ЛОБОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СИСТЕМ ВСАСЫВАНИЯ И ВЫХЛОПА
*
Система всасывания. Неправильный’подход к конструированию и расположению систем — всасывания и выхлопа может понизить, как показывают расчеты, скорость полета с 500 до 475—480 км/час; такие же ошибки для самолета со скоростью 700 км/час приведут к потере не 20 км/час, а 60 и даже более.
Какие же требования должны быть поставлены перед системами всасывания и выхлопа?
‘Правильно сконструированный и правильно установленный всасывающий патрубок должен:. 1) обеспечить увеличение высотности мотора под действием скоростного наддува, 2) иметь минимальное сопротивление. ‘Выхлопные патрубки должны позволить использование реакции выхлопа.
Поі соображениям, аналогичным изложенным в предыдущем разделе, мы не даем методику расчета всасывающих и выхлопных патрубков.
Этот расчет может и должен быть обязательно сделан, например, методами, разработанными ЦАГИ [117, 118, 119, 120, 165] и НИИ ВВС [103]. В настоящем разделе будут освещены лишь основные принципиальные вопросы и дана общая оценка потерь для ‘Приближенного учета сопротивления системы всасывания и системы выхлопа.
Всасывающий патрубок карбюратора должен быть поставлен там, где поток не заторможен расположенными впереди частями конструкции. Совершенно неприемлемо помещение его в аэродинамической тени. Невыгодным может быть расположение патрубка слишком близко к оси винта, так как поток за комлевыми частями винта может не дать полного напора.
Исследования, проведенные ЦАГИ [164], показали, что может оказаться выгодным поместить всасывающий патрубок внутри входной части капота (см. фиг. 160). Хотя при этом теряется до 40°/о скоростного напора, зато понижается лобовое сопротивление патрубка, и значение Kmax до пределов высотности мотора увеличивается на 1,5—2%, а за пределами высотности увеличивается на 0,5—1%.
При отсутствии сеток перед карбюратором можно придать всасывающему патрубку такую форму, прй которой потери
напора в колене патрубка будут столь — незначительными, что увеличение скорости от винта их компенсирует, и возрастание давления у карбюратора при полете со скоростью V будет
близко к скоростному напору.
При больших скоростях полета для уменьшения миделя всасывающего патрубка может оказаться выгодным сделать площадь его входного отверстия меньше площади сечения патрубка карбюратора. Кроме того, часто во всасывающем патрубке устанавливаются предохранительные сетки. В том> и в другом случае происходит потеря части скоростного напора:
V сРГ2
Коэфициент ;, по исследованиям ЦАГИ, для наиболее рационального по форме всасывающего патрубка без сетки оказался равным около 0,15 [118].
При часто употребляемой сетке из проволоки толщиной 0,2 мм со 140 ячейками на 1 смг, расположенной под наиболее выгодным углом наклона, равным 45°, потеря скоростного напора, вызванная
этой сеткой, оценивается коэфициентом ; = 0,3 [119].
Увеличение давления перед карбюратором под действием скоростного наддува, или его части (1—;) р, приводит к повыше — мню высотности мотора, но мощность его практически не увеличивается.
Если высотная характеристика мотора при отсутствии ско — оостного наддува изобразится кривой аЪс (фиг. 216), то при £ = 0 она примет вид если же £ не равно нулю, то мощ
ность с высотой будет изменяться по кривой а, Ь.,с,.
Увеличение высотности мотора Н при £ = 0 можно получить непосредственно из фиг. 217.
Если £ не равно нулю, то Нг — аЬ. Н. Зависимость поправок — Д/-/
ного коэфициента а—.———— — от также приведена на фиг. 217.
Величину £ можно получить из расчета всасывающего патрубка г118]. Для лучшего патрубка, показанного на фиг. 218 (без сеток), при скорости 500 км! час £ = 0,15.
Увеличение высотности при современных скоростях весьма значительно. Так, например, при скорости 700 км/час и при £=0 лЯ = 1800 м. при £ = 0,15 ЛЯ = 1490 м, если же во всасываю-
щем патрубке поставлена сетка и в связи с этим £ повысится до 0,45, то Л// станет равно 700 м, т. е. прирост высотности понизится более чем в 2 раза. Следует заметать, что увеличение высотности на 1500 м повышает l^max примерно на 30 км/час.
Сопротивление патрубка состоит из внутренних гидравлических потерь, пропорциональных отношению скорости потока у входа
АН
в карбюратор* к скорости полета, и внешних потерь, связанных с обгеканиед патрубка потоком. При изменении площади сечения патрубка у в уход а в карбюратор изменится соотношение скорости в патрубке и скорости полета, одновременно изменится £ и Сі-гатр Меняя соотно^іленгие между площадью входа в патрубок и его сечением -у ^карбюратора, мы влияем! на отношение внешнего • сопротивлениям патрубка к внутреннему. Выбор лучшего патрубка заключается ав нахождении таких его размеров и — формы, при которых увелтшемие £ и благодаря этому потеря высотности мотора в погдете и величина затраты мощности на продвижение патрубка находятся в наиболее выгодном соотношении.
Цля патрубка, имеющего форму, показанную на фиг. 218, при т, = 0,78, высотности мотора 5000 м и скорости 500 км/час отношение ~л/"-р равно примерно 0,05, при скорости 700 км/час оно
N міі
равно 0,105. Повышение высотности мотора до 10 000 м снижает iN
—~1’— соответственного 0,04 и 0,08 ввиду уменьшения внешних
/v„»j
потерь в связи с ‘понижением плотности воздуха. Эти цифры получены на основании экспериментов ЦАГИ по нахождению Сі натр — По опытам, проведенным! в США, с. х„агр получился несколько ниже, однако все же и по этим* данным потери на вса — ывании велики. Следует заметить, что, если скорость полета
равна 700 км/час, то даже при лучшем патрубке потеря мощности на всасывании достигает 10% мощности мотора. При этом все же является выгодным помещать всасывающий патрубок в незатор-
|
( |
N N
——м———————- | От
Ри+ан Рв)
■ сличения высотности больше, чем то уменьшение сопротивления атрубка, которое может быть получено при установке его в ме — ■ гах с пониженной скоростью.
Система выхлопа. Обратимся к сопротивлению системы выхлопа. При современных скоростях полета реактивная тяга, создаваемая струей газа, выходящей из выхлопного коллектора, достигает Рачительной величины. Последняя зависит от скорости полета, скорости выхода газов сп и количества их, связанного с мощностью мотора. Сужение отверстия для выхода газов из коллектор^ увеличивает с„, что повышает реактивную тягу, в то же время, ввиду увеличения противодавления на выхлопе, падает мощность мо-
тора и тем сильнее, чем — меньше высота полета. Умножив, реактивную тягу на скорость пошета и разделив на 75, мы получим реактивную мощность дN. Зависимости Д /V от скорости полета и скорости выхода газов са для мотора мощностью 1000 л. с. даны на фиг. 219. На этой же фигуре приведены потери мощности ДЛ/„, вызванные сужением; отверстия для выхода газов (увеличением противодавления), и диаметр отверстия Dп в функции с„ и высоты полета. Очевидно, наивыгоднейшее значение с„, а следовательно, и диаметр выходного отверстия будут при максимуме разности (AN — qДЛ/м )■
Пользуясь фиг. 219, следует помнить,* что. па ней даны дна-
Говоря о выигрыше, получаемом в результате правильного подбора площади выхода газов, мы должны вести сравнение IS. N не с мощностью мотора, а с располагаемой мощностью, равной Nwrh В этом, случае, считая т)=кр,78, из фиг. 219 мы получаем, что на высоте 5 000 м при скоростях 500 и 700 км/час выигрыш, получающийся от использования реакции выхлопа, равноценен повышению мощности мотора соответственно на 6,5 и 11%. На высоте 10 000 м эти цифры поднимаются до 10 и 15%.
Как показали последние исследования [1661 при замене коллектора индивидуальными выхлопными патрубками выигрыш в мощности увеличивается по сравнению с подсчитанными по фиг. 219 у земли на 80%, на высоте 3000 м—-на 55%, на высоте 6000 м — на 33% и на высоте 9000 м — на 21%.
К сожалению, никаких данных — по внешнему сопротивлению самой системы выхлопа в печати нет.
На фиг. 220 показаны выхлопные патрубки реактивного типа, разработанные английской моторной фирмой Роллс-Ройс. Патрубки имеют относительно обтекаемую форму и их сх можно считать равным 0,2. При скорости полета 700 кмічас на высоте 5000 м «потеря мощности, вызванная сопротивлением таких коллекторов, достигает 4% мощности мотора. Для скорости 500 км/час зга потеря снижается до — 1,5%.
|
Анализ суммарных потерь. Посмотрим, что дает суммирование потерь — на всасывании и выхлопе для высоты 5000 м.
|
»Ото Добавочная мощность от реакции выхюпа JiN и потеря мощности Ра от увеличения противодавления ANM в зависимости от скорости полета V и скорости газов на выхлопе са; NM = 1000 л. с.
Для высоты 10 000 м такое же суммирование дает выигрыш порядка 5—7% мощности мотора.
Естественно, проведенные подсчеты’ не претендуют на большую точность. Однако они показывают, что практически, делая прики — дочный расчет тогда, когда еще нельзя определить более точно сопротивление системы всасывания и системы выхлопа, допустимо считать, что реакция выхлопа компенсирует потери на сопротивление выхлопного1 коллектора и всасывающего’ патрубка.
|
Вод сверху Фиг. 220. Выхлопные патрубки фирмы Роллс-Ройс. |
Увеличение же высотности. мотора при этом следует подсчитывать, пользуясь фиг 217 и считая £ = 0,15. Конечно, такое допущение можно делать только в том случае, если предположено применить коллектор или патрубки, использующие реакцию выхлопа, провести изыскание наилучшей формы и положения всасывающего патрубка и отказаться от сеток в нем.
Если реакция выхлопа не использована, то при скорости 700 км/час на высоте около 5000 м система всасывания и выхлопа потребует 14,5% мощности мотора. Допустим при этом, что сетки, стоящие во всасывающем патрубке, приведут к потере напора. После инее будет равносильно уменьшению отношения
л/” , входящего В формулу Птах, на 18%. В итоге суммарные
потери в мощности превысят 30%, последнее же приведет к снижению скорости полета с "700 до 640 ‘км/час и даже менее Совершенно очевидно, эти потери не должны быть ни в коем случае допущены,’и конструктор не в праве считать такие детали конструкции самолета как всасывающие или выхлопные патрубки, деталями, не имеющими большого значения в вопросе достижения больших скоростей полета.
Характерен тот факт, что несмотря на большие трудности индивидуальные реактивные выхлопные патрубки стали применяться в настоящее время у звездообразных моторов.