Każdy kto rozpoczyna zabawę z napędami EDF wcześniej czy później zaczyna się zastanawiać jak kształt i długość tunelu wylotowego wpływa na osiągi modelu. Tu i ówdzie można znaleźć różne przemyślenia modelarzy, ale czy są to tylko wrażenia, czy też bazują na obiektywnych testach? Jakiś czas temu toczyłem dyskusję na ten temat z kolegą mocno zainteresowanym napędami EDF i to skłoniło mnie do przeprowadzenia systematycznego eksperymentu, który pozwoliłby wyciągnąć wnioski na podstawie rzeczywistych pomiarów.
Zanim przystąpiłem do prób, postanowiłem sprawdzić w miarę możliwości, jak to wygląda od strony teoretycznej, szczególnie odnośnie średnicy otworu wylotowego, bo na ten temat toczyły się „najtrudniejsze” dyskusje. Zleciłem zbadanie tematu studentowi Wydziału MEL PW i przyznam, że odpowiedź jaką dostałem trochę mnie zaskoczyła - nie pasowała do tego co mi podpowiadała intuicja. Omawianym zjawiskiem fizycznym zajmuje się mechanika płynów a w jej ramach - w zakresie otworu wylotowego tunelu „teoria dyszy”. Ta ciekawa, aczkolwiek trudna dziedzina wiedzy, pozwala np. wyjaśnić, czy powstanie małego otworu w kadłubie ciśnieniowym samolotu na dużej wysokości może doprowadzić do rozerwania poszycia. Nie będę zanudzał czytelników wzorami (zresztą sam tez nie chciałem być zanudzony), ale informacje które uzyskałem mówiły ku mojemu zaskoczeniu o tym, że (uwaga!) mniejszy otwór wylotowy tunelu daje większy ciąg statyczny. Aczkolwiek pod pewnymi warunkami - m.i. przy założeniu, że mamy do czynienia z ośrodkiem nieściśliwym. Nikogo nie trzeba przekonywać, ze akurat powietrze do takich ośrodków nie należy, jak to więc będzie w rzeczywistości?
Eksperyment polegał na zwiększaniu obrotów turbiny i pomiarze ciągu statycznego oraz towarzyszącej temu ciągowi mocy pobieranej, przy umieszczeniu za napędem różnych tuneli. Oczywiście dane należy traktować jako orientacyjne, bo ani metodologia ani użyte przyrządy (waga kuchenna i miernik modelarski) nie pozwalają określić tej próby jako naukowej.
Jako turbiny użyłem mojego ulubionego napędu EDF55 opisanego tutaj założonego na trochę zmodyfikowaną (dodane łożyska) przystawkę pomiarową opisaną tutaj.
Do pomiarów elektrycznych służył mi modelarski wattmetr, aczkolwiek odczytywałem z niego napięcie i pobierany prąd, bo moc przeliczana przez sam przyrząd wyświetla się co kilka sekund na zmianę ze zużytą energią. Kolejne serie pomiarów były wykonywane dla różnych kombinacji tuneli mocowanych na wylocie turbiny.
Najpierw z pianki EPP wyciąłem drutem oporowym elementy, z których skleiłem segmenty tunelu. Wymiary i oznaczenia na które będę się powoływał dalej są podane na rysunku. Przewidziałem dwa odcinki o stałej wewnętrznej średnicy oraz dwa „lejkowe” o różnych średnicach wylotowych. Kombinacja tych segmentów miała z założenia dać odpowiedź na dwa pytania:
- jak długość tunelu wylotowego wpływa na ciąg statyczny?
- jak średnica otworu wylotowego wpływa na ciąg statyczny?
Pomiarem referencyjnym był pomiar turbiny bez założonego tunelu. Następnie taśmą klejącą dwustronną zamocowałem segment nr 1 do napędu i przeprowadziłem drugi test.
Kolejne trzy pomiary odbyły się po zamocowaniu taśmą klejącą do segmentu nr 1 kolejnych segmentów: nr 2, nr 3 i nr 4 odpowiednio.
Dla poszczególnych kombinacji segmentów zostały przeprowadzone 4 pomiary przy założonym poziomie prądu – około 6A, 9A, 12A, 15A. Dane zostały zebrane w poniższej tabeli:
Na tej podstawie można było zrobić wykresy ciągu statycznego w zależności od dostarczonej mocy dla różnej długości tunelu i różnych średnic otworu wylotowego.
Co wynika z tego wykresu? Myślę, ze jeśli ktoś miał jakiekolwiek wątpliwości jakie będą zależności, to teraz wszystko powinno być jasne. Podstawowy wniosek jest taki, że im dłuższy i węższy tunel, tym większy spadek ciągu statycznego w stosunku do turbiny bez tunelu. I to wydaje się zgodne z intuicją, w rzeczywistych warunkach muszą wystąpić straty związane z przetłaczaniem przez tunel ściśliwego czynnika.
Ale drugi wniosek jest o wiele bardziej ciekawy. Jeśli porównamy wykres (1+2) z wykresem (1+3) - niebieska i pomarańczowa linia odpowiednio - to widać wyraźnie jak działa teoria dyszy. Wprawdzie przy niskim przepływie ciąg dla tunelu o większej średnicy wylotowej jest większy, ale dla dużego przepływu sytuacja się odwraca, węższa dysza wylotowa daje większy ciąg statyczny! A więc jeśli z przyczyn konstrukcyjnych w modelu jest długi tunel za turbiną, a model lata przy dużych obrotach, to odpowiednio dobrane zwężenie dyszy zapewni większy ciąg statyczny przy dużym przepływie. Przy okazji uzyskujemy większą prędkość strumienia wylotowego co również przełoży się na osiągi w locie. To oczywiście nie zmienia faktu, że oba te warianty dają ciąg mniejszy niż przy montażu turbiny bez tunelu.
Warto jeszcze zerknąć na wykres stosunku ciągu do mocy, parametr g/W (gram na Watt) lepiej uświadamia sprawność turbiny w zależności od konfiguracji tunelu.
Przyznam, że dla mnie ten eksperyment był fascynującą lekcją fizyki. Jeśli chodzi o złożoność zjawisk z jakimi stykamy się przy okazji napędów EDF to tylko „wierzchołek góry lodowej”. W praktyce wiele innych czynników wpływa na efektywność takich napędów w locie, sam ciąg statyczny nie jest decydującym elementem, ale zrozumienie zależności opisanych w tym artykule na pewno pozwoli lepiej wykorzystywać turbiny w modelach typu „jet”.