Посвящается моим родителям, которые не мешали мне заниматься авиамоделизмом, моим первому учителю – Доктору исторических наук профессору Т.С Драмбяну. Светлая память о них, да будет ВЕЧНОЙ.

Вместо эпиграфа:

В конференц зале МВТУ мне посчастливилось задать вопрос С.П.Королёву:

«Как Вы относитесь к авиамоделизму?»

Королев сказал: «Авиамоделизм это наука, с которой начинается

большая авиация.»

Приехав в Харьков я расказал эту историю Б.Р.Бельману, на что он ответил:

«Жалко, что ты не записал на магнитофон, а я тебе так скажу – любите

моделизм в себе, а не себя в моделизме»

Ч Т О Я У З Н А Л

О

РЕЗОНАНСНЫХ ГЛУШИТЕЛЯХ

Харьков – Ереван – Ростов-на-Дону – Беер-Шева

1968 - 2008

«РЕЗОНАНСНАЯ ТРУБА»? ИЛИ «ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ НАСОС»?

1. История

В моделистской практике впервые выхлопную систему для увеличения мощности (результативности) двигателя применили известные американские авиамоделисты Б.Вишневский А.Нельсон и Р.Теобальд. Заняв на чемпионате мира 1968 г. в Хельсинки первые три места они «прорубили окно» всем моделистам (конструкторам модельных двигателей) в мир многоканальной петлевой продувки (продувка Шнюрле) с системой настроенного выхлопа - значительно повышающей мощность ДВС.

В журнале «Крылья Родины» был опубликован перевод статьи Б.Вишневского о настроенной выхлопной системе. Моделисты быстро освоили приимущества несущие резонансным глушителем. Произошел значительный скачек результатов в скоростных дисциплинах у авиамоделистов, автомоделистов и судомоделистов. За 1-2 года были обновлены все рекорды скоростей. Резонансные глушители или как их называют «трубы» стали использоваться на всех типах моделей оснащенных калильными двигателями. В дальнейшем в некоторых классах это было запрещено (свободно летающие таймерные модели F1-С). Дизельные двигатели применялись очень ограничено, во всяком случае спортсмены эксплуатировали их только на гоночных авиамоделях класса F2-С. Стендовые испытания с резонансной трубой показывали значительный прирост мощности дизельного двигателя, но выявилась проблема низких динамических показателей системы, т.е. для входа в номинальный режим работы нужна были раскрутка двигателя (подгонка как у скоростников или каробка скоростей как у мотоциклистов). Проблема была решена конструктивно моделистами Г.Шахазизяном и И.Асланяном в 1969 г. Была построена модель с модернизированным двигателем “Super TIGER”15D и системой автоматического подключения трубы при наборе приемлемой скорости. Система показала свою работоспособность, были удачные выступления в соревнованиях, но дальнейшего развития не получила по причине отсутствия необходимой материально-технической базы и смене увлечений.

2. Что было известно?

Кроме формул и схем Б.Вишневского другой информации к 1973 г.не было. Поставив себе задачу разобраться в этом вопросе, я раздобыл несколько малокубатурных двухтактных двигателей: Super Tiger X15 (2,5 см³); OPS 30 (5,0 см³); Webra 61 (10 см³) и Японский бензиновый двигатель от чаеуборочной машины объемом 22,5 см³. Оборудование для заме-ров частоты вращения (цифровой тахометр с индуктивным датчиком, водяной манометри-ческий стенд с 12 датчиками. Изготовил универсальный стенд для определения крутящего момента ДВС по описанию в книге Гаевсеого «Авиамодельные двигатели» немного модернизировав его. Предстояла трудоемкая работа по изготовлению достаточно большого количества резонансных труб для каждого двигателя. Помог случай. На заводе, куда я устроился на работу инженером в ОКБ, оказался замечательный коллектив «болельщиков» включая директора Героя Соцтруда В.Д.Загребаева, начальника ОКБ А.А.Серкина, начальника экспериментального цеха Паудкина, руководителя судомодельного клуба при заводе – Заслуженного тренера России А.К.Шепилова и многих других. Ознакомившись с производством и технологиями (новыми для меня), разительно отличающимися от технологий машиностроительных и авиационных заводов, пришел к выводу - резонансные трубы изготовить здесь «дело пустяковое», если будет поддержка руководства. Меня познакомили со стеклодувом-вертуозом А.Жуковым. Его работы выставлялись на выставках и дарились главам государств, из стекляной трубки он мог сваять чудо. Для работы выбрали «вольфрамовое стекло» с очень низким коэффициентом термического расширения, низкой теплопроводностью и достаточно высокими механическими показателями. Основная трудоемкость легла на изготовление шаблонов-лекал из графитовых пластин. 24 комплекта труб (72 детали) Жуков изготовил за несколько часов.

- 2 -

Высокотемпературные герметизирующие материалы и другие приспособления были готовы. Оборудовав в бомбоубежище одного из цехов лабараторию я приступил к работе.

План был таким: а) установить влияние геометрии трубы на частоту вращения мотора;

б) влияние геометрии трубы на крутящий момент двигателя;

в) влияние на расход топлива;

г) факторы влияющие на повышение мощности модельного двигателя;

д) изучение внутренних процесов и их количественные показатели.

Универсальная система работающая по принципу разноплечего рычага позволяла быстро переналаживать геометрию трубы для каждого двигателя и во время эксперимента плавно менять длину трубы без изменения объема или объем без изменения длины, или оба параметра одновременно при этом контролируя величины. По шесть резонансных труб для одного двигателя, каждая из которых состояла из трех частей имели три варианта диаметров составных элементов. Это дало возможность «конструировать» множество геометрий для каждого двигателя и при этом плавно менять соотношения некоторых параметров труб.

За основу была взята геометрия трубы Вишневского применительно к каждому двигателю и модификации в большую и в меньшую сторону геометрических параметров. Что получилось видно на рис.1. Труба же Вишневского выглядела так:

L =P*a / 2f; где

P=(Ф_вых - h⁰)/ 360; h⁰=(Ф_вых - Ф_пер )/ 2;

а =558800 мм/с; f = n _рез / 60 с ^-1;

D – приведенный внутренний диаметр входного отверстия трубы равный по площади 1,3 площади выхлопного окна двигателя; d-выпускное отверстие по площади меньше входного в 2,3-2,5 раза; a- скорость звука в среде выхлопных газов; Ф_вых - фаза выхлопа в градусах; Ф_пер - фаза перепуска в градусах; f - частота вращения вала в режиме резонанса в об/с. Изготовлена труба Вишневским из твердого алюминиевого сплава на токарном станке, из двух половин. Соединение по максимальному диаметру - резьбовое. Толщина стенок около 0,8 мм. Окрашена черной жаростойкой краской.

Штатные трубы к итальянским двигателям Super Tiger X15 и “Kosmik” имели несколько другие соотношения, но за основу выбрал Вишневского, т.к. с его трубой (в моём исполнении) и Super Tiger X15 и “Kosmik” работали заметно лучше. Рисунки соответствуют

( по масштабу длины) трубам для всех типов двигателей.

Принцип построения геометрии следующий: испытывался без трубы на стенде двигатель, снимались характеристи, затем расчитывалась труба по методике Вишневского. Затем вы-черчивались еще пять вариантов, с макси-мальным диаметром на 10% и 20% меньше – 2 трубы и, еще 3 трубы диаметром на 10%, 20%, 30% больше.

Рис.1 Три из шести вариантов стекляных труб

- 3 –

Замечу, что так «смело» приступил к «массовым» экспериментам после того как испытал Super Tiger X15 с самодельной дюралюминиевой трубой, затем с первой раздвижной стекляной трубой, настроенной на размеры металлической. Вначале возникли отклонения в результатах. Все оказалось «просто». После окраски дюралевой трубы (термоизоляции) результаты значительно приблизились, хотя идентичные показатели двигатель выдавал при удлинении стекляной трубы на 5-8 мм. Есть первый результат! Влияние температуры выхлопных газов очевидно! Принесли стенд для теплового контроля с записывающим устройством на 5 одновременных замеров. Точность стенда (по сертификату Госстандарта) была 0,5⁰С. Затем в части стекляной трубы впаяли тонкие сдвоенные трубки для замера статического и динамического давления: одна с торцом «по потоку» вторая перпендикулярно потока. Позже впаянные трубки заменил на «мобильные», вводимые в нужную точку через выпускное отверстие со специальной оправкой, которая не уменьшала рабочее сечение выпускного патрубка. Как показала дальнейшая работа, регистрация давления без синхрони- зации малоэффективно, все сводится к костатации среднего давления.

Трубы испытывались последовательно по одной и той же методике:

1. Достижение максимальной мощности.

2. Максимальный крутящий момент с трубой при скорости вращения вала соответствующего оптимальным оборотам двигателя без трубы.

3. Расход топлива с трубой при мощности на валу соответствующей максимальной мощности двигателя без трубы.

4. Повышение мощности стандартных двигателей путем постепенной модернизации:

а) изменения объемов камеры сгорания;

б) изменение геометрии футерки карбюратора;

в) изменение высоты выхлопных каналов (по 4 пары АВС);

г) изменение высоты перепускных каналов (еще по 4 пары АВС).

Н а рисунке 1 входное отверстие трубы равно выпускному. Это сделано для изучения влияния диаметра и длины выпускного патрубка. В выпускное отверстие всавлялись насадки с различными отверстиями по диаметру и профилю (с конусами, кривыми Лаваля, блендами и т.д.). На рисунке 2 изображена моя последняя стекляная труба к двигателю Webra 91 с

Рис. 2 Профиль высокоэффективной резонансной трубы без дополнительного глушителя шума с условной терминологией

целью пояснения терминологии. Между первыми опытами и изготовлением этой трубы срок более 3-х лет. В дальнейшем я успешно эксплуатировал двигатель с такой же, но алюминиевой трубой на судомодели класса FSR-15. Труба была настолько хороша, что двигатели (2 штуки) больше одной получасовой гонки не выдерживали. Приходилось менять шатуны и коренные подшипники. Поломались два вала. Это еще раз доказывает то, что высокофорсированный двигатель с трубой должен проектироваться как единное целое с учетом всех особенностей.

На рисунке 3 показаны принципы управления трубами во время испытаний. Как видно из рисунка конструкция довольно простая. Каждый типоразмер трубы имел свой рычаг и свою шкалу для определения геометрических параметров.

При первых опытах я собрал систему с механизмом пантографа, но потом от этого отказался

- 4 -

Рис. 3 Принципиальная схема систем изменения

геометрических параметров труб на стенде.

из-за сложности переналадки. Простые рычажные механизмы работают корректно при достаточном удалении управляющего рычага, т.е. когда длины шатунов плеч “b” и “c” одного порядка.

Э ксперименты продолжались ежедневно по 2-3 часа. Сохранился журнал испытаний, где фигурирует более 3000 запусков двигателей, десятки составов топлива, объемы камер сгорания, температура окружающей среды и т.д. По ходу экспериментов приходилось решать массу технических проблем, например, для всех испытаний на предельную мощность пришлось отказаться от телескопического соединения входного патрубка и диффузора, так как в месте перехода диаметров (во всех трубах разница между внутренним диаметром и охватывающим диаметром равнялась 3 + 0,2 мм) наблюдался скочек давления, а отсюда и энергетические потери. Были случаи разрыва диффузора. Поэтому расчетную геометрию диффузора изготавливали как одну деталь, а в последних опытах - с плавной геометрией.

Рис. 4 Два варианта геометрий цельного диффузора

Другая неприятность была – вибрация при определенных оборотах как следствие избирательной динамической балансиовки кривошипно-шатунной системы одноцилиндро-вых ДВС. Проблема решалась двумя способами, индивидуальной перебалансировкой вала с помощью цилиндрических заглушек из материалов с различным удельным весом, а на 10 и