result is achieved by the impeller of a water jet, including a hub, blades forming a single-row blade system, the hub has a developed circumference from the leading edges of the blades and a parabolic profile in the direction of flow, the blades are made with a pitch that changes in the radial direction, have an aviation wing profile and installed axially diagonally, while the variable section from the root of the blade is made decreasing towards the periphery of the blade.

Предлагаемое рабочее колесо имеет оседиагональную однорядную лопастную систему, что позволяет в сочетании с профилировкой лопастей и ступицы, обеспечивающей “диагональный” характер течения жидкости в однорядной лопастной системе, получить улучшенные кавитационные и напорные характеристики рабочего колеса.The proposed impeller has an axial-diagonal single-row blade system, which, in combination with the profiling of the blades and the hub, which ensures the “diagonal” nature of the fluid flow in a single-row blade system, provides improved cavitation and pressure characteristics of the impeller.

При разработке рабочего колеса водометного движителя учтены основные проблемы профилирования его лопастей, обусловленные с одной стороны сложностью проектирования и расчетов их геометрических параметров, зависящих от многочисленных сопутствующих факторов, таких как профили водоводных каналов, неравномерность полей скоростей и давлений в зоне рабочего колеса, влияния газовой фазы, наличия кавитационных зон и вихреобразований в рабочем процессе, с другой стороны - нелинейной зависимостью располагаемых мощностных характеристик двигателей внутреннего сгорания от частоты вращения приводного вала. Внешние характеристики современных малолитражных автомобильных двигателей предполагают максимальные мощности на значительных частотах вращения, что ставит особые требования к вопросу «отдаления» начала кавитации. Классически этот вопрос было принято решать для осевых насосов установкой на одном валу последовательно двух осевых насосов со спрямляющими аппаратами. При этом первая ступень насоса проектируется малонагруженной с целью обеспечения повышенных кавитационных качеств, а вторая - несущей основную нагрузку. Двухступенчатые конструкции применяются и в том случае, когда в одной ступени не удается реализовать необходимую величину напора. Недостатком двухступенчатой схемы водометного движителя является сложность конструкции движителя, существенное удорожание ухудшение его ремонтопригодности и живучести.When developing the impeller of a jet propulsion, the main problems of profiling its blades are taken into account, due, on the one hand, to the complexity of designing and calculating their geometric parameters, which depend on numerous accompanying factors, such as the profiles of water channels, uneven velocity and pressure fields in the impeller zone, and the influence of the gas phase , the presence of cavitation zones and vortex formations in the working process, on the other hand, the non-linear dependence of the available power characteristics of internal combustion engines on the frequency of rotation of the drive shaft. The external characteristics of modern small-capacity automobile engines suggest maximum power at significant speeds, which places special requirements on the issue of “distance” from the onset of cavitation. Classically, this issue was decided to be solved for axial pumps by installing two axial pumps with straighteners in series on one shaft. In this case, the first stage of the pump is designed to be lightly loaded in order to ensure increased cavitation qualities, and the second stage is designed to carry the main load. Two-stage designs are also used in the case when it is not possible to realize the required pressure in one stage. The disadvantage of the two-stage scheme of the jet propulsion is the complexity of the propulsion design, a significant increase in the cost of the deterioration of its maintainability and survivability.

На прилагаемой фиг. 1 представлено рабочее колесо, состоящее из ступицы 1, имеющей параболический профиль по направлению потока, и четырех лопастей 2, образующих оседиагональную однорядную лопастную систему. Ступица 1 имеет развитую окружность со стороны входных кромок лопастей 2, что обеспечивает возможность применения рабочего колеса в потоке за подшипниковым узлом приводного вала при консольном его расположении, при этом в классической схеме расположения опор приводного вала может быть дополнительно установлен конический обтекатель (на рисунке не показаны). Параболический профиль ступицы 1, расширяющейся по потоку, обеспечивает “диагональный” характер течения в однорядной лопастной системе. Лопасти 2 имеют шаг, изменяющийся в радиальном направлении, и переменное сечение от корня лопасти 2, убывающее к ее периферии. С целью улучшения кавитационных характеристик лопасти 2 имеют авиационный крыловой профиль в отличие от традиционно применяемых сегментных профилей.In the attached Fig. 1 shows an impeller consisting of a hub 1 having a parabolic profile in the direction of flow and four vanes 2 forming an axial-diagonal single-row vane system. The hub 1 has a developed circumference on the side of the leading edges of the blades 2, which makes it possible to use the impeller in the flow behind the drive shaft bearing assembly when it is cantilevered, while in the classical layout of the drive shaft supports, a conical fairing can be additionally installed (not shown in the figure). ). The parabolic profile of the hub 1, expanding along the flow, provides a “diagonal” flow pattern in a single-row blade system. The blades 2 have a pitch that varies in the radial direction, and a variable section from the root of the blade 2, decreasing towards its periphery. In order to improve the cavitation characteristics, the blades 2 have an aviation wing profile, in contrast to the traditionally used segmental profiles.

Расчет параметров рабочего колеса водометного движителя является сложной экспериментально-теоретической задачей. Необходимо исследование влияния на рабочий процесс комплекса геометрических и режимных параметров проектируемого рабочего колеса. Теоретическому расчету характеристики и геометрические параметры рабочего колеса поддаются лишь в узком диапазоне режимов и такие расчеты достаточно трудоемки. Для проведения физических экспериментов был отработан процесс быстрого получения высокоточных образцов рабочих колес. Применение технологий быстрого прототипирования для физических экспериментов в сочетании методами вычислительной гидродинамики и применением программного обеспечения AnsysFluent для моделирования лопаточных машин, позволяющего в отличие от физических экспериментов получать более подробную информацию о рабочем процессе в любой точке расчетной области, исследовать экстремальные режимы течения потока, производить визуализацию потоков частиц, позволило существенно сократить сроки получения необходимых результатов.The calculation of the parameters of the impeller of a jet propulsion is a complex experimental and theoretical problem. It is necessary to study the influence on the working process of a complex of geometric and regime parameters of the designed impeller. Theoretical calculation of the characteristics and geometrical parameters of the impeller can be done only in a narrow range of modes, and such calculations are quite laborious. To conduct physical experiments, a process was developed to quickly obtain high-precision samples of impellers. The use of rapid prototyping technologies for physical experiments in combination with computational fluid dynamics methods and the use of AnsysFluent software for modeling bladed machines, which, in contrast to physical experiments, allows obtaining more detailed information about the workflow at any point in the computational domain, exploring extreme flow regimes, and visualizing flows particles allowed to significantly reduce the time needed to obtain the required results.

При построении математической 3D-модели рабочего колеса были приняты следующие основные допущения:When constructing a mathematical 3D model of the impeller, the following main assumptions were made:

- не учитывался радиальный зазор по торцам лопастей рабочего колеса;- the radial clearance at the ends of the impeller blades was not taken into account;

- не учитывались гидравлические потери водозаборника;- hydraulic losses of the water intake were not taken into account;

- не учитывалась неравномерность поля скоростей потока на входе в рабочее колесо- the non-uniformity of the flow velocity field at the impeller inlet was not taken into account

- учет кавитации произведен на основе рекомендаций для аналогичных условий рабочего процесса.- accounting for cavitation is made on the basis of recommendations for similar working process conditions.

Приняты основные базовые геометрические параметры:The main basic geometrical parameters are accepted:

- наружный диаметр рабочего колеса постоянный, D=200 мм;- the outer diameter of the impeller is constant, D=200 mm;

- количество рабочих лопаток zрк=4;- number of rotor blades zrk=4;

- диаметр ступицы на входе dвх=72 мм;- hub diameter at the inlet din=72 mm;

- диаметр ступицы на выходе dвых=89 мм;- outlet hub diameter dout=89 mm;

- осевая длина рабочего колеса Lрк=90 мм; - axial length of the impeller Lrk=90 mm;

- количество лопаток спрямляющего аппарата Zса=5;- the number of blades of the straightener Zca=5;

- диаметр выходного сечения сопла d = 125 мм.- nozzle outlet diameter d = 125 mm.

Варьируемыми параметрами приняты:Variable parameters are:

- профиль лопатки;- blade profile;

- изменение шага в радиальном направлении H=130 -210 мм.- pitch change in the radial direction H=130 -210 mm.

Расчеты проводились для стандартных атмосферных условий внешней среды, давление принято p= 101325 Па, Т= 288 К, плотность жидкости р=1000 кг/м³, вязкость 0,001 Па·с.The calculations were carried out for standard atmospheric conditions of the environment, the pressure was taken p= 101325 Pa, T= 288 K, the liquid density p=1000 kg/m ³ , viscosity 0.001 Pa·s.

Предлагаемый в данной полезной модели авиационный крыловой профиль оседиагональной однорядной лопастной системы рабочего колеса получен на основании проведенных исследований с помощью численного моделирования и физических экспериментов, и показал наилучшую эффективность. Именно рабочее колесо водометного движителя, согласованное по своим параметрам с внешними характеристиками ДВС, решающим образом определяет эффективность, главные потребительские свойства и конкурентоспособность всей силовой установки, а нередко и маломерного судна в целом.Proposed in this utility model aircraft wing profile of the axial-diagonal single-row blade system of the impeller was obtained on the basis of the studies carried out using numerical modeling and physical experiments, and showed the best efficiency. It is the impeller of a jet propulsion unit, coordinated in its parameters with the external characteristics of the internal combustion engine, that decisively determines the efficiency, main consumer properties and competitiveness of the entire power plant, and often of a small vessel as a whole.

Предлагаемая полезная модель не ограничивается технологическими возможностями производства, что позволяет решить те же задачи при использовании одноступенчатого водометного движителя вместо многоступенчатого, тем самым решающим образом упрощая конструкцию и повышая эффективность движителя в целом.The proposed utility model is not limited to the technological capabilities of production, which allows solving the same problems when using a single-stage jet propulsion unit instead of a multi-stage one, thereby decisively simplifying the design and increasing the efficiency of the propulsion unit as a whole.

Claims

The impeller of a jet propulsion unit, including a hub, blades forming a single-row blade system, the hub has a developed circumference from the side of the leading edges of the blades and a parabolic profile in the direction of flow, the blades are made with a pitch that varies in the radial direction, have an aviation wing profile and are mounted axially, with In this case, the variable section from the root of the blade is made decreasing towards the periphery of the blade.