Совершенствование сечения лопастей водометного движителя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕОРИЯ КОРАБЛЯ И СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА

С.А. Александров

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СЕЧЕНИЯ ЛОПАСТЕЙ ВОДОМЕТНОГО ДВИЖИТЕЛЯ

Объект и цель научной работы. Сечение лопасти водометного движителя - объект исследования. Целью работы является улучшение кавитационных характеристик водометного движителя.

Материалы и методы. Основаны на расчетах гидродинамических характеристик крыловых профилей.

Основные результаты. Крыловой профиль NACA-66 mod a = 08 имеет коэффициент минимального давления в 4 раза меньше, чем коэффициент для сегментного профиля.

Заключение. Результаты квазиакустических испытаний для модели водометного движителя с крыловым профилем сечения лопастей показали, что исчезла кромочная кавитация на рабочем колесе, что является новым для водометных движителей насосного типа и имеет практическое значение для применения водометного движителя на натурном судне.

Ключевые слова: водометные движители, сечение лопасти, гидродинамические характеристики. Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Для цитирования: Александров С.А. Совершенствование сечения лопастей водометного движителя. Труды Крылов-ского государственного научного центра. 2017; 3(381): 9-14.

УДК 629.5.036.001.26 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-9-14

NAVAL ARCHITECTURE

S.A. Alexandrov

Krylov State Research Centre, Moskovskoe shosse 44, St. Petersburg, Russia

IMPROVING WATERJET BLADE SECTIONS

Object and purpose of research. This study discusses the waterjet blade section and is intended to improve cavitation performance of the waterjet propulsor.

Materials and methods. The study is based on hydrodynamic calculations of wing profiles.

Main results. Wing profile NACA-66 mod a = 08 has 4 times lower minimum pressure coefficient than the segmented profile.

Conclusion. Quasi-acoustic model test data for the waterjet with the wing profile of blade section have shown zero edge cavitation on the working wheel, which is uncommon for pumpjets and has practical importance for waterjet application on full-scale ships.

Keywords: waterjet propulsors, blade section, hydrodynamic performance. Author declares lack of the possible conflicts of interests.

For citations: Alexandrov S.A. Improving waterjet blade sections. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 3(381): 9-14 (in Russian).

УДК 629.5.036.001.26 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-9-14

В ходе работ по исследованию характеристик водометного движителя насосного типа (ВДНТ) [1] было установлено, что применение одной из предложенных Куликовым С.В. конструкций водометного движителя позволяет обеспечить величину коэффициент влияния корпуса Пн = 1 на быстроходных судах при максимальном значении КПД водометного движителя % = 0,68. При этом обычное значение коэффициента влияния корпуса для быстроходных судов составляет пн = 0,8-0,82. Данный факт показывает, что применение водометного движителя насосного типа может обеспечить экономию топлива на 18-20 %. Полученный выигрыш является весьма значительным, поэтому становится актуальной задача совершенствования конструкции ВДНТ с целью улучшения его гидродинамических и кавитационных характеристик.

На рис. 1 представлены результаты квазиакустических испытаний водометного движителя [1], на графике по горизонтальной оси отложена поступь J, по вертикальной оси - величина параметра шумообразования. Приведенные материалы показывают наличие нескольких типов кавитации, которая возникает на различных элементах водометного движителя.

С целью улучшения кавитационных характеристик было решено внести изменения в форму сегментного профиля, сечения лопастей рабочего колеса водометного движителя.

По данным исследования [2] о гидродинамических характеристиках профилей в вязкой несжимаемой жидкости, профиль NACA-66 mod a = 08 показывает хорошие кавитационные характеристики по сравнению с прочими профилями. Поэтому для анализа возможного применения новой геометрии профиля для лопастей водометного движителя был предложен именно он.

На рис. 2 приведены формы исходного сегментного профиля, который был на ВДНТ, а также предполагаемая к применению геометрия профиля NACA-66 mod a = 08.

В данной работе анализировались гидродинамические характеристики профилей с относительной толщиной 5 = 0,057 и относительной кривизной 5С = 0,0225.

В данной работе для выполнения расчета гидродинамических характеристик профиля в вязкой несжимаемой жидкости использован метод расчета [3]. Он базируется на разделении потока несжимаемой жидкости, обтекающей профиль, на вязкую и идеальную зоны течений. Характеристики течения в идеальной зоне определяются по методу конформных отображений, с учетом вытеснения, вызванного подтормаживанием жидкости в вязкой зоне течения.

Турбулентная часть течения реализуется в турбулентном пограничном слое и следе за профилем. Подъемная сила профиля определяется из модернизированного на влияние вязкости условия Кутта -Жуковского, а сопротивление профиля - интегрированием дефекта импульса в дальнем следе за профилем. По результатам расчета определяются следующие характеристики обтекания профиля вязкой несжимаемой жидкостью:

■ коэффициент подъемной силы CL;

■ коэффициент сопротивления профиля CD;

■ распределение коэффициента давления p по нагнетающей и засасывающей сторонам профиля.

На рис. 3 представлены зависимости коэффициента подъемной силы CL и коэффициента сопротивления CD от угла атаки а, полученные после выполнения расчетов гидродинамических характеристик профилей в модельных и натурных условиях при

0 0>5

0N

1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4

• Щелевая кавитация ▲ Кромочная, п = 20 об/с Д Кромочная, п = 15 об/с ■ Кавитация на насадке, п = 20 об/с □ Кавитация на насадке, п = 15 об/с ▼ Концевой вихрь, п = 20 об/с V Концевой вихрь, п = 15 об/с

1 i

к.

▲

т- —' Г

—1 1—

Рис. 1. Результаты квазиакустических испытаний модели водометного движителя c сегментным профилем лопастей рабочего колеса

Fig. 1. Quasi-acoustic model test data for the waterjet with the segmented profile of working wheel blade section

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9

0,3 0,2 0,1 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5

: М2 :1 - N ACA-66 mod a = 08

-1,2

-0,8

-0,4

0,4

ось X: М1:1

Рис. 2. Геометрия профилей сегментного NACA 66m a = 08

Fig. 2. Profile geometry of the segmented profile NACA 66m a = 08

Cl

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0 -0,1

C L

C

—r L1— —r )— —f S— —r —f 1—

—1 1— —I 1— —1 1— —1 1— —«

Cd

0,12

0,10

0,08

0,06

0,04

0,02 0

-1

0

1

Идеальная жидкость NACA-66 mod a = 08 Натурное число Рейнольдса (Rn = 2,8-107), NACA-66 mod a = 08

Натурное число Рейнольдса (Rn = 2,8-107), сегментный профиль

Идеальная жидкость, сегментный профиль Модельное число Рейнольдса (Rn = 6,2-107), сегментный профиль

Рис. 3. Результаты расчета коэффициентов сопротивления CD и подъемной силы CL

Fig. 3. Calculation results for drag coefficient CD and lift coefficient CL

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

.Pmin 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

» 1 1 1 1 1 1 1

\ —•— NACA-66 Сегментный _

\ —•—

\

\

I

V

\

\

\

I

\

\

\

\

v

V

\

4

A

0,1 0 0,1 0,2 0,3 а) 0,4 0,5 0,6 CL

1 1 1 1 1 1 1 _

—•— NACA-66 Сегментный

—•— /

i—

1

у

/

/

/

/

/

/

f

!

У

/

/

/

/ »

r

i ft

/ *

ь,__

»- ■—1 1—1 9

-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 CL

турбулентном режиме течения в пограничном слое, а также значение коэффициента подъемной силы С1 для расчетов в идеальной и вязкой жидкости.

Анализируя представленные на рис. 3 материалы, можно отметить, что значения коэффициентов сопротивления Сд и подъемной силы С1 практически совпадают для сегментного профиля и ЫДСД-66

Рис. 4. Результаты расчета коэффициента относительного минимального давления pmin на нагнетающей (а) и засасывающей (б) сторонах профиля в идеальной жидкости

Fig. 4. Calculation results for relative minimum pressure coefficient pmin on the pressure (a) and the suction (b) sides of the profile in the perfect fluid

0

0

а)

б)

Рис. 5. Результаты расчета коэффициента относительного минимального давления pmin на нагнетающей (а) и засасывающей (б) сторонах профиля в вязкой несжимаемой жидкости для модельных условий Rn = 6,2-107

Fig. 5. Calculation results for relative minimum pressure coefficient pmin on the pressure (a) and the suction (b) sides of the profile in the viscous incompressible fluid for the model conditions (Rn = 6.2-107)

а)

б)

Рис. 6. Результаты расчета коэффициента относительного минимального давления pmin на нагнетающей (а) и засасывающей (б) сторонах профиля в вязкой несжимаемой жидкости для натурных условий Rn = 2,8-107

Fig. 6. Calculation results for relative minimum pressure coefficient pmm on the pressure (a) and the suction (b) sides of the profile in the viscous incompressible fluid for the full-scale conditions (Rn = 2.8-107)

Рис. 7. Результаты квазиакустических испытаний модели водометного движителя насосного типа профилем сечения лопастей рабочего колеса NACA-66 mod a = 08 и новой формой кормового обтекателя (сегментная насадка)

Fig. 7. Quasi-acoustic model test data for the pumpjet with working wheel blade section profile NACA-66 mod a = 08 and the new shape of the aft fairing (segmented duct)

1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

А - • Ка 1 1 1 шитация насадки шитация насадки снаружи

\ ■ Ка

\ ■ А ш елевая кавита ция

N ▲

__ж _А ■

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 J

mod a = 08 при всех расчетных режимах обтекания. Таким образом, видно, что применение новой формы профиля лопастей рабочего колеса не приведет к снижению эффективности работы водометного движителя насосного типа.

Для оценки кавитационных качеств различных профилей по результатам расчета определялось минимальное значение коэффициента давления pmin на нагнетающей и засасывающей сторонах профилей при различных значениях коэффициента подъемной силы CL.

Результаты расчетов представлены на рис. 4-6. На рис. 4 приведены данные, относящиеся к расчетам в идеальной жидкости. Видно, что для сегментного профиля значения коэффициента относительного минимального давления выше при всех указанных значениях коэффициента подъемной силы CL, т.е. во всем диапазоне рассматриваемых углов атаки.

Так, при значении коэффициента подъемной силы CL = 0,63, на засасывающей стороне pmin = 2,6 для профиля NACA-66 mod a = 08, а для сегментного профиля pmin = 11,6. Следовательно, применение крыловой формы профиля снижает минимальное значение коэффициента давления более чем в 4 раза по сравнению с сегментным профилем для расчетов в идеальной жидкости.

На рис. 5 приведены результаты расчетов коэффициента относительного минимального давления pmm на нагнетающей и засасывающей сторонах для профилей в вязкой жидкости в модельных условиях. Они подтверждают выводы, полученные из расчета в идеальной жидкости значения коэффициента давления pmin, также отличаются более чем в 4 раза при максимальных значениях подъемной силы.

На рис. 6 приведены результаты расчеты минимального значения коэффициента давления pmin

на нагнетающей и засасывающей сторонах для профилей в вязкой жидкости в натурных условиях. Результаты данного расчета также похожи на данные, полученные в идеальной жидкости и модельных условиях. Сегментный профиль дает значительно большее абсолютное значение lpminl для натурных условий, таким образом, видно, что пиковые значения разрежения давления для профиля сегментной формы значительно выше, чем для профиля крыловой формы NACA-66 mod a = 08. На основании этих результатов расчетов для гидродинамических характеристик профилей в модельных, натурных условиях и идеальной жидкости видно, что применение новой крыловой формы для профиля сечения лопасти рабочего колеса ВДНТ должно улучшить кавитационные характеристики водометного движителя.

В ходе работ по исследованию характеристик откорректированного водометного движителя [4] была изготовлена модель ВДНТ с сечениями лопастей, соответствующими профилю NACA-66 mod a = 08. Результаты квазиакустических испытаний для этой модели водометного движителя представлены на рис. 7. Они показывают, что применение крылового сечения лопастей NACA-66 mod a = 08 обеспечило улучшение кавитационных характеристик водометного движителя, а именно исчезла кромочная кавитация на рабочем колесе.

Заключение

Conclusion

По результатам представленной работы можно отметить следующее:

■ Выполнены расчеты гидродинамических характеристик профилей для сечения лопастей водомет-

ного движителя в идеальной жидкости, а также в вязкой жидкости при турбулентном режиме течения для модельных и натурных условий.

■ Показано, что сегментный профиль и NACA-66 mod a = 08 обладают близкими гидродинамическими характеристиками: коэффициенты подъемной силы CL и коэффициент сопротивления профиля CD, практически одинаковы. Поэтому допустима замена формы сечения лопастей на водометном движителе.

■ Выявлено, что крыловой профиль NACA-66 mod a = 08 имеет значительно меньшие значения коэффициента относительного минимального давления pmin (более чем в 4 раза) по сравнению с сегментным профилем. Поэтому он должен обеспечить лучшие кавитационные характеристики для водометного движителя насосного типа.

■ Квазиакустические испытания модели водометного движителя с крыловым профилем сечения лопастей показали, что исчезла кромочная кавитация на рабочем колесе.

Библиографический список

References

1. Александров С А, Каневский Г И. Оптимизация элементов водометного движителя насосного типа с коротким водоводом // Труды Крыловского государственного научного центра. 2015. Вып. 90(374). С. 11-18. [5. Alexandrov, G. Kanevsky. Optimization of components for a pumpjet with short water duct // KSRC Transactions. 2015; 90(374): 11-18. (in Russian)].

2. Каневский ГИ, Капранцев СВ., Пустотный АВ, Самаркина А А. Расчет гидродинамических характеристик профиля в вязкой несжимаемой жидкости // Проблемы мореходных качеств судов, корабельной гидромеханики и освоения шельфа (XLIV Крыловские

чтения): Докл. науч.-техн. конф. СПб, 2011. С. 48-59. [G. Kanevsky, S. Alexandrov, A. Pustoshny, A. Samarkina. Hydrodynamic performance calculation for the profile in the viscous incompressible fluid // Ship seakeeping, marine hydromechanics and offshore developments. Message at the XLIVth Krylov Readings. St. Petersburg. 2011: 48-59. (in Russian)].

3. ДробленковВВ., Каневский ГИ. Подъемная сила и вязкостное сопротивление плоских профилей в вязкой несжимаемой жидкости // Вопросы судостроения. 1982. Вып. 32. С. 93-102. [V. Droblenkov, G. Kanevsky. Lifting force and viscous resistance of flat profiles in viscous incompressible fluid // Voprosy sudostroyeniya (Shipbuilding matters). 1982. 32: 93-102. (in Russian)].

4. Александров С А. Экспериментальное исследование формы насадки водометного движителя и ее влияния на гидродинамические характеристики // Модели и методы аэродинамики. Материалы 15 международной школы-семинара. М.: МЦНМО, 2015. С. 12-13 [S. Alexandrov. Experimental study of pumpjet duct shape and its effect upon hydrodynamic performance // Models and methods of aerodynamics. Materials of the 15th International School-Seminar. Moscow: MCCME; 2015: 12-3. (in Russian)].

Сведения об авторе

Александров Станислав Анатольевич, инженер 2 категории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-47-91. E-mail: [email protected].

About the author

Alexandrov, Stanislav A., 2nd Category Engineer, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-47-91. E-mail: [email protected]

Поступила / Received: 15.02.17 Принята в печать / Accepted: 02.03.17 © Александров С.А., 2017