Сегодня начинаем серию статей о конкретных типах авиационных двигателей. Первый движок, который удостоится нашего внимания – это поршневой авиационный двигатель.
Он имеет полное право быть первым, потому что он – ровесник современной авиации. Один из первых самолетов, поднявшихся в воздух был Флайер-1 братьев Райт (я думаю вы читали об этом здесь :-)).
И на нем стоял поршневой двигатель авторской разработки, работавший на бензине.
Долгое время этот тип движка оставался единственным, и только в 40-е годы 20-го века началось внедрение двигателя совсем иного принципа действия. Это был турбореактивный двигатель. Из-за чего это произошло читайте тут.
Однако поршневой движок, хоть и утратил свои позиции, но со сцены не сошел, и теперь в связи с достаточно интенсивным развитием так называемой малой авиации (или же авиации общего назначения) он просто получил второе рождение.
Что же из себя представляет авиационный поршневой двигатель?
Работа двигателя внутреннего сгорания (тот же рядный поршневой двигатель).
Как всегда :-)… В принципиальном плане ничего сложного (ТРД значительно сложнее :-)). По сути дела – это обычный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), такой же, как на наших с вами автомобилях. Кто забыл, что такое ДВС, в двух словах напомню. Это, попросту говоря, полый цилиндр, в который вставлен цилиндр сплошной, меньший по высоте (это и есть поршень).
В пространство над поршнем в нужный момент подается смесь из топлива (обычно это бензин) и воздуха. Эта смесь воспламеняется от искры (от специальной электрической свечи) и сгорает. Добавлю, что воспламенение может происходить и без искры, в результате сжатия. Так работает всем известный дизельный двигатель.
В результате сгорания получаются газы высокого давления и температуры, которые давят на поршень и заставляют его двигаться. Вот это самое движение и есть суть всего вопроса. Далее оно передается через специальные механизмы в нужное нам место. Если это автомобиль, значит на его колеса, а если это самолет, то на его воздушный винт.
Таких цилиндров может быть несколько, точнее даже много :-). От 4-х до 24-х. Такое количество цилиндров обеспечивает достаточную мощность и устойчивость работы двигателя.
Еще одна схема работы одного ряда цилиндров.
Конечно авиационный поршневой двигатель только принципиально похож на обычный ДВС. На самом деле здесь обязательно присутствует авиационная специфика.
Двигатель самолета выполнен из более совершенных и качественных материалов, более надежен. При той же массе, он значительно мощнее автомобильного.
Обычно может работать в перевернутом положении, ведь для самолета (особенно истребителя или спортивного) пилотаж – обычное дело, а автомобилю это, естественно, не нужно.
Двигатель М-17, поршневой, рядный, V-образный. Устанавливался на самолеты ТБ-3 (конец30-хгодов 20 в.)
Двигатель М-17 на крыле ТБ-3.
Поршневые двигатели могут различаться как по количеству цилиндров, так и по их расположению. Бывают рядные двигатели (цилиндры в ряд) и радиальные (звездообразные). Рядные двигатели могут быть однорядные, двухрядные, V-образные и т.д. В звездообразных цилиндры расположены по окружности (в виде звезды) и бывает их обычно от пяти до девяти (в ряду).
Эти двигатели, кстати, тоже могут быть многорядными, когда цилиндры блоками стоят друг за другом. Рядные двигатели обычно имеют жидкостное охлаждение (как в автомашине :-), они и по виду больше похожи на автомобильные), а радиальные – воздушное. Они обдуваются набегающим потоком воздуха и цилиндры, как правило, имеют ребра для лучшего теплосъема.
Двигатель АШ-82, радиальный, двухрядный. Устанавливался на самолеты ЛА-5, ПЕ-2.
Самолет ЛА-5 с двигателем АШ-82.
Авиационные поршневые двигатели часто имеют такую особенность, как высотность. То есть с увеличением высоты, когда плотность и давление воздуха падают, они могут работать без потери мощности. Подвод топливно-воздушной смеси может осуществляться двумя способами.
Здесь полная аналогия с автомашиной. Либо смесь готовится в специальном агрегате, называемом карбюратором и потом подается в цилиндры (карбюраторные двигатели), либо топливо непосредственно впрыскивается в каждый цилиндр в соответствии с количеством поступающего туда же воздуха.
На автомобилях такого типа двигатели часто обзывают «инжекторными».
Современный поршневой радиальный двигатель ROTEC R2800.
Более мощный R3600 (большее количество цилиндров).
В отличие от обычного автомобильного ДВС, для самолетного поршневого движка не нужны громоздкие (ну и, естественно, тяжелые :-)) передаточные механизмы от поршней к колесам. Все эти оси, мосты, шестерни. Для самолета ведь вес очень важен.
Здесь движение от поршня сразу через шатун передается на главный коленчатый вал, а на нем уже стоит вторая важная часть самолета с поршневым двигателем – воздушный винт. Винт – это, так сказать, самостоятельная (и очень важная) единица.
В нашем случае он является «движителем» самолета, и от его корректной работы зависит качество полета. Винт – это не часть двигателя, но работают они в тесном сотрудничестве :-).
Винт всегда подбирается или проектируется и рассчитывается под конкретный двигатель, либо же они создаются одновременно, так сказать комплектом :-).
Радиальный двигатель М-14П. Устанавливается на спортивные СУ-26, ЯК-55.
СУ-26 с двигателем М-14П.
Принцип работы винта – это достаточно серьезный ( и не менее интересный :-)) вопрос, поэтому я решил выделить его в отдельную статью, а сейчас пока вернемся к «железу».
Я уже говорил, что сейчас поршневой авиационный двигатель опять «набирает обороты». Правда состав авиации использующей эти двигатели теперь другой. Соответственно изменился и состав применяемых двигателей.
Тяжелые и громоздкие рядные движки практически отошли в прошлое. Современный поршневой двигатель (чаще всего) – радиальный с количеством цилиндров 7-9, с хорошей топливной автоматикой с электронным управлением.
Один из типичных представителей этого класса, например, двигатель ROTEC 2800 для легких самолетов, создан и производится в Австралии (между прочим выходцами из России :-)). Однако о рядных двигателях тоже не забывают. Таков, например, ROTAX-912.
Так же хорошо известен двигатель отечественного производства М-14П, который устанавливается на спортивные самолеты ЯК-55 и СУ-26.
Двигатель Rotax-912, рядный. Устанавливается на легкие спортивные самолеты Sports-Star Max
Спортивный самолет Sport-Star Max c двигателем Rotax-912.
Существует практика применения дизельных двигателей ( как разновидность поршневых) в авиации, еще со времен войны. Однако широко этот двигатель пока не применяется из-за существующих проблем в разработке, в частности в области надежности. Но работы все равно ведутся, особенно в свете грядущего дефицита нефтепродуктов.
Поршневой авиационный двигатель вообще еще рано списывать со счетов :-). Ведь, как известно, новое – это хорошо забытое старое… Время покажет…
Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики
Авиационные газотурбинные двигатели.
На сегодняшний день, авиация практически на 100% состоит из машин, которые используют газотурбинный тип силовой установки. Иначе говоря – газотурбинные двигатели. Однако, несмотря на всю возрастающую популярность авиаперелетов сейчас, мало кто знает каким образом работает тот жужжащий и свистящий контейнер, который висит под крылом того или иного авиалайнера.
Принцип работы газотурбинного двигателя
Газотурбинный двигатель, как и поршневой двигатель на любом автомобиле, относится к двигателям внутреннего сгорания. Они оба преобразуют химическую энергию топлива в тепловую, путем сжигания, а после — в полезную, механическую. Однако то, как это происходит, несколько отличается.
В обоих двигателях происходит 4 основных процесса – это: забор, сжатие, расширение, выхлоп. Т.е. в любом случае в двигатель сначала входит воздух (с атмосферы) и топливо (из баков), далее воздух сжимается и в него впрыскивается топливо, после чего смесь воспламеняется, из-за чего значительно расширяется, и в итоге выбрасывается в атмосферу.
Из всех этих действий выдает энергию лишь расширение, все остальные необходимы для обеспечения этого действия.
А теперь в чем разница. В газотурбинных двигателях все эти процессы происходят постоянно и одновременно, но в разных частях двигателя, а в поршневом – в одном месте, но в разный момент времени и по очереди.
К тому же, чем более сжат воздух, тем большую энергию можно получить при сгорании, а на сегодняшний день степень сжатия газотурбинных двигателей уже достигла 35-40:1, т.е.
в процессе прохода через двигатель воздух уменьшается в объеме, а соответственно увеличивает свое давление в 35-40 раз. Для сравнения в поршневых двигателях этот показатель не превышает 8-9:1, в самых современных и совершенных образцах.
Соответственно имея равный вес и размеры газотурбинный двигатель гораздо более мощный, да и коэффициент полезного действия у него выше. Именно этим и обусловлено такое широкое применения газотурбинных двигателей в авиации в наши дни.
А теперь подробней о конструкции. Четыре вышеперечисленных процесса происходят в двигателе, который изображен на упрощенной схеме под номерами:
- забор воздуха – 1 (воздухозаборник)
- сжатие – 2 (компрессор)
- смешивание и воспламенение – 3 (камера сгорания)
- выхлоп – 5 (выхлопное сопло)
- Загадочная секция под номером 4 называется турбиной. Это неотъемлемая часть любого газотурбинного двигателя, ее предназначение – получение энергии от газов, которые выходят после камеры сгорания на огромных скоростях, и находится она на одном валу с компрессором (2), который и приводит в действие.
Таким образом получается замкнутый цикл. Воздух входит в двигатель, сжимается, смешивается с горючим, воспламеняется, направляется на лопатки турбины, которые снимают до 80% мощности газов для вращения компрессора, все что осталось и обуславливает итоговую мощность двигателя, которая может быть использована разными способами.
В зависимости от способа дальнейшего использования этой энергии газотурбинные двигатели подразделяются на:
- турбореактивные
- турбовинтовые
- турбовентиляторные
- турбовальные
Двигатель, изображенный на схеме выше, является турбореактивным. Можно сказать «чистым» газотурбинным, ведь газы после прохождения турбины, которая вращает компрессор, выходят из двигателя через выхлопное сопло на огромной скорости и таким образом толкают самолет вперед. Такие двигатели сейчас используются в основном на высокоскоростных боевых самолетах.
Турбовинтовые двигатели отличаются от турбореактивных тем, что имеют дополнительную секцию турбины, которая еще называется турбиной низкого давления, состоящую из одного или нескольких рядов лопаток, которые отбирают оставшуюся после турбины компрессора энергию у газов и таким образом вращает воздушный винт, который может находится как спереди так и сзади двигателя. После второй секции турбины, отработанные газы выходят фактически уже самотеком, не имея практически никакой энергии, поэтому для их вывода используются просто выхлопные трубы. Подобные двигатели используются на низкоскоростных, маловысотных самолетах.
Турбовентиляторные двигатели имеют схожую схему с турбовинтовыми, только вторая секция турбины отбирает не всю энергию у выходящих газов, поэтому такие двигатели также имеют выхлопное сопло.
Но основное отличие состоит в том, что турбина низкого давления приводит в действия вентилятор, который закрыт в кожух.
Потому такой двигатель еще называется двуконтурным, ведь воздух проходит через внутренний контур (сам двигатель) и внешний, который необходим лишь для направления воздушной струи, которая толкает двигатель вперед. Потому они и имеют довольно «пухлую» форму.
Именно такие двигатели применяются на большинстве современных авиалайнеров, поскольку являются наиболее экономичными на скоростях, приближающихся к скорости звука и эффективными при полетах на высотах выше 7000-8000м и вплоть до 12000-13000м.
Турбовальные двигатели практически идентичны по конструкции с турбовинтовыми, за исключением того, что вал, который соединен с турбиной низкого давления, выходит из двигателя и может приводить в действие абсолютно что угодно.
Такие двигатели используются в вертолетах, где два-три двигателя приводят в действие единственный несущий винт и компенсирующий хвостовой пропеллер. Подобные силовые установки сейчас имеют даже танки – Т-80 и американский «Абрамс».
Газотурбинные двигатели имеют классификацию также по другим признакам:
- по типу входного устройства (регулируемое, нерегулируемое)
- по типу компрессора (осевой, центробежный, осецентробежный)
- по типу воздушно-газового тракта (прямоточный, петлевой)
- по типу турбин (число ступеней, число роторов и др.)
- по типу реактивного сопла (регулируемое, нерегулируемое) и др.
Турбореактивный двигатель с осевым компрессором получил широкое применение. При работающем двигателе идет непрерывный процесс. Воздух проходит через диффузор, притормаживается и попадает в компрессор. Затем он поступает в камеру сгорания.
В камеру через форсунки подается также топливо, смесь сжигается, продукты сгорания перемещаются через турбину. Продукты сгорания в лопатках турбины расширяются и приводят ее во вращение.
Далее газы из турбины с уменьшенным давлением поступают в реактивное сопло и с огромной скоростью вырываются наружу, создавая тягу. Максимальная температура имеет место и на воде камеры сгорания.
Компрессор и турбина расположены на одном валу. Для охлаждения продуктов сгорания подается холодный воздух.
В современных реактивных двигателях рабочая температура может превышать температуру плавления сплавов рабочих лопаток примерно на 1000 °С.
Система охлаждения деталей турбины и выбор жаропрочных и жаростойких деталей двигателя — одни из главных проблем при конструировании реактивных двигателей всех типов, в том числе и турбореактивных.
Особенностью турбореактивных двигателей с центробежным компрессором является конструкция компрессоров. Принцип работы подобных двигателей аналогичен двигателям с осевым компрессором.
Газотурбинный двигатель. Видео
Полезные статьи по теме.
Ещё узлы и агрегаты
Как работает двигатель самолета
Впервые самолет с турбореактивным двигателем (ТРД) поднялся в воздух в 1939 году. С тех пор устройство двигателей самолетов совершенствовалось, появились различные виды, но принцип работы у всех них примерно одинаковый. Чтобы понять, почему воздушное судно, имеющий столь большую массу, так легко поднимается в воздух, следует узнать, как работает двигатель самолета.
ТРД приводит в движение воздушное судно за счет реактивной тяги. В свою очередь, реактивная тяга является силой отдачи струи газа, которая вылетает из сопла. То есть получается, что турбореактивная установка толкает самолет и всех находящихся в салоне людей с помощью газовой струи. Реактивная струя, вылетая из сопла, отталкивается от воздуха и таким образом, приводит в движение воздушное судно.
Устройство турбовентиляторного двигателя
Конструкция
Устройство двигателя самолета достаточно сложное. Рабочая температура в таких установках достигает 1000 и более градусов. Соответственно, все детали, из которых двигатель состоит, изготавливаются из устойчивых к воздействию высоких температур и возгоранию материалов. Из-за сложности устройства существует целая область науки о ТРД.
ТРД состоит из нескольких основных элементов:
- вентилятор;
- компрессор;
- камера сгорания;
- турбина;
- сопло.
Перед турбиной установлен вентилятор. С его помощью воздух затягивается в установку извне. В таких установках используются вентиляторы с большим количеством лопастей определенной формы. Размер и форма лопастей обеспечивают максимально эффективную и быструю подачу воздуха в турбину.
Изготавливаются они из титана. Помимо основной функции (затягивания воздуха), вентилятор решает еще одну важную задачу: с его помощью осуществляется прокачка воздуха между элементами ТРД и его оболочкой.
За счет такой прокачки обеспечивается охлаждение системы и предотвращается разрушение камеры сгорания.
Возле вентилятора расположен компрессор высокой мощности. С его помощью воздух поступает в камеру сгорания под высоким давлением. В камере происходит смешивание воздуха с топливом. Образующаяся смесь поджигается.
После возгорания происходит нагрев смеси и всех расположенных рядом элементов установки. Камера сгорания чаще всего изготавливается из керамики. Это объясняется тем, что температура внутри камеры достигает 2000 градусов и более.
А керамика характеризуется устойчивостью к воздействию высоких температур. После возгорания смесь поступает в турбину.
Вид самолетного двигателя снаружи
Турбина представляет собой устройство, состоящее из большого количества лопаток. На лопатки оказывает давление поток смеси, приводя тем самым турбину в движение. Турбина вследствие такого вращения заставляет вращаться вал, на котором установлен вентилятор. Получается замкнутая система, которая для функционирования двигателя требует только подачи воздуха и наличия топлива.
Первый пассажирский самолет в мире
Далее смесь поступает в сопло. Это завершающий этап 1 цикла работы двигателя. Здесь формируется реактивная струя. Таков принцип работы двигателя самолета. Вентилятор нагнетает холодный воздух в сопло, предотвращая его разрушение от чрезмерно горячей смеси. Поток холодного воздуха не дает манжете сопла расплавиться.
В двигателях воздушных судов могут быть установлены различные сопла. Наиболее совершенными считаются подвижные. Подвижное сопло способно расширяться и сжиматься, а также регулировать угол, задавая правильное направление реактивной струе. Самолеты с такими двигателями характеризуются отличной маневренностью.
Виды двигателей
Двигатели для самолетов бывают различных типов:
- классические;
- турбовинтовые;
- турбовентиляторные;
- прямоточные.
Классические установки работают по принципу, описанному выше. Такие двигатели устанавливают на воздушных судах различной модификации. Турбовинтовые функционируют несколько иначе. В них газовая турбина не имеет механической связи с трансмиссией.
Эти установки приводят самолет в движение с помощью реактивной тяги лишь частично. Основную часть энергии горячей смеси данный вид установки использует для привода воздушного винта через редуктор. В такой установке вместо одной присутствует 2 турбины.
Одна из них приводит компрессор, а вторая – винт. В отличие от классических турбореактивных, винтовые установки более экономичны. Но они не позволяют самолетам развивать высокие скорости. Их устанавливают на малоскоростных воздушных судах.
ТРД позволяют развивать гораздо большую скорость во время полета.
Турбовентиляторные двигатели представляют собой комбинированные установки, сочетающие элементы турбореактивных и турбовинтовых двигателей. Они отличаются от классических большим размером лопастей вентилятора. И вентилятор, и винт функционируют на дозвуковых скоростях.
Скорость перемещения воздуха понижается за счет наличия специального обтекателя, в который помещен вентилятор. Такие двигатели более экономично расходуют топливо, чем классические. Кроме того, они характеризуются более высоким КПД.
Чаще всего их устанавливают на лайнерах и самолетах большой вместительности.
Размер двигателя самолета относительно человеческого роста
Прямоточные воздушно-реактивные установки не предполагают использование подвижных элементов. Воздух втягивается естественным путем благодаря обтекателю, установленному на входном отверстии. После поступления воздуха двигатель работает аналогично классическому.
Сколько крыльев у самолета и почему
Некоторые самолеты летают на турбовинтовых двигателях, устройство которых гораздо проще, чем устройство ТРД.
Поэтому у многих возникает вопрос: зачем использовать более сложные установки, если можно ограничиться винтовой? Ответ прост: ТРД превосходят винтовые двигатели по мощности. Они мощнее в десятки раз.
Соответственно, ТРД выдает гораздо большую тягу. Благодаря этому обеспечивается возможность поднимать в воздух большие самолеты и осуществлять перелеты на высокой скорости.
Системы управления авиационными двигателями
Для получения необходимой мощности двигателей, предотвращения перехода на опасные режимы и перебоев в работе, а также для регулировки основных параметров, определяющих работу силовых установок, существуют системы управления двигателями.
В систему управления входят рычаги (рукоятки, кнопки, переключатели и т. д.) управления, тросы, тяги, электропроводка или трубопроводы, качалки, кронштейны, стопоры и пр. Кинематические связи могут быть механическими, электрическими, гидравлическими и воздушными.
Жесткие тяги управления выполняются из стальных или дюралюминиевых труб различного диаметра. Для регулировки их длины на них имеются наконечники с резьбой. Длинные тяги поддерживаются несколькими роликовыми направляющими. Отдельные тяги соединяются шарнирно.
Широкое распространение в системах управления получили передачи с помощью тросов диаметром 2—4 мм.
Направление тросов и нужное расстояние между ними вдоль всей линии обеспечиваются роликами и направляющими из пластин текстолита.
Ролики имеют шарикоподшипники, с помощью которых они устанавливаются на кронштейнах. Для регулирования натяжения и разъема тросовых проводок имеются тандерные соединения.
Все тросы имеют соответствующую маркировку.
Иногда отдельные участки тросов соединяются при помощи вилок, коушей с болтом или пальцем.
На рис. 121 изображены схема управления турбовинтовыми двигателями и размещение рычагов управления на центральном пульте. Движение рычагов «от себя» — увеличение газа, «на себя» — уменьшение. Для устранения самопроизвольного сползания рычагов на пульте установлен фрикционный тормозной механизм.
Если двигатели расположены далеко от кабины экипажа (например, на хвостовой части фюзеляжа), применяются дистанционные системы управления — электрические и гидравлические. Особенно рациональны такие системы управления для одновременного управления всеми двигателями.
Пульты для размещения рычагов управления обычно представляют собой клепаную конструкцию со съемными или откидывающимися панелями для доступа к тыльным частям агрегатов, установленных на них. Пульты стремятся расположить так, чтобы любым рычагом мог управлять любой член экипажа — командир корабля, второй пилот, бортмеханик.
На больших пассажирских самолетах, на которых в состав экипажа, кроме пилотов, включаются бортовой инженер, механик и электрик, рычаги управления разделяются на несколько групп; в одну из них включаются рычаги, управление которыми осуществляется командиром корабля или вторым пилотом, в другую группу отнесены рычаги, которыми управляет бортовой инженер, в третью — электрик.
Рычаги, рукоятки, выключатели и прочие детали управления агрегатами силовых установок, включение которых может угрожать безопасности, снабжаются предохранительными устройствами, исключающими случайный перевод их в недопустимое положение.
Предохранители окрашиваются в красный цвет. Рычаги, которые перемещаются чаще других, располагаются «под рукой», т. е. в непосредственной близости к членам экипажа.
Рычаги управления двигателями тяжелых самолетов допускают как раздельное, так и совместное управление всеми двигателями.
Используемая литература: «Основы авиации» авторы: Г.А. Никитин, Е.А. Баканов
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ
Пароль на архив:privetstudent.com
Как работает авиационный двигатель — простым языком
✈Самолетный двигатель является его сердцем. Не зря в песне поется «А вместо сердца пламенный мотор». В нем внутри действительно пламя и огромные температуры. То что вы видите под крылом это не турбина, а именно авиационный двигатель, а турбина — это его составная часть.
⠀⠀
????Итак по порядку: Авиационный турбовентиляторный реактивный двигатель необходим для создания тяги, которая преодолеет сопротивление воздуха, сопротивление самолета и его частей. Разгонит самолет до скорости на которой вырастет подъемная сила, способная оторвать самолет от земли и унести его с полной загрузкой в небо.
⠀
????Передняя часть двигателя называется воздухозаборник. Воздух попадая в него уже начинает частично сжиматься, благодаря его форме.
⠀
????Далее воздух попадает на ступени вентилятора и ряд лопаток, где его давление и температура от сжимания начинает расти. Воздух дальше идет по двум контурам по внутреннему и внешнему. Внешний контур сжимает воздух только благодаря своей форме.
Воздух, который пошел во внутренний контур все больше и больше сжимается проходя каждый ряд статичных и крутящихся лопаток. Они имеют определенную форму и сделаны из титана и жаропрочных материалов. Пройдя несколько ступеней компрессора низкого давления воздух попадает в компрессор высокого давления.
Там он все более сжимается и его температура растет все больше и больше.
⠀
????И вот подогретый и сжатый воздух попадает в камеру сгорания, где он смешивается с топливом, которое впрыскивается туда через форсунки и поджигается с помощью факельного воспламенителя. В результате этого, резко растет тепловая энергия.
⠀⠀
????Далее происходит следующее: разогретые до огромной температуры газы выходят с бешеной скоростью из камеры сгорания и расширяются. Попадая на колесо турбины, они приводят ее в вращение.Турбина сидит на одном валу с компрессором.
В результате чего компрессор начинает вращаться и получается замкнутая цепь. Воздух вновь засасывается компрессором и процесс продолжается.
Турбина низкого давления вращает компрессор низкого давления и вентилятор, а турбина высокого давления вращает компрессор высокого давления.
????Далее выходящие газы попадают в сопло и на выходе из него смешиваясь с воздухом с внешнего контура создают реактивную струю, которая и толкает наш самолет сквозь воздушную среду. Подобно тому, как струя воздуха толкает воздушный шарик, если его надуть и не завязывая отпустить.
???? Ну и у двигателя есть еще реверс, который изменяет направление этой струи на противоположное во время пробега самолета по ВПП. В результате самолет теряет скорость и пилоты применив тормоза останавливают многотонную машину.
https://vk.com/wall-5751308_913602
Некоторые аспекты эволюции Авиационных и Автотракторных ДВС. Часть I
Авиационное двигателестроение началось в начале прошлого века. И зачинателями моды стали ротативные звездообразные двигатели воздушного охлаждения.
Охлаждению на малых скоростях полёта, типичных для авиации того времени, способствовало вращение цилиндров с картером относительно неподвижно закреплённого на моторной раме коленчатого вала.
Почти всю Первую Мировую Войну такие двигатели превосходили по удельной массе двигатели водяного охлаждения, поэтому на большинстве истребителей и разведчиков стояли эти моторы.
У ротативных двигателей были крупные недостатки, главным из которых была практическая невозможность достижения мощности более 100 – 130 л.с.
Препятствием служили трудности с увеличением размера и числа цилиндров, увеличением нагрузки от центробежных сил и гироскопического момента на картер при увеличении частоты или компоновке второго ряда цилиндров, большие потери мощности на вращение оребрённых цилиндров.
Ротативные двигатели страдали очень большим расходом масла. Это было связано с тем, что откачать масло из вращающегося картера было невозможно и оно буквально вылетало в трубу.
Проблемы с ротативными двигателями привели к тому, что к концу ПМВ самыми популярными стали двигатели с водяным охлаждением. Которые хоть и не победили ротативных по удельной массе, но по мощности превзошли в несколько раз.
М-11
«Жидкий» или «воздушный»?
Как известно, в двигателестроении в период Второй Мировой Войны прижились два типа двигателей. Рядные, чаще всего V-образные, двигатели жидкостного охлаждения и звездообразные двигатели воздушного охлаждения. Каждый из этих типов двигателей имеет свои достоинства и недостатки. Конкуренция между двумя типами двигателей на протяжении всей их истории весьма занимательна.
Так «воздушники» проще конструктивно (нет рубашки охлаждения). Поэтому они дешевле в производстве, проще в обслуживании, надёжнее. Так же из-за воздушного охлаждения живучее.
У «жидкостника» температура охлаждающей жидкости ограничена точкой кипения. И потому для отвода единицы тепла через радиатор требуется больший объём воздуха, чем для отвода единицы тепла от «воздушника».
Ибо температура головок цилиндров «воздушника» раза в два выше, чем температура водорадиатора у «жидкостника».
«Жидкостники» имеют другие достоинства. Малый мидель даёт плюс в аэродинамике; из-за острого носа и потенциальной возможности применения мотор-пушки улучшается компоновка фюзеляжного вооружения. В минус «воздушникам» в 20-е гг. была и неотработка капотировки. Верхом аэродинамики считалось кольцо Тауненда.
При равной литровой мощности, из-за присутствия рубашки охлаждения и охлаждающей жидкости, «жидкостник» будет тяжелее воздушника. И самолёт с «воздушником» будет легче. Для манёвренных самолётов, и в горизонтальной и в вертикальных плоскостях, были оптимальнее «воздушники», для скоростных «жидкостники».
Так что каждый из типов двигателей имеет свои достоинства, объясняющие их разнообразное применение. Пока моторы были слабомощные, в истребительной авиации на первое место выходил их вес. Поэтому в 30-е годы моторостроение вступило с большим распространением «воздушников». Тут правда сыграла и простота их производства.
АМ-38. Устанавливался на Ил-2.АМ-38. Устанавливался на Ил-2.
Расцвет «жидкостников»
В начале 30-х годов «жидкостники» сделали резкий скачок. А всему виной было принудительное охлаждение, позволяющее форсировать двигатель.
Жидкостное охлаждение позволяло хорошо отводить тепло от двигателя. Двухрядные «воздушники» же столкнулись с проблемами отвода тепла от задней кромки поршней второго ряда.
Сначала «жидкостники» обогнали «воздушников» в литровой мощности. А затем в удельной массе!
Рассмотрим на примерах.
- Испано-Сюиза 12Ybrs: мощность — 860 л.с., сухой вес — 470кг.
- Райт «Циклон» R-1820-F3: мощность — 625 л.с., сухой вес — 435 кг.
- Гном-Рон «Мистраль-Мажор» 14Kdrs: мощность — 850 л.с., сухой вес — 600 кг.
Правда надо учесть, что даётся сухой вес моторов. У жидкостников система охлаждения может прибавлять до 10% веса мотора. И если однорядные звёзды впряглись в гонку с «жидкостниками», то двухрядные звёзды резко просели.
Пока двигатели были слабосильными, а скорости самолётов относительно небольшими, вес мотора играл значительную роль. Так И-16 с «Циклоном» ещё выигрывал в Испании у Bf-109B. Но развязка наступала неизбежно. Во второй половине 30-х моторостроение сделало ещё один шаг и И-16 стало уже проблематично противостоять мессеру с DB-600.
Но не только увеличение мощности сыграло свою роль. Резкий скачок сделала и аэродинамика водорадиаторов. Водорадиаторы мигрировали в туннели. Туннели стали утапливаться в фюзеляж и крылья. Применение этиленгликоля и воды под давлением позволило уменьшить площадь водорадиаторов на 40-50% (и вес охлаждающей жидкости).
Неизбежно в моду вошли истребители с моторами жидкостного охлаждения. Мессершмитт и Спитфайр были первыми. За ними потянулись другие. СССР, Франция, США тут же бросились догонять Германию и Англию. Лишь Италия и Япония остались возиться с «воздушниками». Ибо… так и не сумели создать отечественный мотор жидкостного охлаждения, а с лицензионным производством чужого опоздали.
Но «воздушники» не исчезли. У них оставались определённые преимущества и они нашли свою нишу. Живучесть и надёжность позволила им закрепиться в бомбардировочной и штурмовой авиации. Из-за эксплуатационных преимуществ авианосная авиация США продолжала использовать только «воздушники».
До следующего хода надо было подождать несколько лет… К тому же у набравших ход «жидкостников» был скрытый порог – малый литраж. Малый объём цилиндра позволял легче бороться с тепловым режимом и быстрее доводить двигатель.
Но за высокие удельные характеристики пришлось заплатить малой мощностью.
М-82
Звёзды наносят ответный удар
Но в начале 40-х всё опять переменилось. И имя этим переменам было — мощные двухрядные звёзды.
К этому времени удалось справиться с тепловым режимом двухрядных звёзд. Справлялись с этим по разному.
Раздвигали ряды звёзд, что выводило второй ряд из затенения первым, увеличивали мидель двигателя, вводили принудительное охлаждение вентилятором, увеличивали объём маслорадиатора (у «воздушников» бОльшая теплоотдача в масло), увеличивали оребрение цилиндров и оптимальнее подгоняли дефлекторы.
Но так или иначе мощные звёзды получились во многих странах на этом рубеже. Решение теплового режима позволило звёздам если не сравняться, так догнать, сократить отставание от «жидкостников» в удельной массе. Хотя «жидкостники» и сохранили преимущество по запасу форсирования.
Но главным преимуществом звёзд была мощность. Что решилось банальным преимуществом в литраже — звёзды были просто объёмнее. Увеличить литраж двигателя без увеличение миделя позволил бывший «порок» — второй ряд поршней. Так М-105П выигрывал по удельной мощности у М-82А. Но Ла-5 c М-82А, выигрывал y ЛаГГ-3 c М-105П, даже несмотря на убогую аэродинамику!
Малолитражные «жидкостники» с этим смириться не могли и уже давно (заранее) бросились догонять. Самым простым решением было спарить два двигателя на один редуктор. Решение оказалось слишком сложным и потому тупиковым. Ни у кого так и не получилось.
Более продуктивным было собрать несколько блоков цилиндров на один коленвал (Н- и Х-образные двигатели). Но такой многоцилиндровый двигатель тоже получался слишком сложным и ненадёжным. И получился только у англичан! Тот самый Сейбр.
За конструктивную сложность пришлось заплатить малым ресурсом. К тому же при таком решении «жидкостник» терял своё преимущество — малый мидель.
Так что как только англичане довели свой мощный «воздушник» — Центариус, о Сейбре благополучно забыли.
Но не только одной мощностью брали «воздушники». Удалось улучшить аэродинамику звёзд за счёт исследований по капотам (капоты NACA) и применением длинного носка картера. На фоне таких успехов происходит реинкарнация истребителей с моторами воздушного охлаждение. Ла-5, ФВ-190, Р-47 и проч.
Возвращение «джыдая»
Отыграться «жидкостникам» удалось в самом конце Второй Мировой Войны. За увеличение литража стали бороться другим путём. Увеличили объём имеющихся 12-ти цилиндров путём увеличение площади поршня. В разным странах примерно синхронно появились «большие горшки»: АМ-42, Гриффон, DB-603, Юмо-213.
Но появились эти двигатели поздновато, когда решающие воздушные сражения уже отыграли и шло уже добивание противника. И применение этих двигателей на имеющимся фоне любым из противников никак не меняло баланс сил. Припозднились.
К концу войны вдруг выяснилось, что увеличение мощности моторов приводит не к уменьшению, как раньше, а к увеличению удельной массы моторов. Форсаж не может продолжаться до бесконечности. В конце концов увеличение нагрузок на детали моторов привело к их усилениям, уже не компенсирующимся возрастанием мощности. Маятник качнулся назад…
Раскрутить и поделить..
Одним из простых способов увеличения мощности двигателя при сохранении его объёма, является повышение числа оборотов коленчатого вала. Например: мотор М-11 изначально при Частоте вращения коленчатого вала, 1650 об/мин достигал мощности 110 л.с.; после модернизации, Частота вращения поднялась до 1950 об/мин, а Мощность, до 180 л.с., т.е. Литровая мощность повысилась в 1,5 раза!
Онако, на пути увеличения мощности двигателя за счёт повышения числа оборотов коленчатого вала, встало снижение КПД Винто-Моторной Группы и пришлось применить понижающий редуктор, позволяющий оптимально подбирать характеристики пропеллеров в зависимости от назначения самолётов. Для ДВС с водяным охлаждением применение редуктора привело к смещению оси пропеллера ближе к центру двигателя, что позволило улучшить аэродинамику и разместить пушку в развале цилиндров для V-образных двигателей — как например ВК-105 на Яке.
Другая серьёзная проблема «раскрутки» двигателя — это повышение динамической нагрузки на кривошипно-шатунную группу и газораспределительный механизм, и как следствие — снижение эксплуатационного ресурса мотора, что вынуждает применять более прочные материалы и усиливать его конструкцию.
СПИСОК КАТАЛОГОВ КАНАЛА:
- КАТАЛОГ СТАТЕЙ. АВИАЦИЯ РККА.
- КАТАЛОГ СТАТЕЙ. МОТОРЫ в СССР.
Автор компиляции: Сергей Иванов Инженер-механикпо материалам:Эволюция четырёхтактных ДВС. Александр ИльинСергей Иванов «The Russian Engineering» — 2010 ©Последнее обновление 10.11.2021 г.
Загрузка...
