Вентилятор для воздушной подушки

Лодка на воздушной подушке

Сергей Смирнов, г. Н.Новгород

История эта началась 6 апреля 2010 г. В тот день мне на безвозмездной основе был передан каркас аппарата на воздушной подушке. Построен он был в 1994 г. в Нижнем Новгороде на экспериментальном заводе «Судотехника» под руководством Алексея Алексеевича Курочкина.

Собственно строителем был сам «дедушка» СВП баллонетной конструкции Владимир Васильевич Моисеев, в те времена далеко не дедушка. Первые выходы аппарата в тот же год сразу попали в фильм про Моисеева под названием «Почти Мюнхгаузен».

В дальнейшем аппарат сначала находился в НПО «Судотехника», затем побывал у каких-то владельцев, в 2004 г, его передали для ремонта в фирму «АКС-Инвест», но ремонт был признан нерентабельным, и аппарат переместили на задний двор. Когда он достался мне, состояние его было весьма плачевное: тканевые оболочки сгнили, несколько труб каркаса отсутствовали.

Мотор остался без «обвески», но живой. Лучше всего сохранился алюминиевый винт, насаженный на коленвал. Фактически в наличии у меня оказался не совсем комплектный каркас, стоимость которого составляла менее 10% от общей цены аналогичного аппарата «Стрелец». Что же со всем этим делать? Недолго поразмышляв и испросив одобрения В.В.Моисеева, я решил, что пора сделать шаг вперед. Вместо ремонта затеял проект практически нового аппарата с использованием элементов конструкции прежнего.

Доработки лодки на воздушной подушке

Итак, чего меня не устраивало в разработке В.В. Моисеева:

  1. малая грузоподъемность; при площади подушки 12 м 2 возить трех человек (причем не очень хорошо возить) уже не интересно, вместимость следовало увеличить минимум до четырех человек и возить их чуть побыстрее;
  2. недостаточные водоизмещающие объемы, особенно в носу; при сбросе давления ВП на скорости существовал риск «превратиться» в подводную лодку. Такой эффект на блюдается на всех подобных аппаратах, на «Стрельцах», например, под ногами водителя размещен дополни тельный объем плавучести — надувная подушка;
  3. небольшой КПД нагнетательной и движительной установок;
  4. отсутствие комфорта для водителя и пассажиров.

В первую очередь взялся за проектирование подъемно-движительного комплекса (ПДК). Решать задачу «в лоб», путем повышения мощности, значило идти по пути, которым уже прошли производители «Стрельцов». Выгоднее поднять эффективность ПДК через разделение функций нагнетания и движения между отдельными вентиляторами.

Правильно подобранный вентилятор может повысить КПД до 70% и более, но даже 50% для нагнетателя СВП — уже хорошо. То же с ходовым приводом: на оптимальном винте для СВП можно получить удельную тягу «на стопе» 4 кг/л.с. вместо 1.5-2 кг/л.с. для вентилятора совмещенного типа.

О винте для СВП

Далее следовало решить, чем и как все эти винты и вентиляторы крутить? Сначала были варианты конструкции с приводом от одного двигателя, но быстро отпали. Прямой привод не позволяет крутить в оптимальном режиме одновременно нагнетатель и движитель, поэтому остановился на двухмоторном ПДК. С маршевым двигателем все более-менее понятно, главное требование — получение наибольшей тяги.

Следовало повторить конструкцию, опробованную многими дельталетчиками — мотоустановку на базе «Буран-АВИА» с редуктором и винтом для СВП. Поскольку она достаточно компактная и легкая, решил сделать ее поворотной. Очевидный плюс — отсутствие воздушных рулей, «поедающих» около 3% тяги каждый. Встал вопрос выбора вентилятора и двигателя для нагнетательной установки.

Существует эмпирическая зависимость, «формула С.Ф.Горбачевского»:

  • Q= 0.062*SП*sqrtРП,
  • где Q- расход воздуха в подушку, м3/с; SП — площадь воздушной подушки, м2; РП — давление в подушке, кгс/м2.

При КПД вентилятора 50% потребная мощность нагнетательного двигателя — около 10 кВт. Такие моторы промышленность (правда, китайская) выпускает, и купить их не проблема. Вентилятор тоже нашелся, КАМАЗов-ский, производства ПК «Технотрон», диаметром 710 мм. Но с его компоновкой ничего хорошего не получалось.

То по центровке не проходит, то воздуховод весь аппарат занимает. Примерял я и редукторы от «Аэрохода», и дорогостоящие центробежные нагнетатели от «АКС-Инвеста». Ничего не придумал, кроме как поделить установку на два маленьких мотора с двумя маленькими вентиляторами.

Выбор мотора

Моторы нашлись для садовой техники, с вертикальным валом, бензиновый двигатель Ruslight 1Р64FV — вес, мощность и даже цена двух маленьких, как у одного большого. Кроме того, маленький вентилятор согласуется по оборотам с мотором без редуктора и аккуратно насаживается прямо на выходной вал.

Вентилятор взял за основу все тот же, «КАМАЗовский», уж больно он мне понравился своей монолитностью и прочностью, правда, под расчетный режим крыльчатку пришлось порядочно обрезать.

Простейшие расчеты дали диаметр согласованного вентилятора 430 мм. Однако в результате долгих размышлений остановился на диаметре 450 мм, стандартном для других подобных вентиляторов (в частности, от «ГАЗ-53»).

Баллоны

Пока я активно занимался приводом, в ОКГ «Сплав» мне склеили баллоны. При их разработке был учтен опыт Моисеева, как положительный, так и отрицательный. Для увеличения водоизмещения в носовой части диаметр увеличили до 420 мм, оконечности баллонов максимально выдвинули вперед, с заходом загнутой части на носовую дугу каркаса.

С целью упрощения и удешевления баллоны взяли бескамерные, с расчетом на усиление подошвы съемным протектором. По длине секционированы на три части гибкими диафрагмами, позволяющими выравнивать давление во всем баллоне через подкачку одной секции.

За склеиванием ПВХ- и полиуретановых тканей прошел почти весь летний отпуск, но сначала были испытания! Сразу после того, как были приклеены карманы на баллоны для крепления труб каркаса, примерил баллоны по месту, а также маршевую мотоустановку (к тому моменту готовую), и 25 июня 2010 г. катамаран-аэроглиссер был спущен в Волгу. Мотор завелся без проблем, первый выход делал один.

При добавлении газа сначала происходит резкий разгон, затем из-за сильных брызг газ приходится убирать. По субъективным ощущениям, с одним человеком скорость на полгаза — около 30 км/ч. Под конец все-таки словил винтом волну, после этого зарекся больше выезжать без подушки — у винта для СВП пострадали кончики лопастей.

Доделка прочих элементов

Дальше по плану была доделка нагнетателей и остальных элементов, отличающих СВП от аэроглиссера. Кольца нагнетателей сделал клепа­ными, из листового АМг-5 и уголка 40x40x4. При первых испытаниях, как и ожидал, вентилятор оказался «тяжелым», для облегчения пришлось подрезать лопасти, в результате моторы стали выкручивать положенные 2500 об/мин.

Первоначально планируемую в качестве протектора «чешую» из ПЭТ решил пока отложить и воспользоваться более проверенными вариантами. Чаще всего нижегородские строители СВП применяют морозостойкую ПВХ-ткань, оклеенную листовым полиуретаном. Затея дорогостоящая, трудоемкая, но гарантирующая результат. Некоторые самые продвинутые строители применяют полиуретановую ткань

«Огса4588». Учитывая гораздо меньшие нагрузки моего аппарата, решил использовать полиуретановую ткань без оклейки. Нужные для этого средства удалось изыскать, и я приобрел 7.5 м2 самой «крутой» ткани, которую не все строители даже в руках держали. Листовым полиуретаном были усилены носовая и кормовая оконечности баллонов, на носу и на корме еще наклеил реданчики.

Из полиуретановой ткани сделал также среднюю часть мешка кормового ограждения и нижнюю кромку носового; средняя часть баллона осталась «голой». Не имея должного опыта, времени на склейку я, конечно, затратил много, но зато сэкономил средства. Торопился очень, бывало, даже пару раз ночевать домой не ездил, спал прямо в цеху, а с утра опять брался за работу. На завершающем этапе ко мне присоединился еще один любитель СВП, Роман.

Полная сборка лодки

Окончательную сборку аппарата мы начали 30 июня. Накануне перевезли склеенную «шкуру» из «Сплава» ко мне в гараж, а на следующее утро разложили на лужайке напротив гаража. Все узлы и агрегаты поочередно примеряли один к другому и опробовали, предстояло собрать все окончательно. На первый взгляд, соединения застежками, хомутами и шнуровкой выполнить не так и сложно, но количество соединений оказалось неожиданно большим.

Собирали целый летний день, с небольшими перерывами и с периодическим привлечением к процессу всех случайно и неслучайно проходящих мимо. К вечеру, уже в темноте, удалось запустить оба нагнетательных двигателя и увидеть действие воздушной подушки! Был совершен круг почета вокруг трансформаторной будки на «бурлацкой тяге»! Пыль, поднятая нагнетателями и усугубленная аномальной жарой, улеглась только под утро, когда занялись главным двигателем и маршевым винтом. Винт я уже купил новый:

  1. диаметром 1670 мм,
  2. со сменными лопастями,
  3. казанской фирмы «Финишпроп».

Мотор встал почти без проблем. Опробовали все моторы по отдельности около дома и на Волгу двинулись уже своим ходом, правда, опять на «бурлацкой тяге».

Прокатиться удалось быстро, но недолго. Очень сильно утомил мотор «Буран», а точнее его неработающий бензонасос, в результате ничего замерить не удалось. Зато по китайским нагнетательным моторам никаких замечаний: дернул за одну веревочку — завелся один, дернул за другую — завелся другой. Нагнетательные моторы вполне оправданно имеют большие воздушные фильтры, поскольку часть пыли засасывается обратно в вентиляторы. Уличная пыль долго висит в воздухе, затем плавно садится на окружающие дома, машины, людей.

В ходе испытаний и доводки мотора в швартовном режиме пришлось поменять несколько блоков зажиганий, статоров и роторов магнето, подобрать подходящие карбюраторы и жиклеры. После этого аппарат начал более-менее прилично ходить, а я учился им управлять. При одном вентиляторе, работающем на полном газу, судно поднимается примерно так же, как при двух работающих на холостом.

Разгрузки хватает, чтобы идти по воде с пассажиром без значительной потери скорости. При одном вентиляторе, работающем на полную, и другом — на холостых, требуется ровно половина расхода, можно плохонько ползти на приспущенных баллонах по песку и мелким камешкам.

Читайте также:  Система вентиляции картерных газов ауди 100

Раздельное управление вентиляторами интереса не представляет, никакого крена или разворота не ощущается. При подходе к берегу подушку убираю, чтобы снизить скорость и стабилизировать катер по курсу, перед выползанием из воды добавляю «газ» нагнетателей до полного, а после выхода на берег убираю. Поменяв пассажира, опять добавляю подушку и сползаю задом в воду. После небольшой тренировки стало получаться эффектно. Маршевый двигатель на малых оборотах начинает трясти, от этого возникают некоторые сложности.

Перые тесты лодки на воздушной подушке

Попробовал погонять по песку. На приспущенных баллонах двигается так же, как и по воде. На волнистом песке аппарат «завис», пришлось вылезать и толкать его. После того как баллоны накачал, по воде побежал легче, но стало заметно их «подлипание» на волне. Однажды аппарат на приспущенных баллонах опустили с сильно наклонного берега, а чтобы не сильно нервировать окружающих — без поддува.

При этом носовой дугой зачерпнулось порядочно воды, которая осталась на тканевом куполе ВП. Я запустил нагнетатели на холостой ход, чтобы при запуске маршевого сразу не улететь, и пошел на корму заводить этот двигатель.

Он завелся с пол-оборота, а «газу», видимо, я добавил порядочно — аппарат сполз с берега и пошел. Я с кормы побежал в нос, чтобы ухватиться за штурвал и убавить газ маршевого двигателя. Тут и случилась «подводная лодка»: вода с купола сразу плеснулась вперед, носовая дуга утонула. Я, ухватившись за рычаг газа, не удержался, и вместо того, чтобы убавить газ, нажал рычаг вперед, до «полного».

Маршевый двигатель уперся винтом в воздух и затолкнул аппарат, как мог, под воду. На то, чтобы успеть ухватиться за конструкции и убавить газ, ушла примерно секунда. За это время нагнетатели скрылись под водой полностью, хорошо, что остановились они еще до погружения. Выручили Архимед и его закон: при сбросе газа маршевого двигателя баллоны все-таки всплыли и вытолкнули на поверхность всю конструкцию.

Один нагнетательный мотор удалось запустить сразу, маршевый тоже завелся с первого рывка. Вода попала в воздуховоды и кормовой мешок, одним мотором продуть его не удалось, поэтому к берегу я двигался очень медленно, волоча за собой целый мешок воды. Второй нагнетательный мотор пришлось подергать стартером, при этом из глушителя текла вода, но на пятый рывок он запустился.

На этом геройские подвиги решил закончить — обогнав пару лодок, улетел на базу. Пора измерить какие-нибудь характеристики и сделать выводы. Для полноценных испытаний предстояло совершить переход от моей Балахны по Волге до Нижнего Новгорода. Переход прошел 4 августа без особых происшествий. По 30-градусной жаре прокатиться с ветерком было даже приятно. С собой взял пассажира из числа склонных к авантюризму.

Измеренная по карте протяженность маршрута — 42.3 км, время хода — 55 мин. Один раз мотор заклинило от перегрева. Плеснул масла в бензин, и мы дальше полетели. Вторую остановку сделал около причала Борской переправы — поздоровался с коллегами мотористами-СВПшниками. Некоторые даже узнали в очертаниях аппарата конструкцию, валявшуюся на заднем дворе «АКС-Инвеста».

Шел примерно на полгаза маршевого и полном газу нагнетательных. При добавлении тяги катер прижимал нос и обнаруживал неприятную рыскливость. Бензина ушло в маршевый двигатель 12-13 л и еще в нагнетательные — по бачку (около литра) на каждый.

Полномасштабные испытания

В Нижнем Новгороде выполнили полномасштабные испытания с замерами тяги и видеозаписью. Запись выложена в Интернет и пользуется большим спросом у любителей СВП. Замеряли тягу «на стопе» при полностью открытой дроссельной заслонке двигателя. Получилось 105 кгс при 5800 об/мин! На моем любимом режиме, на котором я прилетел из Балахны, тяга была около 60 кгс. Измерили также давление в подушке, для этого катер загрузили балластом (около 400 кг).

При полностью открытых дроссельных заслонках карбюраторов обоих нагнетательных двигателей по периметру ВП происходило небольшое выдувание воздуха, однако возможности подушки были близки к пределу. Давление составило 50 кгс/м2. Выводы по первым результатам были таковы: «Буран» демонтировать, на его место установить бензиновый двигатель Ruslight 190 FDR мощностью 14 л.с.

Новый мотор удачно вписывался в конструкцию, если не считать бензобака, который пришлось снять, и воздушного фильтра с глушителем — их заменили. Всю процедуру замены двигателя провел в конце августа отдельно от аппарата, в гараже; к месту стоянки привез уже новую мотоустановку.

С новым двигателем опять провели испытания с замерами:

Максимальная скорость по GPS, полученная с тремя седоками на борту, — 55 км/ч, с двумя — больше 50 км/ч разогнаться не удалось из-за неоптимальной центровки. На новом моторе я совершил обратный переход из Нижнего до Балахны со средней скоростью около 40 км/ч. «Газ» маршевого двигателя держал чуть больше половины — на полном газу скорость прибавляется несущественно.

Мотор явно придушен воздушным фильтром, и с этим предстояло разбираться. По пути удалось поснимать волжские пейзажи и главное — насладиться свободой передвижения по водным просторам, совершенно не опасаясь наскочить на песчаную косу или топляк.

Источник

Вентилятор для воздушной подушки

Основные типы нагнетателей судов на воздушной подушке — часть 1

Для приведения в движение воздуха в воздуховодном тракте аппарата и придания ему требуемых параметров используют нагнетатели, которые создают напор, необходимый для преодоления сопротивления воздушного тракта и создания давления в воздушной подушке.

В зависимости от типа аппарата этот напор составляет от нескольких десятков до нескольких сотен килограммсилы на один квадратный метр, причем первые значения относятся к небольшим и легким аппаратам, а вторые — к большим морским СВП. В моделях, где нагнетателем служит зачастую воздушный винт для авиамоделей, эти значения еще меньше, однако, в аппаратах,

действующих на принципе воздушной пленки, они велики и достигают 0,4— 0,7 МПа. От напора зависит производи* тельность (объемный расход воздуха), которая также является основной характеристикой нагнетателя и назначается в зависимости от схемы создания воздушной подушки, размеров аппарата, высоты подъема и т. д.

Чтобы правильно выбрать нагнетатель, т. е. определить его тип, размеры и аэродинамические характеристики, необходимо сравнить характеристики имеет мого нагнетателя с требуемыми, предъявляемыми к данному аппарату. Целесообразно также проверить опытным путем на модели или аппарате правильность выбора аэродинамических характеристик нагнетателя, которые влияют на

оптимальную работу всей конструкции.

Рис. 24. Нагнетатель осевой МС (серия ЦАГИ)
1—корпус; 2—рабочее колесо

Источник

Вопросы проектирования малых судов на воздушной подушке

Суда на воздушной подушке — парящие суда — представляют собой принципиально новое средство водного транспорта, обладающее высокой проходимостью и большой скоростью. Для них доступны скорости, превышающие 200 узлов; их эксплуатация возможна не только на мелких реках с выходом на пологий берег, но и на болотах, надо льдом и т. п. Парящие суда представляют значительный интерес и для любителей водно-моторного спорта и для туристов.

Проектирование и постройка судов на воздушной подушке сложнее, чем обычных водоизме-щающих или глиссирующих катеров. Однако опыт постройки мелких судов на воздушной подушке отдельными любителями (как в СССР, так и за рубежом) показывает, что и эта работа доступна не только специализированным проектным организациям и предприятиям.

Ниже рассмотрены основные вопросы проектирования и постройки мелких судов на воздушной подушке, причем некоторые вопросы теории изложены в упрощенной форме. Приведенные в статье практические коэффициенты выведены на основе данных, полученных в результате испытаний отечественных и зарубежных опытных аппаратов, в том числе и построенного (под руководством автора) студентами Одесского института инженеров морского флота опытного катера на воздушной подушке.

Существует несколько способов формирования воздушной подушки, однако опыт эксплуатации парящих судов еще недостаточен для того, чтобы уверенно дать предпочтение какому-либо одному из них. Существуют лишь примерные границы высот парения и скоростей, для которых может быть рекомендована та или другая схема.

Способы создания воздушной подушки

Камерный способ создания воздушной подушки. Как показано на рис. 1, днище судов этого типа представляет собой купол, являющийся камерой, в которую вентилятор нагнетает воздух. Повышенное давление в камере создает подъемную силу. Равновесное положение аппарата наступает, когда равнодействующая сил давления уравновешивает силы веса, а производительность вентилятора компенсирует вытекание воздуха из-под купола.

Однако камерная схема в таком виде не может быть применена для судна, так как она не обеспечивает одного из основных мореходных качеств — остойчивости. Этот недостаток судов, построенных по камерной схеме, может быть устранен устройством боковых поплавков (рис. 2), как у катамарана, или секционированием днища (рис. 3) продольными стенками (вдоль бортов и не менее одной в промежутке между ними) с одновременной установкой поперечных захлопок.

Благодаря установке продольных стенок — «ножей» и захлопок (1, 2 на рис. 2) значительно снижаются затраты энергии на создание подушки. Однако ножи при больших скоростях хода вызывают значительное сопротивление движению, поэтому такого типа суда проектируют для скоростей хода, не превышающих 40—60 узлов.

На рис. 4 и 5 показаны аппараты с камерной схемой образования воздушной подушки (характеристики ряда аппаратов приведены в табл. 1).

Сопловой способ создания воздушной подушки. Воздух от вентилятора поступает по соответствующим каналам к соплу, устроенному по периметру судна (рис. 6). Кольцевое сопло конструируется так, что воздух направляется под днище судна под некоторым углом к его центру, формирует область повышенного давления и создает воздушную завесу.

Мощность, затрачиваемая на создание воздушной подушки, у судов этого типа меньше, чем у аналогичных судов с камерной схемой (без ножей). Остойчивость обеспечивается лишь при малых углах наклона (до 2°), поэтому для улучшения остойчивости на больших углах крена устраивают два ряда сопел или секционированное днище (с перегородками или продольными и поперечными сопловыми устройствами).

Сопловая схема предпочтительна для судов с полным отрывом от поверхности воды и с большими, чем при камерной схеме, скоростями (до 60—80 узлов).

На рис. 7—13 показаны аппараты, имеющие сопловую схему.

Суда на воздушных крыльях. У судов этого типа — экранопланов — подъемная сила создается на воздушном крыле за счет скоростного напора встречного потока воздуха (рис. 14). Эти суда могут иметь и комбинированный способ создания воздушной подушки: подъем судна без движения создается вентиляторами, а по достижении определенной скорости вентиляторы отключаются, и парение осуществляется на крыльях.

Читайте также:  Вытяжка в углу стены

Подъемная сила крыла у опорной поверхности значительно больше, чем при удалении от нее. Высота парения судов на воздушных крыльях предусматривается такой, чтобы она превышала высоту гребней волн, а скорость — достаточной для создания подъемной силы, обеспечивающей указанную высоту парения. Диапазон скоростей этих судов от 60—70 до 250—300 узлов.

Появившиеся недавно суда на воздушных крыльях проще, чем суда первых двух типов или суда с комбинированной схемой. Общие энергетические затраты на подъем и движение у них меньше, а возможности достижения высоких скоростей значительно больше.

На рис. 14 и 15 показаны аппараты этого типа. Они представляют собой крыло, наклоненное к горизонту на угол 10—15°, с боковыми ограждениями (шайбами). В передней части крыла установлен воздушный винт, ось которого также имеет наклон. Воздушный винт нагнетает воздух под крыло, что позволяет уже на стоянке поднять судно над поверхностью воды. При движении высота парения достигает 10—15% хорды крыла.

Наклонение аппарата в продольном направлении осуществляется специальным рулем, устанавливаемым в плоскости крыла. Поворотливость обеспечивается вертикальными рулями.

В настоящее время точный расчет судов этого типа теоретически, очевидно, не разработан, но простота их конструкций позволяет в большинстве случаев произвести опыты на моделях самостоятельно и получить основные исходные данные для расчетов.

Рассматриваемые ниже некоторые основные теоретические положения и практические данные, необходимые для проектирования судов на воздушной подушке, будут относиться лишь к судам камерного и соплового типов.

Аппарат «Чайка»

Достройка аппарата «Чайка» была завершена в конце лета 1963 г. Испытания его над землей (во дворе института) показали удовлетворительные качества по управляемости, остойчивости и ходкости. Однако слишком малая высота парения — всего 4—5 см — и перегрев двигателя над вентилятором не позволили испытать его в морских условиях осеннего периода.

Предполагалась окончательная доводка его в 1964 г., однако отсутствие более мощного двигателя (на вентилятор для увеличения высоты парения) послужило причиной прекращения работ по превращению «Чайки» в судно. Начались поиски новых путей.

Зимой 1963—1964 гг. был разработан новый проект и испытана модель более перспективной разновидности аппаратов на воздушной подушке с двигателями малой мощности — судна на воздушном крыле.

Совместно со студентами весной мы построили такой одноместный аппарат и провели некоторые его испытания уже не только во дворе, но и на море. Мы убедились, что на базе тех же двух моторов «ИЖ-60к» можно получить значительно более высокие характеристики, и в частности скорость порядка 100—120 км/час при высоте парения 20—25 см.

Конструктивно новый аппарат-экраноплан оформлен в виде катамарана с палубой в форме крыла. По окончании доводки и испытаний, которые, очевидно, состоятся весной или летом 1965 г., мы расскажем об этом аппарате подробнее.

Выбор основных характеристик судна

Высота парения. Одной из основных задач проектирования судна на воздушной подушке является выбор рациональной высоты парения. Высота парения определяет проходимость судна над твердой поверхностью, имеющей те или иные неровности, и, естественно, должна превышать их высоту.

Движение по взволнованной водной поверхности может осуществляться как в условиях парения корпуса судна над гребнями волн, так и при высоте парения меньшей, чем высота волн. В последнем случае движение сопровождается ударами волн о корпус судна, что приводит к потере скорости. Снижение скорости будет тем большим, чем больше высота волн превышает высоту парения; если высота волн превышает высоту парения в 1,5—2 раза, потеря скорости может составить 20—30%. Эксплуатация судов на воздушной подушке возможна даже в условиях, когда высота волны превышает высоту парения в 4 и более раз, однако потеря скорости при этом будет весьма значительной (около 50%).

Достижение высоты парения, которая обеспечила бы движение над гребнями волн при значительной их высоте, потребует больших энергетических затрат, растущих с увеличением высоты парения. По этой причине высоту парения следует выбирать умеренной, ограничивая район и условия плавания.
Минимальная высота парения, обеспечивающая нормальную эксплуатацию мелких судов в хорошую погоду:

  • для малых рек и озер 3 см;
  • для больших рек и озер 5 см;
  • для прибрежного морского плавания 8— 10 см.

При выборе высоты парения следует учитывать, что на подъем каждых 100 кг веса малого судна на высоту 1 см необходимо затратить 0,6—1,0 л. с. мощности двигателя, приводящего во вращение вентилятор.

Форма и размеры судна. Минимальные энергетические затраты на подъем судна (при заданных высоте парения, весе аппарата и площади подушки) могут быть получены при минимальном периметре днища. Это обусловлено тем, что утечка воздуха из воздушной подушки пропорциональна ее периметру. Из всех геометрических фигур этому условию в наибольшей степени удовлетворяет круг.

Однако при определении сопротивления движению судна можно установить, что увеличение отношения длины судна к его ширине (L/B) желательно для снижения сопротивления движению.

Оптимальная форма днища в плане может быть получена путем варьирования. Обычно отношение L/B колеблется в пределах 2—2,5.

Для обеспечения нормальной эксплуатации судов на воздушной подушке над взволнованной водной поверхностью их носовую часть выполняют по форме, напоминающей носовые обводы обычных судов, С целью снижения сопротивления движению обводы корпуса судна на воздушной подушке следует выполнять удобообтекаемой формы.

Обеспечение остойчивости. Как известно, остойчивостью судна называют способность возвращаться в первоначальное прямое положение, из которого его вывели внешние силы.

Остойчивость судов на воздушной подушке достигается иными путями, чем для водоизмещаю-щих судов. Как уже отмечалось, для этой цели необходимы специальные устройства. На судах с общей подкупольной камерой — это боковые поплавки, которые при наклонениях опираются о воду, или разделение подкупольной части на отсеки с пластинами (ножами) в продольном и за-хлопками в поперечном направлениях; на судах с одноконтурной сопловой схемой образования подушки — это, обычно, устройство второго ряда сопел.

Как и для водоизмещающих судов, понижение центра тяжести — ЦТ судна или его повышение приводит соответственно к увеличению или уменьшению остойчивости аппарата.

Удифферентовка судна на режиме парения без хода обеспечивается при размещении ЦТ судна и центра давления воздушной подушки на одной вертикальной прямой. При хорошо обеспеченной остойчивости судна некоторое смещение ЦТ относительно центра давления к существенному дифференту не приводит, но оно может сильно повлиять на величину сопротивления движению (как в положительную, так и в отрицательную сторону). По мнению некоторых специалистов, для снижения горба волнового сопротивления ЦТ следует смещать в нос на 2—3% L.

Поворотливость и торможение. Обеспечение нормальных маневренных качеств судов на воздушной подушке представляет собой весьма сложную и недостаточно изученную задачу. Для обеспечения поворотливости малых судов обычно применяются воздушные рули. Иногда поворот осуществляется наклонением аппарата или отклонением воздушных струй, либо изменением режима работы двух воздушных винтов регулируемого шага.

Торможение осуществляется воздушными винтами регулируемого шага, наклонением аппарата либо направленным воздушным потоком. Достаточно быстрое торможение при движении над водной поверхностью может быть осуществлено при остановке двигателей вентилятора и движителей.

Брызгообразование. Одним из основных недостатков судов на воздушной подушке является большое брызгообразование, которое ухудшает обзор из рулевой рубки, особенно на малых скоростях движения, увеличивает сопротивление судна движению и требует герметизации электрооборудования двигателей, установки фильтров на карбюраторы и т. п. На больших скоростях движения брызги остаются за кормой и существенных неприятностей не приносят.

Уменьшение брызгообразования может быть достигнуто путем снижения давления в подушке, что связано с увеличением ее площади или уменьшением веса судна (брызгообразование отсутствует при давлении в подушке менее 10 кг/м 2 ).

Брызгообразование судов с камерной схемой обычно меньше, чем у сравнимых судов с сопловой схемой. Наименьшее брызгообразование может быть достигнуто у аппаратов с воздушными крыльями.

Конструкция корпуса. Конструкция корпуса должна обеспечивать достаточную прочность судна при минимальном весе. Отметим, что конструктивные узлы корпусов судов на воздушной подушке больше напоминают конструкции не судна, а самолета.

Толщина обшивки из алюминиевых сплавов на построенных в настоящее время судах весом до 30 т не превышает 1,5—2 мм, на судах весом до 10—15 т всего 0,7—1,5 мм. Как правило, листы большей толщины устанавливаются в носовой части и на днище, воспринимающих удары волн. Следует также учитывать, что при эксплуатации судна на воздушной подушке удары волн могут привести к резкому торможению и, следовательно, появлению больших усилий инерционного характера. В связи с этим крепления различных деталей и узлов, обладающих большой массой, должны быть достаточно прочными.

К материалу для изготовления корпуса предъявляются следующие основные требования:

  • как можно меньшее отношение удельного веса к прочности;
  • водо- и воздухонепроницаемость;
  • устойчивость к коррозии;
  • простота обработки и сборки конструктивных узлов.

Материалами, удовлетворяющими этим требованиям, могут быть: алюминиевые сплавы; пластические массы, армированные стеклянными или хлопчатобумажными тканями; водостойкая фанера и другие.

Для получения простого и легкого корпуса особый интерес может представить конструкция каркасного типа, обтянутая хлопчатобумажной тканью или пластмассовой пленкой. Для придания ткани водонепроницаемости и прочности ее следует пропитать эпоксидной или полиэфирной смолой.

Вес корпуса аппаратов на воздушной подушке, приходящийся на 1 м 2 площади в плане, колеблется в пределах от 10 до 30 кг.

Определение мощности, потребной для создания воздушной подушки

Камерный способ. Для аппаратов с камерной схемой создания подушки энергетические затраты связаны со свободной утечкой воздуха из-под днища по всему периметру судна или в его части, если имеются ограждения в виде бортовых ножей, носовых и кормовых захлопок и т. п. (рис. 16).

Производительность вентилятора должна равняться расходу воздуха. Расход воздуха или производительность вентилятора для камерной схемы:

где S — площадь прохода, через который воздух выходит из-под днища, м 2 ;
v — скорость истечения воздуха, м/сек.
Площадь прохода воздуха:

где П — периметр судна по нижней кромке купола, м;
hc — высота струи, м.

Так как при выходе из-под купола струя сужается, высота струи несколько меньше высоты парения h и может быть принята hc — 0,7÷0,8 h.

Читайте также:  Вытяжка cata c 600 galogen inox

Скорость истечения может быть с достаточной степенью точности определена по формуле свободного истечения воздуха из сосуда, т. е.:

где Р — избыточное давление под куполом, кг/м 2 ;
g — ускорение силы тяжести, м/сек 2 ;
у — удельный вес воздуха, кг/м 3 .

Тогда производительность вентилятора определится как:

а мощность, затрачиваемая на подъем:

где ηB — коэффициент полезного действия вентилятора.

Сопловой способ. У аппаратов с сопловой схемой образования воздушной подушки расход воздуха (рис. 17) относительно меньше, чем у аппаратов с камерной схемой.

Определение мощности, потребной для создания заданной высоты парения, характеристик вентилятора и других исходных данных проектирования при сопловом способе представляет собой более сложную задачу.

Для приближенных расчетов мощности, затрачиваемой на подъем, можно воспользоваться формулой:

При двухконтурной сопловой схеме потребная мощность должна быть увеличена примерно на 20%.

Выбор двигателя и вентилятора

После установления потребной мощности вентилятора следует приступить к подбору двигателя. Основные требования, которые следует предъявлять к двигателям судов на воздушной подушке:

1) минимальный вес двигателя, приходящийся на 1 л. с.;

2) надежность эксплуатации в условиях интенсивного брызгообразования.

При мощностях до 30 л. с. основному требованию (минимальный относительный вес) отвечают двигатели мотоциклетного типа. Однако следует учитывать, что условия эксплуатации этих двигателей на мотоциклах и на катере на воздушной подушке существенно отличаются как по характеру работы двигателя, так и по условиям его охлаждения. Поэтому при использовании мотоциклетного двигателя расчетной следует считать не максимальную мощность, а мощность, при которой может быть осуществлена долговременная его работа (примерно 0,7÷0,8 Nмакс).

Необходимо обеспечить интенсивное охлаждение двигателя при его работе и хорошую фильтрацию воздуха, поступающего в цилиндры через карбюратор.

Для получения минимального веса всей установки задачу по выбору типа двигателя надо решать комплексно, одновременно с выбором передачи от двигателя к вентилятору и конструкции вентилятора. Известно, что изменение числа оборотов вентилятора приводит соответственно к изменениям конструктивных размеров и веса при той же производительности.

Одним из основных конструктивных элементов судна на воздушной подушке является вентилятор, поэтому выбор его размеров и конструкции должен быть произведен особенно тщательно. Как указывалось ранее, потребная производительность вентиляторов для судов с сопловой схемой на 30—40% меньше, чем для судов с камерной схемой при той же высоте парения. Это обстоятельство позволяет применять для сопловых схем вентиляторы меньших габаритов, что является дополнительным преимуществом сопловой схемы.

Определение основных элементов вентиляторов для судов на воздушной подушке производится методами, изложенными в специальной литературе, и обычно затруднений не вызывает.

В настоящее время для создания воздушной подушки применяются преимущественно осевые вентиляторы, однако с успехом могут применяться вентиляторы и других типов.

Расположение вентиляторов обусловливается необходимостью равномерного распределения давления по площади днища и весовой удифферентовки. Обычно их располагают симметрично относительно ЦТ площади подушки или на вертикальной оси, проходящей через него.

Заслуживают внимания вентиляторные схемы, использующие скоростной напор встречного воздуха. В отдельных случаях при использовании таких схем вентиляторы получают горизонтальную ось вращения и располагаются со смещением к носу. Несмотря на заманчивость применения этой схемы, следует иметь в виду, что решить такую задачу очень сложно. Вентиляторы на стоянке и при движении будут работать в различных условиях, а это может повлечь значительное усложнение их конструкции и привести к необходимости применения поворотных лопаток с целью сохранения постоянного значения к. п. д. при изменении условий работы, без чего преимущество такой схемы может быть сведено к нулю.

Особое внимание надо уделить обеспечению прочности вентилятора и его крепления к корпусу. При проектировании и изготовлении вентилятора следует помнить о необходимости его балансировки. Недостаточная отбалансированность может привести к сильной вибрации и даже к разрушениям вентилятора и связанных с ним конструкций.

Расчетные характеристики вентилятора должны выбираться с учетом схемы создания воздушной подушки. Для камерной схемы производительность Q можно найти по приведенным выше формулам, а напор И можно принять равным давлению в камере Р. Для сопловой схемы производительность вентилятора и давление следует определять с учетом потерь в воздухопроводах.

Статическое давление за вентилятором:

где kB — коэффициент, учитывающий потери давления в воздушных трактах. Для судов с сопловой схемой kB = 0,6÷0,7.

Тогда производительность определится по формуле:

Выбор параметров соплового устройства

Основными характеристиками соплового устройства, имеющими определяющее значение для выбора оптимальных параметров воздушной подушки, являются:

1) давление в воздушной подушке Р;

2) угол наклона сопла Θ (см. рис. 17);

3) ширина сопла t.

Давление в воздушной подушке для малых аппаратов колеблется в пределах 80—100 кг/м 2 .

Оптимальный угол наклона сопла 0opt может быть выбран по графику (рис. 18) в зависимости от отношений h/t и t/DO, где DO — эквивалентный диаметр:

Отношение высоты парения к ширине сопла принимается обычно в пределах от 2 до 3.

Сопротивление движению судов на воздушной подушке

Волновое сопротивление. Судно, парящее над водой, создает в ней углубление (рис. 19), глубина которого зависит от давления воздуха под днищем. При движении такого судна углубление водной поверхности перемещается вместе с ним и создает системы поперечных и расходящихся волн, картина которых аналогична волнообразованию водоизмещающего судна такой же формы. Таким образом, суда на воздушной подушке, так же как и водоизмещающие, испытывают волновое сопротивление.

По мере увеличения скорости движения картина волнообразования меняется. В начале движения волновое сопротивление растет довольно интенсивно, а затем столь же интенсивно падает. При числах Фруда:

превышающих 0,7, волновое сопротивление резко уменьшается. Из этого следует, что горизонтальный упор движителей должен обеспечивать преодоление максимума волнового сопротивления, а расчетная скорость должна быть выше:

Приближенно волновое сопротивление судна прямоугольной формы при различных отношениях сторон можно определить по формуле:

Произведя расчеты по указанной формуле, можно установить, что волновое сопротивление снижается с уменьшением соотношения сторон.

Воздушное сопротивление. Сопротивление воздуха движению судов на воздушной подушке является одним из главных видов сопротивления. Для определения величины воздушного сопротивления можно воспользоваться формулой:

Для точного определения величины коэффициента Сх требуются специальные модельные испытания судна в аэродинамической трубе. Приближенно его значение можно принимать в пределах 0,3—0,5, причем для судов с удобообтекаемой формой оно будет ближе к 0,3.

Сопротивление потери импульса. При работе судов на воздушной подушке воздух захватывается вентилятором и переносится вместе с судном. Это обстоятельство приводит к потерям, называемым импульсным сопротивлением.

Сопротивление потери импульса для аппаратов, не предусматривающих отклонения струй воздуха в корму, может быть определено из выражения:

где Q — производительность вентилятора, м 3 /сек; V — скорость хода, м/сек.

В действительности же встречный поток воздуха при движении судна на воздушной подушке отклоняет в корму струи воздуха, выходящие из сопел. У большинства аппаратов отклонение струй предусматривается конструкцией, что позволяет получить дополнительный горизонтальный упор, величина которого может быть определена приближенно из выражения:

Если даже не учитывать сопротивление потери импульса и дополнительную тягу отклоненных струй, это не приведет к существенным ошибкам при проектировании судов со сравнительно малыми высотами парения; поэтому весь этот расчет практически можно не производить.

Движители

Создание упора для движения судов на воздушной подушке осуществляется различными способами (воздушные винты, водяные винты, возду-хометные движители и др.). Выбор типа движителя должен определиться в результате проектной проработки с целью получения наиболее экономичного аппарата.

Несмотря на разнообразие применяемых движителей, можно установить некоторые закономерности. Так, для судов весом до 0,7 т движение обычно осуществляется наклоном судна в нужную сторону или отклонением воздушной струи в сопловом устройстве специальными отклоняющими лопатками. Этим способом может быть получена скорость от 5 до 30 узлов, причем больший предел скорости может быть достигнут у судов, имеющих большую высоту подушки, так как это позволит осуществлять больший наклон.

На судах значительных размеров с камерной схемой и боковыми ножами с успехом применяются водяные винты. Поскольку наличие боковых ножей ограничивает их предельную скорость (20—30 узлов) и исключает выход судна на берег, установка водяных винтов, обеспечивающих на этих скоростях высокий к. п. д., оказывается наиболее целесообразной.

На судах с полным отрывом от воды и весом более 1 т в большинстве случаев в качестве движителей устанавливают воздушные винты. Это объясняется стремлением обеспечить возможность эксплуатации аппаратов на мелководье, на отмелях и с выходом на берег. Кроме того, проектные скорости судов с полным отрывом от воды (благодаря малому их сопротивлению) могут быть получены значительно более высокими (60—100 и более узлов). На этих скоростях к. п. д. воздушных винтов может быть даже большим, чем водяных, в то время как при меньших скоростях воздушные винты уступают водяным.

Пример расчета

Определим основные характеристики судна на воздушной подушке весом 400 кг при высоте парения h=6 см и скорости хода от 0 до 120 км/час при сопловом способе создания воздушной подушки.
1. Задаемся давлением в воздушной подушке:

2. Определяем площадь подушки:

3. Принимаем отношение L/B = l = 2; тогда:

Определяем потребную мощность на подъем:

5. Определяем сопротивление движению. Сопротивление воздуха:

Приведенную площадь миделевого сечения считаем приближенно:

Расчет ведется в табличной форме:

6. Определяем потребную для движения мощность, приняв к. п. д. воздушного винта ηдв=0,6:

7. Определяем параметры вентилятора Н и Q:

8. Определяем основные элементы соплового устройства. Задаемся отношением h/t=2; тогда:

9. Подберем двигатели для вентилятора и движителя. Мощность двигателя вентилятора:

Для воздушного винта может быть принято:

Весовая нагрузка

Подсчитаем (приближенно) составляющие весовой нагрузки.

1. Вес корпуса (принимаем 20 кг на 1 м 2 площади подушки) Рк = 20·S = 20·4 = 80 кг.

2. Вес двигателя вентилятора 50 кг.

3. Вес вентилятора 20 кг.

4. Вес двигателя воздушного винта 30 кг (предполагается работа двигателя «на прямую» со снятой коробкой передач и сцепления).

5. Вес воздушного винта 5 кг.

6. Вес фундаментов под двигатель вентилятора 8 кг.

7. Вес фундаментов под двигатель воздушного винта 12 кг.

Источник

Поделиться с друзьями
Вентилиция и кондиционирование
Adblock
detector