Водометный катер из мотолодки «Казанка-2М»

Свою мотолодку «Казанка-2М» решил превратить в водометный катер, использовав для этой цели имеющийся у меня двигатель «ГАЗ-21». Для расчета водомета решил использовать методику, предложенную Ю. М. Войнаровским в «КиЯ» №119. Однако расчеты для меня оказались довольно сложными и громоздкими. Поэтому обращаюсь через журнал к автору статьи с просьбой помочь в расчетах водомета.

Меня конкретно интересуют ответы на следующие вопросы:

1. На какую максимальную скорость можно рассчитывать, если применить на катере имеющийся у меня шестилопастной ротор от катера «Восток» (D = 200 мм; H = 210 мм)? Какова должна быть ширина спрямляющих лопаток?

2. Каким должен быть шаг ротора для данного диаметра (D = 200 мм) для получения максимальной скорости при нагрузке два-три чел. и запасе топлива 60 л?

3. Как перевести значение угла φ для рабочего колеса (РК) с поворотными лопастями в шаг для РК с фиксированным шагом?

4. Каково будет водоизмещение катера?

---

Методика, содержащаяся в статье «Как рассчитать оптимальный водомет» (см. «КиЯ» №119), позволяет на базе серийно испытанных рабочих колес (РК) спроектировать водометный движительный комплекс, который гидродинамически оптимально сбалансирован с характеристиками плоскокилеватого глиссирующего корпуса. Последовательность расчета такова:

1. Для условий длительного эксплуатационного режима по внешней характеристике двигателя «ГАЗ-21» определяем мощность N = 60 л. с. и частоту вращения n = 3200 об/мин (53,33 об/с). Для получения максимально достижимой скорости остается резерв мощности (71 л. с.) при 3400 об/мин (на облегченном корпусе).

2. Рассчитываем параметр N·n² = 17,07·10⁴ (где n — об/с) и наносим его значение на кривую номограммы (рис. 9).

3. Со шкалы этой же кривой снимаем величину n·D = 10,62 (в нанесенной точке).

4. Поделив значение n·D на n (об/с), получаем диаметр РК: D = 0,1991 ≈ 0,2 м.

5. Проводя вертикаль и горизонталь через указанную точку, на соответствующих шкалах номограммы снимаем T·n²·10^—4 = 49; V₀ = 12,7 м/с (или 45,7 км/ч), β = 0,2917; V_c = 0,491; φ = +3,4°


6. Делением значения T·n² на n² (об/с) получаем величину тяги водомета (ВД): T = 172, 3 кг.

7. Определяем КПД полной тяги:


8. Обращаясь к рис. 11, где нанесены кривые изменения H/D для целых φ, при угле φ = +3,4° находим шаговое отношение на конце лопасти (при r = 1,0): H/D = 1,21 или Н = 242 мм; как видно из этого рисунка, шаг лопасти увеличивается к ступице (до H/D = 1,72 на r = 0,55 или H = 344 мм); а кривая изменения шага находится промежуточным графическим построением между кривыми, куда попала точка при φ = +3,4°. Геометрические характеристики 6-лопастного РК приведены на рис. 10, причем отношение А/А_D = 1,42 означает отношение суммарной фактической площади развернутых лопастей к площади кольцевого диска, ограниченного концами лопастей и ступицей; отношение диаметра ступицы к диаметру РК d_ст = 0,55, в/D — относительная ширина сечений лопасти, лежащих на секущих цилиндрических поверхностях с относительным радиусом r.

9. Пользуясь рис 1, б, при известном V_s снимаем коэффициент сопротивления водозаборника C_D = 0,078.

10. Рассчитываем гидродинамическое сопротивление водозаборника:


11. Вычисляем воздушное (лобовое) сопротивление корпуса «Казанки-2М», ширина которого В = 1,65 м, высота ~1 м:



12. При ψ = 0,02 находим сопротивление (которое должно быть) остроскулого голого корпуса при глиссировании:


13. Используя корпусную диаграмму оптимальных характеристик глиссирования (рис. 13; при β_к=15° и x_g=1,8 м), наносим на нее точку при R_г.к = 140 кг и V = 12,7 м/с. Получаем ходовой вес катера Δ = 900 кг и ширину глиссирования В = 1,05 м. Полученные данные можно уточнить по диаграммам оптимизированных характеристик глиссирования, опубликованным в «КиЯ» №144.

Следует заметить, что днище «Казанки-2М» имеет килеватость на миделе 17°, а на транце 7°, ширину глиссирующего участка днища (транца) В = 1,34 м и вогнутые обводы. Этим обусловлена большая величина R_г.к на подобной скорости, что подтверждается графиками буксировочных испытаний модели этой лодки, представленными в «КиЯ» №38. В результате пересчета кривой сопротивления модели лодки при Δ = 760 кг получается R_г.к = 160 кг на V₀ = 45 км/ч, что и следовало ожидать (из-за чрезмерной смоченной поверхности днища и его сложной формы); установка про дольных реданов в этом случае ничего не даст.

14. Далее рассчитываем внешний КПД корпуса


учитывающий сопротивление водозаборника и влияние корпуса.


15. Получаем полный пропульсивный коэффициент системы водомет — корпус


16. Рассчитываем угол раствора (телесный угол) заднего торца спрямляющей лопатки (при лопаточном поджатии) при z=6


т. е. при диаметре сопла d_c=D_рк=200 мм и диаметре внутреннего цилиндрического тела 0,55D=110 мм.

17. Находим (для справки) площадь отверстия на срезе сопла


при конструктивном поджатии струи β = 0,2917.

Расчет геометрии спрямляющих лопаток — отдельная тема. Кое какие сведения по этому во просу можно почерпнуть из статьи А. Братишко и С. Калинина в «КиЯ» №75.

В результате изложенного можно прийти к такому выводу, используемый ротор D = 200 мм и H = 210 мм с катера «Восток» для двигателя «ГАЗ-21» для лодки «Казанка-2М» не годится, так как рассчитан на большее число оборотов (видимо, под двигатель «М-412», развивающий 4500—5000 об/мин). Поэтому придется изготовить новое РК, обеспечив геометрию лопастей в соответствии с рис. 10. Из-за несоответствия корпуса расчетному варианту (на корпусных диаграммах) скорость может оказаться несколько меньше полученной в данном расчете; однако ее можно сохранить, незначительно снизив весовую нагрузку.

Режима максимальной скорости можно достичь путем уменьшения ходового веса до 600—650 кг и увеличения числа оборотов двигателя до n = 3400 об/мин (т.е. максимальной мощности N = 71 л. с.). Как показали специально выполненные расчеты, скорость V₀ = 56,4 км/ч достигается при полной тяге Т = 155,3 кг; при этом следует обеспечить более кормовую центровку (x_g = 1,4 м). Ширина глиссирующего участка днища, как и на основном режиме глиссирования, будет значительно больше оптимальной, однако это может компенсироваться за счет более плоского днища ближе к транцу (видимо, только на достаточно тихой воде).

Принимая конструктивный вес лодки 220 кг, вес топлива 50 кг, вес двух-трех пассажиров 180—240 кг (с малым багажом) и, наконец, вес силовой установки с ВД и аккумулятором 150 кг, получаем Δ = 600—660 кг, что близко к расчетной величине Поэтому скорость 55 км/ч вполне может быть обеспечена.