Современные конструкции гидроциклов видятся удачным инструментом развлечений. Однако этот вид техники при эксплуатации нередко даёт утечку вредных веществ, загрязняющих окружающую среду. К тому же классические гидроциклы нельзя применять на мелководье. Все отмеченные недостатки, между тем, отсутствуют применительно к байдарке. Поэтому логичным видится внимание к проекту — байдарка на электрической силовой тяге.
СТРУКТУРА СТАТЬИ :
Проект байдарка на электрической силовой тяге
Электрическая силовая установка, внедрённая в конструкцию байдарки, сохраняет все преимущества водного судна, но при этом добавляет тяги на ход. По сравнению с тем же гидроциклом, конструкция байдарки обладает дополнительными преимуществами, присущими электрической силовой установке:
- простота включения в работу,
- практически полное отсутствие загрязнений окружающей среды,
- низкий уровень шума при работе.
Рассматриваемый здесь концептуальный проект оригинального продукта, однако, предполагает использование программного обеспечения для автоматизированного проектирования (CAD) и вычислительной гидродинамики (CFD). Также потребуется освоение технологий 3D-печати и лазерной резки под разработку систем и создание прототипов. Соответственно, есть шанс получить дополнительный практический опыт в таких делах.
Рассматриваемая конструкция — байдарка на электрической силовой тяге, условно разделена на пять основных подсистем, приоритетных по уровням взаимозависимости:
- водомёт,
- силовая установка,
- рулевое управление,
- крепления,
- пользовательский интерфейс.
Функциональные требования и компромиссы при проектировании с целью обеспечения создания эффективного технологического решения, отмечаются следующие:
Устройство рассчитано обеспечить жёсткое крепление, регулировку и демонтаж при необходимости. Байдарка на силовой тяге предполагает вес не более 75 кг, чтобы максимально упростить установку и повысить эффективность водного судна. Требуется обеспечить достаточно мощности для достижения скорости не менее 8-10 км/час, и времени непрерывного хода не менее одного часа.
Системно необходимы достаточные возможности рулевого управления и торможения, чтобы обеспечивался стабильный ход водного судна. Устройство необходимо сделать устойчивым к опрокидыванию и водонепроницаемым для защиты механических и электрических систем. Наконец, очевидным моментом видятся оптимальные затраты на модернизацию водной машины в целом.
Создание байдарки на электрической силовой тяге
Подсистема формирования потока жидкости состоит из двух комплектов корпусов, рабочих колёс, статоров и выходных сопел. Эта подсистема приводится в действие конструкцией привода водомётов и обеспечивает силовую тягу движению байдарки.
Система питания водомёта включает два комплекта аккумуляторов, двигателей и валов. Эта подсистема поддерживается схемой и кодом для управления мощностью, подаваемой на водяные форсунки. Система рулевого управления состоит из двух двигателей, двух рулевых сопел, двух аккумуляторных батарей, соответственно. Работа поддерживаются схемой управления с программным кодом.
Монтажный подвес состоит из алюминиевого каркаса Т-образной формы 6105-T5 (8020), который поддерживается гидроизоляцией, гайками, болтами, ремнями. Подсистема пользовательского интерфейса выполнена из доступных пользователю элементов управления:
- запуск,
- ускорение,
- рули.
Расположение этих подсистем на байдарке показано на картинке ниже:
Корпус водомётного двигателя является одной из наиболее важных составляющих общей силовой установки с водомётным приводом. Конструкция включает:
- корпус водомётной машины,
- крыльчатку,
- статор.
Эти элементы обеспечивают обтекаемый путь жидкости внутри системы. Примерами для создания корпуса выступают уже существующие технологии водомётных форсунок водных мотоциклов (гидроцикл).
Форма корпуса водомётной машины и крепление вала
Общая форма корпуса водомётной машины требует высокой эффективности, чтобы поступление воды не замедлялось стенками или формой корпуса. Поэтому интерес для разработчика представляют:
- форма входа,
- изменение высоты от входа к выходу,
- площадь входа по сравнению с площадью выхода.
Достаточно сложно, в данном случае, подобрать метод крепления вала рабочего колеса в осевом и радиальном направлении. Для обеспечения большей тяги, размер корпуса видится одним из важнейших факторов. Поэтому оптимальный размер объёма корпуса водомётной машины составляет не менее 100 мм.
Такого исполнения и размерности конструкция водомётной машины оказалась наиболее эффективной после проведения ряда тестовых испытаний, включая анализ «CFD» и практическую работу.
Использование шарикоподшипников с уплотнением вместо подшипников скольжения тоже следует рассматривать оптимальным решением. Экспериментальная конструкция включает два шарикоподшипника: один на стороне статора, другой в области входа вала в корпус.
Подшипник статора запрессован в деталь, напечатанную на 3D-принтере, которая, в свою очередь, помещается внутри ступицы. Эта деталь является съёмной, поэтому в случае износа подшипника просто демонтируется и печатается заново. Новый подшипник прессуется в заново напечатанной детали.
Подшипник заднего расположения установить несколько сложнее. Этот подшипник вставляется внутрь выемки задней части корпуса. Деталь, также напечатанная на 3D-принтере, закрепляется поверх подшипника с целью фиксации вала в осевом направлении.
Байдарка на электрической силовой тяге + исполнение крыльчатки
Применяемая здесь крыльчатка необходима под создание наибольшей силы тяги от воды, выбрасываемой через выходное сопло. Стандартно рабочее колесо (крыльчатка) содержит две основных части:
- Лопасти.
- Ступицу.
Рабочее колесо толкают воду, чтобы привести в движение транспортное средство, используя силы реакции третьего закона действия Ньютона.
Крыльчатка, в данном случае, плотно посажена внутри трубы (корпуса) с целью создания всасывающей силы на входе жидкости за счёт отрицательной разницы давлений внутри корпуса.
Эта разница возникает по явной причине, когда водяная струя на выходе движется быстрее, чем на входе. Как результат — статическое давление внутри уменьшается в соответствии с уравнением Бернулли. Тем самым обеспечивается втягивание воды на входе.
Крыльчатка ускоряет поток за счёт комбинации вращающихся лопастей и перемены проходного сечения, вызванного увеличением диаметра ступицы. Ускорение является результатом передаваемого на лопасти крыльчатки крутящего момента и частоты вращения двигателя. В то же время уменьшение площади заставляет водный поток ускоряться в соответствии с уравнением неразрывности:
?1?1 = ?2?2
Жидкость, ускоряющаяся в области крыльчатки и статора, выбрасывается через выходное сопло. Согласно теореме об интегральном импульсе, сумма сил, действующих на систему, равна потоку количества движения системы. Поток импульса из выходного сопла создаёт силу на водяной струе, которая и толкает байдарку вперёд.
Для достижения высокой степени эффективности процесса, крыльчатку требуется полностью погружать в жидкость. Окончательная конструкция байдарки на электрической силовой тяге предполагает расположение крыльчатки внутри корпуса водомётной машины на валу посредством D-образного посадочного отверстия.
Разница крыльчаток гидроцикла и настоящей конструкции
Конструкция крыльчатки (импеллера) байдарки на электрической силовой тяге является результатом исследования существующих технологий и экспериментальных испытаний. По сути, речь идёт о современных конструкциях импеллера гидроцикла. Большинство этих конструкций включают три или четыре лезвия, причём конец одного лезвия перекрывается началом следующего лезвия.
Такого рода импеллеры гидроциклов мощностью 60-300 лошадиных сил, имеют диаметр около 150 мм. Однако моторные возможности двигателя байдарки на электрической силовой тяге ограничиваются мощностью немногим более одной лошадиной силы.
Диаметр рабочего колеса силовой установки байдарки на 100 мм даёт массовый расход 13-14 (13,7) кг/с. Скорость хода достигает значения 6-7 (6,8) м/с, судя по результатам моделирования вычислительной гидродинамики. Сравнение выходной скорости и массового расхода получают уравнением:
? = ṁ ∗ ??
Байдарка на электрической силовой тяге + статор и сопло
Основная цель статора и выходного сопла — обеспечение наиболее концентрированного и равномерного потока воды на выходе. Тяга возникает в результате импульсной характеристики потока на выходе системы. Любой поток по направлениям, отличным от направлений параллельных оси рабочего колеса, приводит к снижению эффективности.
Кроме того, вращательный поток также вызывает потери эффективности. Лопасти крыльчатки создают значительный вращательный момент. Соответственно, статор имеет решающее значение в плане преобразования этого вращательного потока в поток вдоль осевого направления для создания максимальной тяги. Поэтому подобно существующим технологиям, статор расположен внутри выходного сопла рядом с выходной стороной ступицы рабочего колеса.
Дабы скорректировать вращательный поток воды, угол атаки лопастей рабочего колеса создаётся таким образом, чтобы оставаться противоположным углу атаки спрямляющего аппарата статора. Также спрямляющий аппарат статора имеет меньший шаг, чем лопасти рабочего колеса с целью предотвращения потерь в потоке. Меньший шаг здесь получают путём удлинения лопастей рабочего колеса до 40-45 мм.
Таким образом, статор и выходное сопло логично создавать как единое целое, что позволяет эффективно корректировать поток воды, добавляя линейную скорость на выходе сопла.
Ещё одним элементом статора является конструкция ступицы. Для плавного перехода потока от рабочего колеса к статору, диаметр ведущей ступицы делается таким же, как диаметр ведомой ступицы рабочего колеса. Оптимальная длина ступицы для данного варианта составляет 57 мм при диаметре выходного сопла – 50 мм.
При помощи информации: Virginia