Водная ракета — новый движитель для скоростного флота – Наука – Коммерсантъ

6K







2






7 мин.





















…

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.

Расчеты

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 ~0,5 м/с до ~2000 м/c. Каждая ударная волна, выходящая в водовод, вовлекает воду в движение к соплу и, следовательно, придает движителю импульс силы — реактивной тяги.

Рис. 1. Схема плоского прямоточного водометного движителя

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

Эксперименты

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.

Рис. 6. Экспериментальный образец прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя на тягоизмерительной раме

Фото: Сергей Фролов

Рис. 5. Схема испытательного стенда

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.

Пояснения к ТН ВЭД 8412298101

База кодов ТН ВЕД → РАЗДЕЛ XVI. Машины, оборудование и механизмы; электротехническое оборудование; их части; звукозаписывающая и звуковоспроизводящая аппаратура, аппаратура для записи и воспроизведения телевизионного изображения и звука, их части и принадлежности → Реакторы ядерные, котлы, оборудование и механические устройства; их части → Двигатели и силовые установки прочие: → — силовые установки и двигатели гидравлические: → — — прочие: → — — — прочие: → — — — — двигатели гидравлические силовые: → — — — — — для гражданской авиации → Пояснения

8412 — Двигатели и силовые установки прочие:

В данную товарную позицию включены двигатели, не вошедшие в предыдущие товарные позиции (8406 — 8408, 8410, 8411) или в товарные позиции 8501, 8502. Это все неэлектрические двигатели и моторы, кроме паровых машин, поршневых двигателей внутреннего сгорания с принудительным зажиганием и воспламенением от сжатия, гидротурбин, водяных колес, турбореактивных и турбовинтовых двигателей и прочих газовых турбин.

Сюда входят реактивные двигатели (кроме турбореактивных), пневматические двигатели и моторы, ветряные двигатели (ветряные мельницы), пружинные и гиревые двигатели и т.д., а также некоторые гидравлические двигатели и моторы, паровые и газовые машины.

(А) Реактивные двигатели, за исключением турбореактивных

(1) Прямоточный воздушно-реактивный двигатель.

Это механически простая конструкция, действующая только на машинах, движущихся с высокой скоростью. Она не имеет турбокомпрессора, и поэтому подача воздуха обеспечивается только за счет скорости движения. Сжатие воздуха в камере сгорания обеспечивается геометрией трубопровода. Движущая сила образуется в результате воздействия отработанных газов, выбрасываемых через сопло.

(2) Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель.

Отличие данного двигателя от прямоточного состоит в том, что, благодаря прерывистому процессу сгорания, из его сопла выбрасывается не сплошная струя, а пульсирующий поток газа. В отличие от прямоточного двигателя его можно запустить с места, т.к. забор воздуха обеспечивает его пульсирующим действием.

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели применяются, главным образом, на летательных аппаратах как ускорители при взлетах.

(3) Ракетные двигатели.

Это реактивные двигатели, в которых сгорание топлива не зависит от подачи воздуха извне, т.к. заряд такого двигателя содержит топливо и элементы, обеспечивающие его сгорание.

Среди них различают два основных типа:

(i) Жидкостные ракетные двигатели.

Данные двигатели состоят из камеры сгорания, одного или более резервуаров для ракетного топлива, связанных между собой системой труб и насосов, и ракетного сопла. Насосы приводятся в действие турбиной, которая питается от отдельного газогенератора. Еще одним принципиальным элементом данного типа ракетных двигателей является система впрыскивания. В состав топлива входят этиловый спирт, гидрат гидразина и т.д., а катализаторами являются перекись водорода, перманганат калия, жидкий кислород, азотная кислота и т.д.

(ii) Твердотопливные ракетные двигатели.

Данные двигатели состоят из цилиндрической камеры сгорания и ракетного сопла. Резервуар для топлива служит одновременно камерой сгорания. Ракетное топливо данного типа двигателей состоит из катализатора (обычно перхлорат аммония) и собственно топлива (как правило, полиуретаны). В некоторых типах используются виды топлива, включенные в группу 36.

В данную товарную позицию включены только ракеты, составляющие собственно двигательные установки (например, ускорители для взлетов летательных аппаратов, управляемых ракет или космических ракет-носителей).

В данную группировку не входят:

(а) Противоградовые ракеты, ракеты со спасательным шнуром и аналогичные пиротех нические ракеты (товарная позиция 3604).

(б) Космические ракеты-носители (товарная позиция 8802).

(в) Управляемые ракеты с силовыми установками (товарная позиция 9306).

(Б) Гидравлические силовые двигатели и моторы

В данную группировку включаются:

(1) Некоторые двигатели, кроме турбин и колес, вошедших в товарную позицию 8410, использующие для совершения механической работы энергию морских волн (ротор Савониуса с двумя полуцилиндрическими лопатками) или приливов и отливов.

(2) Сюда входят двигатели (water column machines), принцип работы которых основан на вращении вала посредством поршней, перемещающихся в цилиндрах под давлением водяного столба.

(3) Гидравлические цилиндры, состоящие, например, из латунного или стального цилиндра и поршня, который под давлением масла (или другой жидкости), прилагаемым с одной стороны (одностороннего действия) или двух сторон (двустороннего действия), приводится в движение и преобразует энергию давления жидкости в линейное движение. Данные цилиндры применяются в станках, строительных механизмах, механизмах управления и т. д.

(4) Приводы гидравлических клапанов, представленные отдельно, состоящие из металлического корпуса и поршня, который посредством пальца, установленного перпендикулярно шатуну, преобразует линейное движение, вызванное давлением сжатия жидкости, во вращательное движение, обеспечивающее привод конического вентиля или другого приспособления с вращающимся механизмом.

(5) Гидравлические сервомоторы, которые выполняют роль конечного или промежуточного исполнительного механизма в обратной связи управляющих и регулирующих систем. Данные сервомоторы используются, например, в самолетах.

(6) Гидравлические системы, состоящие из гидравлической силовой установки (содержащей гидравлический насос, электромотор, управляющие клапаны и масляный бак), гидравлических цилиндров и трубок или шлангов, необходимых для подсоединения цилиндров к гидравлической силовой установке, объединенных в единый функциональный блок, понимаемый в соответствии с примечанием 4 к разделу XVI (см. Общие положения пояснений к данному разделу). Эти системы используются, например, для управления строительными объектами.

(7) «Гидравлические» реактивные двигатели («гидрореактивные») для моторных лодок. Они состоят из мощных насосов, забирающих морскую или речную воду и выбрасывающих ее в виде сильной струи через регулируемую трубу (или трубы), расположенную под днищем или за кормой.

(В) Пневматические силовые двигатели и моторы

Данные двигатели используют внешний источник сжатого воздуха (или других газов) и, в принципе, напоминают поршневой паровой двигатель или паровую турбину. В отдельных случаях предусматривается камера сгорания или другие нагреватели для повышения давления воздуха (и, соответственно, увеличения энергии выброса), а также для предотвращения замерзания при резких перепадах температуры.

Эти двигатели используются, в основном, на шахтах в откаточных тракторах, лебедках, благодаря их пожаро- и взрывобезопасности, кроме того, они используются в некоторых локомотивах, летательных аппаратах, подводных лодках и т. д., в качестве пусковых двигателей к двигателям внутреннего сгорания, а также в качестве торпедных двигателей.

В данную группировку входят также:

(1) Крыльчатые двигатели, редукторные двигатели, осевые и радиально-поршневые двигатели для пневматической трансмиссии.

(2) Пневматические цилиндры, состоящие, например, из латунного или стального цилиндра и поршня, который под давлением сжатого воздуха, прилагаемым с одной (одностороннего действия) или двух сторон (двустороннего действия), приводится в движение и преобразует энергию сжатого воздуха в линейное движение. Данные цилиндры применяются в станках, строительных механизмах, механизмах управления и т.д.

(3) Представленные отдельно приводы пневматических клапанов, состоящие из металлического корпуса и поршня, который посредством пальца, установленного перпендикулярно шатуну, преобразует линейное движение, вызванное давлением сжатого воздуха во вращательное движение, обеспечивающее привод конического вентиля или другого приспособления с вращающимся механизмом.

(Г) Ветряные двигатели (ветряные мельницы)

В данную группировку входят все силовые агрегаты (ветряные двигатели, воздушные турбины), преобразующие энергию ветра, воздействующего на лопасти (часто с изменяемым шагом) пропеллера или ротора, непосредственно в механическую энергию.

Наиболее распространенная конструкция представляет собой довольно высокую металлическую опору с установленным на ней пропеллером или ротором, перпендикулярно оси которого крепится стабилизатор или похожее приспособление для ориентации аппарата в зависимости от направления ветра. Движущая сила обычно передается посредством редуктора через вертикальный вал на вал отбора мощности, расположенный на уровне земли. Некоторые ветряные двигатели («вакуумные двигатели») снабжены вогнутыми лопатками. Вращаясь, они создают перепад давления, который по герметичному трубопроводу передается на землю для привода небольшой реактивной турбины.

Ветряные двигатели, как правило, обладают небольшой мощностью и используются, в основном, в сельской местности для привода ирригационных и дренажных насосов или небольших электрогенераторов.

В эту товарную позицию не входят электрогенераторы, состоящие из ветряного двигателя, и электрогенераторы (включая электрогенераторы, приводимые в действие воздушным потоком от винта летательного аппарата) (товарная позиция 8502).

(Д) Пружинные, гиревые и прочие двигатели

В данную группировку входят механизмы, которые, подобно часовым механизмам, приводятся в действие за счет использования энергии высвобождаемой при раскручивании пружины, а также за счет использования силы тяжести (противовесов или аналогичных устройств). Сюда, однако, не входят механизмы, в которых используются или предусматривается использование спусковых устройств (товарная позиция 9108 или 9109).

Данные двигатели, особенно пружинного действия, находят применение в самых разнообразных устройствах (в музыкальных автоматах, автоматических вертелах, вращающихся витринах, регистрирующих механизмах, гравировальных инструментах).

(Е) Поршневые двигатели, не объединенные с бойлерами

В двигателях данного типа механическая энергия образуется в результате движения поршня в цилиндре под воздействием разности давления пара, производимого бойлером, и атмосферного давления (паровые машины с выхлопом в атмосферу) или пониженного давления конденсатора (паровые машины с конденсацией). Возвратно-поступательное движение поршня посредством шатуна преобразуется во вращательное движение коленчатого вала или маховика.

К простейшим типам относятся двигатели одностороннего действия, где давление пара воздействует только на одну из сторон поршня; в других (двусторонних) типах пар поочередно воздействует на обе стороны поршня. В более мощных двигателях пар последовательно поступает в два или более цилиндров с возрастающими диаметрами, причем, шатуны соответствующих поршней соединены с единым коленчатым валом (компаунд-машины, паровые машины двойного и тройного расширения и т.д.). К последним относятся, например, локомотивные и судовые двигатели.

(Ж) Паровые или газовые силовые установки,
объединенные с бойлерами

Двигатели данного типа состоят из бойлера (обычно типа жаровой трубы) и паровой машины простого расширения или компаунд-машины поршневого типа с одним или двумя маховиками, которые часто выполняют функции механизма отбора мощности.

Двигатели данного типа — это, в основном, двигатели малой и средней мощности, предназначенные для более или менее постоянной работы. Благодаря компактной конструкции они могут быть легко демонтированы.

Части

В соответствии с общими положениями, касающимися классификации частей (см. Общие положения пояснений к разделу XVI), наряду с двигателями, перечисленными выше, в данную товарную позицию входят части к ним (камеры сгорания и воздушные клапаны к реактивным двигателям, регуляторы подачи топлива к турбовинтовым двигателям, топливные форсунки, воздушные колеса к ветряным мельницам, цилиндры, поршни, золотники, центробежные шаровые регуляторы или маховики-регуляторы, шатуны).

Части к паровым или газовым силовым установкам, объединенным с бойлерами, как правило, классифицируются как части к бойлерам (товарная позиция 8402) или как части к паровым силовым установкам данной товарной позиции.

В эту товарную позицию, однако, не входят трансмиссионные и коленчатые валы (товарная позиция 8483).

Пояснения к подсубпозициям

8412 21 200 1 — 8412 29 890 9

В эти подсубпозиции включены моторы (двигатели) для гидравлической трансмиссии.

8412 21 200 1 — 8412 21 200 9 и 8412 21 800 2 — 8412 21 800 8

Эти подсубпозиции включают гидравлические исполнительные механизмы для позиционирования и фиксации, используемые для регулировки положения сидений для команды самолета.

Понимание водометного движения — принцип работы, конструкция и преимущества

1000
акции

Корабли представляют собой огромные сооружения весом от 100 000 до 500 000 тонн. Тем не менее, они с легкостью перемещаются по земным океанам.

На другом конце спектра размеров судов находятся небольшие рыболовные траулеры и прогулочные яхты, вес которых едва превышает 10 000 тонн. Их обычно можно встретить вдоль береговой линии на очень высоких скоростях.

Так как же движутся по воде такие разные суда и лодки?

Здесь на помощь приходит морская тяга.

Различные классы судов используют различные силовые установки, которые используют несколько методов для производства энергии. Раньше суда использовали ископаемое топливо, такое как уголь, для работы больших двигателей, приводящих в движение гребные винты.

Более поздние модели работали с поршневыми двигателями и дизельными морскими двигателями, которые были более эффективными. В настоящее время ядерная энергия также используется для питания военных кораблей, но она слишком дорога и опасна, чтобы ее можно было адаптировать в секторе коммерческого судоходства.

Разве не было бы удобно, если бы какая-то форма энергии могла быть получена с использованием легкодоступного сырья, не создающего токсичных продуктов?

Здесь на помощь приходит водометный двигатель.

Вода является самым распространенным ресурсом на Земле: почти 75% земного шара покрыто водоемами. Кроме того, при использовании в качестве единственного компонента двигателя не образуются вредные побочные продукты, и весь процесс является экологически чистым.

В этой статье мы рассмотрим водометный двигатель, принцип его работы и преимущества, которые он дает.

Обычные морские двигательные установки

Движение относится к механике, лежащей в основе создания тяги и силы, которые могут использоваться для перемещения тела под действием его собственной силы. Требуемая мощность обычно вырабатывается с помощью двух или более судовых дизелей, работающих либо в двух-, либо в четырехтактном режиме.

Эти двигатели имеют несколько поршневых цилиндров, которые создают вращательное движение за счет сгорания топлива при температуре воспламенения. Вращательное движение используется для вращения коленчатого вала, соединенного с морским гребным валом, который ведет к гребным винтам.

Гребные винты имеют три или более лопастей гидродинамической формы, которые заставляют воду позади корабля двигаться вперед. Двигатели размещены на прочных амортизирующих платформах, способных перенаправлять вибрационные движения на большую площадь поверхности корпуса.

Для изменения направления используются рули, направляющие поступающую от гребных винтов массу жидкости. В более новых конструкциях азиподов рули интегрированы в гребные винты, в результате чего получается компактная система, которая может вращаться в большинстве направлений, изменяя траекторию движения судна.

Из приведенного выше описания можно определить несколько проблем. Основным недостатком этой традиционной системы является зависимость от большого количества компонентов, которые нелегко заменить.

Например, если морской гребной вал требует ремонта, гребные винты и весь вал в сборе должны быть удалены с корабля, что требует больших временных и трудовых затрат.

Более простая конструкция позволила бы выполнять ремонт быстрее, а различные компоненты стали более доступными.

Водометный двигатель имеет это преимущество, так как он встроен в компактную систему, которую можно разобрать без необходимости демонтажа значительной части корабля.

Теперь, когда у нас есть правильное представление о том, как работают обычные двигатели, мы можем лучше понять водометные системы и их преимущества.

Водометный движитель

Использование воды в качестве источника энергии устраняет ряд проблем, связанных с традиционными методами движения. Он быстрый, тихий и очень экологичный.

Тем не менее, водометная тяга в настоящее время не может использоваться для больших кораблей, таких как танкеры, грузовые авианосцы или военные корабли. Он больше подходит для питания небольших судов береговой охраны и военно-морских сил, траулеров, буксиров и личных судов.

Идея использования воды в качестве источника энергии была впервые рассмотрена еще в 1661 году Тугудом и Хейсом, которые предположили, что центральный водный канал может использоваться для создания движения. Идея претерпела несколько итераций, прежде чем получила широкое признание и была интегрирована в коммерческие суда.

Несколько коммерческих предприятий проектируют, строят и устанавливают водометные системы. Основное отличие этих компаний заключается в установочных компонентах, степени перемещения, конструкции рабочих компонентов и выборе материалов.

Короче говоря, водометные установки размещаются на корме судна, у ватерлинии. Вода всасывается и обрабатывается внутри системы, чтобы выйти из самого заднего сопла с высокой скоростью, которая продвигает судно вперед.

В следующем разделе мы проанализируем, как работает эта система, и физику, лежащую в основе водометного движения.

Принцип работы, механизм и компоненты

Водометная система работает по принципу третьего закона Ньютона, который гласит, что каждое действие имеет равное и противоположное противодействие.

Сила, развиваемая за счет быстрого выброса воды из кормового сопла водометной системы, создает силу реакции, толкающую судно вперед.

Вода подается непосредственно в главные механизмы через всасывающий патрубок, расположенный на днище сосуда.

На большинстве судов используется только один воздуховод, хотя большее количество воздуховодов может увеличить вырабатываемую мощность, необходимую для больших судов. Жидкость, проходящая через вход, направляется через основной блок обработки системы.

В случае засорения мусоросборником вблизи входного отверстия судно может быть остановлено до тех пор, пока мусор не будет очищен. Присутствуют и другие механизмы, которые могут промыть впускное отверстие, чтобы удалить мусор.

Вода на входе представляет собой жидкость с относительно низкой энергией, поскольку перед всасыванием она находится в состоянии покоя. Однако для создания достаточной тяги его необходимо преобразовать в высокоэнергетическую жидкость. Это достигается за счет создания элемента турбулентности с помощью лопастей. Лопасти приводятся в движение с помощью рабочего колеса и статора.

Благодаря гидромеханическим реакциям с помощью этой турбулентности создается достаточное давление, которое затем выбрасывается в виде струи высокого давления из сопла. Рабочее колесо представляет собой вал, который приводится в движение бортовым двигателем. Он соединен со статором, который вращает лопасти.

Чтобы понять устройство рабочего колеса и статора, его можно в принципе уподобить двигателю самолета, который быстро увеличивает скорость воздуха на выходе из турбины. Вал крыльчатки вращается главным приводным валом, соединенным с двигателем и соединенным с помощью усиленных подшипников и соединителей.

Форсунка расположена в задней части агрегата и направляет жидкость, выходящую из системы. Он управляется поворотной системой, соединенной с штурвалом на мостике судна.

На большинстве судов угол поворота составляет от 150⁰ до 180⁰. Существует важный компонент, известный как задний дефлектор, который помогает судну двигаться задним ходом или выполнять повороты при движении задним ходом.

Дефлектор разработан с использованием гидродинамической формы, которая способна плавно перенаправлять поток в направлении, противоположном выбросу. Он надевается на горловину сопла и может быть опущен или поднят в зависимости от требуемого маневра рулевого управления.

Привод подвижных компонентов агрегата обеспечивается двумя основными источниками —

• бортовой двигатель вала крыльчатки и
• гидравлика для работы дефлектора.

Гидравлика, как правило, работает на масляной основе и хранится внутри корпуса судна, чтобы предотвратить любое загрязнение в случае разлива нефти.

Для доступа к различным компонентам емкости предусмотрено несколько панелей доступа по всей длине установки. Однако необходимо соблюдать осторожность при открытии системы, и весь блок должен быть обесточен и полностью остановлен.

Из-за больших вибрационных ударов и сил, действующих на двигательную установку, установка монтируется на специализированных конструкциях, способных перенаправлять и поглощать выходные силы. Сила перенаправляется на большую площадь поверхности корпуса, чтобы ее можно было безопасно рассредоточить, не создавая опасных точечных нагрузок.

Как работают водометные суда?

Водометные системы чрезвычайно точны и точны, когда речь идет о маневренности и управляемости. Это связано с невероятно широким диапазоном движения, обеспечиваемым насадкой.

Основные органы управления, доступные офицеру, отвечающему за рулевое управление, включают дроссельный рычаг, рулевое колесо и рычаг для опускания или подъема заднего дефлектора. Мы рассмотрим некоторые основные операции рулевого управления и то, как они выполняются с помощью гидроабразивной технологии.

Для ускорения вперед рычаг дроссельной заслонки постепенно увеличивают, удерживая дефлектор в поднятом положении. В этом состоянии тяга, создаваемая жидкостью, выходящей из сопла, направлена ​​в кормовом направлении, толкая судно вперед. Регулируя дроссельный рычаг, скорость судна можно изменить, поскольку жидкость выходит с большей скоростью.

При выполнении поворотов рулевое колесо используется вместе с дроссельной заслонкой. Направление контролируется колесом, а скорость поворота подлежит дросселированию. Для получения крутых поворотов требуется высокий дроссель и резкое вращение руля. В зависимости от количества блоков и мощности, вырабатываемой каждым блоком, скорость поворота может варьироваться в зависимости от размера судна и погодных условий.

Наконец, для реверса опускается задний дефлектор и увеличивается дроссельная заслонка. При увеличении дроссельной заслонки струи воды, выходящие из сопла, перенаправляются вниз и в обратном направлении за счет гидродинамической формы дефлектора. Это заставляет судно двигаться в обратном направлении.

Для поворота задним ходом колесо используется для изменения направления струи воды, выходящей из дефлектора. При управлении рулем рекомендуется помнить, что нос всегда указывает в том направлении, в котором было повернуто рулевое колесо. Это особенно помогает при движении задним ходом, поскольку в этой ситуации правила поворота меняются местами.

Количество используемых устройств может иметь большое влияние на эффективность и эффективность водоструйной системы. Хотя использование одной системы является обычным явлением, предпочтительнее использовать двойную систему. Это потому, что он обеспечивает более высокую степень контроля.

Например, чтобы судно оставалось неподвижным, можно использовать комбинацию прямого и обратного режимов. Дефлектор частично опускается так, что половина тяги проходит, а оставшаяся половина сталкивается с отражателем и обеспечивает обратную тягу. В этой ситуации рулевое управление все еще активно.

Вращение штурвала позволяет судну выполнить поворот с радиусом поворота, близким к нулю, т. е. судно выполняет поворот вокруг своего текущего положения. Достижения в области водоструйных технологий позволили даже одноблочным системам выполнять этот маневр.

Точно так же судно может двигаться в поперечном направлении без какого-либо поступательного движения, используя сдвоенные блоки. Это достигается за счет использования отдельных струй в разных направлениях для поддержания устойчивости судна. Если с устройством не обращаться должным образом, сосуд может сильно раскачиваться, что приведет к параметрическому резонансу и возможному повреждению сосуда. Это также может привести к повреждению док-станции при столкновении.

Интересно отметить, что водометные установки могут поставляться в трех основных вариантах на момент установки-

• автономный блок,
• отдельный воздуховод и патрубок,
• или отдельный воздуховод.

Предпочтительным металлом для изготовления сопла является сталь, а для воздуховода используются композиты или сталь. Наличие полностью автономного блока упрощает установку, поскольку всю систему нужно просто подключить в сухом доке.

Преимущества и недостатки

Водометный движитель имеет ряд преимуществ, которые делают его привлекательным выбором при выборе двигательных установок. Скорость судна очень важна для малых судов, а водометные лодки способны развивать скорость до 40 узлов (75 км/ч) даже в плохих условиях. Это сопоставимо и часто выше, чем обычные отраслевые стандарты.

Обычно для достижения высоких скоростей лопасти обычных винтов должны вращаться с очень высокими оборотами, чтобы создать достаточную тягу. Однако это приводит к динамической разности давлений между окружающей средой и кромками вращающихся лопастей воздушного винта. Это вызывает разрушение кромки из-за явления, известного как кавитация.

Кавитация возникает из-за того, что вода быстро испаряется вблизи поверхности лопасти, что приводит к образованию микропузырьков, которые повреждают кромку лопасти гребного винта. Этот эффект может быстро изнашивать металл и заставлять судно двигаться в непредсказуемых направлениях.

Хотя в водоструйных системах также используются гидродинамические лопасти, существует меньшая разница динамического давления между внутренним механизмом и окружающей жидкостью. Таким образом, эффекты кавитации значительно уменьшаются. Это приводит к увеличению срока службы системы.

Водометная система очень компактна и способна производить значительную мощность в небольшом блоке. Это делает его хорошим выбором для судов с ограниченным пространством.

Лопасти гребного винта покрыты кожухом, предотвращающим случайное соприкосновение с высокоскоростными лопастями. Таким образом, это безопаснее, чем обычные лезвия, которые не защищены кожухом. Еще одним преимуществом использования водяных струй является то, что нет необходимости погружать весь узел в воду.

Чтобы нормальные системы были эффективными, вся сборка лопасти и вала должна быть погружена в воду, тогда как в водометных системах необходимо погружать только входное отверстие.

Водометный двигатель также легче маневрировать, так как управление почти мгновенное. Это связано с немедленным реагированием гидравлических систем, поворачивающих выпускной патрубок.

В отличие от обычных судов, которым требуется больший радиус поворота, водометные суда могут выполнять полный поворот на 360⁰, оставаясь в фиксированном положении. Кроме того, повороты можно выполнять гораздо быстрее, просто увеличивая дроссельную заслонку водяной струи. Таким образом, рулевое управление и навигация выполняются значительно быстрее и эффективнее.

Еще одним преимуществом водометных систем является отсутствие редуктора. Хотя это обеспечивает более высокий уровень контроля в стандартных силовых установках, в водометных системах в этом нет необходимости. Это связано с тем, что используется только один режим передачи, и нет необходимости изменять крутящий момент какого-либо компонента вращения. Единственным вращающимся компонентом является крыльчатка, соединенная с базовой вращательной муфтой. Таким образом, в водоструйных системах требуется обслуживать и ремонтировать меньшие компоненты.

Наконец, с военной точки зрения, водометы производят меньше шума, чем обычные двигатели. Это приводит к уменьшению физического шума и сокращению сигнатур SONAR. Это имеет огромное применение на военных судах, которые могут двигаться на высоких скоростях, не будучи легко обнаруженными SONAR и другими системами. Частично это происходит из-за закрытой конструкции сборки, которая перенаправляет и перераспределяет шум.

Основным недостатком водоструйных систем являются высокие первоначальные затраты, которые они представляют. В отличие от стандартных силовых установок, компоненты и механизмы, связанные с этой технологией, все еще слишком дороги, чтобы их можно было интегрировать во все суда. Кроме того, стоимость установки и обслуживания может быть высокой из-за специализированного характера процесса. Таким образом, большинство операторов и владельцев лодок предпочитают более дешевые альтернативы.

Еще одна проблема, с которой сталкиваются водометные системы, заключается в том, что их можно использовать только на малых и средних судах. Это связано с тем, что количество тяги, создаваемой оборудованием стандартных размеров, может обеспечить достаточную тягу только для судов этих размеров. Для более крупных судов также потребуется, чтобы двигательные установки были пропорционально больше.

Дело не в том, что это невозможно сделать в ближайшем будущем; это просто слишком дорого для выполнения этого типа производства. Кроме того, для создания компонентов размером, сравнимым с обычными гребными винтами, требуется специальное оборудование, которое все еще исследуется и разрабатывается коммерческими организациями. В ближайшем будущем можно ожидать постепенного увеличения количества судов с водометными движителями за счет снижения производственных затрат.

Отказ от ответственности:  Мнения авторов, выраженные в этой статье, не обязательно отражают взгляды Marine Insight. Данные и диаграммы, если они используются в статье, были получены из доступной информации и не были подтверждены каким-либо установленным законом органом. Автор и компания Marine Insight не претендуют на точность и не несут за это никакой ответственности. Взгляды представляют собой только мнения и не представляют собой каких-либо руководящих указаний или рекомендаций относительно какого-либо курса действий, которым должен следовать читатель.

Статья или изображения не могут быть воспроизведены, скопированы, переданы или использованы в любой форме без разрешения автора и Marine Insight.

Похожие сообщения

Об авторе

Аджай Менон является выпускником Индийского технологического института в Харагпуре по специальности «Океаническая инженерия и военно-морская архитектура». Помимо писательства, в свободное время он играет в шахматы и играет на клавишных.

ГамильтонДжет | Водометный двигатель

ГамильтонДжет | Водометный двигатель

Водометный двигатель HamiltonJet является одной из самых передовых и инновационных морских силовых установок, используемых сегодня, и находится в авангарде технологии водометных двигателей. Теперь мы также постоянно поставляем решения для автономии судов в сочетании с нашими технологиями гидроабразивной резки.

Наши струйные приложения

Поисково-спасательная служба

Скорость и маневренность необходимы при реагировании на аварийно-спасательные операции на море. HamiltonJet предлагает инновационные и надежные водометы, средства управления движением и техническую поддержку.

Узнать больше

Пожарные катера

Скорость и маневренность необходимы при реагировании на морские пожары. HamiltonJet предлагает инновационные и надежные водометы, средства управления движением и техническую поддержку.

Узнать больше

Мил-Патрол

Способность обеспечить быстрое патрулирование и крейсерскую скорость для критически важных задач является ключом к предложениям HamiltonJet по водометным и силовым установкам.

Узнать больше

Скоростные паромы

Имея в эксплуатации более 170 скоростных паромов по всему миру, HamiltonJet является самым надежным партнером в мире по производству водометных движителей, средств управления двигателем и вспомогательных услуг в паромном секторе.

Узнать больше

Лоцманские катера

Обеспечивая превосходную скорость и маневренность для портовых операторов по всему миру, HamiltonJet является самым надежным в мире партнером в области водометных движителей, средств управления двигателем и вспомогательных услуг.

Узнать больше

Ветряная электростанция

Имея в эксплуатации более 50 судов для ветряных электростанций по всему миру, HamiltonJet является самым надежным в мире партнером в области водометных движителей, средств управления двигателем и вспомогательных услуг для судов для ветряных электростанций.

Узнать больше

Отдых

Владельцы частных яхт и туристические операторы по всему миру доверяют HamiltonJet, чтобы предоставить своим клиентам захватывающие и безопасные впечатления. HamiltonJet — ваш партнер по водометам, системам управления двигателем и поддержке.

Узнать больше

Рыбацкая лодка

Водометы

HamitonJet — идеальное решение для лодок, работающих на рыболовных угодьях на любой глубине. Компания HamiltonJet, пользующаяся доверием во всем мире, является вашим партнером в области водометных движителей, систем управления двигателем и поддержки.

Узнать больше

Оффшорный разъездной катер

Водометы HamitonJet, на долю которых приходится более 90% мирового рынка оффшорных судов с гидроабразивными двигателями, являются идеальным решением для экипажей, работающих круглогодично, поддерживая нефтегазовую промышленность.

Узнать больше

Аквакультура

Надежность, безопасность и маневренность имеют важное значение при предоставлении основных услуг по дайвингу и техническому обслуживанию на рыбных фермах по всему миру. HamiltonJet предлагает инновационные, надежные реактивные двигатели, передовые средства управления и поддержку.

Узнать больше

ГОТОВО К БУДУЩЕМУ

Ориентируясь на будущее, мы внедряем изменения с помощью помощи шкипера и решений автономного управления наряду с достижениями в области электрического гибридного привода.

ПРЕДСТАВЛЯЕМ НАШУ НОВИНКУ HTX47 WATERJET

Основные моменты дистрибьютора

Проведя тендер на поставку 3+10 новых судов, ICESAR, Исландская поисково-спасательная служба, заключила контракт с финскими строителями Kewatec в результате жесткой конкуренции. В сотрудничестве с нашим финским дистрибьютором Trans-Auto компания HamiltonJet рада объявить о поставке Twin HJ403 с AVX на все суда после окончательного проектирования и приемки как верфью, так и оператором.

Запуск нового продукта

Этот новый продукт HamiltonJet, в основе которого лежит технология Sea Machines, является кульминацией партнерства, о котором было объявлено ранее в этом году, чтобы предложить систему на основе штурвала для консультирования, защиты или принятия активного контроля над открытой водой.