Текст
                    065f.5~oV
Л ...-----------------------------------------------------
НКАП СССР
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
АВИАЦИОННОГО МОТОРОСТРОЕНИЯ
им. П. И. Баранова
ТРУДЫ ЦИАМ
№ 82
ВЛИЯНИЕ ВХОДНОГО ВОЗДУШНОГО
ПАТРУБНА НА ХАРАКТЕРИСТИКУ
КАРБЮРАТОРА
М. Т. БОРТНИКОВ и П. П. КОРОЛЕВ
НКАП ОБОРОНГИЗ 1846

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ В работе дан анализ влияния формы всасывающего патрубка на характеристику карбюратора. Форма всасывающего патрубка определяется коэфициентом сжатия ц потока воздуха на входе в карбюратор. В результате для карбюраторов с подводом в поплавковую (или мембранную) камеру среднего статического давления входного сечения карбюратора получена простая формула Эта зависимость проверена экспериментально на беспоплавковом карбюраторе АК-82БП с переменным сечением диффузора и может быть рекомендована для оценки влияния всасывающего патрубка на харак- теристику подобного карбюратора. ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Flf Ро. Р2 и V\ - площадь входного се- чения карбюратора, полный напор, стати- ческое давление и скорость воздуха на входе в карбюратор. F2, Р2 и V2 — площадь диффузора, ста- тическое давление и скорость воздуха в диффузоре. — отношение площадей. Fp. — часть полной площади входного сечения карбюратора, которую фактически занимает поток воздуха на входе в кар- бюратор без вихревой зоны, вызванной формой патрубка. F| р =р.~— коэфициент сжатия потока воздуха. а — коэфициент избытка воздуха, со- ответствующий прямому патрубку, не вы- зывающему поджатие потока воздуха на входе в карбюратор. ар—коэфициент избытка воздуха при наличии поджатия потока воздуха на входе в карбюратор. GB и Gt —весовые расходы воздуха и топ- лива без поджатия потока воздуха на входе. Gip. — весовой расход топлива при на- личии поджатия потока воздуха на входе. [3—угол открытия дросселя карбюратора.
ВЛИЯНИЕ ВХОДНОГО ВОЗДУШНОГО ПАТРУБКА НА ХАРАКТЕРИСТИКУ КАРБЮРАТОРА ВВЕДЕНИЕ От современного карбюратора требуется точное соблюдение заданных расходов топлива на всех режимах работы мотора в любых условиях. Практика эксплоатации карбюраторов показала, что на характеристику карбюратора влияет форма воздушного всасывающего патрубка. Например для беспоплавковых карбюраторов АК-82БП мото- ров М-82 нарушение регулировки вследствие за- мены патрубка наблюдалось при постановке мото- ра после стендовых испытаний на самолет. То же явление наблюдалось при перестановке мото- ра (с одной и той же регулировкой карбюратора) с одного типа самолета на другой. Имеющиеся исследования карбюраторов в лабо- ратории и в полете1 показывают, что кроме фор- мы патрубка на характеристику карбюратора в указанных условиях могут влиять: изменение скорости воздушного потока, набе- гающего на всасывающий патрубок; пульсации потока, вызываемые лопастями винта, и т. п. В настоящей работе рассмотрено влияние на характеристику карбюратора только формы вса- сывающего патрубка. Работа проведена в лаборатории ЦИАМ под общим руководством заслуженного деятеля науки и техники проф. В. И. Поликовского. Экспериментальные работы проведены под руководством инж. В. А. Курковского. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ Формы всасывающих патрубков, применяемые на современных самолетах, приводят к неизбеж- ному повороту под некоторым углом потока воз- духа перед карбюратором. При движении идеальной жидкости по криво- линейной траектории на ее частицы действуют центростремительные силы. Элементарная сила в этом случае может быть выражена равенством2 de — dm ~ — pR<?dR~, 1 М. J. К i 111 е г, Design of Airscoops for Aircraft Carbu- retors, Journal S. A. E. № 5, 1941, vol. 501; Frank C. Mock, Aircraft Carburetor Airscoops and Their Effect on Fuel-Air. Metering in Flight. Journal SAE № 3, 1942, vol. 102. 2 Г. H. Абрамович, Аэродинамикамсстньвх с-етгрптив-Фиг, I, Схемы расположения отверстий для передачи лений, Труды ЦАГИ, вып. 211, 1935. Ниеь~-‘г ' ' X—’ давления на топливо. ./а о где dm — pR<sdR—масса элемента 'струйки при толщине, равной единице; R — радиус кривизны траектории струйки. Вызванное центростремительными силами изме- нение давления dp = <^с p^dR dR F R<f R где F = R<f — поверхность элементарной струйки. Уравнение Бернулли дает dP=—pVdV, откуда после интегрирования для идеальной жид- кости получим уравнение VR = const. (1) Это уравнение показывает на то, что скорость жидкости изменяется по сечению канала, возра- стая с уменьшением его радиуса кривизны. Так как полный напор в любой точке сечения остается постоянным, то этому возрастанию ско- рости соответствует уменьшение статического давления. Реальная жидкость в патрубке, имеющем коле- но, стремится двигаться так же, как и идеальная, но в отличие от последней реальная жидкость при повороте в колене отрывается от его внут- ренней стенки и непосредственно за поворотом образует вихревую зону. Интенсивность срыва потока за поворотом осо- бенно велика в коленах с малыми радиусами за- кругления, так как в таких коленах у внутрен- них стенок в потоке воздуха возникают большие тангенциальные напряжения, способствующие сры- ву потока и увеличивающие толщину слоя завих- репной зоны. Схем А * Схеме В
Поэтому в реальном патрубке можно ожидать, что поток воздуха за коленом (перед карбюра- тором) будет иметь неравномерное поле скоро- стей и вихревую зону у внутренней стенки колена. Для выяснения влияния формы патрубка на характеристику карбюратора рассмотрим перепады давлений, определяющие расход топлива в карбю- раторе. Расход топлива через жиклер карбюратора зависит от разности (перепада) давлений в по- плавковой (или мембранной) камере и у отверстий форсунки, расположенной в диффузоре. Величина перепада этих давлений, при всех прочих равных условиях, зависит от размещения в воздушном канале карбюратора отверстий для передачи давления на топливо. На фиг. 1 показаны две типичные схемы рас- положения таких отверстий. В схеме А в поплавковую камеру передается от входного сечения карбюратора полный напор Ре, а в схеме В — статическое давление Рг. По схеме А работают карбюраторы Бендикс- Стромберг (впрыскивающий), ВК-71, К-25-4Д, АК-62, К-38, К-100А и т. п., а по схеме В — АК-82КБ, Холлей и т. п. У карбюратора с расположением отверстий по схеме А, при условии равномерного распределения скоростей в сечении Рх и F2 и при отсутствии потерь, истечение топлива определяется перепа- дом ГЛ Г, рИ 1 ДР' = р0 - р2 = — ? = 2 2g7 F2’ pV? где Po = Pi+—--------полный напор на входе в (2) карбюратор, передающийся в поплавковую (или мембран- ную) камеру,- — статическое давление; V2 — скорость в диффузоре; Да —площадь диффузора; С/в — весовой расход воздуха через карбю- ратор. Из уравнения (2) следует, что перепад давле- ний ДР' не зависит от размеров сечения, от величины и распределения скоростей на входе; Следовательно, на характеристику карбюратора, работающего по схеме А, форма патрубка принци- пиально сказываться не должна. Объясняется это тем, что на входе в карбюра- тор используется полный напор Рр, который можно считать постоянным в любой точке сече- ния входа, несмотря на то, что статические дав- ления и скорости в этом сечении могут от точки к точке изменяться (из-за формы патрубка). Однако это будет справедливо до тех пор, пока отверстие (или несколько отверстий) для пере- пуска полного напора в поплавковую камеру не попадает в вихревую зону. Как только оно попа- дет в вихревую зону, давление, передающееся в поплавковую (или мембранную) камеру, снизится и смесь обеднится. Величина обеднения будет зависеть от расположения этих отверстий относи- тельно вихревой зоны. Для уменьшения влияния формы патрубка на характеристики карбюраторов, работающих по схеме А, необходимо, чтобы эти отверстия не попадали в завихренную зону, а находились бы все время под воздействием набегающего на них потока воздуха (вне вихревой зоны). В карбюраторах с расположением отверстий по схеме В (фиг. 1) истечение топлива опреде- ляется перепадом давлений р V, Р V? ДР = Pj — Р2 = -1 — - - 1 2 2 2 G- I 1 - - \ Fl F* (3) где Pj — статическое давление на входе в кар- бюратор, передающееся в поплавковую (или мембранную) камеру; Р2 — статическое давление в диффузоре; Vlt V» и Р1г F2— средние скорости и площади на входе и в диффузоре; GB — весовой расход воздуха через карбю- ратор. , Из уравнения (3) следует, что в карбюраторах, работающих по схеме В, в отличие от схемы А, расход топлива зависит от величины площади входа Fu по которой определяется средняя ско- рость Vt. При наличии поджатия потока на входе в карбю- ратор (вследствие неудачной формы патрубка) фактическое проходное сечение для воздушного потока уменьшается. В этом случае воздух на входе протекает с большей местной скоростью, чем средняя скорость или скорость без поджатия. Фиг. 2. Схемы потока на входе в карбюратор с дей- ствительным патрубком и с прямым патрубком, имеющим подвижную стенку. /—действительный патрубок, 2—прямой патрубок с подвижной стенкой, 3—карбюратор, 4 —отверстия, соединенные с топлив- ной камерой карбюратора, 5 и С—вихревые зоны, 7—часть вихревой зоны, замененная прямым патрубком. Увеличение скорости приводит к неизбежному уменьшению статического давления Pt и как следствие к понижению расхода топлива — к обед- нению смеси. Часть полной площади, которую фактически занимает поток на входе, определяем коэфици- F ентом сжатия у. = —(фиг. 2, а). s Пренебрегая Fi неравномерным распределением скоростей в по- токе, выражаем новый перепад ДРр. уравнением 1 1 \ F22~^^)‘ GB 2g] (4) Из уравнений (3) и (4) имеем: р2 1—2 ЬР Fl [л2 Fl 2
— F Вводим обозначение Л = '2 и, допуская для дан- ной формы патрубка постоянство соотношения между расходом топлива и воздуха Г — = const Y ч GB ч У получаем: 6^ 1 — Ж Р2 где GT[1 и аи — расход топлива и коэфициент из- бытка воздуха, соответствующие перепаду давлений ДАф при нали- чии поджатия потока на входе ь карбюратор. Из уравнения (5) следует, что коэфициент из- бытка воздуха а,,. зависит не только от р, но и от отношения площади диффузора к площади входа Е=—2. Поэтому у карбюраторов типа АК-82БП с переменным сечением диффузора (Г = var) изменение состава смеси — для дан- а ного р зависит от величины открытия диффузора, т. е. является переменным по дроссельной ха- рактеристике карбюратора (мотора). Такое изменение состава смеси (со дроссельной характеристике) у карбюраторов с переменным сечением диффузора затрудняет их перерегули- ровку в случае изменения р. Перерегулировка карбюратора для восстановле- ния прежнего расхода на режиме номинала, напри- мер в случае обеднения смеси, приведет к обо- гащению состава смеси на режиме ниже номи- нального. Это схематично показано на фиг. 3. Следовательно, поджатие потока на входе у кар- бюраторов с переменным сечением диффузора при- водит или к обеднению повышенных режимов мотора, или после перерегулировки отверстия главной дозирующей иглой — к обогащению пони- женных режимов мотора. Фиг. 3. Влияние поджатия потока на характеристику , карбюратора /—характеристика карбюратора с всасывающим патрубком № 1, создающим небольшое поджатие потока на входе, 2—характе- ристика с патрубком № 2, создающим значительное поджатие, 3— характеристика с патрубком № 2 после .перерегулировки карбюратора главной дозирующей иглой до прежних расходов топлива на полном дросселе. Рассмотренные выше нарушения характери- стик карбюратора разобраны для случая, когда структура потока воздуха изменяется только на входе в карбюратор. Однако большое поджатие потока воздуха на входе может привести к поджатию потока также и в диффузоре карбюратора. Такое поджатие бу- дет вызывать изменение состава смеси, обратное изменению от поджатия на входе, и смягчать влия- ние последнего. Исследования, проведенные в ЦИАМ, заключа- лись в экспериментальной проверке в лаборатор- ных условиях уравнения (5). Для этого был выбран беспоплавковый карбю- ратор АК-82БП с переменным сечением диффу- зора. Схема этого карбюратора наиболее неблаго приятна с точки зрения влияния формы патрубка на его характеристику, так как отвод давлений в мембранную камеру осуществляется в нем по схеме В (см. фиг. 1.) ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ, МЕТОДИКА И АППАРАТУРА Влияние формы всасывающего патрубка на характеристику карбюратора определялось, как указано выше, коэфициентом сжатия у потока воздуха на входе в карбюратор [по формуле (5)]. Для экспериментальной проверки влияния коэ- фициента сжатия у на характеристику карбюра- тора была принята следующая методика. Снималась характеристика карбюратора GT—/(GB) для нескольких положений дросселя (диффузора). Каждое положение дросселя проверялось с не- сколькими патрубками, имеющими различные коэ- фициенты сжатия у. Различные значения у. получались в результате искусственного поджатия потока подвижной стен- кой патрубка на основании следующих соображе- ний. Вихревая зона в действительном патрубке на входе в карбюратор рассматривалась как непо- движная часть потока и заменялась твердым телом. Если в остальной части потока в самом узком месте пренебречь неравномерным распределением скоростей по сечению, то действительный патрубок можно заменить прямым патрубком с меньшим проходным сечением, как показано на фиг. 2, б. Коэфициентом сжатия у при такой замене счи- талось отношение суженной площади к полной - площади входа в карбюратор, т. е. р = — F1 С таким патрубком было исследовано шесть сечений: от полного /ф (р = 1) до 0,5 ^(р — 0,5) с интервалами между ними через 0,1 Ех(Др=0,1). Фиг. 4. Патрубок с прямым коленом. 3
Для проверки принятой методики искусствен- ного поджатия потока был испытан патрубок, имеющий прямое колено (фиг. 4). ^оэфициентом сжатия р такого патрубка считалось отношение эффективной площади потока, т. е. той, которую поток фактически занимает без вихревой зоны, к полной площади входа. Величина эффективной площади потока определялась экспериментально по полю скоростей на входе в карбюратор. Путем сравнения результатов испытания двух патрубков (с коленом и без колена с подвижной стенкой), имеющих одинаковые коэфициенты сжа- тия р, был сделан вывод о правильности приня- той методики. Фиг. 5. Упрощенная схема испытуемого карбюра- тора с расположением на нем патрубка. 1—дроссель (диффузор переменного сечения), 2—-воздухозабор- ное кольцо, 3—мембранный механизм, 4— патрубок. Для двух патрубков сравнивались поля скоро- стей на входе в карбюратор; разрежения по пери- метру входа, во внутренней полости воздухоза- борного кольца и в диффузоре карбюратора (фиг. 14); расходы топлива через карбюратор (фиг. 12 и 13). Эти сравнения полностью подтвердили правиль- ность применяемой методики и показали, что ме- тод искусственного поджатия потока на входе в карбюратор достаточно точно имитирует есте- ственное поджатие потока в резко изогнутом колене патрубка, в котором при повороте обра- зуется вихревая зона. У всех патрубков входная часть была выполнена в виде коллектора, очерченного по лемнискате г — a ]/cos2«. Упрощенная схема испытываемого карбюратора с основными размерами воздушного канала пока- зана на фиг, 5. Во время испытания экономайзер и помпа прие- мистости карбюратора были выключены. Золотник автокорректора закреплен в положении, соответ- ствующем работе на уровне моря. В остальном серийная регулировка карбюратора сохранена пол- ностью. Испытания проводились в барокамере на ваку- умнасосной установке (фиг. 6). Схема установки показана на фиг. 7. При снятии характеристики карбюратора одно- временно с замером расходов топлива и воздуха замерялись поля динамических напэров на входе в карбюратор, разрежения по периметру входа, разрежения во внутренней полости воздухозабор- ного кольца и разрежения в диффузоре1. Для измерения динамических напоров применя- лись Т-образные насадки, которые закреплялись в специальном деревянном держателе (фиг. 8). Держатель устанавливался между патрубком и воздухозаборным кольцом карбюратора. Всего во входном сечении было 16 Т-образных насадков. Каждый насадок размещался в центре одного из 16 равновеликих прямоугольников. Разрежения по периметру входа замерялись в 16 точках по четыре точки на каждую сторону. Для этого в специально изготовленное воздухо- заборное кольцо были заделаны заподлицо с вну- тренней стенкой 16 трубок. Фиг. 6. Высотная камера лаборатории ЦИАМ. Разрежения в диффузоре замерялись через фор- сунку экономайзера. Воздушное отверстие эконо- майзера было заглушено. Разрежения и динамические напоры замерялись U-образными манометрами водяными или ртут- ными в зависимости от величины разрежений. Схема расположения мест замера и их соединение с манометрами показаны на фиг. 8. Расход воздуха через карбюратор замерялся тарированными шайбами, установленными на вса- сывании воздуха в карбюратор. Набор тарированных шайб позволял замерять любой расход воздуха до 5000 кг/час. Кроме того, 1 Здесь и в дальнейшем под разрежением в любой точке замера понимается разность давлений между давлением в баро- камере и давлением в точке замера. Во время испытаний в ба- рокамере поддерживалось постоянное давление 716 мм рт. ст. 4
Фиг. 7. Схема вакуумнасосной установки. 1—высотная камера, 2— карбюратор, J—патрубок, 4—камера с тарнровочными шайбами для замера расхода воздуха, 5 и 6—дроссельные заслонки, 7—бензиновая помпа, 8—кран для регулирования давления топлива перед карбюратором. для контроля расход воздуха определялся по ско- ростному полю перед карбюратором по формуле Ов = 2ДОв = 2А-Ц = 2//|/' —М<н> где fi — площадь прямоугольника; Ц — скорость, замеренная в центре площади; 7<н— коэфициент насадка (в нашем случае в среднем Кл — 0,875). Фиг. 8. Схема расположения мест замера давлений при испытании карбюратора. Фиг. 9. Характеристика карбюратора G., ио GB для различных коэфициентов сжатия р=0,5—1,0. * Угол открытия дросселя р=64а. Расход топлива замерялся штихпробером. Топливо в карбюратор подавалось бензиновой помпой под постоянным избыточным давлением 0,5 кг/см?. Все испытания проведены для двух положений дросселя карбюратора:для полного открытия дрос- Фиг. 10. Характеристика карбюратора GT по Ов для различных коэфициентов сжатия р=0,5—1,0. Угол открытия-дросселя р=30°. 5
селя при р = 64° и прикрытого до р — 30°, соответ- ствующего работе мотора на номинальном режиме в положении, соответствующем работе на уровне моря. Динамические напоры и разрежения замерялись для трех расходов воздуха^ через карбюратор для каждого положения дросселя: 5000, 4000 и 3000 лг,ч для р = 64° и 4000, 3000 и 2000 кг л для р= 30°. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ На фиг. 9 и 10 даны характеристики карбюра- тора GT=/(GB), полученные для всех сечений входа от jFj до 0,5 и для двух положений дросселя: р = 64° и р = 30°. Там же нанесены экспериментальные точки для патрубка, имеющего прямое колено. Фиг. И. Поле скоростей на входе в карбюратор с патрубком, имеющим прямое колено. На фиг. И для этого патрубка показаны про- фили полей скоростей, которые позволяют опре- делить коэфициент сжатия у для патрубка. Про- фили взяты по двум сечениям в — в и г — г, парал- лельным плоскости симметрии патрубка. По вер- тикальной оси отложеры относительные скорости потока <» - * Л. КР где V;. — скорость, замеренная в любой точке по сечению; 17.р — средняя скорость потока, определенная по полному сечению Ту. По горизонтальной оси отложены относитель- ные линейные размеры сечений. На фиг. 11 проведена также вертикальная линия раздела положительной и отрицательной скоростей потока. Эта линия определяет величину завихрен- ной зоны и наглядно показывает, что патрубок работает с коэфициентом сжатия у =0,75. На основании характеристик карбюратора GT — = /(^Е) и известных коэфициентов сжатия у по- строены кривые изменения О.,= / (у) для двух зна- чений расходов воздуха при двух положениях дросселя: {5 = 64° и р=30° (фиг. 12 и 13). На фиг. 12 и 13 также показаны пунктиром теоретические кривые, подсчитанные по формуле (5). Из анализа приведенных фигур следует, что опытные точки достаточно хорошо совпадают с расчетными кривыми до у =0,7. При этом на полном открытии дросселя (Р = 64°) наибольшее обеднение смеси достигает 7 — 8%. Козфициент сжатия Фиг. 12. Изменение расхо- дов топлива в зависимости от коэфициеита сжатия ц при р=64°. Фпг. 13. Изменение расхо- дов топлива в зависимости от коэфициеита сжатия ц при р=30°. Для меньших значений у (у < 0,7) при ₽ = 64° опытные точки располагаются выше расчетных. Это несовпадение можно объяснить поджатием потока в диффузоре, что подтверждается измене- нием разрежений ДРд (фиг. 14). На той же фигуре показаны разрежения на входе в карбюратор Рвх, замеренные во внутренней полости воздухозабор- ного кольца. Из фиг. 12 и 13, кроме того, следует, что на меньших открытиях диффузора, т. е. на меньших сжатие потока на обеднение смеси ока- зывает меньшее влияние, чем на больших откры- тиях диффузора. Это обстоятельство, как указы- валось выше, затрудняет перерегулировку карбю- ратора (с переменным сечением диффузора), вызванную изменением поджатия потока. ВЫВОДЫ Изменение формы патрубка влияет на харак- теристику карбюратора. Это влияние для разных карбюраторов различно и зависит от способа использования давлений на входе в карбюратор. 6
При испытании карбюратора с различными формами воздушных патрубков на стенде и самолете характеристики карбюратора полу- чаются неодинаковые. Проведенные исследования по оп- ределению влияния формьшатрубка на характеристику карбюратора позволяют сделать следующие вы- воды. 1. Влияние формы патрубка на характеристику карбюраторов типа АК-82БП, у которых в топливную камеру отводится среднее стати- ческое давление входного сечения, -можно определить коэфициентом сжатия р потока воздуха на входе в карбюратор, а изменение состава смеси по формуле 1 — дг 1-^-' 2. Патрубок (см. фиг. 4), имею- щий прямое колено, вызывает под- жатие потока воздуха на входе и работает с коэфициентом сжатия [л = 0,75. 600 6СС 200 g «ч 3: Qj ^,400 X Н- о ъ-Патрубок с подвижной стенкой (ЗЪР-Патрубок с прямым коленом V )^ ——. ’’ 7 —, ч № '3 о <5 - Gg= 5000 игр! ® — ч000 L I ь L г 1 0,5 W ,1 Коэфициент сжата. Фиг. 14. Изменение разрежений ч'иг. 14. изменение разрежений в Для карбюратора типа АК-82БП кольцу на входе на полном открытии диффузора (^вх) и в диффузоре (ДРд) кар- бюратора при р = 64 °. =0,324^) обеднение состава смеси с наихудшим типом патрубка (по сравнению с патрубком, имею- щим аксиальный вход в карбюра- тор) доходит до 74-8%. - 3. У карбюраторов с переменным сечением диффузора наибольшее изменение состава смеси, в зави- симости от поджатия потока воз- духа на входе, происходит при больших открытиях диффузора. На малых открытиях диффузора (ниже номинального режима) под- жатие потока на изменение состава смеси практически не влияет. Это обстоятельство, для карбю- раторов с переменным сечением диффузора, затрудняет их перере- гулировку с изменением поджатия потока. 4 Для уменьшения влияния фор- мы патрубка на характеристику карбюратора следует отводить в топливную камеру (поплавковую или мембранную) не статические давления, а полные напоры вход- ного сечения. Причем отверстия для передачи полных напоров не- обходимо размещать ближе к внеш- ней стенке колена всасывающего патрубка. Редактор К А. Пономарева Г805186. Иодп. в печать 24/11 1945 г. Печ. л. 3/т- Уч.-авт. д. 0,47. Тип. зн. в печ. л. 48000. Цена 1 р. 50 к. Зак. 1369/8069. Типография Оборонгиза.