ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ

§ 1. ОБЩИЕ ЗАВИСИМОСТИ

Для нормальной работы поршневого двигателя необходимо во избежание перегрева отводить от него некоторое количество теп­ла либо непосредственно в окружающий воздух, (у двигателей воздушного охлаждения), либо в охлаждающую жидкость, обыч­но в воду (у двигателей жидкостного охлаждения), от которой в свою очередь тепло передается в воздух при помощи радиато­ров. Температура жидкости (у двигателей водяного охлаждения ) или головок цилиндров (у двигателей воздушного охлаждения) не должна превышать определенной величины. Для регулирова­ния температуры применяются заслонки, оперируя которыми можно пропускать большее или меньшее количество воздуха сквозь юбку капота или туннель радиатора. Одной из первых за­дач испытаний винтомоторной группы является проверка до­статочности охлаждающих устройств.

Так как двигатель должен нормально работать в любых усло­виях, а наиболее тяжелые условия охлаждения получаются, есте­ственно’, при высоких температурах наружного воздуха, то охлаждение рассчитывается и проверяется обычно не в условиях стандартной атмосферы (СА), а в так называемых «расчетных атмосферных температурных условиях» (РАТУ, см. гл. I).

Эффективность охлаждения определяется балансом тепло­отдачи двигателя и теплоотдачи охлаждающих устройств. Тепло­отдача двигателя зависит от очень большого числа факторов, главными из которых являются мощность и температура охлаж­дающей среды. Для двигателей водяного охлажде­ния обычно принимают, что теплоотдача двигателя равна

QB = CBN?(AB-tB), (19.1)

где QB—теплоотдача двигателя в воду;

Ne — эффективная мощность двигателя; tB — температура воды, выходящей из рубашек двигателя; т — показатель;

Св и Ав — некоторые постоянные.

Физическое значение постоянной Ав легко объяснить. Тепло­отдача в воду пропорциональна разности между температурой стенок и температурой воды; таким образом постоянная Ав есть некоторая средняя эффективная температура стенок. Показа­тель пг колеблется в пределах от 0,5 до 0,65, постоянная — в пределах от 280° до 500° С, а постоянная Св зависит от типа дви­гателя. Аналогичная формула принимается и для двигателей воздушного охлаждения, только вместо tB надо подставить тем­пературу головок цилиндров /г, а вместо Ав — величину Аг, кото­рая колеблется в пределах от 600° до 800° С.

Кроме теплоотдачи в воздух и в воду, трущиеся детали дви­гателя отдают тепло в масло. Это тепло тоже необходимо отвести. Теплоотдача в масло зависит от ряда факторов, в том числе от температуры охлаждающей воды. Обычно принимают для тепло­отдачи такую зависимость:

Q^CKN?(Au + BJ,-tM), (19.2)

где /м — температура масла, выходящего из двигателя. Показа­тель пг имеет среднее значение порядка 0,25, коэффициент А^— порядка 200°, коэффициент Вм — порядка 1.

Тепло, полученное водой или маслом, рассеивается в (окру­жающий воздух при помощи радиатора, который в настоящее время, как правило, ставится в туннеле с регулируемыми заслон­ками; для водяных радиаторов теплоотдача пропорциональна площади охлаждения 5Р и перепаду температур

Qv=kSp(tB — tH), (19.3)

где tn—температура наружного воздуха.

Теория подобия тепловых процессов утверждает, что кри­терий = Для теплоотдачи от стенок к воздуху есть

, п ЗбООг^К т d п 3fi00 cpg

функция двух критериев Ре =———- ^—— и Рг =—— :

А (X

k-£=f(Pe, Pr), (19.4)

где ку —-коэффициент теплоотдачи от стенок трубок к воздуху; d — диаметр трубок радиатора;

X— коэффициент теплопроводности для воздуха;

Vj —скорость в трубках радиатора; у —плотность воздуха;

—теплоемкости при постоянном давлении; р —коэффициент вязкости воздуха.

29 772

Критерий Рг для воздуха есть почти постоянная величина и ее влиянием можно пренебречь. Таким образом можно считать, что

, ____ X г I ЗбООс^У^

‘""Т7 [ я /

Многочисленные эксперименты показывают, что с достаточ­ной степенью точности можно считать

k, = С2 X — (^ Ж()ср<у1^у = сх (т VJ1 = СУП (Та)“, (19.5)

где п — показатель степени;

V — скорость самолета;

а =^—-коэффициент расхода;*

Са и (^ — некоторые постоянные.

Коэффициент расхода есть функция геометрической формы радиатора и туннеля, т. е. для данного туннеля — функция

угла открытия заслонки. Обыч­но в качестве параметра, ха­рактеризующего степень откры­тия заслонок, принимают от­носительную площадь выходного отверстия

где FВЫХ — площадь

выходного отверстия; F—фрон­товая площадь радиатора. За­висимость коэффициента рас­хода от степени открытия за­слонок обычно имеет вид кри­вой, показанной на фиг. 19. 1.

Строго говоря, закон подо­бия (19.4) и формула (19.5) справедливы только для одной части общего коэффициента теп­лопередачи k — именно для коэффициента kt теплоотдачи от стенки к воздуху. Значение k надо получать из формулы

4-=^+4-+-^,

где Ь — толщина стенок трубок;

— коэффициент теплопроводности металла стенок;

^ — коэффициент теплоотдачи от воды к стенкам.

Но k2 и — значительно больше &ь поэтому с достаточной

степенью точности можно формулу (19.5) применять к полному коэффициенту теплопередачи k.

Далее, под tBy строго говоря, надо понимать полусумму тем­ператур воды на входе и выходе из радиатора. Однако обычно за tB принимают температуру на входе, что сводится к некоторому изменению значения коэффициента k. Показатель п имеет сред­нее значение порядка 0,3.

Для масляных радиаторов мы должны иметь ана­логичную формулу, так как она основана на теории подобия. Однако в случае масляных радиаторов появляется совершенно новое явление, связанное с загустеванием масла в от­дельных пазухах и застойных углах, получающихся в месте сты­ков перегородок с обечайками и стенками. Вследствие этого коэффициент теплопередачи для масляных радиаторов зависит от температуры наружного воздуха и формулу (19. 3) приходится писать так:

Qp = kSv (tM — tH){D + tH), (19.6)

где k по-прежнему определяется формулой (19. 5). Коэффициент/) имеет значение порядка 150.

Наконец, в случае двигателя воздушного охлаж­дения мы имеем для теплоотдачи в воздух аналогичную фор­мулу

Q = kS(tr—t„)9 (19.7)

где коэффициент k подчиняется тем же зависимостям, что и в формуле (19.5). Роль заслонок туннеля радиатора здесь играют заслонки юбки капота.

Теперь мы имеем все зависимости, позволяющие проанализи­ровать вопрос об изменении температуры головок цилиндров, масла и воды при изменении температуры наружного воздуха.

Обычно расчетным случаем для оценки охлаждающих устройств считают полет на максимально допустимой мощности двигателя; при этом различают два случая: установивший­ся горизонтальный полет на режиме макси­мальной