ТРУБЫ РЕЗОНАНСНЫЕ

В журнале уже рассказывалось о методике подбора параметров резонансных труб («Моделист-конструктор» № 9 за 1995 г.) для высокофорсированных двигателей. Выполняя пожелания моделистов, редакция попросила продолжить эту тему мастера спорта В.Фонкича из г.Черкассы (Украина). Как известно, в момент открытия выхлопного окна двигателя образуется ударная волна, представляющая собой процесс распространения импульса давления со скоростью V=20 sqr(T) (Т — температура выхлопных газов в oК). 

При движении фронта такой волны плотность, давление и температура скачкообразно изменяются. Волна сжатия формируется не сразу после открытия кромки окна, а в процессе суммирования нескольких плоских волн сжатия. Первая (лидер) распространяется со скоростью звука, вторая — с еще большей скоростью. В итоге фронт волны сжимается и образуется собственно ударная волна.

Как следует из формулы,скорость ударной волны пропорциональна температуре выхлопных газов. На практике она составляет приблизительно 260° С на незакапотированном моторе, а на выходе из резонансной трубы — 200°… 220° при 26 000 об/мин. Использование теплоизоляции для труб не влияет на эти величины в зоне выхлопного патрубка.

В соответствии с выполненными замерами в дальнейших выкладках расчетную скорость примем равной 460 м/с. Следует отметить, что в теплоизолированной трубе работа выхлопных газов также пропорциональна температуре. Кроме того, волны разряжения в такой трубе практически не образуются, вследствие чего растет КПД волны сжатия.

Можно уравнять собственную частоту колебаний волны газов в резонансной трубе с частотой импульсов выхлопных газов. При этом точная температура выхлопных газов определяется по формуле:

Известно также, что выхлопной газ обладает энергией, состоящей из внутренней (тепловой) и кинетической. Поэтому в теплоизолированной трубе происходит перераспределение этих энергий при неизменной их сумме. А так как в нашем случае газ производит работу, то КПД этого процесса в обычной неизолированной трубе должен быть значительно меньше.

Рис.1.

Рис.2.

Рис.3.

Рис.4.

Рис.5.

Рис.6.

Моделисты, как правило, знают, что цилиндрическая вставка трубы как бы раздвигает волны сжатия и разряжения, однако мало кому известно о формировании газового потока, попадающего в диффузор трубы. Дело в том, что здесь динамическое давление газа превращается в статическое, обратное явление происходит в конфузоре. При этом восстановление энергии будет увеличиваться с уменьшением выходной скорости газа из диффузора и снижением потерь энергии. Интересно, что длина диффузора без ощутимых потерь может быть уменьшена до величин, соответствующих удлинению

В некоторых источниках можно найти такую важную величину, влияющую на все процессы работы резонансных труб, как аэродинамическое число Рейнольдса Ие. Оно определяет, какой характер имеет течение газа в трубе — ламинарный, турбулентный или переходный. Для модельных труб Rе лежит в диапазоне 3×105…6×105. При этом коэффициент трения изменяется от 0,018 до 0,014. Потери расширения в диффузоре в значительной степени зависят от угла расширения и оборотов двигателя n.

Угол а диффузора ориентировочно равен 2…3o. Для цилиндрической части трубы Rе1 равно 2300. Любопытно, что газодинамические потери в первых двух участках трубы при переходе истечения газов к ламинарному можно снизить приблизительно в три раза. Кроме того, существенно снизить потери на трение может и небольшое закручивание струи выхлопных газов.

Бытует мнение, что на входе в диффузор появляется сферическая волна с выпуклым полем скоростей, а на выходе из него волна приобретает форму трапециевидной кривой. При равномерном же поле на входе выходное поле становится параболическим. Если предположить, что подобным образом распределяется и поле давлений, то это может внести существенные изменения в методику проектирования резонансных труб.

Интересен вопрос о соотношении геометрических параметров трубы. Часто спортсмены-моделисты пользуются приведенными в литературе данными, практически не анализируя их и не обращая внимания на противоречия в различных источниках. Представляется, что новая методика позволит уточнить фактические характеристики любых резонансных выхлопных труб и провести их сравнение.

Первый вариант — снятие с трубы резонансной кривой с помощью генератора качающейся частоты (ГКЧ) при измененных параметрах «пилы» 40…50 Гц и fср ГКЧ около 1500 Гц. Здесь используется усилитель мощности К 237 УНІ, выход микросхемы через наушник ТОН-1 подключается ко входу грубы, а к выходу —ДЭМШ на осциллограф. Синхронизация — с «пилы». Стабилизация напряжения обязательна. Включая ГКЧ и подбирая параметры экспериментальной установки, добиваются появления на экране осциллографа резонансной кривой. Примером конкретных испытаний могут служить фото с экрана осциллографа (см. рис. 2, 3, 4).

Вторая методика позволяет по полученным экспериментальным путем результатам определить КПД трубы. Для ее реализации из пьезоэлектрического излучателя будильника изготавливают динамический датчик давления. Сбоку от излучателя сверлят отверстие диаметром 3 мм и осторожно впаивают медную трубку внешним диаметром около 2,5 мм. Выводы датчика заливают эпоксидной смолой. Корпуса датчиков заземляют, а центральный вывод подключают соответственно на первый и второй каналы осциллографа. На вход «X» подсоединяют микрофон типа ДЭМШ для запуска в режиме «одиночный импульс». Устанавливают трубу на деревянную плашку, затем на ее входе крепят датчик давления и микрофон (второй канал), а также вход «X». На выходе трубы монтируют второй датчик давления, подключенный к первому каналу. Сдвиг фаз должен быть равен нулю. Развертка — от 2 до 5 мс, первый канал — от 0,2 до 0,5 В, второй — 1 В.

Затем на входе трубы устанавливают петарду, которую можно приобрести в свободной продаже в виде набора-связки элементов красного и зеленого цвета диаметром около 2 мм. Перед экраном осциллографа размещают фотоаппарат с тросиком и выставленной «бесконечной» выдержкой, заряженный пленкой «Фото-100» или «Фото-250». Поджигают петарду и нажимают на спуск фотоаппарата. При взрыве образуется ударная волна, которая дает соответствующую картинку на экране осциллографа. Время проявления пленки должно быть равно 12… 16 мин, позитивные отпечатки выполняются обычным образом.

Интересующий нас КПД трубы определяется по результатам обработки фотографий (см. рис.5) по формуле 

где а₁ амплитуда первого импульcа, а₂  амплитуда второго импульса (вне зависимости от масштаба фотоснимка).

Думается, будет интересно узнать, что КПД резонансной выхлопной трубы двигателя «Rssi.15Fi» равен 25…30%. Пример обработки результатов по снимкам — на рис.5.

Третья методика позволяет составить своеобразный сертификат качества трубы. Для реализации данной методики датчик давления размещают на выходе трубы, а микрофон на ее входе, подключив одновременно его ко входу «Х1» осциллографа. Развертка 6Т — 2 мс. После получения фотографий определяют отношение амплитуд, разделенных с учетом периода 5Т (то есть учитывая время развертки). Остается найти характеристику затухания колебания по формуле

Чем меньше с, тем больше оказывается амплитуда колебаний при резонансе.