«МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ВОДОМЕТНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ СКОРОСТНЫХ СУДОВ ...»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уфимский государственный авиационный технический университет»

На правах рукописи

АБДУЛИН Арсен Яшарович

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

ВОДОМЕТНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ СКОРОСТНЫХ СУДОВ

Специальность 05.04.13 Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор техн. наук, доцент Месропян А. В.

Уфа –

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………………… Глава 1. Анализ проблемы исследования. Постановка цели и задач…….. 1.1 Аналитический обзор движителей современных судов……………….. 1.1.1 Анализ режимов работы и схем гребных винтов…………………. 1.1.2 Общее устройство водометных движителей……………………… 1.1.3 Особенности применения движителей нетрадиционных схем….. 1.2 Анализ конструктивно-компоновочных схем системы «ВД – судно»… 1.3 Анализ конструктивно-компоновочных схем водометных движителей 1.3.1 Основные системообразующие элементы ВД……………………... 1.3.2 Преимущества и недостатки водометных движителей различных схем……………………………………………………………………………… 1.3.3 Обоснование схемы водометного движителя…………………….. 1.4 Аналитический обзор работ по моделированию рабочего процесса водометных движителей………………………………………………………. 1.5 Постановка цели и задач………………………………………………….. Выводы по главе 1……………………………………………………………… Глава 2. Расчет характеристик водометных движителей…………………. Разработка математической модели рабочего процесса 2. водометного движителя……………………………………………………….. 2.1.1 Теоретическое обоснование работы водометного движителя глиссирующего катера…………………………………………………………. 2.1.2 Описание системы уравнений рабочего процесса ВД…………… 2.1.3 Использование моделей турбулентности и кавитации при моделировании рабочего процесса ВД……………………………………….. Формирование имитационной модели рабочего процесса 2. водометного движителя………………………………………………………. 2.2.1 Расчет геометрических параметров рабочих колес ВД………… 2.2.2 Создание трехмерных геометрических моделей элементов водометного движителя………………………………………………………. Построение сеточных моделей элементов водометного 2.2. движителя………………………………………………………………………. 2.2.4 Формирование численной модели рабочего процесса ВД………. Анализ распределения локальных параметров потока 2. в проточной части водометных движителей………………………………… 2.4 Анализ интегральных характеристик водометных движителей………. 2.4.1 Анализ интегральных характеристик лопастных насосов ВД….. 2.4.2 Анализ интегральных характеристик водометных движителей… Выводы по главе 2……………………………………………………………… Глава 3. Экспериментальное исследование характеристик водометных движителей……………………………………………………………………… 3.1 Разработка экспериментального стенда испытаний ВД……………….. 3.1.1 Описание объекта исследований…………………………………… 3.1.2 Разработка схемы препарирования водометного движителя……. 3.2 Разработка методики экспериментальных исследований……………… 3.2.1 Тарировка датчиков давления……………………………………… 3.2.2 Разработка требований к безопасности, контролю испытаний и защите окружающей среды…………………………………………………. 3.2.3 Разработка программы экспериментальных исследований……. 3.3 Разработка методики обработки экспериментальных данных……….. 3.3.1 Первичная обработка экспериментальных данных……………… 3.3.2 Расчет интегральных характеристик рабочего процесса ВД…… 3.4 Сравнение результатов физических экспериментов и численного моделирования……………………………………………………………….…. 3.4.1 Сравнение результатов моделирования и экспериментального исследования модельного глиссирующего катера лаборатории Center for 3.4.2 Сравнение результатов моделирования и экспериментального исследования полноразмерного глиссирующего катера FreeRider-490C-Jet Выводы по главе 3……………………………………………………………… Глава 4. Методика моделирования рабочего процесса водометных движителей……………………………………………………………………… 4.1 Верификация математической модели по результатам физических 4.2 Идентификация характеристик водометных движителей……………… 4.2.1 Идентификация характеристик лопастных насосов ВД…………. 4.2.2 Идентификация тяговых характеристик ВД……………………….. 4.3 Формирование методики проектирования водометного движителя…… 4.3.1 Определение основных параметров водометного движителя…… 4.3.2 Проектирование лопастного насоса ВД…………………………… 4.4 Методика моделирования рабочего процесса водометных движителей Выводы по главе 4……………………………………………………………… Основные результаты и выводы…………………………………………….. Библиографический список…………………………………………………… Приложение А. Оборудование экспериментального стенда……………….. Приложение Б. Нестационарные характеристики ВД……………………….

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена разработке методики моделирования течения вязкой турбулентной несжимаемой жидкости в проточной части водометных движителей скоростных судов с лопастными насосами с учетом неравномерности полей скоростей и давлений, настационарности потока, паровой кавитации, влияния геометрии проточной части.

Актуальность. Повышение требований к энергоэффективности современных скоростных судов обуславливает необходимость совершенствования рабочих процессов их движителей и энергетических установок. Энергоэффективность гребных винтов (ГВ) понижается на высоких скоростях движения (более 50…60 км/ч), а их использование на обмелевших и замусоренных водоемах становится, зачастую, невозможным или опасным для жизни. Водометные движители (ВД) с лопастными насосами обладают преимуществами перед другими типами движителей, т.к. они обеспечивают высокие значения КПД судна (на скоростях более 60…70 км/ч), безопасность эксплуатации, более низкие уровни шума (на 6–10 дБ) по сравнению с ГВ, высокую маневренность, приемистость, проходимость по мелководью и обладают меньшей склонностью к кавитации на высоких скоростях движения.

Создание ВД требует решения комплекса задач, направленных на разработку новых схемных решений системы «ВД – судно», оптимизацию геометрических параметров и совершенствование рабочего процесса.

Выбор наиболее эффективной схемы компоновки «ВД – судно» зависит от геометрии обводов судна, скорости движения, условий эксплуатации и определяет дополнительное сопротивление движению судна, условия работы лопастного насоса, тяговые и мощностные характеристики ВД.

Рабочий процесс ВД представляет собой трехмерное (3D) течение вязкого турбулентного несжимаемого потока в проточной части сложной геометрии и характеризуется одновременным протеканием ряда гидродинамических процессов. При моделировании рабочего процесса учитывается выброс жидкости в неограниченное пространство, образование паровых кавитационных каверн, отрыв потока от стенок проточной части, течение в радиальном зазоре на лопастях рабочего колеса (РК).

Широкое распространение при расчетах параметров рабочего процесса ВД получили приближенные одномерные и двухмерные эмпирические модели, численное 3D-моделирование и физические эксперименты.

Вопросам совершенствования рабочих процессов ВД и лопастных насосов посвящены работы многих отечественных и зарубежных авторов. Среди них в области ВД следует выделить труды А. Н. Папира, Ю. М. Войнаровского, А. М. Басина, Е. Г. Хорхордкина, С. В. Куликова, М. Ф. Храмкина, В. Ф. Васильева, А. Ю. Яковлева, Norbert Bulten, John Carlton, в области лопастных насосов – Б. В. Овсянникова, Л. И. Степанова, Г. В. Викторова, в области кавитации – Ashok K. Singhal, Farid Bakir, в области турбулентности – А. А. Юна. В работах отечественных ученых предложены одномерные и двухмерные методы расчета рабочего процесса ВД с лопастными насосами, а также эмпирические зависимости интегральных параметров. В работах зарубежных авторов, посвященных 3D-моделированию рабочего процесса ВД, не рассмотрены вопросы влияния нестационарности потока, паровой кавитации и неравномерности потока на характеристики ВД, отсутствуют рекомендации по построению геометрической 3D-модели проточной части водовода, рабочих колес оседиагонального типа и осевого спрямляющего аппарата (СА).

Таким образом, исследование и совершенствование рабочего процесса ВД, направленное на снижение объемов доводочных испытаний, а также разработка методики 3D-моделирования рабочего процесса и оптимизации геометрических параметров является актуальной задачей.

Цели и задачи исследований. Целью работы является совершенствование рабочего процесса водометных движителей с осевыми и оседиагональными насосами и разработка методики 3D-моделирования рабочего процесса.

Исходя из цели работы, для ее реализации были сформулированы следующие задачи:

1. Аналитический обзор схемных решений ВД. Анализ работ по проблемам моделирования рабочего процесса ВД.

нестационарности потока, неравномерности полей скоростей и давлений на входе в РК и паровой кавитации на параметры рабочего процесса.

3. Верификация математической модели рабочего процесса ВД.

4. Разработка методики моделирования рабочего процесса ВД с осевыми и оседиагональными насосами, моделировать влияние геометрических параметров проточной части, нестационарности потока, паровой кавитации и интегральные характеристики.

Методы исследований.

Работа выполнена с использованием классических методов механики жидкости и газа, методов численного решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений и систем уравнений в частных производных, теории лопастных гидронасосов, методов экспериментального исследования.

Научная новизна. Новыми научными результатами, полученными в работе, являются разработанная математическая модель рабочего процесса ВД, результаты численного моделирования и физических экспериментов, а также методика моделирования, направленные на повышение эффективности рабочего процесса и сокращение объемов доводочных испытаний:

отличающиеся тем, что исследовано влияние геометрии проточной части на параметры рабочего процесса, получены тяговые характеристики ВД и характеристики осевых и оседиагональных насосов с учетом возникновения паровой кавитации, нестационарности и неравномерности потока.

2. Результаты экспериментальных исследований ходовой лаборатории на математической модели рабочего процесса, отличающиеся тем, что для данного катера и ВД впервые были рассчитаны ходовые характеристики, и по результатам верификации отлажена численная модель задачи, обоснована модель турбулентности, скорректированы коэффициенты конденсации и испарения в модели кавитации Рэлея-Плессета.

3. Методика моделирования рабочего процесса ВД, которая, в отличие от существующих, позволяет моделировать влияние геометрических параметров проточной части, паровой кавитации, нестационарности и неравномерности потока на параметры рабочего процесса и рассчитывать интегральные характеристики.

Практическая ценность. Результаты численного моделирования и физических экспериментов, разработанные математическая модель и методика моделирования рабочего процесса ВД, внедрены на ООО НПП «Мастер-Мотор» (г. Уфа) и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «УГАТУ».

Разработанная математическая модель, результаты исследований и методика имеют практическую ценность, а именно позволяют:

квазистационарной и нестационарной постановке с учетом влияния геометрических параметров проточной части, неравномерности полей скоростей и давлений перед РК, паровой кавитации.

2. Исследовать влияние геометрических параметров проточной части для получения максимальной энергоэффективности, рассчитывать интегральные параметры рабочего процесса ВД, оценивать влияние паровой кавитации, нестационарности и неравномерности потока на эти параметры.

3. Проводить физические эксперименты по определению тяги ВД, поля математической модели рабочего процесса ВД.

результатов моделирования подтверждена верификацией по данным физических экспериментов, полученных на ходовой лаборатории в составе глиссирующего катера FreeRider-490C-Jet с ВД при участии автора (ООО НПП «Мастер-Мотор») и в лаборатории Center for Maritime Systems – CMS (США, Нью-Джерси, Хобокен).

Основание для работы. Основанием для выполнения данной работы является проектирования и доводки судовых силовых установок и движителей для судов различного типа и назначения» и совместные поисковые научно-исследовательские работы с ООО НПП «Мастер-Мотор».

Положения, выносимые на защиту:

1. Расчетная модель рабочего процесса ВД в пакете ANSYS CFX на швартовых и скоростных режимах работы с учетом нестационарности, неравномерности потока и паровой кавитации.

2. Методика построения 3D-моделей осевых и оседиагональных РК с лопастями переменного шага.

3. Результаты верификации модели турбулентности и модели паровой кавитации на основе данных физических экспериментов.

4. Результаты расчетов тяговых характеристик ВД и характеристик лопастных насосов ВД.

5. Методика моделирования рабочего процесса ВД скоростных судов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались, докладывались и получили положительную оценку на Всероссийской научнотехнической конференции «Зимняя школа аспирантов» (Уфа, 2013 г.);

Всероссийской молодежной НТК «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2012-2013 г.);

Всероссийской выставке «Политехника» (Москва, 2013 г.); 7-м Всероссийском форуме молодых ученых (Санкт-Петербург, 2013 г.).

Публикации. По тематике диссертационной работы представлено 11 печатных работ, в том числе 4 публикации в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Личный вклад соискателя в работу. Все основные идеи в работе сформулированы лично автором. Материалы диссертации основаны на исследованиях автора за 2010-2014 годы.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений.

Содержит 161 страницу машинописного текста, библиографический список из 75 наименований, приложения.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы исследования, посвященной совершенствованию рабочих процессов ВД, формулируется цель работы, основные направления исследований, приводятся выносимые на защиту положения, апробация, структура и краткое содержание работы по главам.

В первой главе проведен анализ проблемы исследований, поставлены цель и задачи. Проведен аналитический обзор движителей современных судов, приведена их классификация. Рассмотрена классификация гребных винтов по режимам работы и схемам их расположения на судне. Проведен сравнительный анализ эффективности использования различных движителей для скоростных судов, в т.ч. движителей нетрадиционных схем. Проведен анализ гидравлического взаимодействия движителя с корпусом судна. Проведена классификация основных системообразующих элементов ВД по типам, проанализированы преимущества и недостатки ВД различных схем. Проведен аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по проблемам моделирования и расчета ВД. Сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава посвящена формированию математической модели рабочего процесса ВД и расчету их характеристик. Приведен перечень основных гидродинамических процессов, протекающих в ВД, система уравнений, входящих в математическую модель, основные допущения и предположения.

Приведены методы построения проточной части основных элементов ВД.

Проведены расчеты и моделирование характеристик ВД на различных режимах работы. Разработаны численные модели системы «водометный движитель – судно» в ANSYS CFX, рассчитаны локальные и интегральные характеристики рабочего процесса ВД.

В третьей главе приведена методика проведения экспериментальных исследований рабочего процесса ВД и сравнение результатов численного моделирования и физических экспериментов.

Разработана методика экспериментальных исследований скоростных и тяговых характеристик ВД. Для скоростных и швартовых испытаний разработана схема эксперимента, план испытаний, алгоритм обработки результатов эксперимента. Обработка результатов экспериментальных данных осуществляется с учетом стохастического распределения измеренных параметров рабочего процесса в ВД. На основе сравнения результатов численного моделирования, численного моделирования и физических экспериментов вырабатываются рекомендации к корректировке математической модели рабочего процесса.

Четвертая глава посвящена верификации математической модели рабочего процесса ВД, обобщению данных численного моделирования. Предложен метод проектирования проточной части ВД, а также разработана методика моделирования рабочего процесса. На основе данных физических экспериментов проведена верификация моделей турбулентности и кавитации.

Приведены результаты моделирования нестационарных течений в проточной части ВД. Разработана методика моделирования рабочего процесса ВД направленная на формирование геометрии проточной части ВД, моделирование рабочего процесса различных компоновочных схем «ВД – судно», проведение численных, физических экспериментов и верификации математической модели.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ

1.1 Аналитический обзор движителей современных судов Современный этап судостроения характеризуется широким применением в качестве средств создания тяги гребных винтов, водометных, крыльчатых, магнитогидродинамических (МГД) и других типов движителей.

Схема классификации судовых движителей представлена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема классификации движителей современных судов Выбор типа и схемы движителя определяется назначением судна, режимами движения (водоизмещающее, глиссирующее, с динамическими принципами поддержания), условиями его эксплуатации.

Энергоэффективность судовых движителей характеризуется рядом параметров, основным из которых является пропульсивный коэффициент полезного действия (КПД):

где P – тяга ВД; Vк – скорость движения катера; Vj – скорость истечения жидкости из сопла; Nп – потребляемая мощность ВД.

Пропульсивный КПД современных движителей находится в диапазоне p = 0,3…0,8 и определяется компоновочной схемой системы «движитель – судно», скоростью движения судна, и другими параметрами [5–7, 13, 16, 39–41, 45, 51]. Для рационального выбора типа и схемы движительной установки под назначение соответствующего судна необходимо провести аналитический обзор современных судовых движителей и их компоновочных схем.

1.1.1 Анализ режимов работы и схем гребных винтов движителей находят ГВ [4, 5, 39, 40, 51].

По режиму работы ГВ классифицируют на некавитирующие, частично кавитирующие и суперкавитирующие [11, 51, 58, 67, 75].

Явление кавитации на лопастях ГВ обуславливается рядом факторов, среди которых наиболее существенными являются скорость и степень неравномерности набегающего на винт потока (частным случаем неравномерности потока является косое обтекание винтов), объемная доля нерастворенного в воде воздуха, температура жидкости и давление окружающей среды.

Исследованию кавитации и влиянию ее на рабочий процесс ГВ посвящены работы Парсонса, Ачкинадзе, Мавлюдова, Yin Lu Young, Ashok К. Singhal и др.

ученых, в которых установлена взаимосвязь возникновения кавитации со снижением КПД винтов, эрозией лопастей и повышением уровня акустических шумов.

Кавитация при обтекании лопастей ГВ может образовываться на начальной и полной стадии. Схемы обтекания лопастей ГВ на соответствующих стадиях кавитации приведены на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 – Схемы обтекания лопастей гребных винтов:

а – обтекание некавитирующего ГВ; б – обтекание частично-кавитирующего ГВ;

Начальная стадия кавитации характерна для режимов маневрирования судов. На этой стадии пузырьки воздуха и водяного пара невелики и на работу лопасти практически не влияют, однако схлопывание пузырьков происходит на засасывающей кромке лопасти, что вызывает характерный шум и эрозию лопастей. По нормам эксплуатации судов, в режиме частичной кавитации допускается лишь небольшая наработка, порядка 50…100 часов в год [58].

Режим полной кавитации может иметь место при ускорении судна, когда скорость набегающего на винт потока мала, а окружные скорости вращения лопастей высоки. На этой стадии кавитации появляются кавитационные каверны, которые искажают картину обтекания лопастей, при этом существенно снижается упор винта.

Возникновение полной кавитации на лопастях в основном характерно для высокоскоростных судов, на которых используются высокооборотные ГВ.

Лопасти высокооборотных ГВ имеют специальные формы профилей (рис. 1.3), работающие в режиме кавитации (суперкавитирующие ГВ) [75].

Рисунок 1.3 – Формы профилей лопастей суперкавитирующих винтов:

а – клиновидный профиль TMB-TULIN; б – клиновидный профиль с интерцептором;

Суперкавитирующие ГВ, по сравнению с частично кавитирующими винтами, имеют следующие преимущества:

• повышение КПД винта, за счет снижения вязкого сопротивления лопасти, благодаря образованию пузырьков газа и пара по всей длине хорды лопасти (рис. 1.3);

• уменьшение эрозионного износа лопасти, т.к. схлопывание пузырьков происходит за выходной кромкой лопасти.

В настоящее время суперкавитирующие полностью погруженные ГВ не получили широкого распространения, что обуславливается ограничениями по прочности и потребляемой мощности ГВ, поэтому наиболее часто используются суперкавитирующие частично погруженные ГВ (ЧПГВ) [11, 58, 67, 75].

ЧПГВ используются, в основном, на быстроходных судах (рис. 1.4).

Основной особенностью работы ЧПГВ является зависимость гидродинамических характеристик от глубины погружения диска винта hT [58, 67].

Рисунок 1.4 – Схема частично погруженного гребного винта:

ЧПГВ имеют высокий КПД и не требуют редуктора от энергетической установки, что способствует уменьшению массогабаритных параметров системы «энергетическая установка – движитель».

К недостаткам ЧПГВ относятся высокий уровень вибраций, низкие величины упора и КПД винта на реверсе [58, 67].

Одним из способов увеличения КПД ГВ является использование кольцевой направляющей насадки (рис. 1.5), предложенной Л. Кортом [59].

Рисунок 1.5 – Гребной винт в направляющей насадке:

а – общий вид винта в направляющей насадке; б – основные элементы винта в насадке;

1 – направляющая насадка; 2 – силовые стойки; 3 – гребной винт; 4 – спрямляющий аппарат Формы профилей направляющих насадок определяются геометрией ГВ, характеристиками судна и могут иметь вогнуто-выпуклую (рис. 1.5, б) и выпукло-вогнутую форму (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 – Направляющие насадки с устройствами для расширения 1 – кольцо в носовой части насадки; 2 –направляющая насадка; 3 – дополнительное кольцо в хвостовой части насадки; 4 – лопасть ГВ; 5 – приводной вал; 6 – обтекаемое тело В ряде случаев, в конструкциях направляющих насадок используются специальные устройства (рис. 1.6), которые позволяют повысить общий КПД движителя и расширить область оптимальных режимов работы ГВ за счет изменения геометрии направляющей насадки. Использование направляющих насадок позволяет увеличивать тягу на 2050% и скорость хода до 58% при неизменной потребляемой мощности [5, 37].

Повышение требований к маневренности судов (ледоколов, крейсеров, буксиров, траулеров) привело к появлению разработок и совершенствованию схем ГВ на поворотных колонках (рис. 1.7).

Рисунок 1.7 – Гребной винт на поворотной колонке По способу расположения винтов на поворотных колонках различают толкающие (рис. 1.8, а) и тянущие ГВ (рис. 1.8, б).

Рисунок 1.8 – Разновидности толкающего (а) и тянущего движителей (б):

Энергетическая установка в такой схеме может располагаться как в обтекаемом теле и непосредственно передавать крутящий момент через рессору, так и в корпусе судна, при этом крутящий момент передается через трансмиссию с вертикальными и горизонтальными валами.

К недостаткам ГВ на поворотной колонке относят неравномерное обтекание лопастей на больших углах поворота колонки по отношению к направлению набегающего потока. Это приводит к снижению КПД, дисбалансу сил и моментов, действующих на лопасти винта, возникновению высокочастотных колебаний и, как следствие, вибрации [68].

Наряду с совершенствованием ГВ традиционных схем получают развитие комбинированные движители: винты на параллельных осях (рис. 1.9, а), соосные ГВ (рис. 1.9, б), «ГВ + поворотная колонка», «ВД + поворотная колонка» и т. д.

Целью создания таких сложных типов движителей является повышение КПД системы «судно – движитель» за счет поступенчатого сообщения энергии к рабочей жидкости [45].

Соосные ГВ могут вращаться либо в противоположные стороны, либо иметь одинаковое направление вращения (винты-тандемы). При использовании на судне схем винтов-тандемов и винтов противоположного вращения обеспечивается баланс усилий на лопастях и снижается уровень вибраций, что является важным преимуществом для торпед и др. объектов. Повышение КПД от применения соосных ГВ и винтов на параллельных осях составляет 8-10 % [45].

Рисунок 1.9 – Винты противоположного вращения (а) и винты-тандемы (б) со съемными лопастями и винты регулируемого шага (ВРШ). Литые ГВ проще в изготовлении, но при отклонении режима работы винта от расчетного происходит снижение КПД и эксплуатация такого винта становится неэкономичной. Винты со съемными лопастями и ВРШ позволяют изменять шаг лопасти ГВ: например если судно несет дополнительную нагрузку, целесообразно применять винт с лопастью меньшего шага [4, 5, 39, 40, 45, 51].

По отношению к располагаемой мощности энергетической установки различают тяжелые и легкие ГВ [51].

Проведенный обзор схем и режимов работы ГВ позволяет выделить характерные признаки ГВ и провести их классификацию (табл. 1.1).

Винты не предъявляют особых требований к форме корпуса судна, хорошо согласуются с двигателем, ось вращения которого обычно совпадает с осью вращения винта (в некоторых случаях используется угловая передача).

Диаметры крупнейших ГВ достигают 10 м, масса – 130 т. Максимальный КПД гребных винтов достигает 80% [14, 16, 75].

ГВ, наиболее часто используемые на судах, представлены на рис. 1.10.

Таблица 1.1 – Классификация гребных винтов Регулируемость шага Винт регулируемого шага Винт нерегулируемого шага По отношению к энергетической установке Винт на поворотной колодке Наличие направляющей С кольцевой насадкой Рисунок 1.10 – Разновидности гребных винтов:

а – гребной винт регулируемого шага; б – суперкавитирующий частично-погруженный гребной винт; в – пятилопастной гребной винт постоянного шага;

Анализ схемных решений ГВ позволил выявить следующие недостатки:

- остаточные окружные скорости потока за винтом;

- неравномерное обтекание лопастей винта;

- незащищенность винта от посторонних предметов;

- дополнительное сопротивление судна из-за выступающих рулевых поверхностей движителя.

Эти недостатки были частично устранены в винтах с направляющими насадками, в водометных движителях и ГВ сложных схем, поэтому на современных судах ГВ традиционных схем частично вытесняются другими движителями.

в направляющих насадках, рабочих колес водометных движителей, лопастей гидронасосов, крыльчатых движителей и др., поэтому результаты исследований рабочего процесса гребных винтов могут быть применимы при анализе других типов движителей.

Перспективными движителями современного судостроения являются ВД.

Несколько десятилетий назад велись работы по применению методик проектирования ГВ в насадках для разработки РК ВД, однако эти работы не показали положительных результатов, и в настоящее время лопасти РК ВД существенно отличаются от лопастей ГВ и гидронасосов, поэтому они требуют отдельной методики исследования и проектирования.

1.1.2 Общее устройство водометных движителей ВД находят применение в качестве основной движительной установки на скоростных судах [6, 13, 16, 41], а также в качестве подруливающих устройств на крупногабаритных судах [51]. Компоновочная схема типового ВД приведена на рис. 1.11.

Обзор патентов и публикаций по схемным решениям ВД показал, что разработке новых схемных решений ВД посвящено большое количество работ [8, 9, 11, 17, 30, 33, 34]. Предлагаемые схемные решения, в основном, направлены на увеличение КПД ВД, расширение диапазона оптимальных режимов работы и повышение тяги, за счет изменения геометрии проточной части ВД.

Рисунок 1.11 – Компоновочная схема типового водометного движителя:

1 – приводной вал; 2 – водозаборник; 3 – водовод; 4 – рабочее колесо;

5 – спрямляющий аппарат; 6 – центральное тело; 7 – сопло; 8 – рулевое устройство;

9 – радиальный подшипник; 10 – торцевое дейдвудное уплотнение; 11 – корпус судна;

На рис. 1.12 приведен ВД с входным участком статического напора и двухступенчатым осевым насосом.

Рисунок 1.12 – Водометный движитель с двухступенчатым осевым насосом:

1 – приводной вал; 2 – плоскость водозаборника; 3 – водовод;

4 – рабочее колесо первой ступени; 5 – направляющий аппарат первой ступени;

6 – рабочее колесо второй ступени; 7 – спрямляющий аппарат второй ступени;

Двухступенчатая конструкция насоса используется в тех случаях, когда получение высоких значений напора в одной ступени приводит к резкому снижению КПД и появлению кавитации на лопастях РК [6].

В качестве нагнетающего устройства в водомете используются лопастные насосы различного типа – шнековые, осевые, диагональные, центробежные и комбинированные [6, 13, 41, 51, 61, 70].

Центробежные лопастные насосы ВД имеют высокий гидравлический КПД, но вследствие их тихоходности (частота вращения до 1500–2000 об/мин) требуется установка редуктора между энергетической установкой и приводным валом, что увеличивает массу и габариты силовой установки. Номинальная частота вращения РК шнековых, осевых и диагональных насосов, в зависимости от их наружного диаметра, находится в диапазоне 4000…9000 об/мин, поэтому для такого РК не требуется установка редуктора. Эффективность и кавитационные качества современных осевых и оседиагональных насосов не уступают центробежным лопастным насосам (КПД современных оседиагональных насосов достигает значений 88…92%), поэтому насосы современных ВД выполняют одноступенчатыми оседиагонального, осевого или шнекового типа.

Тяговый КПД ВД находится в диапазоне 0,25…0,6 (ниже, чем у гребных винтов), однако использование специальных устройств в проточной части, изменяющих геометрию водовода, сопла, позволяет повысить и расширить область оптимальных режимов работы ВД [30, 33, 34, 61].

Использование ВД на судах позволяет обеспечить ряд требований, предъявляемых к современным движителям, таких как низкий удельный расход топлива, минимальные масса и габариты, защищенность движителя, его минимальная шумность, маневренность, проходимость судна по мелководью и засоренным участкам судоходных каналов.

ВД имеют следующие недостатки:

- высокие гидравлические потери в проточной части из-за поворота потока, отрыва потока от стенок и сопротивления трения;

- эрозионный износ лопастей от кавитации, возникающей при разгоне;

- низкий тяговый КПД на низких частотах вращения РК.

Указанные недостатки преодолеваются за счет оптимизации геометрии проточной части, регулирования площади водозаборника и сопла.

1.1.3 Особенности применения движителей нетрадиционных схем К судовым движителям нетрадиционных схем, получивших сравнительно малое распространение, относят крыльчатые, МГД, волновые и др. движители.

Волновые движители (движители плавникового типа) в настоящее время используются как вспомогательные движители совместно с основными движителями. Схема такого движителя представлена на рис. 1.13.

Крыльчатые движители (КД) устанавливают на судах, для которых важна хорошая маневренность при умеренной скорости, например, на буксирах, паромах, плавучих кранах, причем КД может находиться в районе миделя, увеличивая осадку судна (рис. 1.14) [4, 51].

Рисунок 1.13 – Схема волнового движителя: Рисунок 1.14 – Пятилопастной 1 – плавник-крыло; 2 – плавник; 3 – балансир; крыльчатый движитель МГД-движитель является принципиально новым типом движителей, отличающимся отсутствием исполнительного органа (лопастной машины, водомета) [12]. Возникновение тяги в МГД-движителе обуславливается действием сил Лоренца на поток жидкости, движущейся в магнитном поле (рис. 1.15).

КПД разработанных МГД-движителей не превышает 10%, т.к. в настоящее время на подобных судах невозможно получить магнитные поля высокой напряженности. При высоких значениях напряженности магнитного поля B, КПД движителя существенно увеличивается и практически не зависит от скорости хода (рис. 1.16, а), поэтому, в будущем, МГД-движители, возможно, найдут более широкое применение [12, 51].

Рисунок 1.15 – Принципиальная схема МГД-движителя:

mV0, m(V0 + U) – количество движения жидкости на входе в движитель и на выходе, соответственно; J – плотность тока; B – индукция магнитного поля;

1- входной диффузорный канал; 2 – проточная часть; 3 – выходной конфузорный канал;

Рисунок 1.16 – Зависимость КПД движителей от скорости хода:

1 – гребной винт; 2 – суперкавитирующий гребной винт; 3 – водометный движитель;

4 – воздушный винт; 5 – воздушно-реактивный двигатель Проведенный анализ движителей [4–6, 13, 39, 40, 45, 51, 58, 59, 67, 75] показывает, что наибольшими значениями КПД при высоких скоростях движения судна (начиная с 50 уз.) обладают ВД и ЧПГВ (рис. 1.16, б).

Критериями выбора современного движителя судна, помимо КПД, являются также обеспечение требований по мощностной характеристике, защищенности движителя, его минимальной шумности, минимальной массе и габаритам, эксплуатационной надежности и безопасности, удобству расположения на судне и т. д.

ВД с лопастными насосами обладают преимуществами перед другими движителями, т.к. они обеспечивают высокие значения пропульсивного КПД, безопасность эксплуатации, более низкие уровни шума (на 6–10 дБ) по сравнению с ГВ, высокую маневренность, проходимость судна по мелководью, а лопасти РК менее подвержены кавитации.

1.2 Анализ конструктивно-компоновочных схем системы «ВД – судно»

Выбор компоновочной схемы системы «водометный движитель – судно»

зависит от назначения судна, схемы проточной части ВД, геометрии обводов судна и условий эксплуатации.

Расположение движителя на судне оказывает существенное влияние на эффективность системы «судно – движитель»: геометрия судна искажает работу движителя, а движитель, в свою очередь, увеличивает сопротивление движению судна. Взаимное влияние судна и движителя связано с образованием пограничного слоя на днище судна, появлением неравномерности потока на входе в движитель и воздействием струи жидкости, выходящей из сопла на внешний поток, обтекающей корпус судна.

Для обеспечения эффективной работы движителя в составе судна необходимо уменьшить дополнительное сопротивление корпуса судна, возникающее из-за воздействия струи жидкости, выходящей из сопла ВД.

Вызванное дополнительное сопротивление характеризуется коэффициентом засасывания, с увеличением которого происходит уменьшение эффективной тяги ВД Pe [5, 6, 16]:

где – коэффициент засасывания.

Другим критерием эффективности ВД является коэффициент попутного потока. Этот коэффициент учитывает снижение эффективной скорости потока V0 на входе ВД, от попутного потока, создаваемого корпусом судна:

Одним из вариантов снижения силы засасывания является конструктивное удаление выходного сечения сопла ВД от кормы судна (рис. 1.17).

Недостаток данной схемы – высокие гидравлические потери в водоводе из-за поворота потока. Выброс струи жидкости в данной схеме может происходить только в воду, что является малоэффективным на больших скоростях движения, поэтому она применяется только на тихоходных судах.

Рисунок 1.17 – Компоновочная схема ВД с входным участком статического напора и подводным выбросом струи:

1 – входное устройство; 2 – водовод; 3 – рабочее колесо; 4 – спрямляющий аппарат;

5 – источник мощности; 6 – выходное устройство; 7 – направляющие пластины На рис. 1.18 представлен ВД с входным устройством полного напора [70].

Рисунок 1.18 – Схема ВД с входным устройством полного напора В данной компоновочной схеме ВД минимальные гидравлические потери в проточной части, поскольку отсутствует поворот потока. За счет высокого коэффициента восстановления полного давления во входном участке, рабочее колесо такого движителя имеет более высокий кавитационный запас, чем другие схемы ВД. Недостатком ВД данной компоновочной схемы в составе судна является ограниченное прохождение судна по мелководью.

На рис. 1.19 приведена компоновочная схема «ВД – судно», в которой выброс струи происходит в воду (до выхода на глиссирование) и в воздух (на глиссирующих режимах).

Рисунок 1.19 – Компоновочная схема ВД с входным участком статического напора:

1 – входное устройство; 2 – водовод; 3 – рабочее колесо; 4 – спрямляющий аппарат;

WL0 – ватерлиния на швартовых; WL1 – ватерлиния на глиссировании В настоящее время на глиссирующих катерах такая компоновочная схема получила широкое распространение. Судно с ВД, выполненным по данной схеме, может двигаться по мелководью, ВД имеет защищенную лопастную систему от попадания посторонних предметов, малую массу и габариты.

В ряде случаев на такой схеме ВД применяют двухступенчатые насосы, входные устройства с изменяемой геометрией, сопла с регулируемой площадью входа, что позволяет увеличить кавитационные качества рабочего колеса и снизить удельный расход топлива.

1.3 Анализ конструктивно-компоновочных схем водометных движителей а также выбор и обоснование конструктивно-компоновочной схемы ВД.

1.3.1 Основные системообразующие элементы ВД К основным системообразующим элементам ВД относят входное устройство, лопастной насос, реактивное сопло.

По типу входного устройства ВД разделяются на полнонапорные (рис. 1.20, а) и статического напора (рис. 1.20, б).

ВД с входным устройством статического напора широко используются на глиссирующих катерах, т.к. зачастую они эксплуатируются на мелководье.

ВД с входным устройством полного напора находят применение на судах с подводными крыльями. Для таких схем ВД в качестве входного устройства могут применяться двухрежимные водозаборники (рис. 1.21).

Рисунок 1.21 – Схема двухрежимного водозаборника:

1 – водозаборник крейсерского хода; 2 – водозаборник для разгона; WL – ватерлиния В качестве насоса ВД используются ГВ, лопастные насосы (рис. 1.22) и многоступенчатые насосы.

а – осевое колесо с шнековыми подпорными лопастями; б – оседиагональное рабочее колесо;

По направлению движения потока различают осевые, центробежные и диагональные насосы.

По способу поджатия струи различают ВД с внешним поджатием (рис. 1.23, а) и с внутренним поджатием (рис. 1.23, б). В последнем случае реверсивнорулевое устройство получается громоздким, а за центральным телом образуется каверна, что снижает эффективность водометного движителя [41].

Рисунок 1.23 – Способы поджатия струи в выходных устройствах:

а – с наружным поджатием; б – с внутренним поджатием По способу выброса струи различают водометы с выбросом струи под воду, с полуподводным выбросом и выбросом струи в воздух.

ВД с подводным выбросом реактивной струи (рис. 1.17) вызывают дополнительное сопротивление движению судна из-за засасывания потока к корме, поэтому выходные устройства такой схемы имеют низкую эффективность на высоких скоростях движения судна.

ВД с полуподводным выбросом струи имеет особенности работы, схожие с суперкавитирующим гребным винтом. В ряде случаев, при невысоких скоростях хода, полуподводный выброс струи позволяет повысить тяговый КПД, однако, в проточной части такого ВД всегда присутствует доля нерастворенного воздуха, что снижает КПД движителя [11].

Работа выходного устройства ВД с выбросом реактивной струи в воздух не влияет на сопротивление движению судна, поэтому на высоких скоростях хода такие выходные устройства ВД имеют наибольшую эффективность.

1.3.2 Преимущества и недостатки водометных движителей различных схем Одним из первых прототипов современных ВД является изобретение водометной установки Брикса (1887 г.), приведенной на рис. 1.24.

В схеме Брикса входное устройство ВД состоит из двух патрубков, по которым поток подается к рабочему колесу. Недостатком данной схемы является большая длина проточной части и высокие гидравлические потери, поэтому разработанная схема не получила широкого распространения.

1 – гребной винт; 2 – двигатель; 3 – входные патрубки; 4 – выходные патрубки Следующей предложенной схемой ВД является разработка Новки (1926 г.), изображенная на рис. 1.17, в которой ВД оборудован реактивным соплом с подводным выбросом струи, водоводом минимальной длины и центробежным насосом. Такой движитель предназначался для тихоходных судов, однако КПД оказался очень низким из-за больших гидравлических потерь на поворот потока в водоводе, поэтому данная схема на сегодняшний день не получила широкого распространения.

Конструкция ВД с осевым насосом, в котором струя выбрасывается в воздух (атмосферный выброс), приведена на рис. 1.25. Ее отличительная особенность – один водозаборник и два выходных устройства.

Рисунок 1.25 – Схема водомета с выбросом струи в воздух:

1 – двигатели; 2 – водовод; 3 – диффузорная часть; 4 – осевой насос; 5 – тройник управления струей; 6 – конические насадки переднего хода; 7 – конические насадки заднего хода;

Схема ВД с полуподводным выбросом струи приведена на рис. 1.26.

Особенностью данной схемы является наклонное расположение приводного вала. Рабочее колесо в данном случае представляет собой гребной винт, который обтекается косым потоком, и отсутствие спрямляющего аппарата. В такой схеме лопасти ГВ подвержены кавитации, а поток на выходе из сопла имеет остаточную закрутку – все это приводит к снижению КПД установки.

Рисунок 1.26 – ВД с рабочим колесом, установленным на наклонном валу:

1 – рабочее колесо; 2 – водометная установка; 3 – угловая передача мощности;

4 - водозаборник; 5 – рулевое устройство; 6 – поворотное сопло;

На рис. 1.27 приведена схема водометного движителя, используемого на амфибийных машинах. Лопастной насос в данной схеме располагается сразу за входом в водозаборник и имеет наклонную ось вращения.

Рисунок 1.27 – Водометный движитель с насосом, расположенным 1 – защитная решетка; 2 – рабочее колесо; 3 – лопатки спрямляющего аппарата;

4 – корпус машины; 5 – водовод; 6 – труба заднего хода; 7 – заслонка Главным преимуществом такой схемы ВД является высокая тяга и по сравнению с другими схемами ВД. Другим преимуществом такого расположения насоса является более равномерное поле скоростей на выходе из водомета и, следовательно, высокая тяга. К недостаткам следует отнести большие гидравлические потери из-за длинного проточного канала.

1.3.3 Обоснование схемы водометного движителя защищенности от попадания внутрь посторонних предметов, возможности эксплуатации судна на мелководье, минимальной массы и габаритов, эксплуатационной надежности, удобства расположения на судне, безопасности для пассажиров, показывает целесообразность использования в качестве основной движительной установки глиссирующего катера ВД с осевым насосом и входным участком статического напора с выбросом струи в воздух (рис. 1.28).

Рисунок 1.28 – Компоновочная схема ВД с оседиагональным насосом:

1 – вход водозаборника; 2 – защитная решетка; 3 – радиальный подшипник;

4 – торцевое дейдвудное уплотнение; 5 – рабочее колесо; 6 – спрямляющий аппарат;

7 – облицовка обечайки в зоне рабочего колеса; 8 – радиально-упорный подшипник;

9 – система динамического осушения полости радиально-упорного подшипника;

рассмотренных в работах [6, 8, 9, 11, 13, 16, 30, 33, 34, 41, 51, 61, 70] с учетом требований к движителю в составе глиссирующего катера, позволил скомпоновать схему ВД со следующими системообразующими элементами:

• тип входного устройства – статического напора;

• тип выходного устройства – сопло с наружным поджатием струи;

• тип рабочего колеса – оседиагональное;

• количество ступеней насоса – 1 ступень;

• количество лопастей рабочего колеса – 3–4;

• количество лопастей спрямляющего аппарата – 5–7;

• выброс реактивной струи из сопла – в воздух.

Таким образом, для глиссирующих судов, наиболее эффективной, с точки зрения пассивной безопасности пассажиров, топливной экономичности, энергоэффективности на глиссирующих режимах, является схема ВД с входным устройством статического напора, РК оседиагонального типа и выходным устройством внешнего поджатия с выбросом струи в воздух.

1.4 Аналитический обзор работ по моделированию рабочего процесса Теоретический анализ течений в ВД затруднен в связи со сложностью геометрии проточной части, неравномерностью полей скоростей и давлений, турбулентным характером течения, наличием лопастной системы, образованием кавитации в проточной части [5, 16, 40, 45–58, 60–62, 64–68, 73, 74].

Анализ работ по исследованию рабочего процесса ВД позволяет разделить работы, посвященные разработке и совершенствованию моделей кавитации и турбулентности, численному моделированию рабочего процесса ВД в целом, безразмерному анализу характеристик ВД, оптимизации параметров проточной части и экспериментальному исследованию рабочих процессов ВД [45–58, 60–62, 64–68].

В работе [52] разработан алгоритм численного моделирования потоков в составных подвижных областях, на примере течений в проточной части ВД.

Решены проблемы, связанные с построением расчетной сетки, обеспечением стабильности численного решения, обоснованием моделей турбулентности.

В статье [46] приведены результаты численного моделирования рабочего колеса ВД и радиальной турбины и сопоставлены с данными натурных экспериментов. Методика моделирования разработана в университете Кантербури совместно с Hamilton Jet для моделирования и проектирования импеллеров и статорных частей ВД. Предложенный алгоритм использует гексагональную сетку, в отличие от распространенной тетраэдрической, модель турбулентности Балдвина-Ломакса, а в решателе применяется стандартная восходящая схема вычисления второго порядка.

Численное моделирование кавитации на гидродинамическом профиле NACA 0012 проведено в [54] с использованием моделей турбулентности k- и SST.

В представленных работах [46, 52, 54] проведено моделирование рабочего процесса ВД и исследовано влияние вихрей в водоводе на КПД РК, однако не рассмотрена возможность образования кавитационных каверн на лопастях РК, например, при ускорении судна, т.к. кавитация существенно влияет на упор и КПД РК. В работах не рассмотрено нестационарное взаимодействие роторных и статорных лопаток, которое существенно влияет на КПД лопастной системы.

Анализ работ в области экспериментального и численного исследования рабочего процесса ВД [62, 64, 66] показывает, что исследование параметров ВД проводится в таких характерных сечениях как горло водовода, сечение перед рабочим колесом, за рабочим колесом, за спрямляющим аппаратом и на выходе из сопла. Исследование течений в ВД проводят с помощью «метода моментов»

(количество движения) и энергий потока в вышеуказанных сечениях расчетной области ВД с помощью коэффициентов, учитывающих неравномерность параметров потока и энергии [62]. Коэффициент неравномерности потока в сечении ‘1’ определяют по выражению вида:

где: A1 – площадь сечения ‘1’ на входе в ВД; V1 – средняя скорость в сечении ‘1’; V – локальная абсолютная скорость в любой точке сечения ‘1’; Vx – осевая компонента локальной абсолютной скорости в любой точке сечении ‘1’.

Количество движения в сечении ‘1’:

статического давления.

Полная энергия потока в сечении ‘3’:

где: Vref – скорость судна; Cp3 – коэффициент давления в сечении 3.

Коэффициент неравномерности энергии в сечении 3:

Подстановка уравнения (1.7) в (1.6) дает:

В работе [64] проводится моделирование рабочего процесса ВД методами CFD и обработка результатов согласно рекомендациям ITTC [62] и в данной работе приводится обобщенное представление коэффициентов неравномерности потока по сечениям:

Осредненная скорость в i-м сечении определяется по формуле:

где: n – вектор, нормальный к площадке Ai.

Расход жидкости определяется в сечении ‘6’ – выходном сечении сопла, где наиболее удобно измерять поле скоростей потока [66]:

где: Pjx – проекция тяги на ось x; A6 – площадь выходного сечения сопла;

– угол дифферента; cM6 – коэффициент неравномерности потока в сечении 6.

В статье [55] представлен расчет тяговых характеристик ВД с использованием численного моделирования. Рассчитываются скорости на входе и выходе и массовый расход, обработка результатов численного моделирования проводится также на основе зависимостей (1.4 – 1.11).

В работах [55, 62-66] проводится моделирование рабочего процесса ВД с использованием осредненных по числу Рейнольдса уравнений Навье-Стокса – RANS eq. (Reynolds Averaged Navier-Stocks equations), моделирования сопоставляются с экспериментом (рис. 1.29 – 1.31).

Рисунок 1.31 – Зависимость статического давления за рабочим колесом В рассмотренных работах [25–32] недостаточно внимания уделено вопросам, связанным с влиянием паровой фазы и температурных факторов на рабочий процесс ВД. Не исследован характер поведения гидродинамических параметров жидкости в проточной части ВД и в сечениях засасываемой струи, что является важным при расчете неравномерности скоростей и давлений, необходимых для проектирования лопастей РК и исследования его работы.

Недостаточно освещены вопросы расчета тяговых характеристик водометного движителя на швартовых и скоростных режимах, т.к. выбор границ контрольной поверхности влияет на конечный результат расчета тяги.

В работе [50], в отличие от [62, 64], проводится моделирование рабочего процесса ВД с учетом радиального зазора на рабочем колесе. Коэффициент утечек определяют по выражению где: h – высота радиального зазора; p – перепад давлений на лопасти рабочего колеса.

Средняя скорость утечек через зазор где: Pp, Ps – давления на нагнетающей и всасывающей стороне лопасти, соответственно.

В работах [53, 55, 60–62, 64, 66, 73] основное внимание уделено моделированию трехмерных течений проточной части ВД, однако вопросы, посвященные исследованию влияния кавитации и объема газовой фазы на характеристики рабочего процесса ВД, оценке запаса устойчивости рабочего колеса к кавитации, раскрыты не полностью, что не позволяет сформировать рекомендации при проектировании ВД.

В работах [41, 73] рассматривается влияние неравномерности полей скоростей и давлений на входе в рабочее колесо на тяговые характеристики ВД и кавитацию рабочего колеса. В частности, в работе [41] с использованием методов численного моделирования определено, что при использовании оседиагонального рабочего колеса существенно повышаются тяговые характеристики ВД, хотя при этом несколько увеличиваются массогабаритные характеристики водомета.

Следует отметить, что в данных работах не учтены такие факторы, влияющие на неравномерность полей скоростей и степень кавитации рабочего колеса ВД, как наличие и объем газовой фазы на входе, температура рабочего тела, угол дифферента судна. Учет данных фактором определяет эффективность рабочего процесса ВД в целом, поэтому их нужно принимать во внимание при расчетах.

В отличие от предыдущего подхода, связанного с непосредственным расчетом характеристик ВД по результатам численного моделирования, другим подходом к исследованию ВД является безразмерный анализ их характеристик, с использованием данных натурных экспериментов, получение аналитических зависимостей характеристик и оптимизацию геометрических и режимных параметров ВД.

Одним из основных безразмерных параметров ВД является параметр быстроходности – приведенная частота вращения рабочего колеса.

где H – напор лопастного насоса, м; n – частота вращения РК, об/с.

В [49] рассматривается предварительное проектирование водометных движителей из условий подобия. Используются следующие зависимости:

- универсальный коэффициент гидравлических потерь в водоводе - коэффициент подачи насоса:

- коэффициент упора РК:

- коэффициент момента сил на рабочем колесе:

В работе [60] решена задача оптимизации геометрии узлов ВД на основе данных натурного эксперимента. Обработка результатов эксперимента проведена на основе безразмерных параметров. Безразмерные скорость на входе в ВД, напор рабочего колеса и подача, соответственно:

В работах [47, 57] приводится безразмерное представление характеристик насосов в системе с энергетической установкой и судном (рис. 1.32 – 1.35).

Рисунок 1.32 – Характеристика тяги ВД для маломерных судов Рисунок 1.33 – Зависимость относительного диаметра и удельной частоты Анализ работ [44, 49, 57, 60] показывает, что методы безразмерного анализа ВД и лопастных насосов достаточно хорошо разработаны.

Использование безразмерных характеристик значительно упрощает процесс проектирования и расчета ВД под требования катера, однако недостаточно хорошо освещены вопросы, связанные с влиянием типа и размеров рабочего колеса ВД на мощностные характеристики, топливную экономичность, тяговый КПД, максимально достижимую скорость судна, тяговооруженность, а также не рассмотрены вопросы согласования движителя и энергетической установки.

Рисунок 1.34 – Качественная характеристика тяги и потребляемой мощности Рисунок 1.35 – Характеристика оседиагонального рабочего колеса Обзор работ по моделированию течений в ВД, расчету параметров и характеристик рабочего процесса ВД показывает, что не уделяется внимание вопросам возникновения кавитации в зависимости от внешних условий, влияния неравномерности потока на КПД рабочего колеса. Недостаточно подробно исследованы вопросы расчета тяговых характеристик ВД на швартовых и скоростных режимах. Не приводятся данные по вопросам оптимального выбора типа и размера рабочего колеса для обеспечения необходимой скорости движения катера, тяги ВД и мощности энергетической установки.

Таким образом, актуальными проблемами проектирования ВД скоростных судов являются повышение эффективности рабочего процесса движителей, снижение объемов доводочных испытаний, совершенствование методик проектирования.

геометрических и режимных параметров ВД глиссирующих катеров, направленных на повышение качества проектирования. Исходя из цели работы, для ее реализации были сформулированы следующие задачи:

5. Аналитический обзор схемных решений ВД. Анализ работ по проблемам моделирования рабочего процесса ВД.

6. Численное моделирование рабочего процесса ВД с учетом влияния геометрических параметров проточной части, паровой кавитации, нестационарности потока, неравномерности полей скоростей и давлений.

7. Экспериментальное исследование рабочего процесса ВД и верификация математической модели.

8. Разработка методики моделирования рабочего процесса ВД с осевыми и оседиагональными насосами, позволяющей моделировать влияние геометрических параметров проточной части, нестационарности потока, паровой кавитации и неравномерности на параметры рабочего процесса и рассчитывать интегральные характеристики ВД.

Проведен аналитический обзор движителей современных судов. Приведена классификация современных судовых движителей. Проанализированы режимы работы и схемы гребных винтов, на основе которого было установлено, что режимы обтекания лопастей винтов являются характерными для всех типов движителей, что позволяет провести сравнение различных типов движителей.

Рассмотрены особенности применения ВД, а также движителей нетрадиционных схем. Проанализированы зависимости КПД различных движителей от скорости судна. Проведенный анализ показывает, что использование водометного движителя с лопастным насосом в качестве движителя глиссирующих катеров обеспечивает высокую эффективность системы «судно – движитель», т.е. при неизменной мощности и расходе топлива энергетической установки ВД обладает большей тягой за счет высоких значений тягового и насосного КПД.

Рассмотрены компоновочные схемы системы «ВД – судно». Выявлено, что для глиссирующих катеров наиболее эффективным является ВД, выполненный по схеме, имеющей входное устройство статического напора и выброс струи жидкости в воздух. В этом случае судно может двигаться по мелководью, достигается высокая пассивную безопасность пассажиров, высокая маневренность, тяговооруженность, меньший уровень шума защищенность движителя от попадания посторонних предметов, малая масса и габариты силовой установки.

Проведен анализ конструктивно-компоновочных схем водометных движителей, на основе которого выбран тип конструктивно-компоновочной схемы водометного движителя и выявлены наиболее эффективные параметры системообразующих элементов конструктивно-компоновочной схемы с учетом требований к движителю в составе глиссирующего катера.

Выполнен обзор работ, посвященных развитию методов вычислительной гидрогазодинамики, численному и экспериментальному исследованию ВД, а также безразмерному анализу и оптимизации параметров и характеристик водометных движителей [5, 16, 40, 45–58, 61, 62, 64–68, 73, 74]. Результатом проведенного обзора и анализа явились формирование направлений научных исследований, формулировка цели, задач и методов их решения.

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДОМЕТНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ

2.1 Разработка математической модели рабочего процесса Рабочий процесс ВД представляет собой трехмерное течение вязкого турбулентного потока в профилированных каналах сложной геометрии с выбросом рабочей жидкости в неограниченное пространство и характеризуется наличием зон кавитации, взаимодействием паровой и жидкой фазы, отрывом потока от стенок проточной части, течением в радиальном зазоре на лопастях рабочего колеса.

Объектом исследования является схема ВД глиссирующего катера оседиагонального типа и реактивным соплом наружного поджатия с выбросом струи в воздух (рис. 1.11). На рис. 2.1 представлена компоновочная схема такого ВД в составе катера с указанием основных расчетных сечений.

Рисунок 2.1 – Компоновочная схема водометного движителя в составе судна:

0 – сечение невозмущенного потока; 1a – сечение, расположенное на расстоянии одного диаметра импеллера от водозаборника; 1 – сечение, где начинает формироваться радиус входной кромки водозаборника; 2 – «горло» водовода; 3 – сечение перед рабочим колесом;

4 – сечение за рабочим колесом; 5 – сечение за спрямляющим аппаратом;

Для данной схемы ВД разрабатывается математическая модель рабочего процесса, с помощью которой будут рассчитываться характеристики ВД глиссирующего катера на скоростных и швартовых режимах работы.

2.1.1 Теоретическое обоснование работы водометного движителя глиссирующего катера В зависимости от режимов работы ВД, на лопастях насоса и стенках водовода возможен отрыв потока от стенок, появление циркуляционных зон, а также образование паровой и газовой кавитации. Режимы работы ВД разделяют на расчетные и нерасчетные (критические). К расчетным режимам работы ВД относят глиссирование и ускорение катера. К нерасчетным режимам относятся, прежде всего, работа ВД во вспененной воде и выход на глиссирование.

На режиме глиссирования катера в водоводе создается дополнительное давление за счет торможения набегающего потока, которое предотвращает образование пузырьков пара на лопастях рабочего колеса. Условием движения катера на режиме глиссирования является равенство тяги ВД P и сопротивления движению катера Rк:

Для обеспечения необходимой тяги ВД рабочее колесо должно создать определенные напор и подачу при заданной располагаемой мощности, при этом всегда существует оптимальное соотношение напора и подачи из условия максимума тягового КПД. Напор, создаваемый рабочим колесом, и скоростной напор струи, засасываемой ВД, расходуются на скоростной напор струи, выходящей из сопла и потери в проточной части ВД hВД:

где – коэффициент потерь динамического напора во входном устройстве.

При этом Vк < Vj, т. к. согласно гипотезе дозвукового истечения жидкости из сопла в неограниченное пространство, статическое давление практически равно внешнему атмосферному давлению, т.е. тяга ВД образуется только за счет разности скоростей выбрасываемой и засасываемой жидкости [3, 16, 31].

Потребляемая мощность определяется по следующему соотношению:

где РК – КПД рабочего колеса.

Максимальная тяга ВД достигается на режимах ускорения судна, при скоростях движения катера, близких к нулю. На режимах ускорения уравнение движения катера имеет вид:

где Mк – масса катера.

На нерасчетных режимах рабочий процесс глиссирующего катера не поддается точному теоретическому описанию. Например, при выходе катера на глиссирование появляется горб сопротивления движению, который связан со множеством факторов, в совокупности влияющих на сопротивление. При работе катера во вспененной воде резко уменьшаются напор и подача насоса ВД, и их снижение также не поддается точному теоретическому описанию.

Поскольку эти режимы составляют менее 1% от общего времени работы ВД, рассматриваются в дальнейших расчетах.

Эффективность работы ВД определяется значением КПД лопастной коэффициентом уменьшения полного напора во входном устройстве, коэффициентом попутного потока. Эти параметры эффективности рабочего процесса ВД определяются геометрией проточной части, режимами работы движителя, внешними условиями и свойствами рабочей жидкости.

Расчет параметров рабочего процесса ВД представляет собой сложную экспериментально-теоретическую задачу, решение которой требует исследования влияния на рабочий процесс геометрических и режимных параметров ВД. Теоретическому расчету характеристик рабочего процесса ВД поддается лишь узкий диапазон режимов работы, поэтому характеристики ВД исследуют с помощью численного моделирования и физических экспериментов.

Численное моделирование, в отличие от физического, позволяет получить более подробную информацию о рабочем процессе (скорость, давление и вязкость в каждой точке расчетной области), исследовать экстремальные режимы течения потока. Численное моделирование позволяет рассчитать параметры рабочего процесса ВД, такие как m – массовый расход жидкости через сопло, A1a – площадь сечения засасываемого потока, hВД – гидравлические потери в проточной части ВД, осредненные давления pi и скорости Vi, HРК – напор рабочего колеса, МРК – момент сил на рабочем колесе, Nп – потребляемая мощность, РК – КПД насоса, PРК – упор на рабочем колесе и P – тяга движителя.

Процесс численного моделирования рабочего процесса ВД можно разделить на следующие этапы:

1) создание геометрической модели объекта;

2) создание сеточной модели расчетной области;

3) создание (выбор) модели турбулентности;

4) создание (выбор) модели кавитации;

5) задание граничных и начальных условий;

6) отладка модели, проведение расчетов;

7) представление полученных результатов в виде графиков и их анализ.

Численному моделированию предшествует описание замкнутой математической модели рабочего процесса, которая представляет собой совокупность алгебраических и дифференциальных уравнений. Для решения дифференциальных уравнений используются методы вычислительной гидрогазодинамики (ВГГД) (за рубежом используется аббревиатура CFD – Computational Fluid Dynamics).

2.1.2 Описание системы уравнений рабочего процесса ВД Исходными параметрами для расчета гидродинамических процессов, определяющих рабочий цикл ВД, являются параметры окружающей среды (давление p0 и температура T0), свойства жидкости (плотность и вязкость µ), геометрические размеры проточной части ВД, режимные параметры рабочего процесса ВД (частота вращения рабочего колеса – n, скорость движения катера Vк, располагаемая мощность энергетической установки Nр).

Расчетными параметрами рабочего процесса ВД являются локальные турбулентности, объемные доли жидкости l и пара v и др.) и интегральные параметры ВД – зависимости напора H = f (Q, n) КПД РК = f (Q, n) во всем диапазоне скоростей катера Vк. Интегральными параметрами ВД в целом являются тяга P, скорость истечения жидкости из сопла Vj и потребляемая мощность рабочего колеса Nп.

Моделирование рабочего процесса ВД проводится с учетом следующих допущений:

- жидкость предполагается несжимаемой;

- континуум жидкости рассматривается в постановке Эйлера;

- взаимодействие роторных и статорных лопаток моделируется в режиме Stage для квазистационарной задачи и последовательно в режимах Frozen Rotor и Transient для нестационарной задачи;

- используется осредненная по числу Рейнольдса система уравнений Навье-Стокса;

- температура жидкости в каждом отдельном варианте моделирования предполагается постоянной;

- используется гомогенная модель взаимодействия жидкости с ее парами;

- используется неструктурированная тетраэдрическая расчетная сетка с призматическими слоями вдоль твердых стенок;

- в результате взаимодействия роторных и статорных лопаток течение предполагается квазиустановившимся;

- давления и скорости усредняются по массовому потоку;

- статическое давление на выходе из сопла предполагается равным внешнему атмосферному давлению.

При моделировании рабочего процесса ВД используется система уравнений гидродинамики, включающая осредненные по числу Рейнольдса уравнения Навье-Стокса, неразрывности, энергии, модели турбулентности, кавитационного массопереноса с использованием метода взвешенных невязок.

1) Уравнение неразрывности для однофазной несжимаемой жидкости [3]:

где Vx, Vy, Vz – компоненты вектора скорости; x, y и z – глобальные декартовы координаты.

2) Уравнение импульсов (Навье-Стокса) [3] где µ – молекулярная вязкость; x, y, z – потери кинетической энергии турбулентных вихрей вследствие эффекта вязкости; t – время.

3) Уравнение энергии [3] где Cp – теплоемкость при постоянном давлении; T – температура жидкости, постоянная для каждого режима моделирования.

4) Уравнения модели турбулентности [44].

Мгновенное значение скорости, (например, осевой составляющей) в произвольной точке потока для турбулентного режима течения представляется в виде суммы среднего значения скорости Vx и пульсационной составляющей Vx' С учетом (2.13) уравнения (2.6) – (2.8) преобразуются в следующий вид:

Слагаемые в уравнениях (2.14) – (2.16) представляют собой напряжения Рейнольдса, обусловленные турбулентным перемешиванием. В соответствии с гипотезой Прандтля эти напряжения представляются в следующем виде:

где µt – турбулентная вязкость.

Эффективная вязкость записывается в виде суммы молекулярной и турбулентной вязкостей:

Решение представленной системе уравнений рабочего процесса ВД Результатами моделирования рабочего процесса являются распределения гидродинамических параметров, таких как давления, скорости, концентрации воды и пара.

Результаты моделирования могут быть могут быть представлены в виде линий тока, изолиний, трехмерных изоповерхностей, объемов, и позволяют провести качественный анализ течения в проточной части ВД (наличие отрывов, вихрей, кавитации, углов атаки и отставания в лопастном насосе).

Расчет интегральных параметров ВД – тяга, потребляемая мощность, КПД РК, скорость истечения жидкости из сопла, основывается на вычислении осредненных значений давлений и скоростей в контрольных сечениях проточной части. Например, давление, осредненное по массовому расходу [1]:

где m = V ( x, y )dxdy – массовый расход через площадку F.

Использование формулы (2.22) для осреднения параметров давления и скорости в различных сечениях проточной части ВД позволяет получить его интегральные характеристики с использованием соотношений (2.1) – (2.4).

при моделировании рабочего процесса ВД определяются геометрическими размерами проточной части, граничными и начальными условиями, параметрами расчетной сетки и заложенной системой уравнений. При этом замыкающие систему уравнения моделей турбулентности, адаптировать в зависимости от типа решаемых задач.

В настоящее время для инженерных расчетов наиболее широко используются следующие модели турбулентности – алгебраические, с одним дифференциальным уравнением и двумя дифференциальными уравнениями, и модели напряжений Рейнольдса с нелинейными членами [44].

Алгебраические модели имеют высокую скорость решения, их легко калибровать, уточняя идентификационные коэффициенты на основе данных физических экспериментов, однако они являются узконаправленными и зависящими от конкретной геометрии и рабочего процесса. Модели с одним дифференциальным уравнением обладают большей универсальностью к описанию турбулентных течений с учетом сжимаемости, переходных явлений, кривизны и отрыва потока, однако объектами их применения, как правило, являются простые конфигурации потоков. Более универсальными моделями в инженерных расчетах турбулентных потоков являются модели с двумя дифференциальными уравнениями.

замыканию системы уравнений рабочего процесса ВД являются модели турбулентности классов k- и k-.

В k- моделях турбулентная вязкость связана с кинетической энергией турбулентного движения k и скоростью рассеяния (диссипации) турбулентной энергии через константу диссипации Сµ :

Уравнение кинетической энергии турбулентности имеет вид:

где Ф – слагаемое, учитывающее рассеяние энергии, выделяющейся в результате вязкостного трения.

Уравнение скорости диссипации кинетической энергии турбулентности:

где C1, C2,, k – константы, определяемые экспериментально (табл. 2.1).

В семействе k- моделей, турбулентная вязкость определяется как µ t =, где – удельная скорость диссипации турбулентной энергии или турбулентная частота (имеет размерность с-1).

В табл. 2.2 приведены параметры модели турбулентности SST.

Таблица 2.2 – Эмпирические коэффициенты в модели турбулентности SST При моделировании турбулентности в двухпараметрических моделях предполагается, что обмен кинетической энергией между турбулентными молями происходит с помощью молекулярного механизма переноса (гипотеза Буссинеска). Такое предположение имеет ряд недостатков, так как во многих течениях (например, закрученное течение в трубе) турбулентность анизотропна.

Введение в уравнения напряжений Рейнольдса нелинейных членов, связывающих турбулентную анизотропию, скорость деформации и закрутку жидкого объема, позволяет точнее моделировать турбулентные течения.

Данный подход реализуется в моделях напряжений Рейнольдса, однако недостатком такого подхода является увеличение количества уравнений и, как следствие, существенное повышение расчетного времени.

Наиболее распространенные модели напряжений Рейнольдса – это RNG k-, k--EARSM, LRR Reynolds Stress.

Таким образом, при моделировании рабочего процесса ВД проводится верификация на следующих моделях турбулентности: двухпараметрические – kее стандартная форма), k- типа – в частности одна из модификаций модели kSST-модель (Shear Stress Transport – перенос касательных напряжений); модели напряжений Рейнольдса: RNG k-, k--EARSM, LRR Reynolds Stress.

Применительно к моделированию рабочего процесса ВД можно выделить следующие классы задач течения жидкости в проточной части:

1) швартовый режим (поле скоростей и давлений перед РК неравномерное, может иметь место кавитация в водоводе и на лопастях);

2) скоростной режим (поле скоростей и давлений перед РК неравномерное, кавитация отсутствует);

3) моделирование лопастной системы без водовода (поле скоростей и давлений перед РК равномерное, может иметь место кавитация);

4) неустановившееся течение жидкости (поле скоростей и давлений перед РК неравномерное и меняется во времени, кавитационные зоны присутствуют и меняются в объеме с течением времени).

В упрощенной постановке моделирования рассматривается лопастной насос, при этом поле скоростей и давлений перед РК ВД принимается равномерным, а обтекание лопастей рабочего колеса и спрямляющего аппарата происходит при малых углах атаки и без учета течений в радиальном зазоре. В этом случае целесообразно использовать модель турбулентности k-. Данная модель турбулентности позволяют получать точные и устойчивые решения, экономить расчетное время и суммарное количество расчетных ячеек за счет использования пристеночных функций.

Пристеночные функции позволяют задавать пограничный слой одной ячейкой, как показано на рис. 2.2, однако турбулентные пристеночные профили имеют ограниченное применение, и для различных задач необходимо разрабатывать соответствующие пристеночные функции.

В остальных случаях поле скоростей и давлений перед рабочим колесом ВД неравномерно: на стенках водовода, лопатках рабочего колеса и спрямляющего аппарата, в зависимости от режима работы ВД, может происходить отрыв потока. В данном случае необходимо провести верификацию двухпараметрических и нелинейных моделей турбулентности.

Рисунок 2.2 – Моделирование течения в пограничном слое:

а – модель пристеночной функции; б – двухслойные (низкорейнольдсовые) модели Кавитирующее течение представляет собой двухфазный и, в общем случае, многокомпонентный поток. В потоке присутствует жидкая фаза – вода, и газообразная фаза – пары воды, нерастворенный воздух. Моделирование кавитационного переноса численными методами в настоящее время проводится с помощью двух основных подходов: с взаимопроникающими фазами и без взаимопроникновения.

кавитационных течений и требует четкого определения поверхности раздела двух сред. Уравнения движения решаются только для жидкой фазы, а газообразная фаза учитывается граничными условиями на поверхности раздела, при этом массовый поток через границу раздела фаз не учитывается. Данный подход позволяет с минимальными затратами вычислительного времени получить решение, однако, как показали результаты исследований численных моделей [48, 63], он не позволяет адекватно моделировать кавитационные процессы, поэтому не получил широкого распространения.

Другой подход, основанный на взаимном проникновении фаз, не предполагает наличие поверхности раздела между двумя несмешивающимися жидкостями, поэтому объемная доля фазы может изменяться от нуля до единицы в зависимости от занимаемого пространства в двухфазном потоке.

Наиболее простой моделью кавитации является, так называемая, «условная» модель, которая характеризуется кавитационным числом:

где: p – давление жидкости; pV – давление парообразования для заданной жидкости.

Данная модель не учитывает динамику пузырьков, скорость конденсации жидкости и ее парообразования. Использование условной модели может в процессе расчета приводить к увеличению количества парообразной фазы, находящейся в проточной части ВД, что не соответствует реально протекающим процессам.

Динамики роста пузырька описывается уравнением Рэлея-Плессета. Без учета вязкости оно имеет вид [69]:

где Rb – радиус пузырька; pV – давление пара в пузырьке (зависит от температуры); p – давление жидкости, окружающей пузырек; f – плотность жидкости; – коэффициент поверхностного натяжения между жидкостью и паром.

В уравнении (2.24) скорость роста пузырька является постоянной, поэтому членами второго порядка, отвечающими за ускорение роста пузырька можно пренебречь. Поверхностное натяжение является малой величиной, поэтому им также можно пренебречь [63]. Тогда уравнение для скорости роста пузырька примет вид:

С учетом уравнения (2.25), скорость массопереноса между жидкой и газовой фазой определяется следующим образом:

rg – объемная доля пара; g – плотность газа.

Уравнение (2.26) имеет одинаковую структуру при описании процессов парообразования и конденсации, однако для учета изменения скорости парообразования его необходимо преобразовать с учетом следующего допущения.

Парообразование инициируется зародышами пузырьков (водяной пар или нерастворенный воздух). С увеличением объемной доли пара уменьшается скорость образования зародышей пузырьков, поскольку уменьшается доля жидкости. Таким образом, в уравнении процесса парообразования объемная доля пара rg заменяется на rnuc(1 – rg), что дает:

где rnuc – объемная доля зародышеобразования.

Уравнение неразрывности для газовой фазы:

где V – объемная доля компонента; V – индекс паровой фазы; Re, Rc – скорости испарения и конденсации, соответственно; e, c – индексы испарения и конденсации, соответственно; Г – функция диффузии.

Сформированная математическая модель используется для моделирования и анализа течений в проточной части ВД.

Для получения характеристик рабочего процесса ВД необходимо провести верификацию математической модели и моделирование рабочего процесса ВД на различных режимах на основе данных физических экспериментов, а также оценить влияние границ расчетной области и параметров расчетной сетки на стабильность, точность расчета, а также настроить модели турбулентности и кавитации, соответствующие различным режимам течения.

2.2 Формирование имитационной модели рабочего процесса 2.2.1 Расчет геометрических параметров рабочих колес ВД В ВД глиссирующих катеров наиболее широко используются лопастные насосы осевого и диагонального типов [11, 13, 16, 41, 47], которые позволяют, во-первых, исключить редуктор между двигателем и движителем за счет своей быстроходности и, во-вторых, получать высокий напор, который преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи. Диагональные насосы имеют более высокий максимальный КПД (92%), чем осевые (89%), однако они более сложны в изготовлении: необходимо обеспечивать постоянный минимальный радиальный зазор на криволинейной наружной стенке. Напротив, осевые насосы проще в изготовлении и обслуживании, поэтому на практике получили распространение комбинированные оседиагональные насосы с наружной стенкой постоянного диаметра и криволинейной втулкой.

Методики расчета и параметризации геометрических параметров осевых и оседиагональных насосов одинаковы, поэтому на рис. 2.3 приведена общая расчетная схема ВД с осевыми и оседиагональными насосами.

Представленные размеры проточной части ВД на рис. 2.3 включают параметры водозаборника (ВЗ), меридионального сечения рабочего колеса (РК), спрямляющего аппарата (СА) и сопла. Промежуточные параметры проточной части, такие как профили стенок водовода, втулка и кожух проточной части лопастного насоса и реактивного сопла профилируются из учета плавности изменения площадей проходных сечений. При этом поток от сечения ‘2’ до сечения ‘3’ движется с уменьшением скорости (диффузорный канал); в межлопаточных каналах рабочего колеса (3-4) в окружных сечениях протекают диффузорные течения, в меридиональных каналах – конфузорные; в межлопаточных каналах спрямляющего аппарата (4-5) течение диффузорное;

течение в сопле (5-j) – конфузорное.

Рисунок 2.3 – Расчетная схема насоса и водометного движителя:

lвз – длина водозаборника; lвд – длина водовода; hв – высота подъема средней линии;

lрк – осевая длина РК; lса – осевая длина спрямляющего аппарата (СА);

lc – осевая длина реактивного сопла; D3вт – диаметр втулки на входе в РК;

D4вт – диаметр втулки на выходе из РК; D5вт – диаметр втулки на выходе из СА;

D5н – диаметр наружной стенки на выходе из СА; Dн – наружный диаметр РК;

– угол средней линии на входе в водовод; R, r – радиусы кривизны кромок водозаборника Исследуемыми объектами являются натурный глиссирующий катер FreeRider-490C-Jet [24] и модельный катер, ВД которого представляет собой водовод и традиционный ГВ, находящийся в трубе, соединенной с водоводом.

Реактивное сопло и СА в модельном ВД отсутствуют [71].

Основные геометрические параметры исследуемого объекта – ВД глиссирующего катера FreeRider-490C-Jet [24]:

1) водовод: lвз = 500 мм, b = 250 мм; hвд = 160 мм; d3н = 200 мм; lвд = 700 мм;

2) рабочее колесо (трехлопастное): d3в = 68 мм; dРК = 198 мм;

а – шнековое осевое постоянного шага, S = 180 мм; lРК = 110 мм; d4в = 90 мм;

б – шнековое оседиагональное переменного шага, S = 140…220 мм;

lРК = 130 мм; d4в = 130 мм; в – оседиагональное, переменного шага;

3) спрямляющий аппарат (7 лопастей): осевая длина lСА = 130 мм, профилируется из условия обеспечения осевого потока на выходе из СА;

4) реактивное сопло: осевая длина lРС = 250 мм, из них 130 мм – сужение со спрямляющими лопатками, 120 мм – сужение без спрямляющих лопаток;

диаметр выходного сечения сопла dj – варьируется.

Параметры модельного катера с ВД:

1) водовод: lвз = 174 мм, b = 76 мм; hвд = 63 мм; d3н = 76 мм; lвд = 200 мм;

2) рабочее колесо (ГВ четырехлопастной): d3в = 20 мм; dРК = 75 мм; ГВ постоянного шага, S = 75 мм.

Параметризация геометрии межлопаточных каналов РК и СА, а также расчет треугольников скоростей и кинематических параметров потока проводится с помощью схемы течения в лопастном насосе (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 – Расчетная схема кинематики потока в межлопаточных каналах Профиль лопастей РК определяется зависимостью шага лопасти Si от угла относительной скорости i:

Различают лопасти постоянного по высоте шага S = const (которые также называют шнеками) и переменного по высоте и радиусу шага S=f (r, x) (рис. 2.5). По шнековому спрофилированы лопасти РК с постоянным шагом S = 180 мм и с переменным шагом S = 140…220 мм.

Шнековый закон профилирования не позволяет задавать сложные геометрии лопастей (когда лопасть имеет закрутку в осевом и радиальном направлении), поэтому наиболее общим способом параметризации геометрии лопастей является представление лопасти по сечениям в виде профилей, развернутых на цилиндрическую или коническую поверхность.

Профиль сечения лопасти характеризуется хордой b, максимальными соответственно, максимальной толщиной профиля y = yв + yн (рис. 2.6). Стрела прогиба средней линии профиля yс = yв – yн характеризует его кривизну.

Отношения указанных величин к ширине сечения лопасти b называются, соответственно, относительными толщинами и относительной кривизной [5].

Рисунок 2.5 – Образование винтовой поверхности лопасти:

а – поверхность постоянного шага; б – поверхность радиально-переменного шага;

в – шаг винтовой поверхности лопасти, развернутый на плоскость Рисунок 2.6 – Геометрические характеристики профиля лопасти Рабочее колесо оседиагонального типа переменного шага профилируется исходя из условия обеспечения максимального КПД лопастного насоса на крейсерском режиме движения судна. Исходными параметрами для расчета параметров оседиагонального РК принимаются следующие характеристики катера, ВД и ДВС:

- располагаемая мощность энергетической установки Nр = 103 кВт;

- частота вращения приводного вала n = 5500 об/мин;

- потребная скорость движения катера Vк = 23м/с;

- потребная тяга ВД при заданной скорости движения P = 2600 Н.

Значение диаметра втулки РК изменяется по кубическому закону, что обеспечивает передачу энергии рабочей жидкости с минимальными потерями [38]:

где: a1, a2, a3 – теоретические коэффициенты, определяющие форму параболы.

Теоретическая работа Lт, совершаемая рабочим колесом, для каждой линии тока k определяется по формуле:

С использованием выражений (2.28) – (2.30) для каждой линии тока определяются зависимости шага S, теоретической работы Lт и радиуса линии тока r от осевой координаты x (рис. 2.7).

Рисунок 2.7 – Изменение шага рабочего колеса (а) и теоретической работы (б) На основе полученных данных проектируется и визуализируется геометрическая 3D-модель РК ВД, после чего формируется расчетная область, которая разбивается на конечно-объемную сетку.

Создание трехмерных геометрических моделей элементов водометного движителя Геометрическая модель ВД представляет собой совокупность сложных поверхностей, построение которой осуществляется в специализированных CAD-программах (Unigraphics, SolidWorks).

Первым элементом проточной части является водовод, от геометрических параметров которого зависит неравномерность поля скоростей на входе в РК, потери полного давления в проточной части ВД. Вопросы профилирования стенок водовода и определения его геометрических размеров освещены в работах [11, 13, 16, 28, 41]. Основными требованиями, которые необходимо обеспечить при профилировании водовода, являются минимизация кавитации на швартовых режимах работы, получение минимальных потерь давления в проточной части и минимальной неравномерности поля скоростей перед РК.

Водовод представляет собой криволинейный патрубок, ограниченный входным отверстием, представляющим собой трапецию со скругленными углами, и выходного кольцевого канала перед входом в РК. Продольное сечение водовода представляет собой две криволинейные стенки, которые профилируются из условия плавности изменения площади канала водовода. По результатам расчета геометрических параметров и профилирования стенок ВД строится трехмерный эскиз водовода (рис. 2.8) и 3D-модель проточной части (рис. 2.9).

Рисунок 2.9 – Этапы построения 3D-модели водовода:

а – построение криволинейной поверхности патрубка по сетке кривых;

б – симметричное отражение; в – наложение «заплаток» на отверстия и сшивка поверхностей; г – вычитание кожуха вала из объема проточной части водовода Следующим и основным элементом проточной части ВД является рабочее колесо, которое определяет эффективность работы движителя в целом. На первом этапе проектирования рабочего колеса проводится построение срединной поверхности лопасти по спиралям переменного шага и радиуса (рис. 2.10). Исходными данными к построению спиралей являются графики на рис. 2.7 а, в.

Рисунок 2.10 – Построение срединной поверхности лопасти РК по спиралям:

На следующем этапе определяются конические спирали, как результат пересечения конических тел вращения и срединной поверхности лопасти (рис. 2.11), после чего конические спирали разворачиваются на плоскость и от них откладываются спинка и корыто лопасти РК (рис. 2.12).

Рисунок 2.11 – Получение конических спиралей со срединной поверхности Рисунок 2.12 – Двумерные эскизы профилей сечений 1–5 лопасти РК:

1 – корневое сечение; 2–4 – промежуточные сечения; 5 – периферийное сечение После получения плоских профилей лопасти проводится операция свертки плоскости на коническую поверхность (рис. 2.13, а) и полученные кривые представляющую форму лопасти РК (рис. 2.13, б).

Рисунок 2.13 – Построение поверхности лопасти РК:

а – свертка двумерных эскизов на конические поверхности;

б – поверхность лопасти РК, построенная по криволинейным сечениям Втулка РК, представляющая собой тело вращения, образуется кубической параболой с координатами, приведенными на рис. 2.7, в (кривая 1).

Поверхность лопасти объединяется с втулкой и создается геометрический круговой массив лопастей – в данном случае 3 лопасти (рис. 2.14).

Рисунок 2.14 – Общий вид РК оседиагонального типа переменного шага:

Завершающим элементом проточной части ВД является реактивное сопло ограничивается наружной и внутренней стенками, имеющими форму кубической параболы (рис. 2.15, а). Спрямляющие лопатки профилируются из условия обеспечения осевого выхода потока из сопла по схеме, изображенной на рис. 2.4. Профилирование лопастей СА, их свертка на конические поверхности и построение криволинейной поверхности лопасти проводится в аналогичной последовательности, описанной выше для РК (рис. 2.15, б–е).

Рисунок 2.15 – Этапы построения геометрии проточной части сопла ВД:

а – проточная часть реактивного сопла; б – 3D-модель проточной части сопла;

в – трехмерные эскизы профилей СА; г – поверхность лопасти СА; д – 3D-модель лопасти СА, вырезанная из проточной части сопла; е –массив лопаток СА в проточной части сопла Помимо проточной части водовода, РК и СА, для проведения численных расчетов необходимо построить проточную часть окружающей жидкости перед водоводом, имитирующую объем воды под глиссирующим катером. Схема проточной части окружающей жидкости приведена на рис. 2.16.

Рисунок 2.16 – Проточная часть окружающей жидкости перед водоводом:

а – основные размеры проточной части; б – 3D-модель проточной части Размеры границ проточной части окружающей жидкости напрямую влияют на картину течения в водоводе: с увеличением размеров границ параметры потока в водоводе изменяются слабее, однако при этом увеличивается количество ячеек расчетной сетки и машинное время.

Следовательно, определение оптимальных размеров границ позволит точнее моделировать течение в ВД и сэкономить машинное время расчета. Сравнение влияния границ окружающей жидкости ВД выполняется для трех вариантов с параметрами, приведенными в табл. 2.3.

Таблица 2.3 – Параметры, характеризующие проточную часть ВД варианта Измерение интегральных параметров рабочего процесса ВД проводится в сечении ‘3’ (рис. 2.17). Моделирование течения в ВД проводится на тетраэдрической сетке с общим количеством 1 млн. ячеек.

Рисунок 2.17 – Расположение контрольного сечения в водоводе Численное моделирование течения в ВД проводится на швартовом и скоростном режиме, результаты приведены в табл. 2.4, 2.5.

Как показывают результаты численного моделирования, для 2-го и 3-го вариантов геометрии параметры потока в сечении ‘3’ практически совпадают, следовательно, размеры проточной части в варианте 2 являются достаточными для исключения влияния расположения границ на результаты моделирования.

Таблица 2.4 – Результаты моделирования течения в ВД на скоростном режиме:

Vк = 20 м/с; m = 250 кг/с; pн = 101325 Па; Tн = 288 К; модель турбулентности kВариант области Таблица 2.5 – Результаты моделирования течения в ВД на швартовом режиме:

m = 200 кг/с; pн = 101325 Па; Tн = 288 К; модель турбулентности kВариант области 2.2.3 Построение сеточных моделей элементов водометного движителя Сеточная модель проточной части ВД определяет такие характеристики моделирования как погрешность расчета, стабильность получаемых результатов, машинное время расчета, точность моделирования пограничного слоя, завихрений потока и отрывов от стенок.

Основная задача при построении сеточных моделей – нахождение оптимального количества расчетных ячеек, при котором погрешность моделирования становится минимальной, а решение стабильным (сходящимся) и не зависящим от увеличения количества ячеек. Исследование сеточных моделей проводится на отдельных элементах ВД – водоводе, РК и реактивном сопле.

использованием блочного подхода, сетка преимущественно тетраэдрическая, со слоями призматических ячеек вдоль твердых стенок. Сеточная модель создается для каждого из участков ВД в отдельности – статорного входного участка с водоводом, роторного участка рабочего колеса и статорного участка спрямляющего аппарата и реактивного сопла.

Параметры расчетной сетки в области входного участка (рис. 2.18):

- толщина ПС на днище судна – 50 мм;

- толщина ПС на стенках водовода – 6 мм.

Остальные параметры сетки приведены в табл. 2.6.

Таблица 2.6 – Параметры сетки водовода Кол-во ячеек ПС на стенках ВД и на «днище» судна Минимальный размер ребра ячейки, мм Максимальный размер ребра объемной ячейки, мм Максимальный размер ребра поверхностной ячейки, мм Размер ребра ячейки на стенках водовода и вала, мм Размер ребра ячейки на выходной плоскости водовода, мм Суммарное количество ячеек, млн.

Параметры расчетной сетки в области РК и СА (рис. 2.19 а, б):

- толщина ПС на стенках РК и сопла – 6 мм.

Остальные параметры сетки приведены в табл. 2.7, 2.8.

Расчетная сетка во входном участке состоит из призм с измельчением ячеек у стенок трубы и вала (рис. 2.18, а, б). Сетка рабочего колеса (рис. 2.19, а) является преимущественно тетраэдрической, с измельчением вдоль втулки, наружной стенки и лопастей. Максимальный размер ячейки на лопастях необходимо выбирать не более чем 1/20 хорды лопасти, а толщина пограничного слоя соизмерима с максимальной толщиной ячейки. Для выходного участка, состоящего из СА и сопла (рис. 2.19, б) сетка является преимущественно тетраэдрической, с измельчением у стенок и спрямляющих лопаток, рекомендации к размеру ячеек те же, что и для рабочего колеса.