Водомётный двигатель (водомётный движитель, водомёт)

Водомётный двигатель (водомётный движитель, водомёт) - движитель (движитель, если кратко, это специальное устройство, которое преобразует энергию двигателя в процесс перемещения транспорта), у которого сила, движущая судно, создаётся выталкиваемой из него струёй воды. Особенно популярны водомётные двигатели при необходимости движения по мелководью.

Плюсы водомётного двигателя:

• крыльчатка импеллера находится внутри корпуса плавательного средства и поэтому неопасна для людей, находящихся рядом в воде. Это — главная причина, по которой водометы применяются на гидроциклах и на буксировщиках воднолыжников. Спасательные катера — еще одна область, где безопасность водометов может сыграть решающее значение.
  Благодаря этому же плавательным средствам с водомётов возможно прохождение по мелководью, преодоления засоренных участков водоёмов (замусоренные фарватеры) и даже отдельных препятствий, выступающих из воды (перекаты, мели и т. п.), там, где на обычном винтовом моторе можно разрушить винт, а то и сам мотор.
• на больших скоростях КПД выше, чем у гребных винтов (обеспечивается либо увеличенной максимальной скоростью, либо экономией топлива)
• у плавательных средств с водомётным двигателем отсутствует дополнительное сопротивление воде, свойственное двигателям с открытым гребным винтом (когда лопасти винта и создают дополнительное сопротивление).
• водомётные плавательные средства более устойчивы и управляемы (т.к. водомёт как бы "присасывает" плавательное средство к воде, за счёт чего он устойчиво ведёт себя даже в резких виражах на высокой скорости)
• плавательное средство с водомётом может совершить разворот практически на месте и даже двигаться бортом вперёд (что на классическом судне с винтами не возможно). Разворот на 180 градусов даёт возможность экстренного торможения с минимальным уровнем тормозного пути (что нельзя сделать на моторах с гребными винтами, т.к. такой разворот создаст слишком высокую нагрузку на приводной вал, что может привести к его выходу из строя).
• меньший гидродинамический шум в сравнении с винтовыми движителями
• сам винт в водомёте работает в стационарных условиях, близком к идеальном, на которые не влияет поток воды снаружи

Минусы водомётного двигателя:

• меньший, чем у винтов, КПД на малых скоростях (например, при запуске/разгоне) из-за:
• необходимости перевозки, помимо собственно полезного груза, также и воды, находящейся в трубопроводе (она используется в качестве рабочего тела)
• потери мощности из-за трения воды о стенки трубопровода (однако этот недостаток компенсируется повышенной эффективностью импеллера)
• потери мощности из-за турбулентных завихрений потока воды в каналах водомёта.
• затруднительность подачи воды сквозь днище судна к насосу, на эффективность которого будет влиять скорость движения судна относительно воды
• водозабор может затянуть со дна водоросли, камни, песок, мусор. Это может забить систему охлаждения либо повредить импеллер и водовод.
  
  Водомёт может забиваться водорослями, которые, наматываясь на вал с импеллером, могут его заклинить. В случае заклинивания водомёта для предотвращения поломки стационарного двигателя на валу предусмотрена срезаемая шпонка. Очистить от водорослей водомётный движетель можно открыв смотровой лючок и убрав их. Смотровой лючок находится в своеобразном "колодце", края которого подняты выше ватерлинии, что позволяет иметь доступ к водоводу на плаву.
  От попадания в водомёт крупных камней предохраняет решётка во впускном отверстии.
• высока степень износа пары ротор-статор, так как судно часто эксплуатируется на мелководье
• ремонт более затратен, чем ремонт винтов
• водомётный двигатель подвержен обрастанию. Если водомет используется регулярно, проблема не возникает, поскольку проходящий через канал поток воды препятствует обрастанию, однако стоит оставить плавательное средство без использования всего на две летние недели, и водомет так "обрастет", что плавательное средство потеряет 10% своих скоростных данных. Покрытие водомета изнутри противообрастающими красками дает положительный эффект, но для окраски установку придется полностью разобрать. Кроме того, постоянный поток воды через некоторое время просто смоет эту краску

Применение водомётного двигателя

Водомётные двигатели обычно применяются на судах, которые плавают на мелководье: начиная от легких моторных лодок до скоростных судов и буксиров.

Водомёты могут использоваться в качестве подруливающего устройства для улучшения поворотливости судов.

Производители лодочных моторов выпускают подвесные моторы с водомётным движителем или модули-приставки, рассчитанные на самостоятельную установку: на гидроциклах, которые используются при буксировке воднолыжников и вейкбордистов.

Водомётный движитель активно используется на плавающей бронетехнике СССР и России, в частности, на плавающем танке ПТ-76, бронетранспортерах БТР-50, БТР-60, БТР-70, БРДМ-2, БТР-80, БТР-90 и т.п..

Водомётный двигатель используется в ВМФ. Так, в РФ, водомётный двигатель имеет малый ракетный корабль проекта 21631 и атомная подводная лодка проекта 955 "Борей".

Устройство и принцип работы работы водомётного двигателя

Грубо говоря водометный движитель представляет собой тот же гребной винт, но заключенный в трубу. Поэтому устройство водомёта, условно, состоит из двух частей: импеллер и водовод (водомётной трубы).

Имппеллер

Импеллер, по своей сути, это водяной насос, винт которого заключён в кольцо, что позволяет снизить потери мощности.

Импеллер может быть:

• осевого типа – максимально простой в изготовлении, однако КПД находится на низком уровне. Кроме того, наличие эффекта кавитации (процесс парообразования и последующего схлопывания пузырьков пара с одновременным конденсированием пара в потоке жидкости) даёт возможность функционирования лишь на низких оборотах.
• осе-диагонального типа – рассчитан на моторы со средним количеством оборотов. Уровень КПД немного выше, чем у осевых импеллеров
• диагональным и шнековым – современные разновидности импеллеров, которые изготовлены с учётом современных технологий. Главное преимущество обоих видов – высокий уровень КПД и возможность работы с моторами с наличием высоких оборотов.

Импеллер является самой сложной деталью в составе водометного движителя.

Импеллеры обычно изготавливают литыми с последующей механической обработкой лопастей. Некоторые производители изготавливают сварные импеллеры, заранее обработанные лопасти привариваются к ступице. Такая технология допустима в случае с низкооборотными осевыми импеллерами и совершенно не допустима для высокооборотных движителей. Значительный дисбалансы таких импеллеров, переменные силы действующие на лопасти неизменно приводят к отрыву лопастей, что может в свою очередь привести к разрушению всего движителя.

Большинство производителей водометов для малого судостроения изготавливают импеллеры методом точного литья с минимальной последующей обработкой. Такая технология дает значительное снижение стоимости изготовления при соблюдении высокой точности геометрии.

Импеллеры изготавливаются из нержавеющей стали или коррозионно-стойких бронз и латуней

Водовод (водомётная труба)

Водовод состоит из следующих элементов:

• водозаборную часть – передняя область, способствующая перемещению воды к винтовой части
• спрямляющий аппаратный элемент, который трансформирует вращательные движения водных потоков в прямолинейные
• сопловой элемент
• кончик трубочки, сквозь который водные массы находят выход
• реверсивно-рулевое устройство (РРУ)

Трубы водовода располагаются внутри или снаружи корпуса судна. Эффективность водомётного движителя зависит от формы водоводов, места расположения и конструкции водозаборников.

Водовод с точки зрения гидродинамики очень важная деталь любого водомётного двигателя. Кроме этого конструктивно водозаборник, как правило, является несущей силовой деталью водометного движителя. Именно в водозаборнике происходит "подготовка" воды перед импеллером. Очень важно, чтобы течение жидкости подошедшей к импеллеру было максимально равномерным и ламинарным по всему сечению. Кроме того законом изменения сечений водозаборника можно добиться минимального разрежения на входе водозаборника, что положительно сказывается на способности водомета не "засасывать" в себя посторонние предметы.

Принцип работы водомётного двигателя

Принцип работы водомёта напоминает принцип работы реактивного двигателя. Главным отличием выступает поток воды (а не поток воздуха, как у реактивного двигателя), поступающий из сопла водомёта.

Отверстие, предназначенное для забора воды в водоток, располагается в нижней передней части плавательного средства. Водозаборник включает в состав сетку, способную провести фильтрацию от водорослей и плавающего мусора. При конструировании водозаборника специалисты стараются обеспечить водному потоку ламинарное течение, что значительно улучшит общие характеристики мотора.

Вода, находящаяся в водомёте, приводится в движение по трубе водотока благодаря импеллеру. Проходя импеллер, водный поток ускоряет свой ход, после чего вода попадает в суженную часть водоводной трубы, что ещё больше увеличивает скорость прохождения. (что ещё больше увеличивает скорость прохождения воды).

Далее вода попадает в спрямляющий аппарат, который оснащён лопатками своеобразной формой, способствующей оказывать незначительное сопротивление жидкости, которая движется навстречу. Спрямляющие аппараты могут быть разнообразной конструкции. Наиболее популярной из них является лопаточное поджатие. Именно эта разновидность конструкции позволяет спрямляющему аппарату одновременно выполнять функции соплового устройства.

Водные потоки попадают в сопловую часть (если спрямляющее устройство не выполняет эту функцию). Уменьшение в сопле проходного сечения преобразует давление воды в ее скорость.

В результате отбрасываемая масса воды создаёт упор движителя и плавательное средство приводится в движение.

Реверсивно-рулевое устройство (РРУ) обеспечивает маневрирование и повороты плавательного срдества.
Практически все ведущие фирмы, производящие водомёты имеют свои, отличающиеся от других производителей, схемы РРУ.

Для управления на переднем ходу большинство производителей применяют различные конструкции поворотных насадок.

Существует, так называемое полноповоротное сопло, устройство, которое не воздействует на сформированную в сопле струю, поворачивая ее, а само поворачивается вместе со струей. То есть такое сопло по праву может называться устройством управления вектором тяги водометного движителя. Эффективность такого поворотного сопла чрезвычайно высока. На водометах на малом ходу для улучшения управляемости необходимы "подгазовки", а при использовании полноповоротного сопла, такая необходимость отпадает, судно одинаково эффективно управляется как на полном, таки на малом ходу. Конечно, конструкция такого рулевого устройства более сложная, чем у поворотной насадки.

В качестве рулевого устройства иногда используют рули в потоке. Такие устройства имеют целый ряд недостатков: худшая управляемость, нагруженность конструкции, потери эффективности до 5 % кпд движителя, повышенные усилия на штурвальном устройстве.

Известны схемы РРУ, когда рули в потоке при повороте на 90 градусов перекрывают весь поток струи водомета и вода начинает поступать в реверсивную камеру для обеспечения заднего хода, и при осуществлении реверса управляемость судном отсутствует.

Недостатком многих РРУ является нарушение мнемоники управления на режимах заднего хода (это когда при ходе назад, для поворота направо, штурвал необходимо крутить налево). Неэффективные реверсивные устройства – один из главных аргументов не в пользу водометных движителей при сравнении различных типов движителей.

Особенности управления водомётным двигателем

Управление плавательным средством с водометным движителем существенно отличается от управления плавательным средством с винтом. Особенно заметным это становится при маневрировании в стесненных акваториях. Преимущество плавательным средством с водометным движителем в том, что оно сохраняет полную управляемость, когда дефлектор установлен в нейтральное положение — это особенно важно в узкостях.

Однако есть и минусы. Проблема возникает, когда осуществляется переход от обычной однорычажной системы управления к рычагам управления водометом.

Некоторые изготовители водометов пытаются скопировать привычную однорычажную систему, но это, скорее, вызывает негативные последствия. Конечно, в некотором смысле это помогает водителю освоить водометный движитель, однако он должен постоянно помнить, что у водомета роль нейтрального положения реверс-редуктора нередко исполняет заслонка-дефлектор, распределяющая потоки воды. Так что и при включенном водомете можно стоять на месте — когда потоки, направленные на "реверс"и передний ход, будут уравновешивать друг друга.

Хитрость управления водометом состоит в том, что рукоятку газа надо использовать только в открытом море, а в порту следует пользоваться дефлектором. Однако эта хитрость, особенно в случае сдвоенных водометов, очень тяжело дается тем, кто привык управлять обычным винтовым судном.

Иногда пытаются решить эту проблему путем некоторой автоматизации управления с применением электроники.