Měření dmychadla pro Žabáka


Tento článek o měření dmychadla pro „Žabáka“ (Su-25) vyšel v původní podobě v časopisu RC Modely 4/2020.

Níže předkládám trochu upravenou verzi. Na fotce je můj měřicí koutek – včetně plyšového inspektora z dohledacího úřadu 🙂 .

Súčko je už několik měsíců má noční můra, vždycky si vymyslím nějakou „blbost“, do které se „zamiluji“ a nedokáži ji zahodit. Tenkrát, před 3 měsíci, to byly komplikované vzduchové kanály. Zajímalo mě proto, kolik tahu dmychadla „sežerou“.

Dmychadlo je z Hobbykingu (i když ho vlastně vyráběl RC Lander), s kovovým pláštěm, plastovým rotorem s 5 lopatkami a motorem s kv 4800. Je určené pro napájení tříčlánkem Lipol, odběr do 18A a tah slibují neuvěřitelných 450 g.


Nejprve trochu teorie. Na obrázku jsou rychlostní poměry v dmychadle. Lopatky dmychadla jsou vlastně „křídla“. Rychlost, se kterou lopatka pracuje, je složená z obvodové rychlosti (řekněme otáček) a axiální rychlosti, tj. rychlosti, jakou dmychadlem protéká vzduch. Vztlak na lopatkách, tj. tlak, jaký dmychadlo vytváří, závisí na úhlu náběhu. Je zřejmé, že čím je rychlost protékání vzduchu dmychadlem větší, tím je (při stejných otáčkách) menší úhel náběhu, menší vztlak a menší spotřeba výkonu. A naopak, když musí dmychadlo generovat velký tlak, musí mít lopatky velký vztlak, tj. velký úhel náběhu. Velký úhel náběhu znamená velkou spotřebu energie a menší rychlost průtoku vzduchu dmychadlem.

Tlak generovaný dmychadlem se použije jednak na překonání tlakových ztrát v kanálech a zbytek se přemění na tah. Čím delší a složitější kanály, tím méně tahu a obráceně. Proto lze očekávat, že bez kanálů by mělo mít dmychadlo největší tah, který se každou přidanou sekcí kanálů bude jen zmenšovat.


Jak už jsem popisoval pro Fury, vyrobil jsem si stojánek z kousku dřevotřísky a čtyř tyček s nalepenými zarážkami. Vzdálenost mezi deskou a sáním dmychadla by měla být alespoň dvojnásobkem průměru dmychadla. Celek se postaví na digitální kuchyňskou váhu a tak se měří tah (budu ho zde uvádět v gramech, je to názornější).

Motor je napájený přes wattmetr, takže tahu lze přiřadit i napětí a proud odebíraný z baterie.

Posledním měřicím přístrojem je mobilní telefon nebo tablet s aplikací Spectroid, která ukazuje frekvenční spektrum zvuku, ze kterého lze vyčíst otáčky. Zjišťování tahu v závislosti na otáčkách má tu výhodu, že se odstraní vliv motoru a regulátoru, který není nezanedbatelný, jak ukážu dále.

Po samotné dmychadlo jsem naměřil maximální tah asi 330 g. Na tomto čísle jsem založil svou rozvahu při návrhu modelu. Odhadl jsem, že ztráta bude 20%, takže statický tah bude asi 250 g, model by neměl mít vzletovou hmotnost větší než asi 350 g.


Výrobu kanálů jsem popsal v článku o „Žabákovi“.

Pro měření celé sestavy jsem nahradil uhlíkové tyčky smrkovými lištami (viz obrázek v titulku) a dále už se jen divil – změřený tah byl 370 g! To jest vyšší než pro samotné dmychadlo. Něco bylo blbě, ale protože měřená data byla konzistentní, musel jsem změnit teorii.


Nepátral jsem dlouho. Vstupy do kanálů jsem pro měření opatřil takovýmito hrubými nátokovými kroužky. Tak jsem je utrhl a zpátky na měřicí stend. A hned bylo jasno 🙂 .


Poslední sadu měření jsem udělal jen pro výstupní kanály.

Získal jsem tak 4 sady dat:
a) pro úplné kanály včetně nátokových kroužků
b) pro úplné kanály bez nátokových kroužků
c) pro jen výstupní kanály
d) pro holé dmychadlo

Následovalo zpracování výsledků do podoby tabulek a grafů.

Například při 40000 otáčkách za minutu má samotné dmychadlo tah 215 g a spotřebovává 104 W. Když přidám výstupní rouru, klesne tah při stejných otáčkách na 202 g a spotřeba stoupne na 108 W.

Dále přidám vstupní kanály (s ostrou hranou, bez nátokových kroužků). Tah je o málo větší (218 W) než pro samotné dmychadlo, ačkoliv jsem kanály přidal. Spotřeba však stoupla o 25% na 128 W.

Vliv vhodně upraveného vstupu potom ukazuje porovnání úplných kanálů s kanály bez vstupních kroužků. I když má nátokový kroužek jen zhruba seříznutý úkos (asi 1.5 mm) jsou rozdíly ohromující – tah 249 g s kroužky oproti 218 bez kroužků a spotřeba klesla na 125 W s kroužky oproti 128 W bez kroužků. Znovu připomínám, že vše platí pro konstantní otáčky dmychadla.


Vysvětlení (alespoň mé) je na obrázcích. (A) odpovídá samotnému dmychadlu. I když má dmychadlo náznak nátokového kroužku, ten není dostatečný. Za ostrou nátokovou hranou vzniká „kapsa“, v niž se točí vír, a konce lopatek tak nepřispívají k tahu. Tento jen byl už v 17. století pojmenován „zúžená céva“ (vena contracta) a využívá se ho třeba při měření průtoku clonami. Když se přidá sací potrubí (B) s ostrou hranou, dojde sice k zúžení průřezu, ale prouděním v kanálu se vzduch „umravní“ a k rotoru přichází rovnoměrně. Nátokový kroužek (C) potom odstraní zúžení proudu na vstupu.

A je jasno 🙂 .

  • Když přidám k samotnému dmychadlu výstupní rouru, musí dmychadlo překonávat tlakovou ztrátu roury, takže tah se zmenší. Zároveň lopatky pracují s větším úhlem náběhu, takže dmychadlo víc žere. Přitom v obou těchto případech pracují lopatky v zúženém místě, takže se dmychadlo chová, jakoby mělo menší průměr.
  • Když přidám vstupní rouru, přichází už proudění k rotoru rovnoměrně, na druhé straně tlaková ztráta je veliká. Protože zabírají i špičky lopatek, tah oproti předchozímu případu vzrostl, ale vzduchu dmychadlem prochází méně, což se odrazí na nárůstu spotřeby.
  • Se vstupními kroužky k rotoru přichází hodně „umravněného“ vzduchu, tah je největší a spotřeba klesla.

Z druhého grafu je vidět, že křivky tah-výkon pro samotné dmychadlo a dmychadlo v úplných kanálech mají téměř stejný průběh. Dá se tak říci, že energetická ztráta v kanálech se právě vyrovnává se ztrátou na špičkách lopatek. Ze srovnání otáček je vidět, že při stejném tahu (a příkonu) se musí samotné dmychadlo točit rychleji, což opět dobře odpovídá výše vysvětlenému.

V chytrých knihách se píše, že o výkonnosti dmychadlových pohonů rozhodují vzduchové kanály, ne rotory. Mají pravdu. EDF není turbína, nýbrž schovaná vrtule, a záleží na tom, kolik vzduchu a v jaké podobě k ní kanály pustí. Domnívám se, že i toto zkoumané dmychadlo oněch slibovaných 450 g tahu dá, ovšem ne v podobě, v jaké se prodává, potřebuje nátokový kroužek. Potom ovšem kanály ubírají asi 20% tahu (370 ze 450 je asi 80%), což dobře odpovídá zkušenosti.

Na diskusních fórech zase varují, že statický tah není vše, když model letí, tak jsou poměry ve vzduchových kanálech i dmychadle jiné než na zemi. To je pravda, ale jen částečná, o tom ale zase až někdy jindy.

Jsem uspokojený, model poletí a měl by mít i přebytek výkonu, proto jsem si mohl dovolit i experiment s odhozem bomb 🙂 . I když bude model vážit více než 350 g, bude mít tahu dost na náklad i vertikální obraty 🙂 .

Na závěr ještě jeden poznatek získaný jaksi mimochodem. Při měření jsem si všiml značných (asi 30%) rozdílů v příkonech při napájení pohonu ze dvojčlánku a tříčlánku. Dmychadlo točí stejné otáčky, tudíž rozdíl v příkonech musí jít na vrub motoru a zejména regulátoru.

V regulátoru jsou dvě sady tranzistorů. Jedna sada dělá ze stejnosměrného proudu střídavý. Druhá sada reguluje otáčky tím, že střídavý proud do vinutí chvilku pouští a chvilku ne (pulzně šířková modulace – PWM). Když je motor napájený ze dvoučlánku a běží na plný plyn, ta druhá sada tranzistorů zůstává otevřená, nic nekouskuje. Když připojím tříčlánek, je napětí větší a pro stejné otáčky je třeba modulovat. Při tom se ale tranzistory zahřívají. Zdá se mi tedy lepší létat stylem plný plyn – kluz než na půl plynu (pokud to model umožní). Mig i Fury kloužou výborně (umí i termiku 🙂 ), takže to praktikuji a opravdu bývají po letu regulátory studené, i když jsou pod kryty. Naopak F-105 bez motoru neletí a proto se hřeje. Další možností je použít rovnou menší počet článků.

Honza
30.4.2020

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Přidejte obrázek (JPEG only)