Водометный движитель

Масса воды, отбро?енная движителем в корму, создает в виде реакции упорное давление, движущее судно вперед. Создает ли масса воды боль?ое или малое ускорение, безразлично. В обоих случаях расходуется одинаковая мощность и возникает одинаковый упор винта. К сожалению, это отражает ли?ь физический принцип. В действительности имеется совер?енно определенное, наиболее благоприятное соотно?ение между массой воды и ускорением.
Водометный движитель действует так же, как гребной винт: вода засасывается спереди, лопатки насоса, подобно лопастям винта, придают ей ускорение, после чего вода выталкивается в корму. От гребного винта он отличается ли?ь вне?ним видом — винт, точнее, колесо насоса установлено в трубе внутри катера. Кроме того, водяная струя не уходит незаметно под воду, а выбрасывается из сопла, установленного над водой. Действие выбрасываемой за корму струи воды вызывает равную по величине и направленную в нос реакцию, благодаря которой катер получает движение вперед.
Нередко считают, что водометный движитель позволяет развить гораздо боль?ую скорость, чем гребной винт.
Чтобы определить достоинства и недостатки водометного движителя, необходимо рассмотреть два фактора: его расположение на катере и к. п. д.
Есть что-то заманчивое в идее установить высокоэффективный насос внутри судна. ?дея создания водометного движителя появилась значительно рань?е, чем был изобретен гребной винт. Еще в 1784 г. Джемс Рамсей продемонстрировал на реке Потомак в США первый пароход с водометным движителем. В 1867 г. английский военно-морской флот проводил опыты с центробежными насосами в качестве движителя для канонерской лодки «Уотервич» длиной 50 м. Паровая ма?ина мощностью 760 л. с. при частоте вращения 40 об/мин приводила в действие центробежный насос. Ротор насоса имел диаметр около 4,25 м. Канонерская лодка с водометным движителем развивала скорость 17,2 км/ч.
Последнее звено в длинной цепи исследований замкнулось в Новой Зеландии, где Гамильтон попытался создать маленький катер для плавания по каменистому мелкому горному ручью. С обычным гребным винтом это было невозможно, так как части, выступающие под днищем, получали повреждения из-за ударов о камни.
Вначале Гамильтон установил внутри катера обычный центробежный насос, в результате чего водяная струя выходила в корме под катером. Выходное отверстие было выполнено поворотным, т. е. управляемым, поскольку под днищем катера нельзя было установить даже маленького пера руля. В 1953 г. Гамильтон ре?ил подводное выпускное отверстие вывести на транец   над водой, обеспечив выброс водяной струи в воздух. Это как будто незначительное изменение оказалось весьма эффективным. Если экспериментальный катер рань?е развивал скорость 18 км/ч, то при выбросе струи в воздух была достигнута скорость 27 км/ч.
Преимущества водометного движителя:
1. Отсутствуют выступающие части под днищем катера (рис. 195). В результате исключена опасность ранения пловцов и водных лыжников,
2.   Не возникает кренящий момент, вызываемый вращением обычного судового гребного винта.
3.  Неболь?ая осадка дает возможность использовать катера с водометными движителями в мелких водоемах. Правда, при неболь?ой скорости катера водоросли могут засосаться внутрь, но они достаточно просто удаляются.
4.   Катер легко спускается с трейлера и поднимается на него.
5.  Для катеров, участвующих в специальном виде гонок «с ускорением», с успехом используется высокое начальное ускорение.
6. При установке на неболь?их быстроходных пожарных катерах движитель можно применять в качестве пожарного  насоса.
Например, в Новой Зеландии, где реки в основном мелководные, с каменистым дном, используется около 3000 малых спортивных катеров (длиной 4—8 м) с водометными  движителями.
К недостаткам водометов относятся значительные потери мощности от трения воды, так как она проходит длинный путь по узким впускным и выпускным каналам, внутренние поверхности которых бывают не совсем гладкими. Лопатки насоса также иногда ?лифуются недостаточно хоро?о. Кроме того, трение возникает в неподвижных направляющих аппаратах. Значительное сопротивление вызывается и ре?еткой всасывания, что приводит к завихрению потока и может преждевременно вызвать кавитацию.
В насос даже на самых высоких скоростях должна поступать вода, а не смесь воды с воздухом. Если днище сли?ком плоское или имеет обратную килеватость, наподобие морских саней, то воздух засасывается очень легко. При наличии пузырей воздуха в воде упор резко умень?ается.
Остановимся на проблеме коррозии. Многие водометы находятся под угрозой коррозии, так как для изготовления корпусов, лопаток, приводных валов, впускных ре?еток применяют разнородные металлы. Но поскольку водометные движители предпочитают устанавливать на малых быстроходных катерах, то их можно хоро?о защитить от коррозии. Для этого необходимо после каждого плавания поднимать катер на берег или на прицеп.
Малые легкие спортивные катера с двигателем боль?ой мощности развивают при помощи водометных движителей высокие скорости. Это вызвало несколько преждевременное увлечение ими вплоть до утверждения, что будущее принадлежит водометам. Тем временем выявились как достоинства, так и недостатки этой системы. Теперь можно быть уверенным, что катер с обычным имеющимся в продаже водометным движителем достигнет хоро?его общего эффекта.
В любом случае двигатель без реверсивной передачи с водоструйным насосом обойдется дороже, чем обычный катерный двигатель с реверсивной передачей, валопроводом и гребным винтом. Эта чисто коммерческая точка зрения, от которой зависит возможный сбыт движителей, привела к тому, что в основном изготовляют ли?ь неболь?ие высокооборотные водоструйные насосы, так как их можно подсоединять к современным катерным двигателям без промежуточного редуктора. Поэтому водометы используют преимущественно на легких быстроходных катерах, где боль?ая мощность сочетается с малым весом катера. Фирма «Гамильтон» выпускает инструкцию, в которой указано, что водометный движитель может быть установлен на катере только в том случае, если выдержаны определенные соотно?ения между весом катера, включая вес экипажа, и мощностью двигателя. Так, максимальный вес малого быстроходного катера длиной 4—6 м должен быть от 12 до 16 кг на каждую ло?адиную силу мощности двигателя, а катера длиной 6—9 м — не более 9 кг. Очень высокие скорости и хоро?ий к. п. д. достигаются в том случае, если вес катера составляет не более 5—7 кг на каждую ло?адиную силу мощности двигателя.
Многие водоструйные насосы подходят к обычным высокооборотным автомобильным двигателям, частота вращения которых составляет 3500—4500 об/мин, но непригодны для довольно боль?их туристских катеров.
Конечно, водометные насосы можно выпускать и для более тяжелых и тихоходных катеров. В этом случае, чтобы получить хоро?ий к. п. д. в диапазоне малых и средних скоростей, требуется пониженная частота вращения двигателя и боль?ой диаметр насоса.
Характерно, что ни один из серийных водометных движителей не предлагается вместе с катерным дизелем, так как дизели имеют сли?ком боль?ой вес и недостаточно высокую частоту вращения для экономически приемлемого объединения с неболь?ими насосами. Несмотря на это, нередко высокооборотные водоструйные насосы все же устанавливают на боль?их тихоходных  катерах.
В результате наступает полное разочарование. Чаще всего насосы демонтируют и заменяют обычной ма?инной установкой с гребным винтом.
При выборе гребного винта диаметр и ?аг винта тщательно подбирают к мощности двигателя и скорости катера. Никто не выражает неудовольствия, если с гребным винтом проводят испытания, превы?ающие необходимые для получения заданных технических параметров. Но задумывались ли над тем, что это относится и к водометному агрегату? Вероятно, заводы имеют в запасе несколько рабочих колес различного ?ага. Однако меняют колесо очень редко, а еще реже вносят изменения в диаметр насоса или направляющие каналы, так как это привело бы к изменению всей установки.
У приводимого в движение при помощи водомета легкого быстроходного катера, аналогично катеру с гребным винтом, имеются два состояния равновесия: первое — между мощностью двигателя на валу и мощностью, используемой насосом, второе — между реакцией водяной струи и сопротивлением катера. Третье состояние, свойственное ли?ь водомету, — равновесие между потребным количеством воды и диаметром выпускного сопла.
?так, имеется ?есть переменных величин. Если удается их хоро?о согласовать между собой, то катер с водометным движителем достигнет той же скорости, что и катер с обычным гребным винтом. Конструкции, вызывающие дополнительное сопротивление обеих систем, можно считать равноценными: у водометного движителя — ре?етку водозаборника и поверхность водоводов, а у гребного винта — выступающие части (вал, крон?тейн гребного вала и руль).
Если катер с водометным движителем показывает боль?ую скорость, чем такой же катер с гребным винтом, то это значит, что при оборудовании катера гребным винтом были допущены о?ибки (возможно, плохо подобран гребной винт или выступающие части недостаточно от?лифованы). Часто попадаются крон?тейны гребного вала неудачной конструкции, сли?ком толстые гребные валы и боль?ое необработанное перо руля. В луч?ем случае скорость катера с водометным движителем будет такой же, как и катера с гребным винтом.
До сих пор ни разу не упоминалось о своеобразном поведении водометного движителя на малом и среднем ходу. Увеличение и снижение скорости катера с обычным гребным винтом происходит почти пропорционально частоте вращения двигателя. Совсем по-другому ведет себя водометный движитель. Высокая скорость выброса струи достигается благодаря создаваемому в насосе давлению, а также правильно подобранному диаметру выпускного сопла. Чтобы струя создавала наиболь?ую реакцию, вся установка, состоящая из двигателя, насоса и выпускного сопла, должна быть рассчитана на максимальные мощность и частоту вращения двигателя. Как только частота вращения снижается и катер теряет скорость, начинает умень?аться давление в системе, так как диаметр сопла отрегулирован на максимальную частоту вращения. При этом скорость снижается в значительно боль?ей степени, чем частота вращения двигателя.
движителями, кривая Г — на обычном катере с гребным винтом. Она показывает прямую зависимость между частотой вращения винта и скоростью катера. По кривым А, Б и В видно, как быстро падает скорость с понижением частоты вращения. Если при 2000 об/мин насос еще перемещает половинный объем воды, то выпускное сопло уже не наполняется и водяная струя вместо того, чтобы с силой выбрасываться из сопла, бессильно выплескивается в воду. Это видно на левом нижнем плече кривых А, Б и В. Если катер с гребным винтом развивает значительную крейсерскую скорость, то катер  с водометным движителем движется   очень медленно.
Например, при 4000 об/мин катера как с гребным винтом, так и с водометом имеют скорость примерно 60 км/ч, при 2000 об/мин скорость катера с гребным винтом равна 27 км/ч, а катера с водометным движителем — ли?ь 14 км/ч.
Следует отметить, что кривые А и Б соответствуют точным замерам, а кривая В вызывает сомнения. Неболь?ая скорость катера с  водометным  движителем  при   пониженной   частоте  вращения двигателя получается в результате несоответствия между подаваемым количеством воды и сечением выпускного сопла. Чтобы развить скорость, которую имеет винтовой катер при 2000 об/мин, катеру с водометным движителем необходимо увеличить частоту вращения винта до 3000 об/мин и более.
На заводском испытательном стенде характеристики водоструйного насоса, лопаток и сопла согласовывают таким образом, что при максимальной частоте вращения винта возникает наиболь?ая реакция струи. Если подобную установку, состоящую из бензинового катерного двигателя мощностью 240 л. с. при частоте вращения 4200 об/мин, к которому присоединен водоструйный насос диаметром 0,30 м, смонтировать на катерах различной величины и водоизмещения, то можно прийти к Совер?енно непредвиденным результатам.
Открытый спортивный катер испытали при двух нагрузках — с одним рулевым на борту и общим весом 910 кгс (кривая А) и затем с пятью пассажирами на борту при общем весе 1230 кгс (кривая Б). Достигнутые максимальные скорости оказались равными 91 и 86 км/ч (точки 1, 2). При этом частота вращения двигателя составляла немногим боль?е 4200 об/мин. С умень?ением скорости примерно до 50 км/ч поведение катера не изменилось, однако при снижении частоты вращения двигателя примерно от 2500 до 2200 об/мин скорость катера резко падала — до 12 км/ч. Получить скорость 20 или 30 км/ч оказалось совер?енно невозможно. Как только устанавливалось равновесие в работе насоса и сопла, катер начинал развивать скорость более 40 км/ч. При ничтожном умень?ении частоты вращения двигателя равновесие нару?алось, и катер снова двигался со скоростью 12 км/ч.
Цифры 52% и 56% в нижних точках изгиба кривых показывают, до какого процента максимальной частоты вращения катер движется медленно, прежде чем наступает внезапное повы?ение скорости.
Несмотря на достаточно высокую мощность двигателя, прогулочный моторный катер длиной 8 м оказался, по-видимому, сли?ком тяжел для того, чтобы приводиться в движение от 12-дюймового насоса. Были проверены три нагрузки: сначала с одним рулевым — общий вес 1590 кгс (кривая В), затем с несколькими пассажирами — общий вес 2000 кгс (кривая Г) и наконец с боль?ой нагрузкой — общий вес 2950 кгс (кривая Д). При частоте вращения 3950 об/мин двигатель еще мог развивать мощность 200 л. с, и катер в зависимости от общего веса достигал максимальной скорости 58, 53 и 39 км/ч (точки 3, 4, 5).
Особенно показателен малый ход, выраженный в процентах от максимальной частоты вращения, до момента, когда катер будет иметь нормальную скорость. При наимень?ей нагрузке малый ход продолжается до 76% максимальной частоты вращения двигателя, у более нагруженного катера — до 78%, а у катера с самой боль?ой нагрузкой — до 97%. Если продолжать увеличивать нагрузку, то катер, несмотря на высокую мощность двигателя, не сможет иметь нормальной скорости.
Следует подчеркнуть, что водомет на прогулочном катере был установлен исключительно в экспериментальных целях. Водоструйный насос с боль?ей производительностью и пониженной частотой вращения (с увеличенным диаметром колеса) на боль?ом катере был бы значительно выгоднее.