RU220353U1 - Водомет осевой центробежно-реактивный - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к транспортным средствам и касается вопросов создания водометных движителей для основных типов судов и кораблей, а также может быть применена на электротранспорте, в авиации и в устройствах для создания направленного потока жидкости или газа в разных областях техники.

Водомет осевой центробежно-реактивный представляет собой корпус, имеющий вход и выход для рабочего тела, в котором размещено центробежно-реактивное устройство, которое состоит из полой камеры и крыльчатки с лопатками в виде плоских пластин, а вал крыльчатки выполнен с возможностью соосного соединения с валом двигателя вращения. При вращении крыльчатки закручивается рабочее тело и возникает центробежная сила, которая создает избыточное давление в полой камере на периферии вращения крыльчатки.

Под действием максимального давления на периферии вращения крыльчатки, рабочее тело под напором выдавливается с реактивным ускорением через систему отверстий в полой камере в сторону сопла. В дальнейшем, ускоряющийся поток рабочего тела приобретает дополнительное ускорение за счет сужающегося реактивного сопла. Наряду с ростом избыточного давления на периферии полой камеры и постоянным выбросом рабочего тела синхронно в центральной области корпуса образуется зона пониженного давления.

В эту зону через отверстие в центральной области входной стенки полой камеры самопроизвольно и без дополнительных энергетических затрат всасывается рабочее тело. Таким образом, создается непрерывный цикл забора рабочего тела, его перемещения центробежной силой в зону максимального давления и дальнейшего реактивного выброса рабочего тела с ускорением в окружающую среду. Достигается повышение эффективности работы водомета. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к транспортным средствам и касается вопросов создания водометных движителей для основных типов судов и кораблей, а также может быть применена на электротранспорте, в авиации и в устройствах для создания направленного потока жидкости или газа в разных областях техники.

Из уровня техники известна водометная движительная установка, которая содержит обечайку, сопрягающуюся с водоводным каналом судна, в которой размещен импеллер с плавно-радиусной конусной ступицей с расположенными на ней лопастями, имеющими площадь на входе импеллера больше, чем площадь на выходе импеллера. Внутри ступицы выполнено шлицевое соединение с приводным валом, имеющим на другом конце идентичное шлицевое соединение для передачи крутящего момента от двигателя судна. Импеллер через резьбовое соединение связан с гребным валом и установлен в блоке спрямляющих лопаток. К блоку спрямляющих лопаток прикреплено выходное сопло (патент RU 2751366, МПК В63Н 11/08, опубликован 13.07.2021 г.).

Предполагается улучшение рабочего процесса установки благодаря подстройке геометрии проточной части под режим эксплуатации и доступную мощность двигателя судна. Однако, достичь этого результата на практике сложно из-за постоянно меняющихся режимов эксплуатации в зависимости, например, от веса груза, мощности приводного двигателя, условный эксплуатации: ветер, течение и пр. При этом, остается нерешенным вопрос увеличения напора импеллером.

Из уровня техники известна водометная движительная установка, которая состоит из водозаборника, неподвижной обечайки с рабочим колесом, спрямляющего аппарата и сопла водозаборника, имеющего ширину канала, равную диаметру обечайки. Длина ступицы рабочего колеса составляет (0,5-0,6) D, а длина сопла - (0,5-0,65) D, где D - диаметр рабочего колеса. (Патент RU 2114761, МПК В63Н 11/08, В63Н 11/103, опубликован 10.07.1998 г.).

Решается вопрос уменьшения гидравлических потерь только в зоне спрямляющего аппарата и сопла, не рассматриваются вопросы повышения КПД в самом рабочем колесе, где остается проблема сохранения в процессе эксплуатации исходного зазора между лопастями рабочего колеса и обечайкой, где фиксируются на практике значительные потери КПД.

Известен также водометный движитель, принятый за прототип, который содержит корпус, в котором расположен водовод, гребной вал с установленным на нем рабочим колесом с лопастями, и реактивное сопло. Лопасти рабочего колеса охватывает обечайка, установленная в корпусе с возможностью осевого перемещения и уменьшения зазора между лопастями рабочего колеса и обечайкой. Достигается обеспечение возможности регулировки зазора между обечайкой и лопастями рабочего колеса без разборки водометного движителя и без подъема судна из воды. (Патент RU 2689900, МПК В63Н 11/08, опубликован 15.08.2018 г.).

Недостатком данного водометного движителя является нестабильная работа движителя из-за сложности обеспечения в процессе эксплуатации одинаковой конусности лопастей рабочего колеса (импеллера) и обечайки, а также соблюдения процесса постоянной регулировки зазора между ними допустимых прецизионных значений в пределах 0,5 мм, что приводит к значительной потере напора потока воды.

К основной проблеме водометных движителей, в т.ч. и прототипа, относятся высокие требования к минимальному зазору между рабочим колесом осевого водомета и обечайкой водовода. Для сохранения максимальной производительности зазор должен быть минимальным. Заводская установка зазора находится в пределах 0,2-0,4 мм. В процессе эксплуатации импеллер водомета подвергается износу, и между стенкой патрубка и краем лопасти зазор увеличивается из-за попадания песка, увлекаемого потоком воды, что приводит к интенсивному эрозионному износу лопастей и по этой причине снижению коэффициента полезного действия (КПД) и срока эксплуатации движителей. Обычно зазоры находятся в пределах до 0,5% диаметра колеса, т.е. при диаметре, например, 150 мм равен 0,5-0,75 мм. (см. https://www.katera-lodki.ru/page8331, http://www.katera-lodki.ru/impeller). Кроме этого, увеличение зазора приводит к снижению кавитационной стойкости лопастной системы, что, помимо увеличения износа, приводит к разрыву водного потока и падению КПД.

При создании полезной модели решалась задача повышения эффективности работы водомета.

Поставленная задача решена и технический результат достигается за счет того, что в водомете осевым центробежно-реактивном, содержащем корпус, имеющий вход и выход для рабочего тела, согласно полезной модели корпус снабжен центробежно-реактивным устройством, которое состоит из полой камеры, образованной обечайкой, входной и выходной стенками, и крыльчатки. Лопатки крыльчатки выполнены в виде плоских пластин, а вал крыльчатки выполнен с возможностью соосного соединения с валом двигателя вращения. Снабжение полой камеры крыльчаткой с плоскими пластинами, расположенной с минимальным зазором относительно боковых стенок камеры позволяет обеспечить эффективное и синхронное с вращением крыльчатки закручивание рабочего тела.

Технический результат достигается, в основном, за счет того, что при закручивании рабочего тела, возникающая центробежная сила создает избыточное давление на периферии вращения в области обечайки полой камеры. Эта область локального повышенного давления наиболее эффективно создает напор для реактивного выброса рабочего тела. При этом, функция крыльчатки полезной модели отличается от функции импеллера традиционного водомета тем, что в отличие от импеллера, создающего давление для прямой перекачки рабочего тела с обеспечением минимального зазора 0,5 мм, крыльчатка раскручивает рабочее тело с целью создания избыточного давления центробежной силой на периферии вращения. Решение этой задачи мало зависит от соблюдения зазора меньше миллиметра. Проведенные испытания изготовленного центробежно-реактивного устройства водомета по полезной модели показали, что зазоры в пределах 1-3 мм оптимальны для достижения технического результата. Дальнейшие испытания с укороченными лопатками на 10 мм, т.е. с таким же зазором с обечайкой, ожидаемо показали рост числа оборотов крыльчатки за счет снижения сопротивления рабочего тела при вращении, что в свою очередь приводит к увеличению центробежной силы и давления.

Технический результат полезной модели достигается благодаря следующему.

Как известно, по закону Паскаля: давление жидкости одинаково передается в любую его точку независимо от направления. Давление рассчитывается по формуле: Р=F/S, где F - модуль силы, S - площадь поверхности, (см. Физический энциклопедический словарь - М.: Советская энциклопедия, 1983, стр. 140, 523). Наряду с этим, известно, что по второму закону Ньютона центробежная сила определяется формулой F=mv²/r, где F - центробежная сила, m - масса, v - скорость вращения, r - радиус окружности. (Физический энциклопедический словарь - М.: Советская энциклопедия, 1983, стр. 844).

Таким образом, центробежная сила, создающая давление при вращении рабочего тела, изменяется в квадратичной зависимости от окружной скорости. Другими словами, при увеличении окружной скорости вращения рабочего тела, например, в 2 раза, центробежная сила возрастет в 4 раза. При этом, по формуле Паскаля давление также возрастет в 4 раза, т.к. площадь поверхности полой камеры, на которую действует давление, остается неизменным. В этом кроется основное преимущество полезной модели перед водометным движителем с традиционным импеллером, где импеллер своей лопастной системой создает давление и перекачивает воду прямо пропорционально оборотам вращения, и, как следствие, создает тягу также в прямой, а не в квадратичной зависимости от оборотов вращения импеллера. (например, см. https://cvberleninka.ru/article/n/raschet-harakteristik-vodometnyh-dvizhiteley-glissiruyuschih-katerov/viewer, стр. 47, рис. 8-б).

Под действием максимального давления на периферии вращения крыльчатки, рабочее тело под напором выдавливается с реактивным ускорением через систему отверстий в выходной стенке полой камеры в сторону сопла. В дальнейшем, ускоряющийся поток рабочего тела приобретает дополнительное ускорение за счет сужающегося реактивного сопла.

Технический результат достигается также и за счет того, что при перераспределении давления в полой камере, одновременно с ростом давления на периферии вращения крыльчатки, синхронно в области оси вращения крыльчатки, образуется зона пониженного давления. Это приводит к тому, что через отверстие в центральной области входной стенки полой камеры происходит самопроизвольное всасывание рабочего тела автоматически без дополнительных энергетических затрат, что имеет место при заборе рабочего тела импеллером.

Таким образом, создается непрерывный цикл забора рабочего тела, его перемещения центробежной силой в зону максимального давления и дальнейшего реактивного выброса рабочего тела с ускорением в окружающую среду.

Технический результат достигается не только за счет увеличения скорости выброса рабочего тела повышенным давлением, но и за счет увеличения объема выброса рабочего тела, благодаря увеличению площади сечения системы выброса рабочего тела не только однорядных, но и многорядных отверстий, а также в виде прямоугольных окон с перемычками по всей окружности и на глубину до 25% радиуса выходной стенки полой камеры.

Использование плоских лопаток крыльчатки сокращает гидравлические потери при создании давления. Если в импеллере с винтовыми лопастями, у которых изменяется угол атаки по радиусу лопасти, рабочее тело при вращении смещается не только в продольном, но и в поперечном направлениях, что приводит с большим гидравлическим потерям ввиду возникающего скольжения лопастей с низким процентом соотношения разности между шагом винта и действительным поступательным его движением к шагу винта, то в центробежно-реактивном устройстве полезной модели плоские лопатки крыльчатки обеспечивают ламинарное течение рабочего тела, что приводит к сокращению энергетических потерь и повышению эффективности процесса создания тяги водомета.

Эффективность полезной модели достигается и за счет роста давления благодаря наклону лопаток крыльчатки относительно нормали под углом против направления вращения крыльчатки. Такой наклон позволяет обеспечить дополнительный поджим рабочего тела в сторону периферии вращения, что увеличивает давление и скорость выброса рабочего тела. При этом, уменьшается вибрация лопаток и улучшатся ламинарный поток рабочего тела.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан разрез водомета с тремя выносами - входной стенки, центробежно-реактивного устройства и выходной стенки, на фиг. 2, 3 - фото центробежно-реактивного устройства водомета.

Предложенный водомет осевой центробежно-реактивный содержит корпус, который включает, три части: водовод подачи воды 1, центробежно-реактивное устройство 2 и сопло 3, последовательно и герметично соединенные друг с другом посредством, например, фланцевых соединений.

Водовод подачи воды 1 имеет входное водозаборное отверстием 4 с защитной решеткой 5. На внешней поверхности водовода 1 образован полый цилиндрический выступ 6, который является посадочным местом для вала 8, имеющего возможность соосного соединения с валом двигателя вращения (он на фиг. 1 не показан).

Центробежно-реактивное устройство 2 состоит из обечайки 9, входной 10 и выходной 11 стенок, которые крепятся к обечайке герметично разъемным соединением, например, в процессе соединения центробежно-реактивного устройства 2 с водоводом 1 и соплом 3 фланцевыми соединениями. Внутри образованной таким образом полой камеры расположена крыльчатка 7, имеющая способность свободного вращения внутри нее. Крыльчатка 7 имеет ступицу 12, на которой закреплена система лопаток 13 в виде плоских пластин без какого-либо профилирования, которое характерно для лопастей импеллера или гребного винта. Крыльчатка 7 жестко соединена с валом 8, например, посредством шпоночного соединения 14 без возможности перемещения вдоль оси вращения.

Сопло 3 неподвижно соединено с центробежно-реактивным устройством 2 посредством фланцевого соединения. Внутри сопла 3 образовано реактивное сопло 15, а также установлен спрямляющий аппарат 16. Спрямляющий аппарат 16 расположен соосно соплу 3 и крыльчатке 7. При этом спрямляющий аппарат 16 имеет ступицу 17, преимущественно, конической формы или близкой к ней. Внутри ступицы 17 со стороны крыльчатки 7 образовано посадочное отверстие 18, в котором установлена подшипниковая опора 19 для вала 8. Подшипниковая опора 19 для вала 8 также установлена внутри выступа 6 водовода 1. С соплом 3 шарнирно соединено реверсивно-рулевое устройство 20 водомета.

Водомет осевой центробежно-реактивный работает на примере воды следующим образом:

Водомет погружают в воду, при этом жидкость свободно заполняет внутреннее пространство корпуса водомета через водовод подачи воды 1 и сопло 3. При включении двигателя вращения (он на фиг. 1 не показан) вал 8 водомета начинает вращать крыльчатку 7. При этом, лопатки 13 захватывают в своем сегменте замкнутый объем заборной воды и приводят его во вращательное движение. Зазоры между лопатками 13 крыльчатки 7 относительно полой камеры из обечайки 9 и стенок 10, 11 составляют 1-3 мм, что обеспечивает эффективное и синхронное с вращением крыльчатки 7 закручивание воды.

Раскручиваемая вода с ростом числа оборотов крыльчатки 7 за счет центробежной силы создает избыточное давление на периферии вращения в зоне внутренней стенки обечайки 9. При этом, с ростом давления на периферии, синхронно образуется зона пониженного давления в районе оси вращения крыльчатки 7. Именно в эту зону через центральное отверстие входной стенки 10 самопроизвольно всасывается вода в полую камеру. Под действием избыточного давления в зоне внутренней стенки обечайки 9 вода с ускорением выдавливается через систему отверстий в выходной стенке 11 в направлении сопла 3. В дальнейшем поток воды проходит через спрямляющий аппарат 16 и по каналу уменьшающегося по диаметру реактивного сопла 15 с дополнительным реактивным ускорением выдавливается в окружающую среду. Форма суживающегося канала, образованного между внутренней стенкой сопла 3 и ступицей 17 спрямляющего аппарата 16 позволяет добиваться максимальной скорости потока воды на его выходе.

На фиг. 1 движение потока воды показано стрелками. Выталкиваемая вода приобретает импульс, равный произведению ее массы на скорость. По закону сохранения импульсов водомет, и соответственно плавательное средство, получат импульс, направленный в противоположную сторону от реактивного выброса струи воды.

Центробежно-реактивное устройство водомета по полезной модели в двух вариантах было испытано на электромоторе Minn Kota мощностью 380 Вт. На фиг. 2 и фиг. 3 представлены фото без спрямляющего аппарата и со спрямляющим аппаратом соответственно.

В качестве рабочего тела в предлагаемом полезной модели может быть применен воздух или газ. Полезная модель в этом варианте может быть применена на электротранспорте и в авиации, где она будет более эффективна при вращении крыльчатки с высокими скоростями и с минимальными зазорами между крыльчаткой и внутренними стенками полой камеры. Примером промышленного применения полезной модели в качестве альтернативы могут служить аэролодки с классическим воздушным винтом.

Целесообразно применение полезной модели в устройствах и технологиях, где возникает необходимость создания эффективного газо-воздушного потока.

Claims (6)

1. Водомет осевой центробежно-реактивный, имеющий вход и выход для рабочего тела, отличающийся тем, что центробежно-реактивное устройство с полой камерой, образованной обечайкой, входной и выходной стенками, снабжено крыльчаткой, размещенной в камере с минимальным зазором относительно ее стенок, лопатки крыльчатки выполнены в виде плоских пластин, а вал крыльчатки выполнен с возможностью соосного соединения с валом двигателя вращения, вход для рабочего тела выполнен в виде отверстия в центральной области входной стенки полой камеры, а выход выполнен в выходной стенке полой камеры на периферии вращения крыльчатки через систему отверстий в сторону выходного сопла.

2. Водомет осевой центробежно-реактивный по п.1, отличающийся тем, что рабочее тело приобретает реактивное ускорение при вытекании из зоны наибольшего давления, образованного центробежной силой на периферии вращения крыльчатки.

3. Водомет осевой центробежно-реактивный по п.1, отличающийся тем, что выход рабочего тела выполнен через систему однорядных и многорядных отверстий.

4. Водомет осевой центробежно-реактивный по п.1, отличающийся тем, что выход рабочего тела выполнен в виде прямоугольных окон с перемычками по всей окружности и на глубину до 25% радиуса выходной стенки полой камеры.

5. Водомет осевой центробежно-реактивный по п.1, отличающийся тем, что лопатки крыльчатки крепятся к ступице под углом относительно нормали с наклоном против направления вращения крыльчатки.

6. Водомет осевой центробежно-реактивный по п.1, отличающийся тем, что рабочее тело поступает в полую камеру вращения крыльчатки самопроизвольно.