ЛОБОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
Анализ лобового сопротивления радиатора. Несколько лет тому назад расчет радиатора интересовал конструктора только с точки зрения обеспечения достаточного охлаждения мотора; темі же руководствовался конструктор, проектируя капот для звездообразного мотора. Б настоящее время, если при проектировании установки’ радиатора или капота конструктор будет преследовать только цели охлаждения и не примет мер к уменьшению лобового сопротивления, то непроизводительные потери мощности на охлаждение могут чрезвычайно возрасти.
При выдвижном радиаторе на скорости 600 км/час 47с/о мощности мотора затрачивается на преодоление сопротивления радиатора. Это означает,, что если для достижения заданной скорости без учета потерь на охлаждение требуется мотор в 1000 л. с., то с учетом этих потерь будет необходим! мотор в 1900 л. с.
Вряд ли имеются какие-либо коэфициенты лобового’ сопро» тивления, которые колебались бы в столь широких пределах, как cv радиатора. Так, обращаясь к литературе, еще находящейся в продаже ((например, «Техническая аэродинамика» К — Вуда), можно встретить следующую оценку величины сх радиаторов:
Радиатор без капота сх р—1
, Радиатор в капоте……………………………….. сх = 0,65— 0,75
Радиатор в обтекаемом капоте. сгр= 0,30 — 0,50
Вместе с тем в более поздних работах можно встретить утверждения о возможности создания радиаторов, у которых С і р— 0. В настоящее время появился ряд трудов, осветивших более детально ‘вопрос расчета потерь на охлаждение. Этот расчет непосредственно связан с определением площади радиатора и характеристики капота к мотору воздушного охлаждения. Расчет не отличается особой трудоемкостью, но его изложение все же потребовало бы много места и. вышло бы из рамок настоящей книги. Поэтому автор, считая, что при проектировании самолета должен быть сделан подробный аэродинамический расчет системы охлаждения, рекомендует пользоваться первоисточниками [74, 75, 105—415, 163, 164]. Здесь же мы остановимся лишь на принципах, которые были положены в основу мероприятий по снижению потерь на охлаждение, и дадим указания об учете сопротивления охлаждающей системы для прикидочных рас четов.
Сопротивление любой охлаждающей системы складывается из следующих потерь:
1. Потери, вызванные протеканием воздуха через элементы системы, отводящей тепло (трубки радиатора, ребра цилиндра). Эти потери, называемые внутренними, складываются из сопротивления трения воздуха об охлаждающую систему и внутреннюю поверхность каналов и из потерь, вызванных вихреобразо — ванием и явлениями гидродинамического удара при подходе воздуха к радиатору и выходе из него.
2. Потери, обусловленные внешним обтеканием охлаждающего устройства — радиатора, туннеля, если радиатор помещен в нем. К этому же виду потерь относятся потери от интерференции системы охлаждения с частями конструкции самолета.
У звездообразных моторов внешними потерями от охлаждения следует считать увеличение сопротивления гондолы или фюзеляжа, вызванное изменением формы носа, в результате установки закапотированного мотора, а также интерференцию капота с частями конструкции самолета.
3. Потери, связанные с необходимостью нести вес радиатора с охлаждающей жидкостью, т. е. при заданной скорости лететь на несколько большем угле атаки, а следовательно, затрачивать мощность на преодоление добавочного лобового сопротивления. Если площадь крыльев, определяется по величине заданной посадочной скорости или по длине разбега, то учет веса охлаждающей системы приводит к необходимости увеличивать площадь крыльев, а следовательно, затрачивать мощность на преодоление ее сопротивления.
Рассмотрим, применительно к радиатору, от каких факторов зависят указанные. выше потери и их взаимоотношение. Величина внутренних потерь характеризуется коэфициентам сх вн и прежде всего определяется скоростью воздуха перед фронтом радиатора.
Чем будет меньше эта скорость по сравнению со скоростью полета, тем< меньше сх вн. Действительно, сопротивление воздуха, проходящего через соты радиатора, приближенно пропорционально квадрату скорости, и чем. меньше будет эта скорость, тем меньше сопротивление.
Правда, при уменьшении скорости потока, проходящего через радиатор, площадь радиатора должна быть увеличена для снятия того же количества тепла. Но она растет даже не обратно пропорционально изменению скорости, а медленнее. В’ то же время внутреннее сопротивление приблизительно пропорционально квадрату скорости. Здесь следует заметить, что увеличение площади радиатора и, следовательно, его веса, обычно влечет за собой возрастание внешних потерь и потерь на несение радиатора. Безусловная, очень резко выраженная выгодность уменьшения скорости перед фронтом радиатора привела к тому, что в. настоящее время повсеместное распространение получили радиаторы, установленные в канале-туннеле, у которого регулируется. площадь выходного отверстия и этим изменяется скорость потока у фронта радиатора. Выходное отверстие пришлось делать регулируемым, потому что, если бы площади радиатора и выходного отверстия были подобраны так, что мотор охлаждался бы при работе на полном газу на Vm„y, то при подъеме, когда скорость полета понижается примерно вдвое, а мотор лопрежнему развивает полную мощность, скорость. потока у фронта радиатора оказалась бы недостаточной. Пришлось бы или увеличить площадь радиатора или повысить скорость перед ним. Конструктивно проще повысить скорость путем увеличения площади выходного отверстия туннеля.
Регулировать площадь выхода выгоднее, чем площадь входа, но следующим соображениям.. Передняя часть туннеля выполняется в виде диффузора. Если выходное отверстие оставлять неизменным и менять площадь входа, то очень трудно добиться сохранения обтекаемости туннеля внешним потоком при изменении скорости у фронта радиатора.
Течение воздуха в туннеле радиатора необходимо рассматривать, учитывая расширения. воздуха при нагревании Г115]. Нагревание воздуха увеличивает его скорость на выходе. Если скорость потока на выходе станет равна скорости потока на входе, то
внутренние потери окажутся равными нулю. Если эта скорость будет больше скорости на входе, то туннель радиатора станет действовать как реактивный двигатель и внутренние потери переменят знак, т. е. вместо сопротивления станут тягой.
Очевидно, чем больше тепла получит килограмм воздуха, пройдя трубки радиатора, и чем меньше сх вн у холодного радиатора, тем скорее внутренние потери у радиатора получат отрицательный знак.
Увеличение тепла, снимаемого килограммом воздуха, зависит от максимальней допускаемой температуры охлаждающей жидкости.
Для современных высотных моторов совершенно неприемлемы охлаждающие водяные системы, сообщающиеся с атмосферой, ввиду понижения точки кипения ‘ВОДЫ при увеличении ВЫСОТЫ. Более выгодно охлаждение водой при постоянном атмосферном давлении. Еще выгоднее охлаждение высококипящими жидко — •стями или водой при давлении, большем атмосферного.
Чем выше скорость полета самолета V, темі при одной и той же скорости перед фронтом радиатора отношение — г^- будет меньше и, следовательно, схвл снизится, так как внутренние потери, пропорциональные Vp, мы относим1 к скорости V. В итоге нулевые внутренние потери или даже тягу легче всего получить при высокой температуре жидкости и большой скорости полета. Однако
при малых значениях отношения сильно возрастают габариты
радиатора и его вес. Поэтому в большинстве случаев неправильно стремиться к достижению нулевого внутреннего сопротивления, теряя, быть может, много больше на внешнем сопротивлении.
На фиг. 209 приведены различные типы туннельных радиаторов Поданным опытов, проведенных в ЦАГИ [106, 108, 113, 114 , при расположении туннельного радиатора под мотором коэфициент внешнего сопротивления1 с.,, = 0,10—0,25, при лобовом радиаторе
~0,08, при радиаторе в крыле сХп = 0,02—0,06. Наконец, у изолированного радиатора, в зависимости от формы носка, c. v,,—0,02—0,06. Несомненно, наиболее неясным до сих пор вопросом в расчете лобового сопротивления радиаторов является определение величины с. Как видно из приведенных выше данных, Су., даже для одинаковых по месторасположению установок, колеблется в очень широких пределах. В зависимости же от принятого значения cv, находятся в значительной степени наивыгоднейшая величина и площадь радиатора.
Если мы отнесем к площади туннеля и обозначим через с, „ потери, связанные с несением радиатора, о которых мы писали выше, то, очевидно, конструктору выгодно создать такой радиатор, при котором произведение (Сх „н 4- СЛ, + Сх ч) Ер, где Fp —мидель сечения туннеля (по наружным обводам), будет иметь минимальное значение. Затормаживая очень сильно воздух перед фронтом ра-.
чиатора, можно получить, как мы указывали выше, сх вн с отрицательным знаком, но при этом увеличится Fp, возрастет схн из-за увеличения веса радиатора и возникнет опасность увеличения СЛ„.
Действительно, чем больше по размерам радиатор, тем1 труднее разместить его внутри крыла или поместить в таком туннеле, ко — орый менее всего портил бы обтекание самолета, т. е. имел бы минимальное значение сХо. В итоге, произведение (Сх вн~Ь — Г Схв + Сх н) Fp, несмотря на отрицательный знак сх может не уменьшиться, а увеличиться.
Если новый радиатор устанавливается на построенный самолет, а следовательно, вес радиатора не влияет на площадь крыльев, то на режиме Етах потери, связанные с необходимостью увеличить угол атаки, ничтожны и для выбора площади радиатора и относи
шения —достаточно наити
минимум величины (с. в^с^Др.
Очень характерно то, что площадь радиатора и потери на охлаждение необходимо определять для режима l/max, а не I’ подъема» как это обычно делалось при расчете радиатора,
когда исходили только из требований охлаждения мотора. После
определения площади радиатора при выбранном значении ~
проверяется, достаточна ли его площадь при подъеме с полностью открытым выходным отверстием туннеля.
Рассмотрим влияние на сопротивление радиатора важнейшего конструктивного параметра его: отношения длины трубки I к эквивалентному диаметру d. Чем больше —, тем выше охлаждающая
d
(лособность радиатора при одной и той же его фронтовой площади, но одновременно выше и внутреннее сопротивление. Очевидно, что чем больше сХи, тем выгоднее итти на повышение
1—. Наоборот, при малом отношение —можно сократить. При значении с,.„, большем 0,05, наивыгоднейшее значение колеблется от 50 до 70. При изменении в этих пределах потери на
длиной, большей 0,18 — 0,20 м, у моторов без удлиненного вала использовать нельзя.
По этой причине лобовой радиатор, имеющий сХп — 0,08 ‘и
— — = 30, обладает таким же суммарным cvp, как и туннельный
(I
радиатор, расположенный под мотором и имеющий сЛ„=0,12 и
— =50 [114].
Последние эксперименты, проведенные ЦАГ’И, показали, что на величину Сх вн оказывают очень большое влияние потери в диффузоре туннеля радиатора. При неправильном построении диффузора поток отрывается от стенок и cVBH может удвоиться.
Очень интересны рекомендации по очертанию диффузора туннеля, приведенные в статье инженера Ю. Г. Лимонад [163].
Поясним изложенное выше несколькими примерами, взятыми из работы В. Г. Николаенко «Аэродинамический расчет систем охлаждения с учетом нагрева воздуха» [106].
■На фиг. 210 показано определение наивыгоднейшей площади радиатора при различных значениях сд„, не изменяющегося при увеличении площади радиатора. Расчет был сделан для радиатора к мотору мощностью 1000 л. с. при полете на высоте 5000 м со скоростью 540 км/час. Температура жидкости в радиаторе tx — 93°. Отношение у трубок радиатора равно 40.
По оси абсцисс отложены площади радиатора, по оси ординат—отношение мощности, потребной на охлаждение + ДМ, к мощности мотооа N. Очевидно, Л А’ можно получить из
ррз
(ся вн + Сч) Fp путем умножения на постоянную величину 2 _ 7С> ■
Так как предположено, что сд„ не зависит от площади радиатора, то очевидно, что каждому значению сХи будет соответствовать своя прямая зависимость дЛ/0 =/(Fp).
Потребные мощности для преодоления внутреннего сопротивления даны кривой при сх = 0. Мы видим, что если учитывать нагрев воздуха, то при радиаторе с площадью, большей 0,4 лг, внутренние потери меняют знак, несмотря на то, что, как известно, сопротивление трубок радиатора при нагреве увеличивается. Для холодного радиатора при увеличении его площади и уменьшении
Сл-вн приближается к нулю, но равным ему стать не может.
В разобранном случае предположено, что канал туннеля, а следовательно, и внутренние потери остаются одинаковыми при
AN
разных сх0, поэтому суммарные величины — получены путем складывания A7V° и при с1П = 0.
N N —
Через точки минимума кривых — по Fp для разных сх0 проведена кривая. Из примера видно, что, если при сХо = 0,02 *^=1% и Fp = 0,5 м", то при с,0 = 0,1 ~~= 6,5% и /^ = 0,38 ж2.
Характерно, что при сЛ„=0,1 становится невыгодным заторма-
Фнг. 210. Зависимость иаивыгоднейшей площади радиатора от с^. |
N— 1000 л. с.; И = 5000 м; И = 150 м сек; — =40; /„=93,5".
d ж
живать воздух перед радиатором так, чтобы вместо внутренних по-
д/v
терьпоявилась тяга. Если сделать/7 =0,65, то хотя —в— = —1,4%,
v N
&N
но— = 9,6%, т. е. суммарные потери станут больше. Приведен-
N
ный пример показывает также, как важно для подсчета потерь на охлаждение и определения F р правильно оценить величину сх.
Если влияние нагрева воздуха учитывать более точным методом, предложенным Г. Н. Абрамовичем [115], то эффект нагрева, снижающий внутреннее сопротивление, уменьшится. Так, для разобранного примера при Fp =0,65 вместо внутреннего сопротивления возникнет тяга, эквивалентная увеличению мощности мотора не на 1,4%, а на 0,9%.
площадь радиатора должна быть увеличена вследствие уменьшения плотности воздуха. Так как перепад температуры будет расти, то Сдгвн будет снижаться. Пренебрегая влиянием Re на схо, можно считать, что сХо от высоты не зависит. В итоге, если
с „ < 0,05, то отношение — при увеличении высоты может
г ддг
почти не меняться, если же сп «0,1, то — при росте Н заметно’ увеличивается.
На фиг. *213 для тех же условий, что и в рассмотренных выше примерах, в частности при сдо = 0,1, но при изменении высоты, на которой мотор развивает 1000 л. с., приведена зависимость — — f(Fn)
N 4
для разных высот.
Из кривых следует, что при переходе с 500Э
на 10 000 м ^ увеличилось с 6,5 до 9,5%, а площадь Fp вместо 0,4 м" стала равна 0,6 м
Мы указывали на выгодность повышения температуры охлаждающей жидкости с точки зрения уменьшения суммарных потерь на охлаждение. Расчет по методу Г. Н. Абрамовича показал, что для полета на высоте 5000 м со скоростью 150 м сек при сГо = 0,1 переход от температуры охлаждающей жидкости 93° к темпера-
AN
туре 130° уменьшает отношение 100— на 3,5 — 4%. Такое
^’м
уменьшение потерь на охлаждение является несомненно существенным.
Выше было показано, какое исключительное значение для уменьшения потерь на охлаждение имеет применение радиатора е малым с. г„. Последним объясняется стремление поместить радиатор внутрь конструкции самолета — в крыло или фюзеляж.
При таком расположении следует прежде всего установить, имеется ли необходимая разность давлений на входе в тукнель — и на выходе из него-. Если выход из туннеля будет помещен в зоне повышенного давления, то возможно, что воздух протекать через туннель не станет. При туннеле, целиком расположенном внутри конструкции самолета, значение cXi будет определяться интерференцией между потоком, выходящим из туннеля, и частями конструкции самолета. Интерференция будет особенно-
велика при открытых выходных отверстиях туннелей. При некоторых экспериментах ЦАГИ открытие’выходного отверстия туннеля под фюзеляжем уменьшало /Эф на 10%; открытие выходного отверстия в верхней части крыла понижало >9ф на 20%.
Мы думаем, что в настоящее время реальными являются значения сХо в пределах 0,04—0,10. При этом первая цифра будет относиться к радиаторам, находящимся внутри конструкции, особенно внутри крыла, вторая — к туннелям, частично выступающим
Фиг. 214. Изменение средних значенні] потери мощности мотора на охлаждение в зависимости от высоты и скорости полета. |
т обводов фюзеляжа. Конечно, приведенные значения c. Vfl будут справедливы только для таких форм входов, выходов и самих туннелей, которые не дадут срывов потока и при обтекании которых не возникнет местных звуковых скоростей.
Приближенный способ учета сопротивления радиатора. Мы показали, что выбор площади радиатора и величина потерь на охлаждение зависят от многих параметров. Пренебрежение их влиянием может легко привести к резкому увеличению сопротивления системы охлаждения. Поэтому расчет площади и сопротивления радиатора совершенно необходим. Для прикид очных расчетов на фш. 214 приведено значение потерь на охлаждение для воды под атмосферным! давлением в долях располагаемой ■мощности:
. ДАТ
При подсчетах когл было принято, что ^=0,78. Цифры, стоящие на кривых, показывают получившиеся из расчета площади
радиатора Fn при моторе мощностью 1000 л. с. для 1 трубок,
г 1 d
равном около 40. При охлаждении с закрытой системой циркуляции под давлением и при охлаждении этиленгликолем приведенные цифры AN следует снизить примерно на 0,04—0,05.
При подсчете потерь на охлаждение нельзя забывать о сопротивлении масляного радиатора. Если перед фронтом масляного радиатора поток не будет заторможен, то сопротивление масляного радиатора, несмотря на небольшие его ‘размеры по сравнению с водяным, может оказаться равным сопротивлению, водяного радиатора (стоящего в хорошем туннеле). Для учета сопротивления масляного радиатора, расположенного подобно жидкостному, следует, принимая во внимание соотношение между теплом, отдаваемым мотором в воду и масло, а также соотношение между общими коэфициенгэми теплопередачи масляного и водяного радиатора [116], &охл умножить на коэфициент а. равный при водяном j охлаждении 1,16, а при охлаждении этиленгликолем 1,28.
В итога для прикидочного учета потерь на охлаждение у жидкостных моторов в расчет Vm^ следует вводить не Mi, а
А м (1 Я^охл).
Перейдем к рассмотрению потерь при охлаждении звездообразных и рядных моторов.
Потери на охлаждение звездообразных и рядных моторов.
Применение капотов NACA для звездообразных моторов воздушного охлаждения вошло в of иход, и незачем останавливаться на вы — 1 эдности такого капотирования. В настоящее время широко внедрено усовершенствование капотов NACA, весьма повышающее их эффективность. Мы имеем в виду применение юбки, регулирующей отверстие для. выхода воздуха из капота.
По данным NACA [74], регулировка площади выходного отверстия у капота звездообразного мотора диаметром’ 1,3 м и ющностью около 800 л. с. сокращает затрату мощности на преодоление внутреннего сопротивления при скорости 580 км/час 200 до 5 л. с. Выигрыш, очевидно, достаточен для того-, чтобы пойти на создание на самолете еще одного механизма — для регулировки площади выходного отверстия капота.
Причина понижения потерь на преодоление внутреннего сопротивления при регулировке площади выхода та же, что и у туннельных радиаторов.
Уменьшая площадь выходного отверстия при полете на ПтЯх, для того чтобы не пропускать через ребра цилиндров излишнее количество воздуха, мы тем самым понижаем скорость потока у цилиндров и уменьшаем величину внутреннего сопротивления. Одновременно с регулировкой площади. выходного отверстия снижению внутреннего! сопротивления способствует дефлектирование головок цилиндров, позволяющее резко понизить КОЛИ-
чество воздуха, которое должно пройти для охлаждения мотора через капот.
При расчете внутренних потерь на охлаждение с учетом нагрева воздуха методом В. Г. Николаенко [106] для существующих капотов NACA с регулируемой площадью выхода всегда получается нулевое и даже* отрицательное внутреннее сопротивление. Это объясняется тем, что перепад между температурой
ребер цилиндра и воздухом здесь больше, чем в случае радиатора. Однако, ввиду некоторого завышения эффекта • , нагрева в методе В. Г. Николаенко, нам кажется более правильным не учитывать возможность выигрыша в мощности и считать, что потери на внутреннее сопротивление и на охлаждение масла достигают 3 — 5% мощности мотора.
Остановимся на вопросе расположения выходного отверстия и Способов его регулировки. Выходное отверстие капота, так же как и выходное отверстие туннеля, не должно помещаться в области повышенного давления, так как в этом случае разность давлений на входе и на выходе из капота может оказаться недостаточной для преодоления внутреннего сопротивления в капоте. Выходные отверстия не обязательно должны быть расположены по (всей окружности. Вполне допустимо их размещение ® нижней части капота. На верхней части фиг. 158 показан рекомендованный NACA способ регулировки площади выхода у капота. Аэродинамически выгодно увеличивать отверстие выхода путем сдвигания части капота назад, но в этом случае перепад давлений, обеспечивающий проток воздуха через ребра цилиндров, не так велик, как при увеличении площади выхода путем отгибания частей юбки. Компромиссный способ регулировки показан на нижней части фиг. 158, он сочетает сдвиг с отгибом. На фиг. 215 приведены образцы неправильного и правильного расположения выходного отверстия по данным NACA. В случае а показано. рациональное расположение выхлопного коллектора, в случае b — правильное выполнение внутреннего капота, случаи due приведены для иллюстрации сочетания капота с фюзеляжем или гондолой.
Очень интересный вопрос об интерференции струи, выходя-
Ч
шей из капота, є крылом или фюзеляжем, к сожалению, в литературе совершенно не освещен. Можіно констатировать, что некоторые конструкторы избегают делать выход в верхней части капота, боясь, нови димом у, действия струи или влияния срыва, могущего возникнуть при отгибе юбки, на обтекание верхней поверхности крыла. Действительно, если по условиям охлаждения необходимо отгибать юбку вверх на режиме взлета, что в большинстве случаев и приходится делать, то явление срыва может нарушить обтекание крыла.
В частности, нам известен случай, когда открытие выходных отверстий капота, расположенных по бокам фюзеляжа низкоплана, понизило вследствие срыва величину >.Эф на 25%. Это указывает на важность учета интерференции, особенно на режиме подъема.
Последние эксперименты, проведенные ЦАГИ, .показали очень большое влияние на сх вн капота очертания диффузора. Как и в туннеле радиатора, воздух при неправильной конфигурации Диффузора сможет оторваться от стенок и тем резко увеличить значение внутренних потерь.
Ценные указания по конструированию капотов даны в статье инженера С. Л. Зак [164]. Форма капота, рекомендуемая ЦАГИ, приведена на фиг. 160.
Лобовое сопротивление капота весьма зависит от его герметизации.
Эксперимент показал [164], что у одномоторного самолета, обладающего скоростью 550 км/час, наличие прососа воздуха ’іЄрез щели в капоте может СНИЗИТЬ I/max на 25 км/час. При этом наличие щелей только между носовой и цилиндрической частями капота понижало Ища* на 16,3 км/час.
Приведенные цифры показывают, что, в результате небрежного производственного выполнения капота, отличного по своей конструкции, потери на охлаждение с 3—5% мощности мотора смогут подняться до1 16-—19 и даже более процентов.
Вопросы потерь на охлаждение у рядных моторов освещены з литературе очень слабо. Есть основание думать, что эти потери могут быть несколько выше потерь у звездообразных моторов, но вряд ли их величина может быть больше 4—7% мощности мотора, включая и потери, связанные с охлаждением масла.
Вопрос правильного расположения масляного радиатора также немаловажен, особенно для моторов воздушного охлаждения, ак как у них в масло уходит несколько больше тепла, чем у оторов жидкостного охлаждения. При неправильном размещении масляного радиатора его сопротивление может стать весьма щутимым.
Мы совсем не остановились на способе уменьшения потерь на охлаждение добавочным нагревом воздуха в туннеле за радиатором или в капоте за ребрами цилиндров путем использования тепла отходящих от мотора газов. Применением этого спо — оба можно повысить скорость потока на выходе из туннеля и
значительно’ увеличить реактивный эффект, о котором говорилось выше.
Следует отметить применение парового охлаждения у одномоторного истребителя Хейнкель 112U. При таком охлаждении потери близки к нулю.
Широкому распространению парового охлаждения может препятствовать усложнение экоплоатации, повышение уязвимости самолета и трудность ремонта пробоин на поверхности крыла, являющейся одновременно на больших участках поверхностью конденсатора, и, наконец, большие производственные трудности ‘Получения гладкого крыла.