Внешняя характеристика двигателя, подбор воздушного винта.

Конспект открытого занятия

педагога объединения «модели воздушного боя» Тютина Сергея Владимировича

Тема занятия: «Внешняя характеристика двигателя, подбор воздушного винта».

1. Приветствие собравшихся, проверка присутствующих.

2. Ознакомление с планом занятия:

Наше занятие посвящено измерению мощности двигателя и подбору для двигателя оптимального, воздушного винта. Вы получите несколько различных, воздушных винтов, которые по очереди установите на электродвигатель, включив двигатель, вы будете контролировать количество оборотов воздушного винта в минуту, и крутящий момент. По полученным данным рассчитаете мощность двигателя и построите график внешней характеристики двигателя. На основании полученного графика мы попытаемся доработать воздушные винты для получения с их помощью максимальной мощности двигателя.

3. Диагностика знаний по характеристикам воздушных винтов:

      Мы уже не первый год с вами используем воздушные винты в качестве движителя  летающих моделей. Назовите, пожалуйста, основные параметры воздушного винта. Для примера можете показать эти параметры на воздушных винтах, лежащих на столе.

      Ожидаемые, правильные ответы:

    - диаметр винта (наружный, в мм);

    - шаг винта (мм),

    - ширина лопасти (максимальная);

    - количество  лопастей.

Правильно, на покупных винтах эти данные нанесены при изготовлении. Надпись 200/100 означает, что данный винт имеет диаметр 200 мм и шаг 100 мм.

     Объясните, пожалуйста, что такое шаг винта.

     Ожидаемый, правильный ответ:

     - шаг винта это расстояние, которое должен пройти винт за один оборот в несжимаемой среде.

Правильно. Чтобы наглядно представить себе шаг винта, посмотрите на рис.1.

Геометрически ШАГ ВИНТА это высота катета прямоугольного треугольника, у которого вторым катетом является длина окружности одного из радиусов винта, а острый угол, прилегающий к этому катету равен углу наклона лопасти на этом радиусе. Если вы имеете винт постоянного шага, то высота первого катета (вертикального) будет одна и та же для любых сечений лопасти, а горизонтальный катет (длина окружности) зависит от радиуса. Таким образом, угол наклона лопасти уменьшается по радиусу от центра к наружному концу лопасти.

4. Знакомство с новой темой.

Теория:

Мощность, крутящий момент и обороты двигателя. Внешняя характеристика двигателя. Зависимость мощности двигателя от оборотов воздушного винта - внешняя характеристика двигателя.

Движение самолета и модели в воздухе обеспечивается за счет тяги воздушного винта, вращаемого двигателем. На рис. 2 показаны силы, действующие на самолет (модель) в  полете.

Рис. 2. Силы, действующие на модель в полете.

При установившемся горизонтальном полете с постоянной скоростью все силы, действующие на самолет, уравновешены. Таким образом, сила тяги Р равна силе лобового сопротивления Х.

                                               Р = Х                                   (1)

                                          Р = С_х* S * ρ * V² /2                (2)

С_х – коэффициент лобового сопротивления самолета (модели);

S – поперечное сечение;

ρ – плотность воздуха;

V – скорость полета.

Коэффициент лобового сопротивления, поперечное сечение и плотность воздуха на определенной высоте являются постоянными величинами. Таким образом, из формулы (2) следует, что сила тяги воздушного винта пропорциональна квадрату скорости. Это означает, что для увеличения скорости полета в два раза необходимо увеличить тягу воздушного винта в 4 раза.

При перемещении самолета на расстояние (L) под действием силы тяги совершается работа (А).

                                         А = Р * L                                    (3)

Работа, совершаемая в единицу времени, называется мощностью (N)

                                        N = А / t = Р * L / t                      (4)

Расстояние, пройденное самолетом за время (t), есть не что иное, как скорость (V).

Тогда для мощности, подводимой к воздушному винту, получится выражение:

                                       N = С_х* S * ρ * V³ /2                     (5)

Из формулы (5) следует, что для увеличения скорости полета в 2 раза к воздушному винту необходимо подвести в 8 раз большую мощность.

Мощность двигателя внутреннего сгорания зависит от его оборотов. На рис. 3 приведен график зависимости мощности авиамодельного двигателя от оборотов. Такой график называется внешней характеристикой двигателя.

Рис. 3. Внешняя характеристика авиамодельного двигателя.

Из графика видно, что максимальную мощность двигатель имеет при определенных оборотах (область 2). Если на двигатель установить воздушный винт с такими параметрами (диаметр, шаг и т.д.), что двигатель не сможет вращать его с оборотами, соответствующими максимальной мощности, то при меньших оборотах винт называют «тяжелым» (область 1), а при больших оборотах «легким» (область 3). При этом необходимо понимать, что понятие «тяжелый» и «легкий» винт относится к паре двигатель + воздушный винт. Один и тот же воздушный винт может быть «тяжелым» для одного двигателя (менее мощного) и «легким» для другого (более мощного).

Подбор оптимального, воздушного винта к двигателю самый творческий процесс при подготовке модели к соревнованиям.

Мощность двигателя можно рассчитать, если измерить обороты двигателя и его крутящий момент. Формула для расчета мощности:

N = 0,00103 M_кр* n                                                                    (6)

N – мощность двигателя (кВт);

M_кр – крутящий момент   (кГ*м);

n – обороты двигателя     (об/мин).

Вывод этой формулы приведен в книге В.Е. Мерзликина «Микродвигатели серии ЦСТКМ» Москва, изд. «Патриот» 1991 г. и в других авиамодельных изданиях, посвященных испытаниям двигателей.

Измерение мощности авиамодельных двигателей проводят на специальных балансирных станках. Двигатель устанавливается на вращающуюся мотораму, которая соединяется с пружиной или динамометром. При включении двигателя винт начинает вращаться в одну сторону, а моторама  поворачивается в другую. При этом крутящий момент двигателя равен моменту реакции. Измеряя момент реакции с помощью динамометра, мы тем самым измеряем крутящий момент двигателя. Обороты двигателя измеряются бесконтактными тахометрами.

5.  Закрепление новой темы.

Практика:

Измерение мощности электродвигателя с различными, воздушными винтами. Построение внешней характеристики двигателя.

Для сегодняшнего занятия, я изготовил балансирный станок. Для простоты и удобства установил на него электродвигатель. Крутящий момент измеряется динамометром, который уже оттарирован в Г*см. Обороты измеряются автомобильным бортовым миникомпьтером  БК-06 по сигналам с автомобильного датчика Холла. На экран тахометра выводятся обороты в тысячах за минуту (об/мин/1000).

Поскольку мощность электродвигателя небольшая, удобнее измерять ее не в киловаттах, а в ваттах, а крутящий момент измерять в Г*см. Тогда формула расчета мощности примет вид:

            N = 0, 0000103 M_кр* n                                                                    (7)

N – мощность двигателя (Вт);

M_кр – крутящий момент   (Г*см);

n – обороты двигателя     (об/мин).

Я раздаю Вам воздушные винты, Вы по очереди испытываете двигатель с винтом, внимательно фиксируете крутящий момент и обороты. Записываете полученные данные в таблицу и рассчитываете на калькуляторе мощность. По этим данным мы построим график внешней характеристики. Для начала я показываю, как это делается, а вы у себя записываете:

Винт № 1,   M_кр -  …Г*см,    n - ….об/мин, N = 0, 0000103 M_кр* n = … Вт     

Винт № 2,   M_кр -  …Г*см,    n - ….об/мин, N = 0, 0000103 M_кр* n = … Вт

Таблица измерения мощности.

Воздушный винт	Обороты двигателя, об/мин/1000	Крутящий момент, Г*см	Мощность, Вт
№ 1
№ 2
№ 3
№ 4
№5
№6
№7
№8
№9
№ 10
№ 11
№ 12

На бланке диаграммы нанесите полученные экспериментальные точки, соедините их плавной кривой и обведите кружочком точку, соответствующую конкретно Вашему винту. Построим эту диаграмму на компьютере в программе Эксел.

Приглашается  кружковец для набора данных и построения диаграммы.

Диаграмма, по оси у – мощность – 10 Вт, по оси х обороты в минуту.

6. Диагностика освоения новой темы.

«Тяжелые и легкие» воздушные винты. Доработка «тяжелых» винтов.

Посмотрите внимательно на полученную диаграмму, определите в какую зону графика внешней характеристики попал конкретно Ваш пропеллер. Ответьте, какой Вам достался воздушный винт: «легкий» или «тяжелый».

Кружковцы по очереди приглашаются к компьютеру, показывают свой воздушный винт, называют обороты и мощность, показывают точку на графике и тип воздушного винта («легкий» или «тяжелый»).

Воздушный винт можно доработать с целью приближения его параметров к оптимальному. Легче всего это сделать с «тяжелыми» винтами путем уменьшения их диаметра. Давайте выберем два наиболее близких к оптимальным параметрам винта и уменьшим их диаметр на 10 мм (укоротим лопасть на 5 мм).

Два кружковца, у которых оказались эти винты, сошлифовывают по 5 мм с каждой лопасти.

Пока ребята «облегчают» «тяжелые» винты давайте порассуждаем, что можно сделать с легкими винтами, чтобы приблизить их к оптимальным.

Увеличить их диаметр невозможно. А вот шаг винта можно увеличить, если он выполнен из термопластичного материала. Это полиэтилен и углепластик. Подогрев лопасть на пламени зажигалки можно разогнуть лопасть на больший шаг. Правда, для этой операции нужен опыт, чтобы шаг обоих лопастей был одинаковым. Для однолопастных винтов процедура «утяжеления» облегчается.

Но даже если винт не поддается доработке, а Вы по поведению модели почувствовали, что винт «легкий», просто замените винт на другой с большим шагом или диаметром.

 Испытания с доработанными винтами повторяются. График дополняется новыми данными.

7. Завершение занятия:

Подведение итогов. Наведение порядка на рабочих местах и в классе.

На этом наше занятие заканчивается. Мы познакомились с методикой измерения и расчета мощности авиамодельного двигателя и подбора оптимального, воздушного винта. Теперь Вы должны понимать, почему иногда, уменьшив диаметр воздушного винта на несколько миллиметров, можно добиться существенного увеличения скорости полета модели.

Прошу навести порядок на столах. Приглашаю Вас на следующее занятие в четверг к 18 часам.