Измерение мощности

При испытаниях двигателей наибольший интерес представляет измерение его мощности. Мощность двигателя (кВт) подсчитывается по формуле:

Из формулы видно, что, чем больше момент (при постоянном числе оборотов), тем соответственно большую мощность развивает двигатель. То же можно сказать и об оборотах двигателя. Использование формулы мощности наиболее удобно при испытаниях двигателей, так как величины, входящие в ее состав, легко поддаются измерениям.
Измерение крутящего момента может быть выполнено различными способами, но в моделизме имеет наибольшее распространение измерение его на балансирном станке (подробнее о работе станка будет сказано в следующем параграфе).
В качестве нагрузки для двигателей у большинства моделей используются воздушные винты. Винт воспринимает всю мощность, развиваемую двигателем. Одновременно винт служит вентилятором для охлаждения двигателя.
Винт, вращаясь, испытывает сопротивление воздуха, на преодоление которого тратится мощность, развиваемая двигателем.
В аэродинамике используется следующее выражение, характеризующее мощность, потребляемую воздушным винтом:

Как видно из формулы, мощность, необходимая для вращения винта, зависит от пятой степени его диаметра и представляется кубической параболой в функции числа оборотов.
При эксплуатации двигателя, например на скоростной модели, угол атаки лопастей винта предварительно рассчитывается. Практическое регулирование оборотов, при которых достигается максимальная мощность двигателя, осуществляется подрезанием концов лопастей воздушного винта. Подрезают лопасти либо ножом, либо напильником с последующим зашкуриванием острых кромок.
Испытания двигателей можно проводить различными способами. Одним из самых простых является метод тарированного винта. Как видно из рисунка 3, каждый двигатель, нагруженный определенным винтом, имеет конкретную характеристику, которая зависит от его формы. Устанавливая на вал винт с определенной характеристикой, можно определить мощность испытываемого двигателя. Достоинством данного метода является то, что для определения мощности двигателей требуется только наличие тахометра, с помощью которого определяется число оборотов вала. Однако этот способ не является точным, так как мощность зависит от многих причин - влияние окружающих предметов, температура, состояние поверхности лопастей и т. д. С помощью этого метода можно производить лишь приближенную оценку мощности двигателей. Рекомендуется пользоваться им для сравнительной оценки разных модельных двигателей, при этом, очевидно, чем большее количество оборотов зарегистрировано, тем большую мощность имеет двигатель.
Тарированный винт должен иметь достаточно жесткие лопасти, которые не допускали бы возникновения вибрации.
Более точные данные по определению мощности можно получить, измеряя крутящий момент при установке двигателя в балансирный станок. При этих испытаниях крутящий момент измеряется непосредственно во время работы двигателя.
Однако и этот метод не свободен от недостатков. Воздушный винт создает тягу отбрасыванием воздуха в сторону. Отброшенный воздух имеет большую скорость. Двигаясь, он встречается с выступающими элементами стенда и взаимодействует с ними. (Выступающими частями, препятствующими течению потока, могут быть цилиндр двигателя, моторная рама и т. п.) Одновременно поток воздуха за винтом закручивается. В отдельных случаях погрешность, вызываемая нежелательными аэродинамическими сопротивлениями, может превышать 15%, поэтому для снижения ее рекомендуется работать на балансирном станке, устанавливая за винтом спрямляющую радиальную решетку.
Приборы для измерения числа оборотов. При испытании двигателя необходимо измерять число оборотов коленчатого вала двигателя для определения его мощности.
Для измерения числа оборотов в единицу времени служат приборы, называемые тахометрами. Принцип действия их может быть разный. От этого зависит и их конструкция.
Тахометры могут быть контактные и бесконтактные. Контактные тахометры подразделяются на электродинамические, хронометрические, жидкостные, центробежные.
Электродинамические - те, в которых величина отклонения стрелки пропорциональна скорости вращения рамки в магнитном иоле. Рамка соединяется с коленчатым валом двигателя, и по наводимой в ней электродвижущей силе определяется количество оборотов.
Хронометрические -- тахометры, которыми замеряют число оборотов коленчатого вала двигателя как среднее за некоторый промежуток времени, используя при этом часовой механизм. Эти тахометры более точны, но устройство их сложнее.
Жидкостные - тахометры, в которых высота столба жидкости поддерживается вращением диска; работают как центробежный насос; высота столба жидкости пропорциональна числу оборотов коленчатого вяла.
Центробежные, в которых величина отклонения грузиков соответствует тем или иным оборотам двигателя.
Бесконтактные тахометры не отбирают мощности для привода их в действие, что очень важно при испытании двигателей, имеющих малые абсолютные мощности. К бесконтактным относятся строботахометры, фототахометры и звуковые тахометры.
Строботахометры используют принцип замера числа оборотов, который основан на совпадении частоты вращения коленчатого вала и частоты вспышек неоновой лампы. Точность приборов этого типа довольна высока (погрешность не более 1,5%).
Фототахометры работают по принципу замера частоты прерываний луча света, попадающего на фотодиод; в качестве прерывателя источника света может быть воздушный винт.
Звуковой тахометр - прибор, позволяющий замерить число оборотов вала движущейся модели. Основан на принципе сравнения звуковых частот двигателя и звукового генератора. Точность замера числа оборотов при помощи этого тахометра невысока вследствие того, что дискретная составляющая аэродинамического шума вращения винта, определяющая число оборотов вала, маскируется вихревым шумом; последний вызывается срывом вихрей с кромок лопастей винта и шумом выпуска двигателя.
Резонансный тахометр, или частотомер Фрама, представляет собой семейство упругих пластинок разной длины с присоединенными на концах разновеликими по массе телами (пластинками). Каждая пластинка - это колебательная система с собственной дискретной частотой. При возникновении резонанса с возмущающей периодической силой пластинка, настроенная на идентичную частоту, приходит в колебание. Размах колебаний лимитируется наличием внутренних потерь в системе. Под каждой пластинкой обозначена частота ее собственных колебаний. Чем больше набор пластинок-резонаторов, тем точнее показания прибора.
Тахометр ИО-30 - наиболее часто используемый в практике испытания двигателей магнитоэлектрический тахометр. Этот тахометр имеет три шкалы замера: первая 30 - 300 об/мин, вторая 300 - 3000 об/мин и третья шкала, наиболее пригодная для замера оборотов модельных двигателей, имеет диапазон от 3000 до 30000 об/мин. Переключаются диапазоны поворотом втулки так, чтобы указанные на втулке пределы измерения располагались против фиксирующей отметки. Для соединения тахометра с вращающимся механизмом используется ряд вставок. С помощью арретира фиксируют стрелку после замера числа оборотов. Арретир приводится в действие стопорной кнопкой.
Строботахометр СТ-МЭИ - наиболее удобен при стендовых испытаниях модельных двигателей, имеющих относительно небольшую мощность; всякий дополнительный отбор мощности каким-либо измерительным прибором приводит к значительной погрешности измерения. Стробоскопические тахометры основаны на использовании особенностей человеческого глаза на некоторое время удерживать изображение предмета, исчезнувшего из поля зрения. На этом принципе основано действие киноаппарата. В строботахометрах вращающийся винт освещается световыми импульсами безинерционной газосветной лампы. Частоты вспышек регулируются и замеряются. При частоте вспышек, равной числу оборотов винта или кратной ему, винт кажется неподвижным. Достоинством этого прибора является то, что он позволяет изучать процессы, происходящие в двигателе во время его работы.

Внешний вид прибора показан на рисунке 6. Строботахометр СТ-МЭИ имеет пределы измерения от 300 до 30 000 об/мин. Для регистрации более высоких чисел оборотов можно использовать тот же прибор, но при этом следует провести дополнительные пересчеты.
Познакомимся с работой этого типа тахометра подробней. Основная погрешность прибора при номинальном напряжении сети при условии проверки в контрольных точках по вибратору составляет не более 1 % от числа измеряемых оборотов двигателя. Если числа оборотов известны в определенном интервале, то погрешность итогов регистрации можно снизить до 0,5%, для чего нужно провести соответствующую подстройку прибора.
Включают прибор в сеть поворотом левой ручки. Процесс его прогревания длится 3 минуты, после чего поворотом той же ручки можно включить импульсную лампу.
Перед началом измерения оборотов двигателя необходимо проверить градуировку всех трех шкал прибора. Проверка проводится так: импульсной лампой освещают окно вибратора и убеждаются в неподвижности язычка вибратора в следующих точках шкал: на первой шкале на отметке 1000 об/мин должно быть одно изображение вибратора, то же на второй шкале при 3000 об/мин.
На третьей шкале при отметке 12 000 об/мин должно быть два неподвижных изображения вибратора. Если неподвижных изображений нет, то, открыв крышку прибора, >с помощью потенциометров производят его настройку, добиваясь создания описанных выше условий.
После настройки прибора импульсною лампу направляют так, чтобы она освещала лопасть винта. Настройку частоты вспышек импульсной лампы производят рукояткой грубой, а затем тонкой подстройкой. Диапазон шкал устанавливается 'поворотом правой рукоятки.
Когда двигатель испытывается впервые и нет сведений о предполагаемых числах оборотов, которые.он может развить, измерения начинают л самой высокой частоты; если при этом возникает двойное, тройное изображение, то это означает, что частота вспышек в два-три раза выше скорости вращения.
Если начать измерения с низких частот, то можно получить значительные погрешности в оценке количества оборотов вала, несущего винт. Одно (одинаковое) изображение будет при частотах вспышки в 1/2, 1/3, 1/4 и т. д. от числа оборотов винта, что может значительно затруднить определение действительного числа оборотов

9. СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Конструкция стенда

Испытания двигателя проводятся с целью определения его основных характеристик. Определяют мощность двигателя; удельный расход топлива; обороты, на которых достигается максимальная мощность; влияние различных топлив на мощность, расходные данные двигателя и, наконец, изменение ресурса двигателя и мощности его в процессе работы (а также ряд побочных менее значимых характеристик). Все эти характеристики могут быть получены в процессе стендовых испытании на различных стендовых устройствах, выбираемых в соответствии с назначением двигателя.
Стендовое оборудование состоит из нестандартных измерительных устройств, стандартных устройств, топливной системы, системы зажигания, системы запуска двигателя и предохранительных устройств.
Нестандартные измерительные устройства. К нестандартным измерительным устройствам относятся балансирный станок со спрямляющей решеткой и набор воздушных винтов.

Балансирный станок предназначен для замера крутящего момента. Он состоит из корпуса, к которому крепится угольник - моторама. На корпусе имеется фланец для крепления рейки, передающей усилие на весы, и демпфирующее приспособление с фиксатором. В корпусе установлены два шарикоподшипника, снижающие потери на трение при передаче крутящего момента двигателя. Подставка служит для установки балансирного станка на станине и закрепления его. Демпфирующее устройство представляет емкость, заполненную смесью трансформаторного масла с маслом MC-20, устанавливаемую на подставке балансирного станка. Период затухания колебаний должен составлять не более 3 сек. В этой емкости помещена пластина, связанная с рейкой, демпфирующая колебания. На другом конце рейки установлен шарикоподшипник, снижающий контактное трение с чашей весов.
Одна из конструкций балансирного станка показана на рисунке 7. Это балансирный станок, используемый для испытания модельных двигателей с рабочим объемом цилиндров до 25 см3. Для установки других типов двигателей на станке предусмотрена сменная моторная рама.
Схема испытательного стенда приведена на рисунке 8.

Для обкатки (приработки) и некоторых видов испытаний удобно использовать станок для закрепления двигателя, показанный на рисунке 9. Станок состоит из чугунного основания, на котором устанавливаются две стойки - одна неподвижная, другая подвижная. На стопках имеются выступы, предотвращающие возможность перемещения двигателя вперед под действием тяги воздушного винта (в случае ослабления стандартного запрещения его во время работы). Прижим осуществляется винтами, позволяющими перемещать одну из стоек (в зависимости от размеров двигателя). Крепят станок с помощью болтов в основании. Станок позволяет закреплять двигатель для обкатки. На нем также можно проводить сравнительные испытания двигателей с помощью тарированного винта.

Спрямляющая решетка уменьшает влияние закрученной струп от воздушного винта на точность замера мощности. Спрямляющая решетка состоит из двух частей и крепится к станине. Спрямляющая решетка выполнена из стальных полос, сваренных между собой аргонодуговой сваркой.

Воздушные винты служат в качестве нагрузки двигателя при его испытании. С их помощью замеряют максимальные крутящие моменты, развиваемые двигателем при различной скорости вращения. Для этого двигатель испытывают с различными винтами, доводя число оборотов до предельно возможного. Рекомендуется испытание двигателя начинать с винтом, развивающим наименьшее число оборотов. На рисунке 10 представлена серия винтов для испытания двигателя МАИ-25. Воздушные винты имеют следующие параметры: винт №1, диаметр D = 275 мм, шаг Н = 400 мм: винт № 2, D = 300 мм, Н = 400 мм; винт № 3, D = 330 мм, Н = 400 мм; винт № 4, D = 350 мм, Н = 400 мм; винт № 5, D = 380 мм. Н = 400 мм; винт № 6, D = 400 мм и Н = 200 мм. Винты сделаны из твердых пород древесины (бука), тщательно отбалансированы. Поверхность винтов для предупреждения ее разрушения активными компонентами топлив, каковыми являются метанол и нитрометан, покрыты слоем эпоксидной смолы ЭД-5.
Стандартное измерительное оборудование. На стенде используются следующие измерительные приборы: строботахометр СТ-МЭИ (26) (см. рис. 8), служащий для бесконтактного замера числа оборотов вала двигателя; хронометрический тахометр СК-751 (рис. 11) для грубого определения диапазона чисел оборотов, что необходимо при работе со строботахометром, а также замера чисел оборотов двигателя при ярком свете; весы ВНЦ-2 (на рис. 8) для фиксации крутящего момента двигателя.
Топливная система. Топливная система состоит из двух расходных емкостей 1 и 2 (см. рис. 8); топливного распределительного крана 4; трубки расходомера 3; топливного крана 5; поплавковой камеры 6; резиновой трубки, соединяющей штуцер поплавковой камеры со штуцером жиклера двигателя.
Уровень топлива регулируется положением поплавковой камеры, которую устанавливают вертикально на рейке с делениями. Количественный расход топлива изменяется регулировочной иглой. Для удобства испытаний двигателей регулировка подачи топлива производится дистанционно. Дистанционное управление выполнено в виде гибкого валика (тросик от бормашины) с маховичком 21, который и вращает иглу подачи топлива 18.
Система зажигания. Система зажигания состоит из понижающего трансформатора 25; реостата 24; сигнальной лампы 23, показывающей готовность электрической цепи к работе; включателя для замыкания электрической цепи. С помощью реостата 24 перед запуском двигателя регулируется напряжение, подводимое к свече 9.
Система записка. Система запуска состоит из электрического стартера 13, установленного на подставке 14 и питаемого от выпрямителя ВСА-6М (27).
Электростартер (рис. 12) сделан на основе электродвигателя МУ-332. Для увеличения крутящего момента при запуске двигателей больших рабочих объемов на вал электродвигателя устанавливают маховик. Сцепление с коком двигателя происходит через резиновую муфту (вставку), выполненную, как показано на рисунке 13. Электростартер устанавливают на подставке, которая допускает возможность перемещения на направляющих вперед.
Уровень оси электростартера относительно оси обтекателя втулку винта двигателя устанавливается регулировочными гайками, расположенными на подставке. Пуск электростартера производится кнопкой включателя.

При работе модельного двигателя, развивающего большое число оборотов (20000-30000 об/мин), возникает опасность разрушения вращающихся деталей от инерционных сил. Для защиты испытателей на упругой подвеске устанавливают броневое органическое стекло толщиной до 25 мм. Отработавшие газы двигателя направляются в вытяжное устройство. При ручной регулировке двигателя со стороны винта нужно поставить защитную решетку 16 (см. рис. 8), которая не допустит попадания пальцев рук под вращающийся винт. Для снижения пожарной опасности, которая может возникнуть при запуске двигателей с калильным зажиганием, все детали и узлы стенда выполняются из металла. При запуске двигателя возможна утечка топлива, для сбора которого под рамой балансирного станка установлен поддон. Поскольку топливом для калильных двигателей являются спирты, в поддон наливают воду, которая снижает концентрацию спирта, делая смесь негорючей.

Дата добавления: 2015-12-08