RU226982U1 - Водометный движитель - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к судовым движителям, а именно к водометным движителям для основных типов судов, в т.ч. скоростных, а также для создания малоразмерных водометов для малых лодок с подвесными моторами и в устройствах для создания направленного потока жидкости или газа в разных областях техники. Водометный движитель, содержащий водовод, рабочее колесо, спрямляющий аппарат, сопло и реверсивно-рулевое устройство, согласно полезной модели, спрямляющий аппарат водометного движителя состоит из двух взаимосвязанных частей: подвижной части спрямляющего аппарата в виде лопастной профилированной крыльчатки, жестко закрепленной на валу привода рабочего колеса, и неподвижной части спрямляющего аппарата, закрепленной на корпусе водометного движителя соосно реактивному соплу, подвижной части спрямляющего аппарата и рабочему колесу. Водный поток, раскрученный рабочим колесом, направляется на профилированную лопастную крыльчатку, которая разворачивает и спрямляет поток воды вдоль оси вращения рабочего колеса. При этом ответная реакция при развороте потока воды создает давление на лопасти и дополнительно раскручивает крыльчатку, способствуя росту оборотов и передаче через единый вал дополнительного крутящего момента рабочему колесу. Таким образом, дополнительный крутящий момент от вращения крыльчатки, передаваемый через вал рабочему колесу, позволяет повысит эффективность работы водометного движителя за счет снижения мощности приводного двигателя при сохранении скоростных характеристик движения судна или при той же мощности приводного двигателя будет достигаться увеличение тяги и, соответственно, увеличение скорости движения судна. 6 ил.

Description

Полезная модель относится к судовым движителям, а именно к водометным движителям для основных типов судов, в т.ч. скоростных, а также для создания малоразмерных водометов для малых лодок с подвесными моторами и в устройствах для создания направленного потока жидкости или газа в разных областях техники.

Из уровня техники известен движитель водометный, состоящий из водозаборника, гребного вала, снабженного кормовым опорным и носовым опорно-упорным подшипниками, рабочего колеса, установленного на гребном валу, корпуса движителя, содержащего спрямляющий аппарат, реактивное сопло и опоры реверсивной заслонки, реверсивно-рулевого устройства. Опорный подшипник выполнен радиальным роликовым со съемным внутренним кольцом, установленным на кормовом конце гребного вала (Патент RU 2436706, МПК В63Н 1/00, В63Н 11/02, опубликован 20.12.2011 г.).

Предполагается упрощение конструкции и сокращение потерь на трение подвижных элементов о жидкость. Однако, снижение потерь на трения мало влияет на эффективность процесса создания тяги.

Из уровня техники известно рабочее колесо водометного движителя, включающее ступицу, лопасти, образующие однорядную лопастную систему. 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 позволяет решить вопрос повышения эффективности движителя (Патент RU 208928, МПК В63Н 1/00, опубликован 24.01.2022 г.).

Решается вопрос повышения эффективности движителя за счет конструкции рабочего колеса, однако не решается вопрос снижения за счет этого мощности приводного двигателя.

Известен также водометный движитель, принятый за прототип, который содержит неподвижный статор, нагнетатель в виде ротора с приводом и лопатками, установленный с возможностью вращения вокруг продольной оси, неподвижную торцевую стенку, установленную за нагнетателем соосно с ним, образующую со статором кольцевое сопло с профилированными направляющими поверхностями, формирующими кольцевую струю, и источник газа под давлением. Предметом данного изобретения является усовершенствование водометного движителя, заключающееся в передаче газа под давлением через привод нагнетателя во внутреннее пространство кольцевой струи воды с целью ее ускорения.

Недостатком данного водометного движителя является необходимость дополнительно иметь источник получения газа под давлением или емкость с ограниченным объемом газа под давлением (Патент RU 2087376, МПК В63Н 11/02, В63Н 11/08, В63Н 20/00, В63Н 25/42, опубликован 20.08.1997 г.).

При создании полезной модели решалась задача повышения эффективности работы водометного движителя. Поставленная задача решена и технический результат достигается за счет того, что в водометном движителе, содержащем водовод, рабочее колесо, спрямляющий аппарат, сопло и реверсивно-рулевое устройство согласно полезной модели спрямляющий аппарат водометного движителя состоит из двух взаимосвязанных частей: подвижной части спрямляющего аппарата в виде лопастной профилированной крыльчатки, жестко закрепленной на валу привода рабочего колеса, и неподвижной части спрямляющего аппарата, закрепленной на корпусе водометного движителя соосно реактивному соплу, подвижной части спрямляющего аппарата и рабочему колесу.

Технический результат водометного движителя достигается за счет того, что спрямляющий аппарат состоит из двух взаимосвязанных частей: подвижной части спрямляющего аппарата в виде лопастной профилированной крыльчатки и неподвижной части спрямляющего аппарата. Подвижная лопастная профилированная крыльчатка жестко соединена с валом привода рабочего колеса, неподвижная часть спрямляющего аппарата закреплена на корпусе водометного движителя соосно реактивному соплу, подвижной части спрямляющего аппарата и рабочему колесу. Раскрученная рабочим колесом вода вначале поступает в лопастную систему крыльчатки и затем в неподвижную часть спрямляющего аппарата. Лопасти крыльчатки имеют профиль предполагаемого поворота течения воды с траектории вращения рабочего колеса по касательной к траектории движения воды по оси привода вращения рабочего колеса в направлении сопла.

Таким образом, ответная реакция при развороте потока воды в полезной модели направлена не на стационарные лопасти и корпус, как это делается в традиционном спрямляющем аппарате, а на спрямляющие лопасти крыльчатки, которая сопряжена через вал с рабочим колесом. Если в традиционном спрямляющем аппарате энергия разворота воды гасится на стационарных направляющих лопастях, не выполняя полезную работу, то по заявленной полезной модели эта энергия расходуется на вращение крыльчатки. Таким образом, дополнительный крутящий момент от вращения крыльчатки, передаваемый через вал рабочему колесу, например, в виде импеллера, позволяет повысить эффективность работы водометного движителя за счет снижения мощности приводного двигателя при сохранении скоростных характеристик движения судна или при той же мощности приводного двигателя будет достигаться увеличение тяги и, соответственно, увеличение скорости движения судна.

Полезная модель поясняется чертежами: фиг. 1 - разрез водометного движителя, фиг. 2 - определение угла набегания водного потока на лопасти крыльчатки подвижной части спрямляющего аппарата, фиг. 3 - схема возникновения центробежной силы при спрямлении водного потока, фиг. 4, фиг. 5 - кинематическая картина взаимодействия водного потока с крыльчаткой при переходе от реального движения к обращенному движения, фиг. 6 - фото устройства с крыльчаткой в полом цилиндре.

Предложенный водометный движитель (фиг. 1) содержит корпус, который включает пять полых частей: водовод подачи воды 1, секцию с импеллером 2, промежуточную секцию 3, секцию с крыльчаткой 4 и сопло 5, последовательно и герметично соединенные друг с другом посредством, например, фланцевых соединений.

Водовод подачи воды 1 имеет входное водозаборное отверстием 6 с защитной решеткой 7. На внешней поверхности водовода 1 образован полый цилиндрический выступ 8, который является посадочным местом для вала 9, имеющего возможность соосного соединения с валом двигателя вращения (он на фиг. 1 не показан).

Секция с рабочим колесом 2 состоит из обечайки 10, внутри которой расположен вал 9, закрепленный в подшипниках 11, с установленными на нем рабочим колесом 12, например, импеллером, закрепленным на ступице 13, и крыльчатки 14 со спрямляющими профилированными лопастями 15 подвижной части спрямляющего аппарата 4. Между рабочим колесом 12 и крыльчаткой 14 установлена промежуточная втулка 16. Рабочее колесо 12, промежуточная втулка 16 и крыльчатка 14 жестко соединены с валом 9, например, посредством шпоночных соединений, без возможности перемещения вдоль вала вращения 9.

Сопло 5 состоит из неподвижной части спрямляющего аппарата 17, расположенного соосно крыльчатке 14 и рабочему колесу 12. Неподвижная часть спрямляющего аппарата 17 имеет ступицу 18, преимущественно, конической формы или близкой к ней. Внутри ступицы 18 образовано посадочное отверстие 19, в котором установлена подшипниковая опора 11 для вала 9. Подшипниковая опора 11 для вала 9 также установлена внутри выступа 8 водовода 1. С соплом 5 шарнирно соединено реверсивно-рулевое устройство 20 водометного движителя.

Водометный движитель работает следующим образом: водометный движитель погружают в воду, при этом жидкость свободно заполняет внутреннее пространство корпуса водомета через водовод подачи воды 1 и сопло 5. При включении двигателя вращения (он на фиг. 1 не показан) вал 9 начинает вращать рабочее колесо 12. При этом рабочее колесо 12 захватывает определенный объем заборной воды и приводит его во вращательное движение. Винтообразный профиль рабочего колеса 12 придает водному потоку ускорение и под давлением направляет его на подвижную часть спрямляющего аппарата 4. Водный поток под острым углом к плоскости вращения крыльчатки 14 попадает на спрямляющие профилированные лопасти 15, изменяя первоначальное направление движения водного потока с движения по касательной в направление по оси вращения рабочего колеса 12 в сторону сопла 5. В дальнейшем, водный поток направляется на неподвижную часть спрямляющего аппарата 17, которая завершает процесс окончательного поворота водного потока параллельно оси вращения рабочего колеса 12. На фиг. 1 движение водного потока показано стрелками.

При развороте водного потока в спрямляющих профилированных лопастях 15 крыльчатки 14, возникает центробежная сила, направленная под прямым углом к плоскости лопастей 15, создавая дополнительную силу вращения крыльчатки 14 наряду с крутящим моментом, который передает вал 9 рабочему колесу 12.

Эффективность вращения крыльчатки зависит от влияния реакции поворота водного потока, обусловленного зависимостью от угла набегания водного потока на лопастную систему крыльчатки 14. Расчеты свидетельствуют о наличии эффективного острого угла (фиг. 2). Например, при диаметре импеллера 200 мм, шаге лопасти импеллера 180 мм и при оборотах 4000 об./мин расчет угла α набегания водного потока на лопастную систему крыльчатки 14 выглядит следующим образом:

tg α = Vос./ Vтг., где tg α - тангенс угла набегания, Vос. - величина скорости водного потока по оси вращения рабочего колеса 12, Vтг. - величина тангенциальной скорости водного потока по окружности вращения.

Voc. = j⋅n, где j - шаг лопасти импеллера (м), n - число оборотов импеллера (об/сек.)

Vтг. = L⋅n=π⋅D⋅n, где L - длина окружности импеллера (м), n - число оборотов импеллера (об/сек.), π - число Пи, D - диаметр импеллера (м).

tg α = 12/42=0,29

α = 12°.

Таким образом, направление результирующего потока воды на выходе из импеллера и, соответственно, на входе в лопастную систему крыльчатки 14 составляет 12°, что эффективно влияет на импульс передачи давления на лопасти 15. Это связано с тем, что в этом случае образуется эффективная центробежная сила за счет того, что поток воды необходимо развернуть на 78° до осевого направления движения, что требует обеспечить разворотный профиль лопастей 15 с малым радиусом поворота, который положительно влияет на увеличение центробежной силы.

На фиг. 3 представлен профиль лопасти 15, по которому будет происходить разворот потока воды от движения по окружности в направление по оси вращения рабочего колеса 12 и крыльчатки 14.

Известно, что по второму закону Ньютона центробежная сила определяется формулой F_ц.б = mv²/r, где на фиг. 4, F_ц.б - центробежная сила, которая образуется при круговом вращении воды, m - масса воды, v - скорость движения водного потока вдоль лопасти 15, r - радиус кривизны профиля лопасти 15. (Физический энциклопедический словарь - М.: Советская энциклопедия, 1983, стр. 844). Эта сила по полезной модели направлена на вращение крыльчатки 14, выполняя полезную работу, в то время, как в традиционном водометном движителе центробежная сила при развороте потока воды через неподвижные лопасти спрямляющего аппарата, направлена на корпус водомета, не выполняя полезную работу.

Для оценки влияния лопастной профилированной крыльчатки 14 подвижной части спрямляющего аппарата 4 на повышение эффективности работы водометного движителя рассмотрен принцип обращения движения, который широко используется в теоретической и экспериментальной гидродинамике, и заключается в том, что силы, действующие на лопасти крыльчатки, не зависят от того, рассматривается ли движение лопасти крыльчатки в водной среде или, наоборот, водный поток набегает с той же скоростью на неподвижные лопасти крыльчатки (см. https://studopedia.su/6_54975_obrashchenie-dvizheniya.html).

На фиг. 4 в неподвижной системе координат показано набегание водного потока со скоростью Vпот. на неподвижные лопасти 15 крыльчатки 14, Такая картина происходит при традиционной конструкции спрямляющего аппарата, когда поворот водного потока вдоль профиля лопасти 15 приводит к реакции на опору F_оп., в данном случае на корпус водометного движителя.

На фиг. 5 показано так называемое обращение движения, когда наоборот, водная среда неподвижна, а крыльчатка вращается в неподвижной водной среде. В этом случае, для обеспечения такой же скорости движения потока воды Vпот., необходимо затратить определенную энергию для вращения крыльчатки 14 с необходимостью обеспечить ту же скорость движения потока Vпот.

При этом кинематическая картина взаимодействия водного потока с крыльчаткой при переходе от реального движения к обращенному движению меняется, а силовое взаимодействие между ними остается прежним.

Таким образом, по полезной модели от поворота водного потока при вращении крыльчатки 14 выделяется такая же энергия, как и энергия, которая передается в виде реакции на корпус водометного движителя. Эта энергия создает дополнительный крутящий момент для вращения рабочего колеса 12.

Другими словами, ответная реакция при развороте потока воды в полезной модели направлена не на стационарные лопасти традиционного спрямляющего аппарата, а на спрямляющие лопасти 15 крыльчатки 14, которая сопряжена через вал 9 с рабочим колесом. Если в традиционном спрямляющем аппарате энергия разворота воды гасится на стационарных направляющих лопастях, не выполняя полезную работу, то по заявленной полезной модели эта энергия расходуется на вращение крыльчатки. Таким образом, дополнительный крутящий момент от вращения крыльчатки, передаваемый через ось рабочему колесу, позволяет повысить эффективность работы водометного движителя за счет снижения мощности приводного двигателя при сохранении скоростных характеристик движения судна или при той же мощности приводного двигателя будет достигаться увеличение тяги и, соответственно, скорости движения судна.

При проведении исследований и расчетов принималось во внимание, что скорость вращения водного потока после рабочего колеса 12 равна скорости вращения крыльчатки 14. Учитывая это обстоятельство, влияние окружного вращения водного потока на вращение крыльчатки 14 не учитывалось и приравнивалось к нулю, т.к. любая скорость вращения рабочего колеса 12 сохраняет равные скорости вращения водного потока и крыльчатки.

На фиг.6 представлено фото устройства с крыльчаткой в полом цилиндре, которое было установлено на электромоторе Minn Kota мощностью 380 Вт. Проведенные опыты для оценки угла выброса водного потока при вращении крыльчатки подтвердили выброс водного потока под острым углом.

Целесообразно применение полезной модели в водометных движителях любой конструкции, а также в устройствах и технологиях, где возникает необходимость создания эффективного водного, водно-воздушного и газо-воздушного потоков.

Claims (2)

1. Водометный движитель, содержащий водовод, рабочее колесо, спрямляющий аппарат, сопло и реверсивно-рулевое устройство, отличающийся тем, что спрямляющий аппарат водометного движителя состоит из двух взаимосвязанных частей: подвижной части спрямляющего аппарата в виде лопастной профилированной крыльчатки, жестко закрепленной на валу привода рабочего колеса, и неподвижной части спрямляющего аппарата, закрепленной на корпусе водометного движителя соосно реактивному соплу, подвижной части спрямляющего аппарата и рабочему колесу.

2. Водометный движитель по п.1, отличающийся тем, что спрямляющий аппарат водометного движителя состоит из лопастной профилированной крыльчатки, жестко закрепленной на валу привода рабочего колеса.