Численный гидродинамический анализ жидкостного динамометра для наземной обкатки и испытаний поршневого двигателя летательных аппаратов
Автор: Рутковская М.А., Рутковский В.О.
Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau
Рубрика: Авиационная и ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 2 т.27, 2026 года.
Бесплатный доступ
При разработке новых конструкций двигателей внутреннего сгорания (ДВС), модернизации существующих ДВС, топливных систем и систем зажигания существенную помощь оказывает применение динамометрических тормозных устройств. Подобные устройства возможно использовать также при индивидуальной настройке серийных ДВС. Известны множество типов и конструкций подобных устройств, включая механические, электрические и гидродинамические варианты. Если в конструкции тормозных устройств предусмотрен элемент, измеряющий крутящий момент двигателя, то подобные тормозные устройства называются динамометрами. Большинство динамометров имеют значительные размеры и массу и предназначены для испытаний, обкатки и настройки двигателей с максимальной мощностью не менее 80 л. с. и рабочими оборотами не более 5000 в минуту. Известны также динамометрические стенды для спортивных высокооборотных двигателей, которые отбирают энергию от колеса транспортного средства. Применение динамометров с вращающимися элементами, имеющими большой момент инерции, приводит к высоким погрешностям при настройке. Для поршневых двигателей беспилотных летательных аппаратов с относительно небольшой мощностью 5–60 л. с. и диапазоном рабочих оборотов 4000–10000 в минуту наиболее перспективным является применение гидродинамических тормозных устройств испытательных и обкаточных стендов. По сравнению с другими устройствами, они характеризуются меньшими габаритами, стоимостью и широким диапазоном поглощаемой мощности. В работе выполнено проектирование жидкостного динамометра для испытаний и настройки двигателя внутреннего сгорания беспилотного летательного аппарата с мощностью до 100 л. с. Были подобраны оптимальные геометрические параметры гидродинамического тормоза. Смоделирована трехмерная твердотельная модель жидкостного динамометра. Проведен численный гидродинамический анализ с неподвижным статором и подвижным ротором, полностью заполненным рабочей жидкостью.
Двигатель БПЛА, жидкостный динамометр, наземные стендовые испытания, гидродинамический тормоз, численное моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/148333857
IDR: 148333857 | УДК: 629.7.03 | DOI: 10.31772/2712-8970-2026-27-2-316-323
Numerical hydrodynamic analysis liquid dynamometer for ground run and aircraft piston engine tests
During designs of new internal combustion engines (ICE), modernizing existing ICEs, tuning of fuel systems and ignition systems, the use of dynamometric braking devices provides significant assistance. Such devices can also be used when individually tuned stock internal combustion engines. Many types and designs of such devices are known, including mechanical, electrical and hydrodynamic variants. If an engine torque measuring element is provided in the design of the braking devices, such braking devices are called dynamometers. Most dynamometers are significant in size and weight and are designed for testing, running in and tuning engines with a maximum power of at least 80 hp. and operating speeds of no more than 5000 per minute. Dynamometer stands are also known for high-speed sports engines that take energy from the wheel of a vehicle. The use of dynamometers with rotating elements having a large moment of inertia leads to large errors in tuning. For piston engines of UAVs with a relatively small power of 5-60 hp with operating speed range 4000-10000 per minute the most promising is the use of hydrodynamic braking devices of test and rolling benches. Compared to other devices, they are characterized by smaller dimensions, cost and a wide range of absorbed power. The work includes the design of a liquid dynamometer for testing and tuning the internal combustion engine of an unmanned aerial vehicle with a capacity of up to 100 hp. Optimal geometric parameters of hydrodynamic brake were selected. A three-dimensional solid model of a liquid dynamometer was simulated. A numerical hydrodynamic analysis was carried out with a fixed stator and a movable rotor completely filled with working fluid.
Текст научной статьи Численный гидродинамический анализ жидкостного динамометра для наземной обкатки и испытаний поршневого двигателя летательных аппаратов
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) требуют настройки на наземных стендах. Чаще всего подобная настройка происходит с использованием воздушного пропеллера. Однако использование воздушных пропеллеров не обеспечивает необходимой точности настройки. Для качественной настройки требуется тормозное устройство, позволяющее работать с двигателем во всем диапазоне рабочих оборотов, обычно от 2000 до 7500 оборотов в минуту при разных положениях открытия дроссельной заслонки от 0° до 90°. Различные типы тормозных устройств-динамометров приведены в [1; 2]. Для поршневых двигателей БПЛА с относительно небольшой мощностью 5–60 л. с. наиболее перспективным является применение гидродинамических тормозных устройств испытательных и обкаточных стендов. По сравнению с другими устройствами, они характеризуются меньшими габаритами, стоимостью и широким диапазоном поглощаемой мощности. Принцип работы данного вида тормоза основан на сопротивлении жидкости перемещению вращающегося в ней ротора (рис. 1). Вращение ротора приводит к передаче энергии рабочей жидкости. Жидкость передает энергию на лопатки закрепленного на вращающейся оси статора. В качестве рабочей жидкости может применяться и чаще всего используется вода. При работе тормоза вода должна проходить через него в количестве, пропорционально поглощаемой мощности. Температура воды на выходе из устройства должна быть ниже 50–70 °C для предотвращения образования накипи и кавитации. Вода поступает в центр устройства и после прохождения через камеры в статоре и роторе вытекает из корпуса через сливное отверстие.
Измеряя момент, действующий на статор, и обороты ротора измеряем значение мощности двигателя. Можно легко изменить тормозной момент путем увеличения или уменьшения количества жидкости в роторе.
Рис. 1. Принцип работы гидродинамического нагружающего устройства и фотография готового изделия DYNOmite производства компании Superflow, США [2]
Fig. 1. Schematic water brake on a dynamometer and photo of DYNOmite dynamometer of Superflow, USA [2]
Описанные в советской и российской литературе тормозные устройства предназначены для работы с мощными малооборотными двигателями. Авторами данной работы был спроектирован и рассчитан гидродинамический тормоз для испытаний и настройки поршневых двигателей внутреннего сгорания мощностью до 100 л. с.
В работе [3] был произведен расчет гидродинамического тормоза в системе автоматизированного проектирования SolidWorks Flow Simulation , однако геометрия лопаток слишком упрощена. В работе [4] проведено исследование влияния формы рабочей полости гидродинамического ретардера на эффективность торможения. В работах [5–12] выполнены различные исследования гидродинамического тормоза.
Моделирование гидродинамического тормоза
Для проектирования устройства правильной размерности и с лопатками правильной формы было осуществлено трехмерное моделирование ротора и статора в системе твердотельного моделирования SolidWorks (рис. 2, 3) и численный гидродинамический анализ в системе SolidWorks Flow Simulation .
Предварительно размеры рабочего колеса ротора и статора были подобраны последовательными расчетами в электронной таблице по формуле (1), приведенной Б. А. Гавриленко, для мощности 30 л. с. на 3000 об/мин [13]. Характеристики тормоза с известной геометрией приведены на рис. 4.
D = 2*
Mmp
5 3,5*10 ( - 5)* у *[1 - ( r 1 / r 2)5]* n2
где Mmp = 716,2* N/n = 716,2*30/3000 = 7,16 кгм.
В результате было разработано рабочее колесо ротора с диаметром 220 мм и толщиной 16 мм с шестью фрезерованными карманами глубиной 7,4 мм. Аналогичные шесть фрезерованных полостей выполнены в половинах статора. В половинах статора выполнено отверстие для подачи холодной рабочей жидкости, отверстие для отвода нагретой жидкости и два дренажных отверстия для предохранения от избыточного заполнения и давления в тормозе.
Рис. 2. Чертежи ротора (слева) и статора (справа)
Fig. 2. Rotor (left) and stator (right) drawings
Рис. 3. Сборка гидродинамического тормоза в разрезе
Рис. 4. Характеристики тормоза с известной геометрией [13]
Fig. 3. Assembly of hydrodynamic brake in section
Fig. 4. Characteristics of brakes with known geometry [13]
Численное моделирование жидкостного динамометра
В качестве начальных и граничных условий была задана рабочая жидкость, в данном случае вода, со 100 % заполнением внутреннего объема. В два отверстия статора подается рабочая жидкость со скоростью 20 л в мин. При расчете была задана угловая скорость вращения ротора равная 3000 об/мин. Результаты расчета в момент времени 0,022 с: давление и скорость показаны на рис. 5. Результаты расчета гидродинамического нагружающего устройства, такие как тормозящий момент и поглощаемая мощность, приведены на рис. 6.
В пакете SolidWorks Flow Simulation вычислены значения тормозного момента рабочей жидкости. Для получения мгновенной тормозной мощности была введена и численно интегрирована во время расчета переменная на макроязыке Flow Simulation : Мощность в л. с.= ({ SG Момент ( Z ) 4}*2*π*{Область вращения 1:Угловая скорость:3.000e+03}/60)/735,499.
На рис. 6 видно, что мгновенная поглощаемая мощность меняется циклично множество раз каждый поворот ротора. Однако ротор и коленчатый вал имеют значительный момент инерции и колебания поглощаемой мощности будут значительно меньше. Рекомендуется установить упругую демпфирующую муфту между коленвалом и ротором тормоза. В результате расчета была получена средняя мощность торможения 28,1 л. с.
(от 11,13 до 39,74 в цикле) при пол-
ностью заполненном тормозе на 3000 об/мин.
а
б
в
Рис. 5. Результаты расчета гидродинамического нагружающего устройства в момент времени 0,022 с от положения компонентов в сборке: а – поле давлений на поверхности статора; б – изоповерхности давления в рабочей жидкости скоростей жидкости; в – изоповерхности скоростей в рабочей жидкости; г – поле скоростей жидкости в сечении жидкости на расстоянии 8 мм от плоскости симметрии тормоза
г
Fig. 5. Results of calculation of the hydrodynamic loading device at the time of 0.022 seconds from the position of the components in the assembly: a – the pressure field on the stator surface; б – the isosurface of pressure in the working fluid of fluid velocities; в – the isosurface of velocities in the working fluid; г – the field of fluid velocities in the fluid section at a distance of 8 mm from the symmetry plane of the brake
Цель-выражение []
Рис. 6. Результаты расчета гидродинамического нагружающего устройства, тормозящий момент и поглощаемая мощность
Fig. 6. Results of calculation of hydrodynamic loading device, braking moment and absorbed power
Для получения среднего тормозного момента была введена и численно интегрирована во время расчета переменная на макроязыке Flow Simulation: average ({ SG Момент ( Z ) 4}).
Вычисленное значение тормозного момента составляет 65,78 Нм.
Для уменьшения количества расчетов можно использовать формулы подобия, основывающиеся на испытании геометрически подобной модели [14; 15]:
M -/.p D5 n 2, (2)
где M – момент поглощаемый динамометром; λ – коэффициент пропорциональности момента; ρ – плотность рабочей жидкости; D – диаметр ротора; n – число оборотов. Так как мощность N = Mn , то
N = AD5 n 3p, (3)
где А – коэффициент мощности, постоянный для геометрически подобных машин.
Заключение
Данная геометрия решает поставленную задачу. Так как мощность зависит от оборотов в кубе на 7500 об/мин, максимально поглощаемая мощность может достигнуть 437 л. с., что избыточно для наших целей. Так как мощность зависит от диаметра в пятой степени для 100 л. с., достаточно ротора диаметром 164 мм. В дальнейшем планируется спроектировать более скоростной тормоз, оптимизировать диаметр ротора, использовать различную форму карманов в статоре и роторе, оптимизировать диаметр и положение отверстий для подачи, отвода и дренирования рабочей жидкости. Для уменьшения равномерности торможения и увеличения прочности устройства планируется использовать большее количество лопаток, а также различное количество лопаток у ротора и статора.
