Improving the design of the water pumping ejection system of a promising amphibian vehicle

Full Text

Введение

В настоящее время амфибийные машины широко востребованы в военной и гражданской сферах, активно используясь в различных родах войск Вооруженных Сил и отраслях народного хозяйства. Одним из ключевых требований к ним является живучесть – способность противостоять в процессе преодоления водных преград эксплуатационным и другим повреждениям, максимально возможно восстанавливая или поддерживая при этом с помощью экипажа свои водоходные качества. Живучесть определяется при работе на плаву, в первую очередь, непотопляемостью, под которой понимается свойство поврежденной машины сохранять плавучесть, остойчивость, ходкость и управляемость при поступлении в корпус забортной воды до выхода на берег. Поступление в корпус забортной воды сопровождается уменьшением запаса плавучести, скорости и устойчивости на курсе, изменением дифферента и крена, ухудшением работы некоторых систем и механизмов амфибийной машины. Если не предпринять своевременных мер по прекращению заливания и откачке поступающей жидкости, оно может привести к затоплению изделия.

Несмотря на то, что живучесть амфибийных машин зависит от многих конструктивных и эксплуатационных качеств, определяющими являются запас плавучести и производи-тельность водооткачивающих средств. Повышение запаса плавучести за счет увеличения водонепроницаемого объема корпуса позволяет повысить весовую нагрузку машины на плаву, но ограничивается рядом требований, в первую очередь, габаритами изделия, и приводит к увеличению парусности амфибийной машины. Поэтому основным подходом к повышению живучести амфибийных машин на плаву является использование нескольких водооткачивающих насосов с большой подачей с приводом от основного двигателя машины и насосов с электроприводами от аккумуляторных батарей для откачки воды при неработающем основном двигателе [1-3]. Основным назначением водооткачивающих средств является обеспечение нормальных условий для работы всех узлов и агрегатов амфибийной машины за счет своевременного удаления воды, просачивающейся в корпус через уплотнения или из-за каких-либо дефектов в элементах герметизации корпуса.

Большинство работ, посвященных разработке и совершенствованию водооткачивающих систем, относятся к корабельной тематике [4], в них обсуждаются существующие стандарты и требования к системам водооткачки, рассматриваются стационарные и погружные водооткачивающие системы, оценивается производительность насосов, подтверждается обеспечение требуемых величин по известным показателям производительности водооткачки и начального уровня воды, а также выполняется разработка и проектирование систем управления [5-11]. В качестве водооткачивающих средств на плавающих машинах применяют насосы различного типа [12-14]. Для большинства амфибийных машин более предпочтительны насосы с большой подачей и умеренным напором – центробежные или осевые. Как и корабли, большинство амфибийных машин оснащены подобными системами водооткачки, основной подход к которым описан выше – AAV-7 (LVTP-7), M113, Bandvagn 206, MOWAG Piranha, Bradley, двухзвенные транспортеры семейства «Витязь», МТ-ЛБ и др. Однако для повышения живучести амфибийных машин на плаву могут быть использованы водометные движители, являющиеся наиболее распространенными и широко применяемыми на современных амфибийных машинах водоходными движителями, за счет установки эжекционных систем водооткачки, использующих разрежение в водоводе для откачки воды из корпуса. Эти системы, как правило, обладают большей производительностью, чем насосы, и существенно меньшими затратами мощности, но реализованы на сравнительном небольшом числе амфибийных машин – БРДМ, некоторых образцах семейства БТР, БМП-3.

Конструкция и расчет эжекционных систем водооткачки

Определяющим параметром эффективности эжекционной системы водооткачки является место подсоединения к водометному движителю. Их возможные расположения показаны на рис. 1. Подсоединение в выходном напорном патрубке (4) с использованием эжектирующего эффекта потока воды, имеющего высокую скорость, обладает рядом преимуществ перед подсоединением к входному участку водовода (1 – 3), т.к. в этом случае поток не оказывает влияния на работу насосного устройства. Помимо этого, при подсоединении (1 – 3) подсос воздуха вместе с водой приводит к ухудшению тяговых характеристик водометного движителя.

 

Рис. 1. Возможные места подсоединения эжекционной системы водооткачки к водоводам водометного движителя

Fig. 1. Possible places for connecting the ejection water pumping system to the water pipes of the water jet propulsion system

 

Как правило, на практике определение непосредственного места подсоединения трассы системы водооткачки к водоводу водомета осуществляется экспериментальным путем. Для этого выполняются измерения разрежения в предполагаемых местах подсоединения трассы системы водооткачки к водоводу водомета. Поскольку наибольшее разрежение соответствует областям водовода с максимальной скоростью воды, следует рассматривать участки водовода с наименьшей площадью сечения.

Если экспериментальное определение областей водовода с наибольшими разрежениями невозможно, допускается расчетный подход; составляется уравнение Бернулли, решая которое, можно определить величины разрежения в предполагаемых местах подсоединения трассы системы водооткачки к водоводу водомета:

$z_1+\frac{p_1}{{\gamma }_{в}}+\frac{{\alpha }_1{v_1}^2}{2g}=z_2+\frac{p_2}{{\gamma }_{в}}+\frac{{\alpha }_2{v_2}^2}{2g}+h_{п}$, (1)

где z₁ и z₂ – удельная потенциальная энергия положения частиц воды в двух сечениях относительно плоскости сравнения (геометрический напор H_геом); p₁ / γ_в и p₂ / γ_в – удельные потенциальные энергии давления, оцениваемые абсолютным давлением в данной частице воды и ее удельным весом (пьезометрический напор H_п); α₁v₁² / 2g и α₂v₂² / 2g – удельные кинетические энергии, измеряемые средней скоростью потока в данном сечении (динамический напор H_дин); α – коэффициент Кориолиса, принимаемый равным единице при равномерной скорости по всему сечению и больше единицы, когда распределение скоростей по сечению неравномерное; h_п – потери удельной энергии в элементах системы.

Потеря энергии складывается из потерь в местных сопротивлениях элементов системы (h_м) и потерь на преодоление трения жидкости о стенки трубопроводов (h_тр):

$h_{п}=h_{м}+h_{тр}$. (2)

Потери в местных сопротивлениях рассчитываются по формуле

$\sum _1^n{h}_{мi}={\zeta }_{м1}\frac{{v_1}^2}{2g}+\mathrm{...}+{\zeta }_{мn}\frac{{v_n}^2}{2g}$, (3)

где ζ – коэффициенты местных сопротивлений элементов системы, определяемые по справочникам гидравлических сопротивлений.

Потери на преодоление трения могут быть найдены по формуле:

$\sum _1^m{h}_{тр}={\lambda }_1{l}_1{v_1}^2/d_{1}2g+\mathrm{...}+{\lambda }_m{l}_m{v_m}^2/d_{m}2g$, (4)

где l_i и d_i – длина и диаметр участка трубопровода; λ_i – коэффициент сопротивления трения по длине трубопровода.

Значение коэффициента трения  определяется по формуле:

$\lambda =\mathrm{0,11}{\left(△/D_{г}\right)}^{\mathrm{0,25}}$, (5)

где D_г – гидравлический диаметр, равный 4 F / χ (F – площадь поперечного сечения трубопровода, χ – периметр сечения); $△$ – средняя шероховатость внутренней поверхности трубопровода.

Для уменьшения потерь в элементах эжекционной системы желательно общую длину трубопроводов делать как можно меньше, избегать значительных изгибов и изменения диаметров. Поэтому при оценке потерь в местных сопротивлениях и потерь на трение в трубопроводах допускается использовать средний диаметр трубопроводов и принимать коэффициент Кориолиса равным единице, что упрощает решение уравнения Бернулли. Скорости воды в каждом сечении трубопроводов принимаются равными v_i = Q_э / F_ср. Тогда, после необходимых подстановок, решение уравнения (1) относительно Q_э дает:

$Q_{э}=\sqrt{2g{F_{ср}}^2\left[z_2-z_1+\left(p_2-p_1\right){\gamma }_{в}\right]/\left(\sum {\zeta }_i+\sum {\lambda }_i{l}_i/d_i\right)}$. (6)

Расчет по этой формуле дает ориентировочное значение подачи эжекционной системы водооткачки при принятых допущениях. В дальнейшем, после проведения полноценных испытаний эжекционной системы водооткачки, данный узел можно усовершенствовать, меняя место подключения к водомету, диаметр трубопроводов и число их вводов в водомет.

Условия моделирования и верификация расчетной модели

Прогресс в развитии программного обеспечения, в том числе, для решения задач вычислительной газогидродинамики позволяет решать задачу совершенствования конструкции эжекционной системы водооткачки перспективной амфибийной машины методом численного моделирования. Данный подход обеспечивает большую точность, чем описанный выше расчетный метод, и является существенно менее дорогостоящим по сравнению с проведением полноценных испытаний.

В рамках данного исследования выполнялось совершенствование эжекционной системы водооткачки перспективной амфибийной машины, с подсоединением в выходном напорном патрубке по схеме 4 на рис. 1. Изменение эжектирующего потока вследствие вариации параметров водовода, насосного колеса и направляющего аппарата не рассматривалось в данной работе. Изучалось влияние расположения и конструктивных параметров отверстий в выходном напорном патрубке. Расчетное исследование осуществлялось в программном пакете для инженерной симуляции на основе методов мультифизического моделирования STAR-CCM+. Динамическая вязкость и плотность задавались для воды при температуре 24° С: μ = 8,8871 · 10⁻⁴ Па·с; ρ = 997,561 кг/м³.

Массовый расход воды для каждого расчетного случая определен по известному коэффициенту расхода при максимальной частоте вращения вала водометного движителя. Исключением является определение расхода усовершенствованной конструкции эжекционной системы водооткачки. В этом случае массовый расход был определен для каждого расчетного случая всего рабочего диапазона частоты вращения вала водометного движителя.

На первом этапе исследования была разработана модель существующей эжекционной системы водооткачки серийной амфибийной машины, с подсоединением к входному участку водовода по схеме 2 на рис. 1. При этом в качестве граничных условий задавались: массовый расход воды перед насосным колесом; стагнация на входе трассы всасывания системы водооткачки и окна водометного движителя. Выполнена серия симуляционных расчетов, проведена верификация расчетной модели, введены необходимые доработки и уточнения. Верификация модели выполнялась на основе сравнения показателей давления в характерных точках водометного движителя и массовых расходов системы водооткачки, полученных путем расчетного моделирования и в ходе испытаний на стенде и в объекте. Разработанная модель существующей эжекционной системы водооткачки серийной амфибийной машины продемонстрировала высокую сходимость сравниваемых параметров: расхождение по давлениям – не более 3 %, по расходам – не более 5 %.

Совершенствование эжекционной системы водооткачки перспективной амфибийной машины

На данном этапе исследования была разработана модель эжекционной системы водооткачки перспективной амфибийной машины, с подсоединением в выходном напорном патрубке по схеме 4 на рис. 1. Один из вариантов конструкции, отличающийся от прочих только расположением и конструктивными параметрами отверстий, приведен на рис. 2. При этом в качестве граничных условий задавались: массовый расход воды после насосного колеса – на входе в направляющий аппарат; стагнация на входе трассы всасывания системы водооткачки; давление на выходе напорного патрубка водометного движителя. Выполнена серия симуляционных расчетов, результаты которых представлены и описаны ниже.

 

Рис. 2. Геометрическая модель одного из вариантов эжекционной системы водооткачки

Fig. 2. Geometric model of one of the options for an ejection water pumping system

 

На основе предварительного варианта конструктивной реализации эжекционной системы водооткачки с одним рядом отверстий была выполнена серия симуляционных расчетов для определения влияния расположения ряда в напорном патрубке на производительность водооткачки, результаты которых представлены на рис. 3.

 

Рис. 3. Зависимость производительности водооткачки от расположения ряда отверстий в напорном патрубке

Fig. 3. The dependence of the pumping performance on the location of a number of holes in the pressure pipe

 

Как следует из рис. 3, наилучшее расположение ряда отверстий – область окончания сужения диаметра напорного патрубка, соответствующая его средней части. После определения наилучшего варианта расположения ряда, исходя из обеспечения условий прочности и технологичности, было выполнено большое число симуляционных расчетов в диапазоне диаметров отверстий от 4 до 60 мм и их числа от 29 до 4 соответственно. Лишь в 5 случаях моделирования из 57 удалось обеспечить требуемую производительность системы водооткачки, поэтому были выполнены оценочные расчеты c большим числом рядов. Полученные результаты подтвердили необходимость рассмотрения большего числа рядов для обеспечения максимальной производительности системы водооткачки. На рис. 4 представлены результаты симуляционных расчетов для всего рассматриваемого диапазона диаметров и отверстий при числе рядов от 1 до 6.

 

Рис. 4. Зависимость производительности водооткачки от конструктивных параметров: числа рядов, отверстий и их диаметров

Fig. 4. The dependence of the pumping performance on the design parameters: the number of rows, holes and their diameters

 

Помимо представленных на рис. 4 вариантов, был выполнен расчет с 7 рядами и 29 отверстиями диаметром 4 мм – производительность системы водооткачки составила 0,010706 м³/с. На основе анализа результатов моделирования установлено, что из всех рассмотренных вариантов наибольшая производительность водооткачки обеспечивается при трехрядном исполнении конструкции, с 14 отверстиями диаметром 14 мм. Все дальнейшие симуляционные расчеты, направленные на повышение производительности эжекционной системы водооткачки проводились с выбранным вариантом.

На рис. 5 представлены результаты моделирования с различными углами фаски, расположенной на входе отверстия. Для повышения наглядности, на данном графике демонстрируется изменение производительности водооткачки. Наибольший положительный эффект наблюдается при угле фаски 30°.

 

Рис. 5. Зависимость производительности водооткачки от угла фаски на входе отверстия

Fig. 5. The dependence of the pumping performance on the chamfer angle at the inlet of the hole

 

На рис. 6 представлены результаты моделирования конического отверстия с различными диаметрами входного и выходного сечения.

 

Рис. 6. Зависимость производительности водооткачки от диаметров отверстий

Fig. 6. The dependence of the pumping performance on hole diameters

 

Как и в предыдущем случае, для повышения наглядности на данном графике демонстрируется изменение производительности водооткачки. Наилучший эффект достигается при диаметре входного отверстия 10 мм и выходного 14 мм. Необходимо отметить, что в рамках работы рассматривались не только круглые, но и прямоугольные отверстия. При таком подходе в напорном патрубке после направляющего аппарата был удален весь материал сектора водооткачки – образовано окно, в дальнейшем туда последовательно вводились продольные и поперечные ребра, вплоть до величины сторон отверстий – не более 5 мм, но такая конструкция несоизмеримо более сложна в изготовлении, а полученный расход не превышал 0,012 м³/с. Также, помимо работ, связанных с определением расположения и конструктивных параметров отверстий в выходном напорном патрубке, в рамках исследования была проведена серия расчетов и достигнуто снижение сопротивления трассы всасывания системы водооткачки в 1,97 раз. Характеристика доработанной эжекционной системы водооткачки приведена на рис. 7. Красная горизонтальная линия – требуемый уровень производительности водооткачки. Совокупность принятых решений позволила обеспечить требуемый уровень производительности эжекционной системы водооткачки при частоте вращения вала водометного движителя более 2812 об/мин. В исходной конструкции при максимальной частоте вращения вала водометного движителя производительность эжекционной системы водооткачки составляла 0,009674 м³/с – требуемый уровень не обеспечивался.

 

Рис. 7. Зависимость производительности водооткачки от частоты вращения

Fig. 7. The dependence of the pumping performance on the speed of rotation

 

На рис. 8, слева и справа соответственно, представлены исходная и доработанная конструкции напорного патрубка водометного движителя.

 

Рис. 8. Исходная и доработанная конструкции напорного патрубка водометного движителя

Fig. 8. Initial and modified design of the pressure pipe of the water jet propulsion

 

Испытания усовершенствованной конструкции эжекционной системы водооткачки

Для проверки усовершенствованной эжекционной системы водооткачки и окончательной валидации расчетной модели проведены испытания по определению производительности водооткачивающих средств при откачке воды, проникшей внутрь корпуса перспективной амфибийной машины при преодолении водной преграды.

В ходе испытаний в полностью укомплектованное изделие заливалось мерное количество воды, частота вращения вала водометного движителя выводилась на максимальный уровень, включались водооткачивающие средства и фиксировалось время их функционирования. При этом, в процессе испытаний, с целью исключения подсоса воздуха, в амфибийной машине обеспечивался уровень воды не ниже входных отверстий трассы всасывания. Расхождение результатов моделирования и проведенных испытаний 5 %, как и в случае с уже существующей эжекционной системой водооткачки серийной амфибийной машины.

Выводы

В рамках данной работы усовершенствована конструкция эжекционной системы водооткачки перспективной амфибийной машины. В результате выполненных исследований:

1. разработаны и верифицированы модели эжекционной системы водооткачки серийной и перспективной амфибийных машин;
2. для эжекционной системы водооткачки перспективной амфибийной машины определены параметры рядов и отверстий, позволяющие обеспечить наибольшую производительность: 3 ряда, 14 отверстий Ø14 с фаской 1х30°;
3. на основании сравнительного моделирования достигнуто снижение сопротивления трассы всасывания эжекционной системы водооткачки перспективной амфибийной машины в 1,97 раз;
4. производительность эжекционной системы водооткачки перспективной амфибийной машины по сравнению с исходным вариантом увеличена в 1,29 раз, обеспечив требуемый уровень при частоте вращения вала водометного движителя более 2812 об/мин;
5. установлено, что расхождение данных, полученных путем моделирования и в результате проведенных испытаний усовершенствованной конструкции эжекционной системы водооткачки перспективной амфибийной машины, составляет 5 %, что очевидно является завышенным по отношению к реальному в связи со способом фиксации времени функционирования системы при испытаниях вручную.

About the authors

I. A. Trusevich

Special Design Bureau for Machine Building; Institute of Engineering Science of the Ural Branch of the RAS

Author for correspondence.
Email: trilal@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-6092-8762

инженер-конструктор 1-ой категории; младший научный сотрудник, канд. техн. наук

Russian Federation, Kurgan; Yekaterinburg

S. V. Abdulov

Special Design Bureau for Machine Building

Email: sincopa2004@mail.ru
ORCID iD: 0009-0003-1769-4520

исполнительный директор – главный конструктор, канд. техн. наук

Russian Federation, Kurgan

I. A. Taratorkin

Institute of Engineering Science of the Ural Branch of the RAS

Email: ig_tar@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3836-6238

младший научный сотрудник, д-р техн. наук

Russian Federation, Yekaterinburg

V. B. Derzhansky

Institute of Engineering Science of the Ural Branch of the RAS

Email: dvb_47@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1043-8340

ведущий научный сотрудник, д-р техн. наук

Russian Federation, Yekaterinburg

References

Supplementary files