Курсовая работа: Безопасность полетов
В авиации проблема сохранения центровки наиболее остро стоит в отношении одновинтовых вертолетов вследствие весьма малых допустимых отклонений от нормы и полного нарушения управляемости при выходе центра тяжести за крайние пределы. Сказанное также относится и к летающим лодкам.
4. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА НА МОЩНОСТЬ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В последние годы широко обсуждался вопрос о влиянии температуры и влажности воздуха на мощность двигателя и летные данные самолета. При сравнительно большом полетном весе, который допускается для транспортных самолетов в настоящее время, режим взлета часто оставляет желать лучшего, поэтому недопустимо или допустимо только самое незначительное снижение мощности двигателя в целях сохранения запаса мощности на случай отказа одного из моторов. Установлено, что при повышении температуры и влажности воздуха мощность двигателя падает, и это должно соответствующим образом учи-» тываться при расчете полетов, требующих большой взлетной мощности двигателей.
Чтобы подвести базу под наши рассуждения, попытаемся объяснить причины изменения мощности в зависимости от температуры и влажности воздуха и показать способы приблизительной оценки величины этого изменения.
Изменение мощности двигателя связано главным образом с количеством кислорода, поступающего в двигатель. Мощность поршневого двигателя создается в результате сгорания топлива в цилиндрах двигателя. Этот процесс может протекать только за счет кислорода воздуха. Горючее, обычно в виде паров жидкости, может при необходимости подаваться в цилиндры в количествах значительно больших, чем требуется для нормального сгорания. В то же время максимальное количество воздуха, которое может быть подано в цилиндры, резко ограничено. При прочих равных условиях мощность двигателя в основном зависит от веса кислорода, содержащегося в воздухе, поступающем в цилиндры. Температура и влажность влияют на параметры воздуха, что сказывается на мощности двигателя.
Рассмотрим сначала влияние на мощность двигателя температуры воздуха. Снижение мощности в данном случае вызывается главным образом уменьшением плотности воздуха вследствие повышения его температуры. Известно, что с увеличением температуры плотность, или вес определенного объема газа, уменьшается пропорционально его абсолютной температуре. Когда температура воздуха на 10° F (^5° С) выше температуры по стандартной атмосфере на уровне моря, равной 59° F (15° С), плотность воздуха уменьшается примерно на 2%; соответственно уменьшается и вес кислорода, содержащегося в единице объема воздуха. В то'же время более теплый воздух гораздо легче проходит через карбюратор, всасывающие патрубки, клапаны и пр., в результате чего величина снижения мощности двигателя, вызванного уменьшением плотности воздуха при его нагревании, уменьшается вдвое.
Теоретические выводы, подтвержденные на испытательном стенде, показывают, что для данной высоты, данного числа оборотов и давления наддува повышение температуры входящего воздуха на 10° F влечет за собой снижение мощности приблизительно на 1%. Следовательно, у самолета DC-3 (С-47) с моторами PWR-1830-92, расчетная мощность которых равна 1200 л. с. каждого, при взлете с аэродрома, расположенного на уровне моря, при температуре воздуха 90°F (32° С) мощность двигателей снизится на 3% (36 л. с. на каждый двигатель).
При работе двигателя с наддувом при полностью открытом дросселе отмечается дополнительное влияние изменения температуры на мощность двигателя. С повышением температуры воздуха давление, которое могло бы быть создано в цилиндрах с помощью нагнетателя, уменьшается. Таким образом, максимальный наддув, который достигается при полностью открытом дросселе в жаркий день, будет ниже, чем наддув, получаемый при тех же условиях в обычный средний день. Общая же потеря мощности двигателя будет складываться из потери за счет уменьшения давления наддува и потери за счет изменения плотности воздуха.
Величина изменения мощности под влиянием повышения температуры воздуха при работе двигателя с полностью открытым дросселем зависит от характеристики нагнетателя, а также от атмосферного давления и давления наддува, поэтому она трудно поддается определению. Для двигателя PWR-1830-92, например, при работе на полном дросселе на высоте несколько более расчетной повышение температуры на 10° F вызывает уменьшение давления наддува приблизительно на 0,25 дюйма (6 мм) рт. ст. Поскольку изменение давления наддува для этого двигателя на 1 дюйм (25,4 мм) рт. ст. соответствует изменению его полезной мощности на 25 л. с, а 0,25 дюйма будет соответствовать примерно% л. с, то повышение температуры на 10°F при указанных выше условиях приведет к уменьшению полезной мощности двигателя примерно на 6 л. с. В процентном отношении эффективная мощность двигателя при работе с полностью открытым дросселем при повышении температуры на 10° F будет составлять 99% от (1200—6), или 1182 л. с; общая потеря мощности при этом будет равна 18 л. с, или 1,5%.
Прежде чем закончить рассмотрение вопроса о влиянии температуры воздуха на мощность двигателя, необходимо указать, что температура воздуха влияет также на температуру двигателя, которая в свою очередь оказывает влияние на мощность двигателя как и плотность воздуха. Однако количественное выражение этого влияния для каждого отдельного двигателя потребует более точных данных о температуре отдельных цилиндров, чем те данные, которые можно получить в эксплуатационных условиях. Но поскольку основные показатели мощности получены во время работы мотора при температурах, близких к предельным, то очевидно, что снижения мощности можно ожидать только при температурах, превышающих предельные значения.
Переходя к вопросу о влиянии влажности воздуха на мощность двигателя, необходимо прежде всего установить, что мы понимаем под влажностью. Обычная вода, содержащаяся в воздухе в виде дождевых капель или даже микроскопических частичек влаги,, образующих туман, не вызывает снижения мощности двигателя. Наоборот, вода в таком сконденсированном состоянии при определенных условиях может использоваться для борьбы с детонацией горючей смеси при больших давлениях наддува. Это так называемый «впрыск воды». Вода, которая нас интересует в связи с рассматриваемым вопросом, находится в воздухе в газообразном состоянии, т. е. в виде паров.
Количество водяных паров, которое может быть поглощено воздухом, изменяется в зависимости от температуры воздуха. При повышении температуры воздуха количество содержащихся в нем водяных паров может увеличиться; в любой момент времени содержание водяных паров в воздухе характеризуется следующими четырьмя величинами: удельной влажностью, относительной влажностью, точкой росы и упругостью пара. Удельная влажность указывает на количество граммов водяного пара, содержащееся в 1 кг влажного воздуха; измеряется она в г/кг.
Относительной влажностью называется отношение веса воды, содержащейся в единице объема воздуха, к весу того максимального количества воды, которое может содержаться в единице объема воздуха при данной температуре (выражается в%). Точкой росы называется температура, при которой воздух полностью насыщается содержащимися в нем водяными парами. Упругость водяного пара—это та часть атмосферного давления, которая создается за счет содержания в воздухе паров воды. Упругость пара измеряется в миллиметрах ртутного столба.
Значения удельной влажности и упругости пара используются обычно при инженерных расчетах, а относительная влажность и точка росы—главным образом для характеристики влажности воздуха,
Признавая значительность влияния влажности воздуха на мощность двигателя Комитет гражданской авиации постановил, что начиная с 1951 года в формулярах на все двигатели, предназначенные для установки на транспортных самолетах, необходимо указывать мощность на всех высотах с учетом поправки на относительную влажность, равную 80% при температурах, соответствующих данным стандартной атмосферы.
При повышении влажности воздуха происходит вытеснение сухого воздуха и кислорода негорючими парами воды, что приводит к снижению мощности двигателя. Кроме того, снижение мощности происходит в результате обогащения горючей смеси (горючее—сухой воздух) или, точнее, в результате увеличения соотношения «горючее— кислород» в смеси, а также в результате влияния паров воды на интенсивность горения смеси. Влияние обогащения смеси на мощность зависит от характеристик данного типа двигателя, и поэтому его точное количественное определение не является простым делом.
Суммарное влияние явлений вытеснения кислорода и снижения интенсивности горения смеси при повышении влажности воздуха на мощность двигателя можно приблизительно оценить, введя поправочный коэффициент влажности (в%), который получается из квадрата температуры точки росы (в градусах Фаренгейта), деленного на 1000. Эта практическая формула применима для температур точки росы не свыше 80° F (~~27° С). Для более высоких температур при вычислении коэффициента влажности следует вводить поправку, равную 3% на каждые 10° F сверх 80° F (~27°С).. Например, для температуры точки росы 40° F (~4,5° С) приблизительный коэффициент влажности будет равен 402 : 1000=1,6%. Для температуры точки росы, равной 90° F, коэффициент влажности вычис-" ляется следующим образом:
Как указано выше, эта формула не учитывает влияния обогащения смеси на мощность двигателя, поскольку это обогащение можно зачастую отнести за счет намеренного обогащения горючей смеси при работе двигателя на больших мощностях с целью его охлаждения. Горючая смесь, подаваемая в двигатель при взлете, богаче наивыгоднейшей смеси, при которой двигатель дает наибольшую мощность; падение мощности происходит в результате дальнейшего обогащения смеси, вызываемого вытеснением сухого воздуха парами воды.
Поскольку этот эффект зависит от характеристик двигателя, характеристик карбюратора и величины относительной влажности, трудно вывести общую формулу для его количественной оценки. Можно только сказать, что снижение мощности двигателя, получаемое за счет обогащения смеси, имеет второстепенное значение по сравнению с тем снижением, которое происходит вследствие влияния первых двух факторов. Кроме того, влиянием обогащения смеси можно пренебречь в двигателях, работающих с «впрыском воды», в которых горючая смесь доводится до оптимального состава с целью получения максимальной мощности.
Вообще говотэя, поправка на влажность для данной точки росы с высотой увеличивается очень незначительно: при увеличении высоты на 1200 м она равна приблизительно 1%. Такая величина изменения мощности двигателя не играет существенной роли, и ею можно пренебречь. Чтобы подытожить все сказанное, подсчитаем эффективную мощность двигателя PWR-1830 во время взлета с полностью открытым дросселем с аэродрома, расположенного на высоте 1200 м над уровнем моря, при температуре воздуха 85° F (^30° С), превышающей стандартную на 40° F, и при точке росы 70°F (~21° С) (соответствующей относительной влажности 80%).
А. Влияние температур
1. Эффект плотности: 1% на 10°F=4,0%, или 48 л. с.
2. Эффект полностью открытого дросселя:
0,25 дюйма рт. ст. на каждые 10°F=1,0 дюйма рт. ст., или 35 л. с. Б. Влажность.
3. Эффект вытеснения кислорода и снижения интенсивности горения: 702 : 1000=4,9%, или 59 л. с.
4. Эффект обогащения смеси (принимаем 50% мощности от полученной в пункте 3) ^-30 л. с.
Общее снижение мощности двигателя=162 л. с.
Эффективная мощность двигателя, вычисленная для данных условий, составляет: 1200—162=1038 л. с.