Работа водометного движителя на аквабайках класса PRO-1200

В последние годы гидроцикл стал не только средством активного отдыха на воде но и спортивным снарядом. Уже несколько лет проводятся чемпионаты мира по аквабайку. Призовые места занимают спортсмены, показывающие более высокое мастерство вождения, а также и те, у кого лучше подготовлены двигатели и водометные движители.

В предлагаемой статье рассматриваются вопросы работы водометного движителя на аквабайках класса PRO-1200, оснащенных двигателем мощностью N=140 л.с. при максимальной частоте вращения вала n=7200 об/мин.

Водометный движитель (ВД) состоит из следующих основных частей:

• импеллера, который передает энергию двигателя потоку, протекающему через водометный движитель;
• спрямляющего аппарата (СА), устраняющего закрутку потока с целью повышения эффективности движителя путем использования энергии окружной составляющей скорости. Импеллер, вместе со спрямляющим аппаратом, принято называть лопастной системой, или насосом ВД;
• водозаборника, предназначенного для приема воды из свободного потока и подачи ее к импеллеру;
• сопла, формирующего струю, реактивная сила которой создает тягу ВД.

Ускорение потока в струе ВД возникает в результате напора (H), создаваемого импеллером. Поэтому эффективность водометного движителя, т.е. его КПД и тяговые характеристики зависят от обоснованного выбора значений напора и расхода воды (Q) через движитель, которые обеспечиваются насосом ВД. Кроме того, его КПД и кавитационные качества в значительной степени зависят от гидравлических потерь в водозаборнике.

Представляет интерес выполнить оценку тяговых характеристик и КПД серийных ВД, применяемых на аквабайках класса PRO-1200. В распоряжение автора были предоставлены чертежи водозаборника, а также данные по геометрическим характеристикам двух импеллеров:

• 1) диаметром 155 мм (фирмы "Solas");
• 2) диаметром 148 мм (водометный движитель аквабайка "Polaris").

При заданных величинах мощности N, частоты вращения n и диаметра импеллера D_imp может быть вычислен безразмерный коэффициент крутящего момента К₂. По величине этого коэффициента (с учетом известных геометрических характеристик импеллера) можно подобрать тот насос, который бы имел соответствующие вычисленному значению К₂ зависимости безразмерных коэффициентов напора К_Н, крутящего момента К₂ и числа кавитации Χ_s от коэффициента расхода K_Q.

Расчеты КПД и тяговых характеристик водометного движителя выполняются с использованием этих насосных характеристик и экспериментальных данных по гидравлическим потерям в водозаборниках и соплах ВД. Результаты выполненных расчетов показаны на рис. 1, а; 1, b; 1, с.

Применение ВД №1 (D_imp=155 мм) обеспечивает максимум КПД (η_WJ=0.57) при скорости хода аквабайка 65 км/ч. Расчетная величина используемой мощности N при этом составляет около 42 л.с. Увеличение мощности до ее расчетного значения 140 л.с. приводит к увеличению расчетной скорости хода до 94 км/ч (рис. 1, с), однако при этом снижается величина КПД водометного движителя (η_WJ) примерно до 0.42 (рис. 1, а).

ВД №2 (D_imp=148 мм) обеспечивает максимальную эффективность (η_WJ=0.56) на скорости хода 70 км/ч, при используемой мощности N равной 50 л.с. При мощности 140 л.с. расчетная скорость хода составит 96 км/ч с несколько меньшим, чем в случае с ВД №1, снижением КПД примерно до 0.46 (рис. 1, а и 1, с).

Величина развиваемой тяги и используемой при этом мощности двигателя в момент так называемого стартового "рывка" также является важной характеристикой ВД. Очевидно, что эти величины связаны с гидродинамическими и кавитационными характеристиками водометного движителя. Расчеты показывают, что при начальной стартовой скорости хода равной 6.5 м/с (около 23 км/ч) ВД №1 позволяет осуществить стартовый "рывок" путем резкого увеличения частоты вращения до n=4600 об/мин с увеличением тяги движителя до величины примерно 170 кг, при потребляемой мощности около 46 л.с. Ограничением этих величин является кавитация лопастей импеллера, при которой наступает резкое падение гидродинамических характеристик и, соответственно, потеря скорости хода. Для ВД №2 аналогичные величины составляют 4800 об/мин, 180 кг (приблизительно) и 55 л.с.


На рис. 1, с показано изменение тяги с момента начала "рывка" при постоянной частоте вращения вала двигателя в процессе разгона. При одновременном стартовом "рывке" аквабайков с ВД №1 и ВД №2 первый через 9 секунд развивает скорость хода 15.5 м/с (55.4 км/ч). Аквабайк же с ВД №2 через такое же количество времени имеет запас тяги над сопротивлением около 33% и затем через 2 секунды достигает скорости хода 17.3 м/с (62.4 км/ч). Приведенное сравнение при n=const является расчетным. В процессе разгона спортсмен увеличивает частоту вращения двигателя, не допуская (на слух) резкого заброса оборотов. Тем не менее, это сравнение позволяет оценить динамику разгона. На рис. 1, b показано изменение потребляемой мощности при постоянной частоте вращения после момента "рывка". Видно, что мощность изменяется незначительно. Это является одной из особенностей работы водометного движителя в отличие от аналогичной характеристики гребного винта. На рис. 1, с заштрихованными линиями показаны границы тяги, развиваемой водометными движителями по мере увеличения частоты вращения от момента "рывка" до расчетной и=7200 об/мин при безкавитационной работе импеллера. Сравнение этих границ также показывает лучшие разгонные характеристики ВД №2. Изложенные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Серийные водометные движители, которыми оснащаются аквабайки класса PRO-1200, не позволяют при имеющейся мощности двигателя (N=140 л.с.) развивать высокие тяговые характеристики, необходимые при прохождении спортивной трассы.

2. Серийный водометный движитель марки YD-SV-B фирмы "Solas", с диаметром импеллера 155 мм (ВД №1), обеспечивает более высокую эффективность эксплуатации аквабайков класса PRO-1200 при широком любительском использовании.

Тюнинговая доводка этого ВД для спортивного аквабайка путем подбора импеллеров того же диаметра (155 мм) серий "Xprop" и "Concord" c различными шагами и дисковым отношением с соответствующей заменой сопел позволяет несколько улучшить разгонные характеристики и повысить максимальную скорость хода. Однако режим работы импеллера при этом будет перемещаться в область более низкого насосного КПД, что не дает оснований ожидать существенного улучшения указанных характеристик.


3. Серийный водометный движитель с диаметром импеллера 148 мм (ВД №2), как у аквабайка "Polaris", обеспечивает более высокие тяговые характеристики при несколько меньшем максимальном значении КПД (η_WJ=0.56) по сравнению с ВД №1 (η_WJ=0.57). Аквабайк класса PRO-1200 с ВД №2 может быть рекомендован для более подготовленных любителей водно-моторного отдыха.

Аналогичная, как и в первом случае, тюнинговая доводка ВД №2 для спортивного аквабайка является несколько более эффективной, чем у ВД №1, но и в этом случае нельзя ждать значительного изменения тяговых характеристик водомета по указанной выше причине.

4. На расчетной скорости хода расход воды через ВД №1 составляет примерно 280 л/с, а напор, развиваемый лопастной системой этого ВД равен 30 м.вод.ст. Аналогичные величины для ВД №2 составляют примерно 207 л/с, H≅42 м.вод.ст. Расчеты показывают, что указанные значения параметров H и Q в сочетании с относительно большими гидравлическими потерями, которые обусловлены геометрией водозаборника (рис. 2), приводят к тому, что ВД №1 и ВД №2 при заданных значениях мощности и частоты вращения вала ВД не могут обеспечить требуемые для спортивных аквабайков максимально возможные тяговые характеристики.

Расчеты, выполненные на основе экспериментальных данных по новым лопастным системам и водозаборникам новой геометрии, показывают: значительное улучшение тяговых характеристик водометного движителя (при заданных выше исходных данных) может быть достигнуто путем изменения конфигурации водозаборника (для снижения гидравлических потерь) и применением более высоконапорной, по сравнению с ВД №2, лопастной системы. В водозаборнике необходимо изменить:

• форму водовода, т.е. форму шпангоутных сечений от начала свода водозаборника до сечения перед импеллером;
• угол наклона свода водовода;
• форму входного отверстия в плане;
• профилировку входной кромки и ее положение относительно плоскости днища.

Водометный движитель с водозаборником измененной геометрии и лопастной системой позволяет обеспечить эффективность и тяговые характеристики, представленные на рис. 1 под номером 3. При диаметре импеллере 145 мм, расход воды через движитель составляет около 190 л/с, напор (H) — примерно 47 м.вод.ст. Эскиз диаметрального сечения проточной части ВД №3 показан на рис. 3.


Применение ВД №3 обеспечивает максимальный КПД (η_WJ=0.57) при скорости хода аквабайка 90 км/ч. Расчетная величина используемой при этом мощности составляет 94 л.с. При мощности 140 л.с. расчетная скорость хода составит 103 км/ч, это при КПД водометного движителя равном 0.54 (т.е. с существенно меньшим КПД, чем в случаях с ВД №1 и ВД №2). Аквабайк с ВД №3 позволяет осуществить стартовый "рывок" со скачком тяги до величины 230 кг с использованием мощности около 60 л.с. при частоте вращения вала водомета n=5100 об/мин. Аквабайк с ВД №3 при n=5100 об/мин, через 9 секунд после рывка, будет иметь запас тяги над сопротивлением приблизительно 90% и затем через 4.5 секунды достигает скорости хода 20.2 м/с (72.5 км/ч). Величина стартового "рывка" и граница тяги, развиваемой ВД №3 по мере увеличения частоты вращения от момента начала "рывка" до достижения ее максимального значения n=7200 об/мин, позволяют сделать вывод о значительном улучшении разгонных характеристик за счет использования большей мощности двигателя по сравнению с ВД №1 и ВД №2.

Кардинальное повышение тяговых характеристик водометного движителя аквабайка класса PRO-1200 может быть достигнуто при увеличении мощности до величины равной 160÷170 л.с. при той же частоте вращения вала водомета n=7200 об/мин. При одинаковой величине диаметра импеллера (145 мм) ВД №4 спроектирован на большую, чем ВД №3, величину напора, развиваемого лопастной системой. Для ВД №4 расход воды Q=145 л/с, напор (Н) — приблизительно 75 м.вод.ст. Это достигается с помощью специальной конструкции двухрядного импеллера, на ступице переменного диаметра которого размещается два ряда лопастей. Первый ряд, при малом числе лопастей и большом дисковом отношении, обеспечивает повышенные кавитационной характеристики, а второй ряд, с увеличенным числом лопастей, расположенных на максимальном диаметре ступицы — требуемый напор. Эскиз диаметрального сечения проточной части ВД №4 показан на рис. 4. В этом случае максимальная эффективность (КПД примерно равен 0.555) обеспечивается (как и у ВД №3) при скорости хода 90 км/ч и используемой мощности N≅97л.с. При расчетной величине мощности N≅168л.с. скорость хода составит 110 км/ч, а КПД водометного движителя η_WJ=0.53. Основное преимущество ВД №4 состоит в том, что он позволяет осуществить стартовый "рывок" со скачком тяги до величины 290 кг с использованием мощности приблизительно 87 л.с., при частоте вращения вала водомета n=5700 об/мин. Отметим, что указанная величина мощности при стартовом "рывке" может быть обеспечена при соответствующей внешней характеристике двигателя. Аквабайк с ВД №4 через 9 секунд после стартового "рывка" будет иметь запас тяги над сопротивлением примерно 270 % и затем, через 8 с., достигнет скорости хода 23.3 м/с (84 км/ч). Принимая во внимание также и границу тяги, развиваемой ВД №4 по мере увеличения частоты вращения, можно утверждать о кардинальном повышении характеристик водометного движителя на всех режимах движения аквабайка, которое достигнуто за счет перехода при проектировании ВД на параметры, близкие к оптимальным по условиям его работы.

При расчетах тяговых характеристик ВД №3 и ВД №4, наряду с гидродинамическими и кавитационными характеристиками новых лопастных систем, использовались экспериментальные данные по соплам и водозаборникам новой более совершенной геометрии, обеспечивающей снижение гидравлических потерь и отсутствие прососа воздуха в движитель без установки специальных решеток в водозаборнике.

В заключение можно отметить, что при величине диаметра импеллера 155 мм (ВД №1) и частоте его вращения 7200 об/мин величина окружной скорости (U) конца лопасти составляет около 59 м/с и является близкой к предельной U=60 м/с, установленной опытным путем по условиям кавитации и прочности. Поэтому увеличение мощности двигателя (при отсутствии редуктора) свыше 140 л.с. целесообразно осуществлять не за счет увеличения частоты вращения вала двигателя.

Дополнительная информация по новым водометным движителям может быть запрошена через редакцию журнала "Катера и яхты".