Стенд для испытания аэродинамики деталей двигателя

Введение

Устройство для испытания внутренней аэродинамики деталей двигателя

Испытательный стенд для воздушного потока – это устройство, используемое для определения внутренних аэродинамических характеристик компонентов двигателя, и оно связано с более известной аэродинамической трубой. В основном он применяется для испытания впускных и выпускных каналов головки блока цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Он также используется для проверки пропускной способности любых компонентов, таких как воздушные фильтры, карбюраторы, впускные коллекторы или любых других деталей, через которые должен проходить газ. Испытательный стенд для воздушного потока является одним из основных инструментов для специалистов по высокопроизводительным двигателям, и без него доработка каналов головки блока цилиндров была бы непредсказуемой и основанной на случайных результатах. Испытательный стенд состоит из воздушного насоса, измерительного устройства, приборов для измерения давления и температуры, таких как манометры, и различных органов управления. Испытуемый образец подключается последовательно к насосу и измерительному устройству, и воздух прокачивается через всю систему. Следовательно, весь воздух, проходящий через измерительное устройство, также проходит через испытуемый образец. Поскольку объемный расход воздуха через измерительное устройство известен, а расход через испытуемый образец такой же, он также известен. Массовый расход можно рассчитать, используя известные данные о давлении и температуре для вычисления плотности воздуха и умножив на объемный расход.

Воздушный насос

Используемый воздушный насос должен обеспечивать требуемый расход при требуемом давлении. Большинство тестов расхода проводятся при давлении 10 и 28 дюймов водяного столба (2,5–7 килопаскалей). Хотя другие тестовые давления также могут быть использованы, результаты потребуется пересчитать для сравнения с данными других исследований. Развиваемое давление должно учитывать тестовое давление, потери на измерительном элементе и все остальные потери в системе. Чем выше точность измерительного элемента, тем больше потери. Расход воздуха от 100 до 600 кубических футов в минуту (0,05–0,28 м³/с) подойдет для большинства применений, в зависимости от размера испытываемого двигателя. Можно использовать любой тип насоса, способный обеспечить требуемую разницу давлений и расход. Чаще всего используется динамический центробежный компрессор, который хорошо знаком по применению в пылесосах и турбокомпрессорах, однако также могут быть использованы многоступенчатые осевые компрессоры, подобные тем, что применяются в большинстве реактивных двигателей, хотя в этом обычно нет необходимости из-за дополнительных затрат и сложности, поскольку они, как правило, не требуют такой высокой производительности, как реактивный двигатель, и не ограничены аэродинамическими соображениями, которые делают осевой компрессор малого диаметра более эффективным в реактивных двигателях, чем центробежный компрессор с аналогичным расходом воздуха. Также можно использовать объемные компрессоры, такие как поршневые, или роторные компрессоры, например, компрессор Рутса, при условии обеспечения демпфирования пульсаций воздушного потока (однако другие роторные типы, такие как двухшнековые компрессоры, способны обеспечивать стабильную подачу сжатого воздуха). Давление, создаваемое одним крыльчатым вентилятором, слишком низкое и не может быть использовано.

Измерительный элемент

Существует несколько возможных типов измерительных элементов. На поточных стендах обычно используют один из трех типов: диафрагма, трубка Вентури и трубка Пито-статического давления, все из которых обеспечивают сопоставимую точность. Большинство коммерческих установок используют диафрагмы благодаря их простой конструкции и легкости обеспечения нескольких диапазонов расхода. Хотя трубка Вентури обеспечивает значительное повышение эффективности, её стоимость выше.

Инструментовка

Условия воздушного потока должны измеряться в двух точках: на участке с тестовым образцом и на участке с измерительным элементом. Разность давлений на тестовом образце позволяет стандартизировать испытания между собой. Давление на измерительном элементе позволяет рассчитать фактический расход через всю систему. Давление на тестовом образце обычно измеряется U-образным манометром, а для повышения чувствительности и точности разность давлений на измерительном элементе измеряется наклонным манометром. Один конец каждого манометра подключается к соответствующей камере разрежения, а другой открыт в атмосферу. Как правило, все манометры на стенде для испытания расхода измеряют в дюймах водяного столба, хотя шкала наклонного манометра обычно заменяется логарифмической шкалой, показывающей процент от общего расхода выбранного измерительного элемента, что упрощает расчет расхода. Необходимо также учитывать температуру, поскольку воздушный насос нагревает проходящий через него воздух, делая воздух ниже по потоку менее плотным и более вязким. Эту разницу необходимо корректировать. Температура измеряется в камере разрежения тестового образца и в камере разрежения измерительного элемента. Затем при расчетах расхода применяются поправочные коэффициенты. В некоторых конструкциях стендов для испытания расхода воздушный насос располагается после измерительного элемента, чтобы влияние нагрева воздушным насосом было менее значительным. Дополнительные манометры могут быть установлены для использования с ручными зондами, которые используются для исследования локальных условий потока в канале.

Ограничения

Стенд для измерения расхода способен предоставлять данные о расходе, которые тесно, но не идеально соотносятся с реальной производительностью двигателя. Существует ряд факторов, ограничивающих точность этих данных и приводящих к расхождениям.

Поток в устойчивом состоянии против динамического потока

Потоковый стенд испытывает каналы при постоянной разнице давлений, в то время как в реальном двигателе эта разница сильно меняется на протяжении всего цикла. Точные условия потока, возникающие при испытании на стенде, в работающем двигателе существуют лишь кратковременно, если вообще существуют. В работающем двигателе воздух движется сильными волнами, а не ровным потоком, как на стенде. Это ускорение и замедление топливовоздушной смеси вызывает эффекты, которые не учитываются при испытаниях на потоковом стенде. Этот график, полученный с помощью программы моделирования двигателя, показывает, насколько сильно изменяются давления в работающем двигателе по сравнению с постоянным давлением при испытании на стенде. (Обратите внимание на график: в данном случае, когда открывается впускной клапан, давление в цилиндре превышает атмосферное (почти на 50%, то есть 1,5 бара или 150 кПа). Это вызовет обратный поток во впускной канал, пока давление в цилиндре не опустится ниже давления в канале).

Дифференциал давления

Коэффициент пропускной способности порта может несколько изменяться при разных перепадах давления из-за изменения режима числа Рейнольдса, что может привести к потере динамического подобия. Испытания на стенде обычно проводятся при давлении от 10 до 28 дюймов водяного столба (2,5–7 кПа), в то время как в реальном двигателе перепад давления может достигать 190 дюймов водяного столба (47 кПа).

Поток только воздуха против смешанного потока газа/топлива

Испытания на стенде проводятся только с воздухом, в то время как в реальном двигателе обычно используется воздух, смешанный с капельками топлива и парами топлива, что существенно отличается. Испарение топлива при прохождении через канал добавляет газ и снижает температуру воздушного потока вдоль канала, что приводит к незначительному увеличению расхода на выходе по сравнению с расходом на входе в канал. Канал, который хорошо пропускает сухой воздух, может вызвать выпадение капель топлива из взвеси, что приведет к потере мощности, не отраженной одними лишь данными о расходе.

Объемный поток против скорости потока

Большие порты и клапаны могут демонстрировать высокую пропускную способность на стенде для испытания потока, но скорость может быть снижена до такой степени, что это ухудшит газодинамику реального двигателя. Слишком большие порты также способствуют выпадению топлива из смеси.

Равномерная температура в помещении против неравномерной высокой температуры

Работающий двигатель значительно горячее комнатной температуры, и температура в различных частях системы существенно различается. Это влияет на фактический расход, топливные эффекты, а также на динамические волновые эффекты в двигателе, которые отсутствуют на стенде для испытаний.

Физические и механические различия

Близость, форма и движение поршня, а также движение самого клапана существенно меняют условия обтекания в реальном двигателе, которые не воспроизводятся при испытаниях на стенде для продувки.

Условия выхлопного отверстия

Поток, смоделированный на стенде для измерения расхода, почти не имеет сходства с потоком в реальном выпускном канале. Даже коэффициенты, измеренные на таких стендах, здесь неточны. Это обусловлено очень высокими и широким диапазоном давлений и температур. Из графика выше видно, что давление в канале достигает 2,5 бар (250 кПа), а давление в цилиндре в момент открытия – 6 бар (600 кПа) и выше. Это во много раз превышает возможности типичного стенда для измерения расхода, составляющие 0,06 бар (6 кПа). Поток в реальном выпускном канале легко может стать звуковым, с возникновением критического режима течения и даже сверхзвуковым потоком в отдельных участках. Очень высокая температура приводит к увеличению вязкости газа, что существенно изменяет число Рейнольдса. К этому добавляется значительное влияние элементов, расположенных ниже по потоку, на характеристики выпускного канала. Оно гораздо сильнее, чем влияние элементов, расположенных выше по потоку, в отличие от впускной стороны. Информация о размере выпускного канала и расходе может быть неточной, однако существуют определенные рекомендации, используемые при создании базовой линии для достижения оптимальной производительности. Эта базовая линия, разумеется, дополнительно настраивается и подтверждается на динамометрическом стенде.