8. Opracowanie prototypu kolektora dolotowego – badania
8.2. Pomiary na stanowisku do badań kolektorów dolotowych
Badania na stanowisku do badań kolektorów dolotowych przeprowadzono według przyjętej wcześniej metodyki badawczej. Pomiary wykonano dla kolektora 2 w wariancie bazowym i z zastosowaną kierownicą w wariancie 3 (rys. 8.5). Próby pomiarowe oznaczono zgodnie z tab. 5.1:
a) próba 2 – kolektor dolotowy 2 bez kierownicy powietrza,
b) próba 3 – kolektor dolotowy 2 z kierownicą o ustawieniu 0 mm i 0o, c) próba 4 – kolektor dolotowy 2 z kierownicą o ustawieniu +6 mm i 0o, d) próba 5 – kolektor dolotowy 2 z kierownicą o ustawieniu –6 mm i 0o, e) próba 6 – kolektor dolotowy 2 z kierownicą o ustawieniu 0 mm i -12,5o, f) próba 7 – kolektor dolotowy 2 z kierownicą o ustawieniu +6 mm i -12,5o, g) próba 7 – kolektor dolotowy 2 z kierownicą o ustawieniu –6 mm i -12,5o, h) próba 8 – kolektor dolotowy 2 z kierownicą o ustawieniu –6 mm i -12,5o, i) próba 9 – kolektor dolotowy 2 z kierownicą o ustawieniu 0 mm i +12,5o, j) próba 10 – kolektor dolotowy 2 z kierownicą o ustawieniu +6 mm i +12,5o, k) próba 11 – kolektor dolotowy 2 z kierownicą o ustawieniu –6 mm i +12,5o.
Rys. 8.5. Kolektor 2 z kierownicą powietrza zamontowany na stawisku badawczym
Kolektor 2 bez kierownicy, próba 2
Dla kolektora 2 bez kierownicy masowe natężenie przepływu powietrza było najmniejsze we Wlocie 1 położonym najbliżej dolotu powietrza do zbiornika wyrównawczego. Jego udział w całkowitym strumieniu wyniósł 9% (rys. 8.6).
Największa wartość masowego natężenia przepływu wystąpiła we Wlocie 3 położonym naprzeciwko dolotu powietrza. Taki rozkład strumienia potwierdza zależności uzyskane podczas badań symulacyjnych dla rozpatrywanego wariantu kolektora dolotowego.
W badaniach stanowiskowych uzyskano bardzo dużą nierównomierność rozkładu strugi powietrza czego potwierdzeniem jest wysoka wartość współczynnika Dg = 0,38.
Rys. 8.6. Masowe natężenie przepływu powietrza dla kolektora 2 bez kierownicy w próbie 2
Kolektor 2 z kierownicą powietrza o ustawieniu 0 mm i 0o, próba 3
W kolejnym etapie badawczych przeprowadzono pomiary dla kolektora 2 z zastosowaną kierownicą powietrza. Pierwszym analizowanym ustawieniem kierownicy było położenie neutralne, w którym nie zmieniano przesunięcia liniowego ani obrotu kątowego – próba 3 (rys. 8.7).
Rys. 8.7. Masowe natężenie przepływu powietrza dla kolektora 2 z kierownicą powietrza w próbie 3
Odnosząc uzyskany rozkład masowego natężenia przepływu powietrza do wariantu bez zastosowanej kierownicy stwierdzono, że jest on zupełnie inny. Największy udział strumienia powietrza wystąpił dla Wlotów 1 i 3 i wyniósł odpowiednio 32,2% i 27,4%.
Natomiast Wloty 2 i 4 charakteryzowały się prawie tożsamą wartością masowego natężenia przepływu powietrza, która wyniosła ~119 kg/h. Wartość współczynnika nierównomierności rozkładu wyniosła 0,21 i była o 40% mniejsza niż dla kolektora 2 bez kierownicy powietrza.
Kolektor 2 z kierownicą powietrza o ustawieniu +6 mm i 0o, próba 4
Następnym rozważanym przypadkiem była liniowa zmiana ustawienia kierownicy o +6 mm (próba 4). Takie ustawienie nie zmieniło rozkładu masowego natężenia przepływu powietrza w badanym kolektorze 2. Tak jak w próbie 3 największa jego ilość trafiała do Wlotów 1 i 3 (rys. 8.8). W odniesieniu do poprzedniej próby badawczej uzyskano mniejsze wartości masowego natężenia przepływu o:
a) Wlot 1 – 22,6 kg/h, b) Wlot 2 – 20,9 kg/h, c) Wlot 3 – 7,2 kg/h, d) Wlot 4 – 7,6 kg/h.
Wartość współczynnika Dg wyniosła 0,22.
Rys. 8.8. Masowe natężenie przepływu powietrza dla kolektora 2 z kierownicą powietrza w próbie 4
Kolektor 2 z kierownicą powietrza o ustawieniu –6 mm i 0o, próba 5
W przypadku liniowej zmiany ustawienia kierownicy powietrza na –6 mm zaobserwowano znaczącą poprawę rozkładu masowego natężenia przepływu powietrza w kolektorze 2. Największe natężenie przepływu przypadło dla kanału 1 i wyniosło
177,9 kg/h (31,9%) (rys. 8.9). Dla pozostałych kanałów udział strumienia powietrza był zbliżony do siebie i stanowił:
a) kanał 2 – 22,7%, b) kanał 3 – 24,8%, c) kanał 4 – 20,6%.
Tak niewielkie różnice wyników dla kanałów 2–3 świadczą o tym, że zmiana liniowa ustawienia kierownicy (przy zerowym obrocie kątowym) zasadniczo wpłynęła na lepszy rozkład masowego natężenia przepływu powietrza, co ma odzwierciedlenie także we współczynniku nierównomierności rozkładu, którego wartość była równa 0,17.
Rys. 8.9. Masowe natężenie przepływu powietrza dla kolektora 2 z kierownicą powietrza w próbie 5
Kolektor 2 z kierownicą powietrza o ustawieniu 0 mm i –12,5o, próba 6
Kolejnym wariantem ustawienia kierownicy powietrza był powrót do ustawienia neutralnego w zakresie przesunięcia liniowego z jednoczesną zmianą obrotu kątowego na położenie –12,5o. Takie ustawienie pogorszyło rozkład masowego natężenia przepływu powietrza w kolektorze 2 (rys. 8. 10). Dominujący był tutaj udział Wlotów 1 i 3 (podobnie jak w próbach 2 i 3), który wyniósł odpowiednio 42,5% oraz 32,1%.
Masowe natężenie przepływu powietrza we Wlocie 2 wyniosło wyłącznie 57,9 kg/h (11%), a we Wlocie 4 76,3 kg/h (14,4%). Były to najmniejsze wartości spośród analizowanych do tej pory wariantów ustawienia kierownicy powietrza, co przełożyło się na bardzo dużą wartość współczynnika Dg = 0,52.
Rys. 8.10. Masowe natężenie przepływu powietrza dla kolektora 2 z kierownicą powietrza w próbie 6
Kolektor 2 z kierownicą powietrza o ustawieniu +6mm i –12,5o, próba 7
W próbie 7 pozostawiono obrót kątowy w położeniu –12,5o, ale zmieniono przesunięcie linowe do pozycji +6 mm. Nie wpłynęło to na zmianę rozkładu masowego natężenia przepływu w kolektorze 2 w odniesieniu do poprzedniej próby 6 (rys. 8.11).
Rys. 8.11. Masowe natężenie przepływu powietrza dla kolektora 2 z kierownicą powietrza w próbie 7
Tak jak poprzednio największą wartość masowego natężenia przepływu powietrza zarejestrowano we Wlotach 1 i 3. Była ona natomiast mniejsza o 28,3 kg/h dla Wlotu 1 i większa o 7,9 kg/h dla Wlotu 3 w odniesieniu do próby 6. Udział strumienia powietrza w analizowanym ustawieniu kierownicy dla Wlotów 2 i 4 był zbliżony i stanowił odpowiednio 13,9% i 14,1%. Zmiana przesunięcia liniowego wpłynęła na poprawę współczynnika Dg, w odniesieniu do próby 6, którego wartość wyniosła 0,44.
Kolektor 2 z kierownicą powietrza o ustawieniu –6mm i –12,5o, próba 8
Ostatnim z rozpatrywanych ustawień o obrocie kątowym wynoszącym –12,5o była zmiana przesunięcia liniowego na –6 mm. W tym przypadku również największe masowe natężenie przepływu powietrza zarejestrowano we Wlocie 1 , jego wartość wyniosła 233 kg/h i była maksymalna spośród rozważanych ustawień kierownicy powietrza. Zbliżony udział strugi powietrza przypadł dla Wlotów 2 i 4. Uzyskano także taką samą wartość współczynnika Dg jak dla próby 7.
Rys. 8.12. Masowe natężenie przepływu powietrza dla kolektora 2 z kierownicą powietrza w próbie 8
Kolektor 2 z kierownicą powietrza o ustawieniu 0 mm i +12,5o, próba 9
W kolejnych trzech próbach analizowano przypadki, w których obrót kątowy kierownicy powietrza wynosił +12,5o, a zmianie podlegało przesunięcie liniowe.
W próbie 9 wynosiło ono 0 mm. Analizują rozkład masowego natężenia przepływu powietrza stwierdzono, że różnica między poszczególnymi wlotami nie była większa niż 49,5 (rys. 8.13). Podobnie jak w poprzednich ustawieniach dominujący był tutaj udział Wlotów 1 i 3, przy czym we Wlocie 3 zarejestrowano największą wartość masowego natężenia przepływu powietrza, która wyniosła 156,4 kg/h. Taki rozkład
strugu powietrza przełożył się na relatywnie małą wartość współczynnika nierównomierności rozkładu Dg, który wyniósł 0,15. W odniesieniu do ustawienia obrotu kątowego w pozycji –12,5o była to znacząca poprawa.
Rys. 8.13. Masowe natężenie przepływu powietrza dla kolektora 2 z kierownicą powietrza w próbie 9
Kolektor 2 z kierownicą powietrza o ustawieniu –6 mm i +12,5o, próba 10
Zmiana przesunięcia liniowego do pozycji –6 mm spowodowała znaczne polepszenie rozkładu masowego natężenia przepływu powietrza w kolektorze 2. Udział strugi dla poszczególnych kanałów wyniósł:
a) kanał 1 – 23,6%, b) kanał 2 – 22,8%, c) kanał 3 – 29,5%, d) kanał 4 – 24,1%.
Tak samo jak w poprzednim ustawieniu kierownicy, największy udział zarejestrowano dla Wlotu 3. W tym przypadku struga dostarczanego powietrza jest rozdzielana w zbliżonej ilości między Wlotami 1, 2 i 4. Maksymalna różnica w udziale między nimi wynosiła 1,3%. Z tego względu współczynnik Dg = 0,10. Jest to znacząca poprawa w odniesieniu do wcześniejszych ustawień kierownicy powietrza.
Stwierdzono, że do tej pory zasadniczy wpływ na rozkład masowego natężenia przepływu powietrza w kolektorze 2 ma regulacja obrotu kątowego kierownicy, a mniejsze znaczenie ma przesunięcie liniowe.
Rys. 8.14. Masowe natężenie przepływu powietrza dla kolektora 2 z kierownicą powietrza w próbie 10
Kolektor 2 z kierownicą powietrza o ustawieniu –6 mm i +12,5o, próba 11
W próbie 11 zmieniono ustawienie liniowe kierownicy na –6 mm, a pozostawiono obrót kątowy w pozycji +12,5o. Przyniosło to największą poprawę rozkładu masowego natężenia przepływu powietrza w kolektorze 2 spośród wszystkich analizowanych przypadków. Jego wartość wyniosła dla: (rys. 8.12):
a) kanału 1 – 148,6 kg/h, b) kanału 2 – 133,1 kg/h, c) kanału 3 – 146,1 kg/h, d) kanału 4 – 122,3 kg/h.
Przełożyło się to na najniższą wartość współczynnika Dg = 0,08.
Podsumowując przeprowadzone badania na stanowisku do badań kolektorów dolotowych stwierdzono, że najkorzystniejszym wariantem z badanych do zastosowania w silniku spalinowym ultralekkiego statku powietrznego jest kolektor 2 z kierownicą o ustawieniu kątowym +12,5o i przesunięciu liniowym –6 mm. W tej konfiguracji kolektor dolotowy charakteryzuje się najmniejszym współczynnikiem nierównomierności rozkładu (rys. 8.16). Spośród rozpatrywanych przypadków najbardziej niekorzystnym jest ustawnie kątowe –12,5o w każdym przesunięciu linowym oraz kolektor 2 bez zastosowanej kierownicy.
Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono również, że konieczne, w projektowanym kolektorze dolotowym, jest zastosowanie kierownicy powietrza o ustawieniu –6 mm i +12,5o. Wyłącznie ten wariant zapewnia w miarę zbliżony rozkład masowego natężenia przepływu powietrza między poszczególnymi kanałami.
W następnym etapie badawczym weryfikowano ustawienia kierownicy w zakresie
wpływu na współczynnik napełniania silnika. W tym celu wykonano pomiary na silnikowym stanowisku hamulcowym.
Rys. 8.15. Masowe natężenie przepływu powietrza dla kolektora 2 z kierownicą powietrza w próbie 11
Rys. 8.16. Wykres współczynnika nierównomierności rozkładu Dg dla poszczególnych prób