Непосредственная причина заключается в том, что британцы испытали на «Черчилле» около 1970 года реактивный двигатель, а ВМС США — нет. С уверенностью, что водомёт будет работать на полномасштабной подводной лодке (в отличие от небольших моделей аэродинамической трубы или модели бассейна), британцы считали, что серийное производство подводной лодки с водомётом было практичным. Конструкция движителя, особенно в эпоху, предшествовавшую вычислительной гидродинамике, была очень сложной и зависела от масштаба, поэтому проектировщики должны были обеспечить соответствие своим характеристикам и шуму на полномасштабной подводной лодке.
Похоже, однако, что и серии лодоу «Свифтшур» и «Трафальгар» имели возможность вернуться к обычным винтам, если бы водомёт не был успешным (это потребовало бы некоторой модификации поверхностей управления «Свифтшур», но, вероятно, было связано с болтовыми соединениями для «Трафальгары»). Ведущие подводные лодки обоих серий имели обычные винты.
Двигатель от танка или для подводных лодок
Но более глубокий вопрос заключается в следующем: почему военно-морской флот США не приступил к крупномасштабным испытаниям реактивного самолета примерно в то же время, что и британцы? Расследование военно-морского флота США по поводу подводных лодок с реактивным двигателем восходит к концу Второй мировой войны. Я видел довольно подробные исследования дизайна водомётных установок на ГУППИ, «Альбакор», «Джек», «Скипджек» и «Этан Аллен». В 1959 году США впервые установили водомёт на эсминце «Витек». Эскортный эсминецт «Гловер», введенный в эксплуатацию в 1965 году, имел следующую конструкцию движителя.
Стоит рассмотреть достоинства и недостатки водомётов:
- Уменьшенные низкочастотные тональные сигналы (уровень шума лопастей) на средней и высокой скорости благодаря более равномерному притоку в ротор.
- Снижение кавитации на высокой скорости из-за замедления формы водовода и уменьшения вихрей наконечника и ступицы.
- Потенциальный выигрыш в пропульсивной эффективности благодаря взаимодействию ротора со статором (подобно винтам, вращающимся в противоположных направлениях, струя водомёта теряет меньше энергии из-за вращения вытекающей воды).
- Если они недостаточно жесткие, лопасти ротора могут попасть в водовод.
- Вес значительно больше, чем у винта, и в худшем месте: на крайнем корме. Подводная лодка должна иметь достаточную плавучесть в кормовой части, чтобы поддерживать струю водомёта, или большая масса должна быть добавлена к носу для компенсации, что может оказаться невозможным.
- Водовод и статор (и опоры водовода, если имеются) увеличивают сопротивление, поэтому эффективность движения должна быть выше, чтобы преодолеть это сопротивление.
- Доступ к ротору водомёта может быть довольно трудным.
- Кормовая производительность некоторых форсунок водмёта ужасна (такая же низкая, как 10%, такая же эффективность, как и носовая).
Флот впоследствии сделал успехи в конструкции винтов. Винт «Лос-Анджелеса» постоянно обновлялся. Наконечники лопастей гребного винта существующих гребных винтов были отрезаны и установлены новые наконечники, что увеличило скорость возникновения вихревой кавитации наконечника.
Был установлен втулочный вихревой диффузор (крышка гребного винта с 11 короткими лопастями), что повысило эффективность и исключило кавитацию втулочных втулок на высокой скорости. У 688I (улучшенный «Лос») есть «гибридные» вмнты, у которых есть группа, соединяющая наконечники лезвия. Форма лопастей существенно отличается, и полоса, вероятно, устраняет кавитацию кончика лопасти и делает гребной винт более жестким.
Водомёт «Сивулф» был тщательно протестирован на нескольких масштабных (от 1/6 до 1/4) моделях в Лейк-Пенд-Орей. Таким образом, когда дело дошло до строительства «Сивулф», уже было большое количество исследований, поддерживающих конструкцию водомёта. И все же водомёт «Сивулф» не достиг показателей по низкочастотному высокоскоростному шуму.
Подводная лодка серии «Лос-Анджелес» «Питтсбург» провела испытания двух полномасштабных движителей (СУПРЕДЖЕТ и SUPRELITE), которые разработали технологию для лодок серии «Вирджиния». СУПРЕЛАЙТ был легче благодаря своей композитной конструкции, хотя сломался примерно через год. Подводные лодки масштаба 1/4 «Кокэйни» и «Катсрот» также испытали водомёты для серии «Вирджиния». Разработка водомётов в военно-морском флоте США все еще продолжается, с облегченным двигателем типа «Продвинутый гибрид», который разрабатывается для более поздних подводных лодок серий «Вирджиния» и «Колумбия».
Источник: shoehanger.livejournal.com
Проектирование движителя
На подводных аппаратах применяют следующие типы движителей: гребной винт, водометный движитель, крыльчатый движитель, движитель Хейзлтона. Эти движители в зависимости от места установки служат для создания горизонтальной и вертикальной тяги.
Гребной винт остается наиболее распространенным типом движителя для подводных аппаратов. Такие подводные аппараты, как «Алвин», «Алюминаут», батискафы, а также большинство подводных аппаратов для малых глубин в качестве движителей имеют гребные винты. Основными достоинствами гребных винтов являются высокий коэффициент полезного действия, достигающий у лучших винтов 70%, простота изготовления и малый вес.
Исходными данными для проектирования движителя следующие: форма и размеры корпуса ПА, расположение движителя относительно корпуса (необходимы для оценки факторов взаимодействия винта и корпуса: коэффициента попутного потока щ, коэффициента засасывания t и коэффициента влияния корпуса зк), расчетная скорость аппарата х, необходимая тяга движителя Pe при расчетной скорости, дополнительно могут быть заданы диаметр D и частота вращения винта n.
Для того чтобы ПА перемещался с заданной скоростью х, необходимо совершать работу в единицу времени, равную Rxх. Если в качестве движителя ПА используются гребные винты, то эффективная мощность двигателя, кВт, будет определяться выражением
где зп — пропульсивный КПД движителя.
где зр — КПД гребного винта, зк — коэффициент влияния корпуса, зм — КПД механической передачи.
где t — коэффициент засасывания, щ — коэффициент попутного потока.
где Ре = Rx ( Rx — лобовое сопротивление).
При проектировании ПА для выбора основных геометрических характеристик ГВ и приближенной оценки их частоты вращения и К.П.Д. широко пользуются диаграммами, построенными по данным модельных испытаний серий винтов в свободной воде или в результате теоретических расчетов. В отечественной практике пользуются диаграммами Пампеля.
При известных значениях vp, Р и n, рассчитываем коэффициент упора Кn по формуле:
Примем частоту вращения гребного винта n=600об/мин, t=0.15, щ=0.2, тогда упор одного движителя:
По диаграмме для найденного значения Кn определяем характеристики гребного винта: зр=0,55, H/D=0.75, лр=0,47.
Оптимальный диаметр ГВ:
Мощность двигателя по (3.6):
Для привода гребного винта выбираем электродвигатель постоянного тока 3ДБМ50-0,16-4-3, параметры которого приведены в таблице
Условное обозначение двигателя
размеры, мм (по рис.)
Номинальное напряжение питания, В
Номинальная мощность, Вт
Номинальная частота вращения, об/мин
Наружный диаметр статора, мм
Внутренний диаметр ротора, мм
Осевая длина не более, мм
Для обеспечения необходимой частоты вращения гребного винта между двигателем и винтом устанавливается редуктор.
Передаточное отношение редуктора:
Выбор двигателя привода манипулятора
Выбор двигателя М1 (рис.8)
масса клешни, кг 10
координата центра масс клешни, м 0,4
Внешняя нагрузка на клешню, кг 10
координата приложения нагрузки, м 0,6
Момент на валу Мкр=100Нм
С учетом момента трения на валу привода
где Ктр=1.3 — коэффициент, учитывающий работу механизма с элементами герметизации в воде.
Определение мощности двигателя производится по значению момента. Момент на валу двигателя
где з=0.6 — к.п.д. с учетом двигателя и редуктора механической передачи, реботающей в жидкой среде.
Выбираем двигатель 3ДБМ70 -1,1-1,3-3, со следующими характеристиками:
частота вращения, об/мин 1300
номинальное напряжение, В 27
Скорость вращения клешни с учетом передаточного числа редуктора щ=0,7рад-1.
Источник: studbooks.net
Создание отечественного корабельного волнового движителя
Наука
Просмотров 3.2к.
Ещё в 60-х годах ХХ века специалисты серьёзно задумались над созданием корабельного движителя, использующего энергию волн для движения судна. Одним из этих специалистов стал выпускник Высшего военно-морского инженерного ордена Ленина училища имени Ф.Э. Дзержинского Юрий Фёдорович Сенькин, впоследствии всю жизнь посвятивший проблеме корабельных волновых движителей. Юрий Фёдорович создал и возглавил волнодвижительное направление в Московской научно-производственной фирме «ЭКИП» («Экология и прогресс»), где и построил действующие модели своего волнового движителя.
В первой половине 90-х годов ХХ века опытный образец волнового движителя был установлен и испытан на малом траулере типа «Балтика».
Сам волновой движитель и все его вспомогательные механизмы были смонтированы в носу судна в бульбовом обтекателе. Проведённые морские испытания показали надёжность созданной конструкции, экономию топлива и увеличение скорости хода, а значит и дальности плавания.
Судно, оснащённое волновым движителем, может использовать установку при волнении моря свыше 3 баллов. А при волнении моря в 5-6 баллов оно может идти со скоростью 6-8 узлов при остановленном главном гребном движителе. Средняя экономия топлива за год может составить до 30%, а приращение скорости может достигать 60%.
Стоит отметить, что испытания волнового движителя проводились также в Норвегии и Японии. Но первый полноразмерный судовой волновой движитель был установлен и испытан на отечественном судне.
Судно, снабженное волновым движителем, на курсе, встречном волне, использует наибольшее количество энергии морских волн (т.е. имеет максимальный КПД). Поэтому видится наиболее перспективным установка волнового движителя в качестве дополнительного на суда-ветроходы, единственным способом движения которых навстречу ветру является лавировка, т.е движение галсами под углом навстречу ветру.
Способность волнового движителя увеличивать тягу при движении навстречу волне поможет сэкономить топливо при штормовых переходах, когда сопротивление движению судна существенно повышается. Проведённые фирмой «ЭКИП» эксперименты с моделями разных типов судов в ЦНИИ им. А. Крылова, в Калининградском рыбном институте показали, что наилучший экономический эффект использование волнового движителя даёт на современных транспортных судах.
Ещё одно, не менее важное чем экономия топлива свойство волнового движителя — крайне малый его вклад в общий шумовой портрет корабля (по сравнению с традиционными движителями). Это делает волновой движитель перспективным для установки на военных кораблях (судах), для которых акустическая скрытность на малом ходу в течении длительного времени является определяющей при выборе энергетической установки. К таким типам могут относится научно-исследовательские суда, разведывательные корабли (в том числе и с буксируемой полезной нагрузкой), а также специализированные противолодочные корабли.
Теперь немного теории:
Рассмотрим принцип работы наиболее перспективного типа волнового движителя — крыльевого типа — на примере экспериментальной установки:
Она состоит из рельсов (3), неподвижно закрепленных над поверхностью взволнованного моря (например, на сваях), по которым может перемещаться тележка (2). На нижнем конце кронштейна (4), закреплённого к тележке, закреплено подводное крыло симметричного профиля, которое может поворачиваться в вертикальной плоскости.
Будем считать, что движение частиц воды происходит в морской волне по круговым орбитам, в вертикальной плоскости. Пусть в точке А1 вектор скорости U частиц воды направлен вертикально в низ. Повернём крыло вокруг горизонтальной оси носовой кромкой вверх и установим его под некоторым углом атаки к вектору скорости U.
На крыле возникнет подъёмная сила У, в данный момент направленная справа налево. Эта сила – волновая тяга – потянет тележку влево. Силу гидродинамического сопротивления крыла, которая существенно меньше подъёмной силы У, для простоты принимать во внимание не будем.
В точке А2, которая сдвинута относительно точки А1 на половину длины волны и находится на восходящем склоне гребня, вектор скорости орбитального движения частиц воды в волне оказывается направлен вертикально вверх. Если повернуть крыло носовой кромкой вниз и установить его с углом атаки к вектору скорости U, то на нём возникнет подъёмная сила У, которая направлена влево, то есть по ходу тележки, который она получила в первом случае.
Таким образом, используя вертикальное перемещение частиц воды при её орбитальном движении, можно получить на крыле волновую тягу, движущую тележку (судно) в заданном направлении. Необходимо только ориентировать переднюю кромку крыла навстречу вертикальной составляющей скорости U движения частиц воды под некоторым углом атаки и в направлении движения тележки.
При горизонтальном направлении вектора скорости орбитального движения воды и установке крыла в плоскости потока подъёмная сила на крыле не возникает, а тяга равна нулю.
Однако, в отличии от тележки, судно на ходу не может опираться на неподвижно закреплённые рельсы и поэтому при волнении подвергается качке, при которой оно перемещается вместе с волновым профилем. В результате происходит уменьшение вертикальной составляющей скорости воды, натекающей на крыло (в определённых условиях она может снизиться до нуля) а, следовательно, уменьшается и волновая тяга. Поэтому описанный выше способ окажется наиболее эффективным на судах, мало подверженных качке (суда с малой площадью ватерлинии, имеющие достаточно заглубленные корпуса, супертанкеры, полупогружные суда и т.д.).
На обычных судах, которые в значительной степени подвергаются качке, целесообразно использовать не непосредственно кинетическую энергию орбитального движения воды, а энергию качки судна – кинетическую энергию колебательного движения судна относительно воды. В этом случае судно передаёт энергию качки подводному крылу-движителю, на котором эта энергия преобразуется в тягу.
Конструктивно такой движитель может быть выполнен в виде подводного крыла, закреплённого на подпружиненном относительно корпуса судна кронштейне. При показанном на эскизе расположении крыло будет работать в мало возмущённых слоях воды, то есть там, где скорость орбитального движения воды при волнении незначительна.
Пропульсивный КПД этого движителя будет ниже, чем движителя крыльевого типа, использующего непосредственно энергию орбитального движения воды при волнении, поскольку до 85% энергии морских волн теряется при её преобразовании в энергию качки судна.
Литература:
- Газета МО России «Красная звезда». 19.11.1994
- Журнал «Катера и яхты». № 2, 1987 (126)
Источник: rusdarpa.ru