Водометный реактивный двигатель: Реактивный паровой водомет: как построить его самому

Содержание

Двигатели

25 грудня 2013

Быстрое совершенствование конструкций водомётных моторов в последнее время открывает широкие перспективы перед владельцами всех без исключения судов. Прекрасные возможности прогулочных теплоходов с водометными двигателями очевидны, и рынок это показывает. Но вот для небольших судов, какими являются надувные RIB лодки с пластиковым днищем выбор не так прост. Количество удачных разработок можно перечесть по пальцам одной руки: лодка SeaDoo Explorer длиной 3,5 м и 3-метровый Scanner, созданные фирмой Avon.

Принцип реактивного движения прост и очевиден уже давным-давно. В космонавтике и в авиации реактивные моторы позволили добиться результатов, невозможных с другими типами двигателей. Водомётный реактивный двигатель работает в точности так же, как авиационный турбореактивный двигатель, разве что горючее другое, и вместо воздуха водометный мотор засасывает воду.

Установка водомётного двигателя на судно включает в себя две основные операции – установку мотора и монтаж водомётного устройства. В свою очередь, водомётное устройство состоит из трёх основных узлов: блок первичного редуктора, получающего импульс силы от приводного вала мотора, блок пропеллера и, наконец, блок формирования струи воды и управления её положением. По упрощенной аналогии с самолетом, можно сказать, что мотор потребляет горючее для вращения винта, засасывающего забортную воду через отверстие в корпусе водометного устройства. С тыльной стороны водометного устройства с силой выбрасывается струя воды. Эта струя проходит сквозь подобие короткой трубы, положением которой можно управлять, что позволяет управлять в целом движением всего судна.

По сути дела, управление движением судна можно осуществлять регулировкой скорости вращения винта, создающего реактивную силу, а также изменением направления выбрасываемой струи воды (как у ракеты).

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ Желающие могут найти широкую гамму водомётных двигателейнадувные RIB лодки с пластиковым днищем – как для профессионального коммерческого применения, так и для надувных лодок RIB с жестким днищем, которые могут использоваться для семейного отдыха. Как и любое другое устройство, водометный двигатель имеет свои достоинства и свои недостатки. Но есть очень простой критерий, руководствуясь которым можно легко принять решение: применим ли на данном конкретном судне водомётный двигатель, или придется обойтись традиционным мотором.

Возьмём, к примеру, фирму Hamilton Jet, которая занимается производством водомётных двигателей с 1950-х годов и чьи моторы установлены на более, чем 20000 судах, плавающих по всему миру. Разнообразие конструкций двигателей Hamilton охватывает изделия мощностью до 3000 кВт, которые используются скоростными разъездными и патрульными катерами, скоростными посыльными судами и прогулочными теплоходами, размеры которых составляют от 6 до 60 м. Двигатели Hamilton имеют все необходимые сертификаты, что позволяет применять их в более чем 50 странах мира. А поскольку водометные двигатели могут быть так хороши, то добавим, что устанавливать их можно и стационарным способом, и навеской на транец судна, как и моторы обычных типов. Модели подвесных водометных двигателей есть и у Mercury Marine, Tohatsu, Honda.

МОНТАЖ Поскольку метод движения при помощи водомётного двигателя весьма своеобразен, то имеются свои, весьма специфичные требования к установке водомёта на надувную лодку с жестким днищем. Огромное значение имеет конструкция транцевой доски. Иными словами, следует хорошенько подумать – для каких конкретных целей будет использоваться надувное судно с водомётным двигателем, поскольку стоимость эксплуатации водометного двигателя заметно выше, чем у традиционного мотора. Нельзя сказать, что водомет и надувная лодка – уж совсем не подходят друг к другу, однако от качества принимаемого решения зависит успех всего дела.

Есть очень простой критерий применимости на конкретном судне водомётного двигателя – это возможность установки водомёта вообще. Кто же изготавливает водометные двигатели, установка которых возможна на надувную лодку с плаcтиковым днищем?

Фирма Volvo Penta в кооперации с фирмой Kamewa объединенными усилиями работают над совершенствованием конструкции водометного двигателя. Например, Volvo Penta создает дизельный мотор, редуктор и корпус, а Kamewa предоставляет её современные устройства управления потоком воды и форсунки.

Водомётные двигатели фирмы Castoldi изготавливаются для судов самых различных размеров – от 4 до 30 метров длиной, обладают способностью развивать скорости от 20 до 50 узлов. Конструктивное исполнение может быть с дизельным, бензиновым или даже с газо-турбинным мотором, диапазон тяговых характеристик которых распространяется от 10 до 1200 л.с.

Водомётные двигатели, производимые компанией Hamilton Jet, способны развивать мощность от 150 до 3000 кВт и устанавливаются по одному или сдвоенными на судах длиной до 50 м. Особенностью конструкции Hamilton Jet является моноблочность устройства управления реактивной струей воды.

Все функции этого водометного двигателя объединены в одном корпусе. В моделях, имеющих гидравлическое усиление управления, гидроусилители выполнены как неотъемлемая часть водомёта.

Всасывающая крыльчатка работает внутри стального защитного кольца, которое позволяет проводить обслуживание мотора без его глубокой разборки. Струя воды, выбрасываемая из двигателя, проходит через систему направляющих, не имеющую вращающихся деталей, что сводит к минимуму шум движущегося потока воды. Компания Hamilton ввела в конструкцию защитную пластину для всаса воды, которая уменьшает процесс кавитации.

Конструкция управляющего устройства (отражателя) создана таким образом, чтобы эффективно работать на любых скоростях движения и на любых глубинах воды. Пластина, разделяющая струю воды, соединена с отражателем так, чтобы реактивная струя воды была направлена вниз, не создавая волну за кормой.

При реверсировании хода не появляется зависимости между движением реактивной струи к всасу и эффективностью всаса. Такое продуманное соединение управляющих векторов струи воды позволяет добиться непревзойденной маневренности. Если отражатель заднего хода поднять, то можно развить очень большую скорость. Если отражатель полностью опустить, то судно будет двигаться задним ходом. В обоих случаях – маневренность судна не зависит от положения отражателя. Оригинальная конструкция отражателя и системы управления струей воды позволяют двигаться в заданном направлении и управлять поворотом судна независимо.

Способы управления водомётными двигателями разнятся от простейших тросовых тяг – до новейших микропроцессорных устройств.

Hamilton оснащает многие свои изделия прогрессивными системами защиты своих двигателей от коррозии в морской воде.

Крупнейший поставщик водомётных двигателей для военно-морских сил различных стран – корпорация Ultra Dynamics, продавшая уже более 15000 моторов, предлагает рынку двигатели мощностью от 150 до 1350 л.с. Водяной насос и система управления в конструкциях Ultra Dynamics часто выполнены в закрытой сборке, так что всё, что требуется для установки такого двигателя – подключить редуктор мотора и соединить кабели.

БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ. Эти важнейшие понятия имеют особое значение для водомётных двигателей. Отсутствие подводных выступающих частей у двигателя снижают сопротивление движению судна в целом, уменьшают опасность травмирования людей в воде при проведении спасательных операций.

В открытом море столкновение винта судна с плавающим предметом может иметь самые катастрофические последствия. Кроме того, управление судном не плоскостью руля, а направлением струи выбрасываемой жидкости, предъявляет к частям водомётного двигателя совершенно необычные требования: и сам мотор, и редуктор могут работать на своих самых эффективных и экономичных режимах, поскольку управление судном никак не связано с работой двигателя. По маневренности водометным двигателям также нет равных: суда с водомётами показывают прекрасную управляемость на любых скоростях, на малых радиусах поворота, обладая способностью мгновенно останавливаться. Многие суда, оснащённые водомётными двигателями, могут остановиться на длине своего корпуса, даже двигаясь со значительной скоростью. На международной специализированной выставке «RIBex-1999″, посвящённой надувным судам с жёстким днищем, оснащенная водомётом надувная лодка, изготовленная фирмой «Ocean Dynamics RIB», продемонстрировала исключительную маневренность и управляемость. Это судно могло за 2 секунды полностью останавливиться со скорости 30 узлов, проходя при этом расстояние не более длины своего корпуса, сохраняя при этом полную управляемость и не отклоняясь от заданного направления движения.

ПРАКТИКА УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ С ВОДОМЁТОМ. Водомётный двигатель, реальные свойства которого во многом остаются ещё не исследованными, разумеется, требует определенных навыков и приемов управления и обслуживания. Особые навыки управления водомётом нужны для скоростного движения в открытых водоёмах, для движения задним ходом, а также при сильных попутных волнах.

При движении на больших скоростях корпус лодки поднимается из воды, обнажая отверстие всаса воды. Тем самым водомётный двигатель не получает достаточного количества воды для создания реактивной струи. При уменьшении скорости движения отверстие всаса водомета снова захватывает воду, и движение судна продолжается. Это не проблема, а лишь указание на то, что для любого судна есть свой диапазон скоростей, на которых оно может двигаться с наибольшим эффектом. Неопытный водитель заставит судно с водомётным двигателем идти рывками, взлетая над водой, и захлебываясь, но опытный никогда так не поступит.

Движение «задом наперед» особых проблем создать не может, только нужно отчетливо представлять себе разницу между движением носом вперед, и вперед кормой.

Во время движения по попутным волнам водомёт может периодически терять контакт с водой, как, впрочем, и любой другой винтовой двигатель. Здесь нужна особая осторожность и аккуратность в управлении судном. Своевременно данный газ сможет поднять судно на большой скорости и двигать его быстро и ровно, как и на спокойной воде.

ТАК БРАТЬ ИЛИ НЕ БРАТЬ ВОДОМЁТ? Быстрое совершенствование конструкций водомётных моторов в последнее время открывает широкие перспективы перед владельцами всех без исключения судов. Прекрасные возможности прогулочных теплоходов с водометными двигателями очевидны, а рынок это и показывает. Но вот для небольших судов, какими являются надувные RIB лодки, выбор не так прост. Количество удачных разработок можно перечесть по пальцам одной руки: лодка SeaDoo Explorer длиной 3,5 м и 3-метровый Scanner, созданные фирмой Avon.

Не следует думать так, что водомётные двигатели наиболее эффективны именно на крупных судах. Огромным их достоинством является отсутствие открытого винта, что безусловно должно расширить область применения таких моторов в индустрии водного отдыха и развлечений за счет установки на маленьких надувных RIB лодках.

Следует обратить внимание всех тех, кто заинтересован в финансовой отдаче своего водного бизнеса, что благодаря приемистости и эффективности водомётных двигателей область их применения может быть самой широкой. Уникальные возможности водометов позволили, например, известнейшей фирме Zodiac создать надувную RIB лодку с установленным на носу пожарным брандспойтом. Свободная управляемость водометным двигателем обеспечивает высокую эффективность такой пожарной лодки.

Водомёт может быть полезен владельцу любого судна, поскольку есть очень много доказательств тому, что водомёт не только не уступает, но и кое в чём превосходит своего винтового собрата.

Обзор по материалам Интернета подготовил Павел Дмитриев.

Реактивный паровой водомет: как построить его самому

«А где вы доставали медные трубочки и латунные пластиночки?» – в отчаянии кричал я, когда Дмитрий Мамонтов рассказывал мне об экспериментах своего детства. Я собирался повторить его опыт и построить особый паровой двигатель. Такой мотор может работать только на игрушечных корабликах, а рецепт его изготовления десятилетиями передается от отца к сыну…

Сергей Апресов

В советское время у детей не было Барби, Playstation и радиоуправляемых вертолетов. Зато столько всего интересного можно было найти у ближайшего завода, на стройке или, пардон, на свалке. Селитра, карбид, металлическая стружка, наконец, те же медные трубки и латунные пластины. По древнесоветскому рецепту водометный двигатель строился так: с большой батарейки типа D снималась оболочка, извлекался центральный электрод и все содержимое. Судомоделиста интересовал цинковый стаканчик. Верхние две трети стаканчика спиливались ножовкой, края ровнялись ножницами, в получившейся «кастрюльке» сверлились два отверстия под медные трубки. Трубки припаивались обычным оловом. Из латунной пластинки вырезалась круглая крышка и тоже припаивалась к «кастрюльке». Затем крышка слегка продавливалась, чтобы получить подвижную мембрану. Подув в трубочки, можно было заставить мембрану щелкать. Котел лучше делать как можно меньше: чем меньше объем воды внутри двигателя, тем быстрее он будет заводиться.

Перед включением двигатель следует полностью заполнить водой с помощью шприца. Конструкция имеет именно две трубки, а не одну, чтобы облегчить «заправку»: пока вода заливается в одно сопло, воздух выходит из другого. Корабль строится так, чтобы обе трубки были постоянно погружены в воду. Когда под котел ставится свечка, вода в нем нагревается и начинает кипеть. Образующиеся при этом пары выталкивают воду из котла. Проходя по трубкам, вода остывает, давление в котле падает, и двигатель всасывает воду обратно. Таким образом в трубах происходит постоянное возвратно-поступательное движение водяного столба.

Простейший паровой водомет можно сделать и вовсе без котла. Достаточно согнуть трубу в несколько витков прямо над свечкой на манер кипятильника. Котел делается для спецэффектов: изгибающаяся мембрана издает громкий тарахтящий звук. Несмотря на то что водяной столб совершает движения в обе стороны с равной амплитудой, двигатель толкает лодку вперед. Это связано стем, что вся вода выталкивается из трубок в одном направлении, а засасывается со всех сторон.

Попытки подыскать замену редким в наши дни медным трубкам и латунным пластинам привели нас к следующему решению: отличной трубкой стала тормозная магистраль от автомобиля ВАЗ 2108. Она идеально подходит по диаметру, хорошо паяется и, главное, продается влюбом автомагазине.

Мембрана — дело тонкое, во всех смыслах слова. При столь малом диаметре крышки ее материал должен быть очень мягким и податливым. После нескольких неудачных попыток мы сделали мембрану из алюминиевой чашки от самой дешевой греющей свечи. Она очень тонкая, мягкая, хорошо звучит. Единственный минус — алюминий не паяется. Вместо пайки мы применили 10-минутный двухкомпонентный эпоксидный клей. Опасения по поводу его прочности в жестких температурных условиях не оправдались. Если двигатель работает правильно, чашка раскаляется не слишком сильно — таков термодинамический цикл водомета.

Работа двигателя впечатляет. Его мощность достаточна, чтобы толкать корабль вперед, создавая позади видимые невооруженным глазом потоки воды. Честно признаться, нам не удалось добиться от машины действительно яркого звука, как в дедовские времена. Так что, похоже, с материалом мембраны еще стоит поэкспериментировать. Искренне желаем удачи в поиске латунных пластинок!

реактивный двигатель | инжиниринг | Британика

реактивный двигатель

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:: сэр Фрэнк Уиттл
Ганс Иоахим Пабст фон Охайн
Лоуренс Дейл Белл

Похожие темы:: турбореактивный
прямоточный воздушно-реактивный двигатель
эффективная скорость выхлопа
турбовальный
движитель

Просмотреть весь связанный контент →

Сводка

Прочтите краткий обзор этой темы

реактивный двигатель , любой из класса двигателей внутреннего сгорания, которые приводят в движение самолет посредством выброса назад струи жидкости, обычно горячих выхлопных газов, образующихся при сжигании топлива с воздухом, всасываемым из атмосферы.

Общие характеристики

Первичным двигателем практически всех реактивных двигателей является газовая турбина. Газовая турбина, которую по-разному называют активной зоной, генератором газа, газификатором или генератором газа, преобразует энергию, полученную в результате сгорания жидкого углеводородного топлива, в механическую энергию в виде потока воздуха с высоким давлением и высокой температурой. Затем эта энергия используется тем, что называется движителем (например, пропеллером самолета и винтом вертолета), для создания тяги, с помощью которой самолет движется.

Принцип действия

Газовая турбина работает по циклу Брайтона, в котором рабочим телом является непрерывный поток воздуха, подаваемый на вход двигателя. Сначала воздух сжимается турбокомпрессором до степени сжатия, обычно в 10-40 раз превышающей давление входного воздушного потока (как показано на рисунке 1). Затем он поступает в камеру сгорания, где вводится устойчивый поток углеводородного топлива в виде распыленных капель жидкости и пара или того и другого и сгорает при приблизительно постоянном давлении. Это приводит к непрерывному потоку продуктов сгорания под высоким давлением, средняя температура которых обычно составляет от 9от 80 до 1540 °C или выше. Этот поток газов проходит через турбину, которая соединена валом крутящего момента с компрессором и извлекает энергию из газового потока для приведения в действие компрессора. Поскольку к рабочему телу подводится тепло под высоким давлением, газовый поток, выходящий из газогенератора после расширения через турбину, содержит значительное количество избыточной энергии, т. температура и высокая скорость, которые можно использовать для движения.

Теплота, выделяемая при сжигании обычного топлива для реактивных двигателей в воздухе, составляет приблизительно 43 370 килоджоулей на килограмм (18 650 британских тепловых единиц на фунт) топлива. Если бы этот процесс был эффективен на 100 процентов, он тогда производил бы мощность газа на каждую единицу расхода топлива в размере 7,45 лошадиных сил/(фунтов в час) или 12 киловатт/(кг в час). На самом деле, некоторые практические термодинамические ограничения, которые являются функцией пиковой температуры газа, достигаемой в цикле, ограничивают эффективность процесса примерно до 40 процентов от этого идеального значения. Пиковое давление, достигаемое в цикле, также влияет на эффективность выработки энергии. Это означает, что нижний предел удельного расхода топлива (SFC) для двигателя, производящего газ, составляет 0,336 (фунт в час)/лошадиная сила или 0,207 (кг в час)/киловатт. На практике SFC даже выше этого нижнего предела из-за неэффективности, потерь и утечек в отдельных компонентах первичного двигателя.

Викторина «Британника»

Изобретения: от штыков до реактивных двигателей

Когда была изобретена английская булавка? Когда был представлен автомобиль Model T? Расставьте все точки над I и зачеркните свои (модель) Т, проходя этот тест на изобретения.

Поскольку вес и объем имеют первостепенное значение в общей конструкции самолета и поскольку силовая установка составляет значительную долю от общего веса и объема любого самолета, эти параметры должны быть сведены к минимуму в конструкции двигателя. Воздушный поток, проходящий через двигатель, является репрезентативной мерой площади поперечного сечения двигателя и, следовательно, его веса и объема. Поэтому важным показателем качества первичного двигателя является его удельная мощность — количество энергии, которое он вырабатывает на единицу воздушного потока. Эта величина очень сильно зависит от пиковой температуры газа в активной зоне на выходе из камеры сгорания. Современные двигатели генерируют от 150 до 250 лошадиных сил/(фунт в секунду), или от 247 до 411 киловатт/(кг в секунду).

Движитель

Газовая мощность, вырабатываемая первичным двигателем в виде горячего газа под высоким давлением, используется для привода движителя, позволяя ему создавать тягу для движения или подъема самолета. Принцип создания такой тяги основан на втором законе движения Ньютона. Этот закон обобщает наблюдение, что сила ( F ), необходимая для ускорения дискретной массы ( м ), пропорциональна произведению этой массы на ускорение ( и ). Фактически, где масса берется как вес ( w ) объекта, деленный на ускорение свободного падения ( g ) в месте взвешивания объекта. В случае реактивного двигателя обычно имеют дело с ускорением постоянного потока воздуха, а не с дискретной массой. Здесь эквивалентное утверждение второго закона движения состоит в том, что сила ( F ), необходимая для увеличения скорости потока жидкости, пропорциональна произведению скорости массового потока ( M ) потока и изменение скорости потока, где за скорость полета принята скорость на входе ( V ₀ ) относительно двигателя и скорость нагнетания ( V _j ) — скорость выхлопа или струи относительно двигателя. W — скорость массового расхода рабочего тела (т. е. воздуха или продуктов сгорания), деленная на ускорение свободного падения в месте, где измеряется массовый расход. Относительно небольшое влияние массового расхода топлива на создание разницы между массовым расходом впускного и выхлопного потоков намеренно не учитывается.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Таким образом, можно сделать вывод, что компоненты движителя должны воздействовать силой F на поток воздуха, проходящий через движитель, если это устройство ускоряет воздушный поток от скорости полета V ₀ до скорости нагнетания В _j . Реакция на эту силу F в конечном итоге передается опорами движителя на самолет в виде тяги.

Существует два основных подхода к преобразованию мощности газа в тягу. В одном случае вторая турбина (т. е. турбина низкого давления или мощность) может быть введена в проточную часть двигателя для извлечения дополнительной механической мощности из имеющейся газовой мощности в лошадиных силах. Затем эта механическая энергия может быть использована для приведения в движение внешнего движителя, такого как пропеллер самолета или винт вертолета. В этом случае тяга создается в движителе, поскольку он возбуждает и ускоряет воздушный поток, проходящий через движитель, т. Е. Воздушный поток, отдельный от потока, протекающего через первичный двигатель.

При втором подходе высокоэнергетический поток, подаваемый первичным двигателем, может подаваться непосредственно к реактивному соплу, которое разгоняет газовый поток до очень высокой скорости на выходе из двигателя, что характерно для турбореактивного двигателя. В этом случае тяга создается в компонентах первичного двигателя, поскольку они возбуждают газовый поток.

В других типах двигателей, таких как турбовентиляторные, тяга создается обоими способами: основная часть тяги создается вентилятором, который приводится в действие турбиной низкого давления и который возбуждает и ускоряет байпасный поток ( см. ниже ). Оставшаяся часть общей тяги создается основным потоком, который выбрасывается через реактивное сопло.

Как первичный двигатель является несовершенным устройством для преобразования тепла сгорания топлива в мощность газа, так и движитель является несовершенным устройством для преобразования мощности газа в тягу. Обычно в высокотемпературном и высокоскоростном реактивном потоке, выходящем из движителя, остается много энергии, которая не полностью используется для движения. КПД движителя, КПД движителя η _p , часть доступной энергии, которая используется для приведения в движение самолета, по сравнению с полной энергией реактивного потока. Для простого, но репрезентативного случая, когда поток нагнетаемого воздуха равен потоку входящего газа, установлено, что

Хотя скорость струи V _j должна быть больше скорости самолета V ₀ для создания полезной тяги, большая скорость реактивной струи, которая значительно превышает скорость полета, может быть очень вредной для тяговой эффективности. Максимальная тяговая эффективность достигается, когда скорость реактивной струи почти равна (но, по необходимости, немного выше) скорости полета. Этот фундаментальный факт привел к появлению большого разнообразия реактивных двигателей, каждый из которых предназначен для создания определенного диапазона реактивных скоростей, который соответствует диапазону скоростей полета самолета, который он должен приводить в действие.

Чистая оценка КПД реактивного двигателя представляет собой измерение расхода топлива на единицу развиваемой тяги (например, в фунтах или килограммах в час расходуемого топлива на фунты или килограммы тяги генерируется). Не существует простого обобщения величины удельного расхода топлива двигателя тяги. Это зависит не только от КПД первичного двигателя (и, следовательно, от его отношения давления и температуры пикового цикла), но также и от тягового КПД движителя (и, следовательно, от типа двигателя). Это также сильно зависит от скорости полета самолета и температуры окружающей среды (которая, в свою очередь, сильно зависит от высоты, времени года и широты).