Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1. Авиационные двигатели. История создания и эксплуатации поршневых авиационных двигателей.
Авиационные двигатели – это двигатели, работающие в воздушной среде (в земной атмосфере). В этой среде имеется окислитель – кислород (приблизительно 21 % по объёму от всех газов, входящих в состав атмосферы). Это обстоятельство в настоящее время использовано таким образом, что в современных авиационных двигателях, являющихся двигателями внутреннего сгорания, кислород окружающего воздушное судно атмосферного воздуха используется как окислитель при сгорании углеводородного топлива.
Использование двигателя внутреннего сгорания в качестве авиационного двигателя – не единственный возможный вариант.
В самолете А. Ф. Можайского использовалась паровая машина – двигатель внешнего сгорания. Реализована идея использования мускульной силы человека для привода винта самолета и на таком летательном аппарате совершены впечатляющие полеты. В настоящее время всерьез рассматриваются перспективы использования топливных элементов (водород + кислород) для получения электрической энергии, которая затем с помощью электродвигателя превращается в механическую энергию вращения воздушного винта. Ничего принципиально неосуществимого в этой идее нет: авиамоделей с электроприводом сейчас не меньше, чем авиамоделей с двигателями внутреннего сгорания. Построен и совершил полёт самолёт, использующий для вращения винта электрическую энергию, вырабатываемую солнечными батареями. Возможны, наверное, и другие варианты силовых установок, однако пока подавляющее большинство воздушных судов гражданской авиации оснащены двигателями внутреннего сгорания, использующими в качестве топлива углеводороды – бензин, керосин или дизельное топливо. Поэтому существующие авиационные двигатели делятся на два класса:
1) поршневые двигатели;
2) газотурбинные двигатели.
Исторически первыми в качестве авиационных были использованы поршневые двигатели.
Двигатель самолета братьев Райт – первый «полетевший» в 1903 году двигатель имел следующие характеристики:
мощность – 9 кВт (12 л.с.);
«сухой» вес - 44,5 кГ;
КПД винта - 0,7 (70 %).
С 1903 года и по момент окончания Второй Мировой войны (1945 г.) произошло бурное развитие поршневых авиационных двигателей. Странами – лидерами в этом развитии стали: США, Германия, Англия и Франция. Производились такие двигатели и в Японии – там был создан свой мощный воздушный флот.
Что касается России, то до революции 1917 года своего производства поршневых авиационных двигателей в стране не было. Двигатели для строившихся российскими конструкторами самолетов закупались за границей. В 30-е годы в стране была создана авиадвигателестроительная промышленность. Были построены заводы в Перми, Запорожье, Москве, Ленинграде, Воронеже, Казани, Уфе, Самаре. Это было сделано в очень трудных условиях и, тем не менее, Советский Союз получил возможность самостоятельно разрабатывать и производить авиационные двигатели. Особенность работы нашей авиадвигателестроительной промышленности в то время состояла в том, что приходилось использовать зарубежные разработки. Так, Главный, а затем Генеральный конструктор Аркадий Дмитриевич ШВЕЦОВ при создании своих двигателей опирался на лицензионные модификации американского двигателя Райт «Циклон» R–1820F–3, Генеральный конструктор Владимир Яковлевич КЛИМОВ разрабатывал моторы на базе французского двигателя «Испано–Сюиза» 12Ybrs, а двигатели завода № 29 в Запорожье (Главный конструктор – Александр Григорьевич ИВЧЕНКО) вели свою родословную от французских двигателей «Гном – Рон» 14К и 14N.
Полностью оригинальными серийными поршневыми авиадвигателями можно считать только моторы Александра Александровича МИКУЛИНА (АМ–34: самолеты ТБ–3; ТБ–7; АМ–35: самолет МиГ–3; АМ–38, АМ–42: штурмовик Ил–2; впоследствии – АМ–3: первый отечественный реактивный самолет Ту–104) и знаменитый мотор М–11 – самый массовый и самый «долгоживший» отечественный поршневой авиадвигатель.
Нельзя сказать, что М–11 был уж очень хорош. По своим основным характеристикам он уступал передовым двигателям такого же класса, выпускавшимся за рубежом. А. Д. ШВЕЦОВ, принимавший участие в проектировании М–11 (он был главным инженером государственного авиационного завода № 4 «Мотор», которому подчинялся конструкторский отдел, взявшийся за разработку двигателя) получил за это участие золотые часы. Однако, по некоторым данным, он не приписывал себе авторство создания этого двигателя.
Неформальным лидером небольшого (8 человек) коллектива конструкторов был помощник управляющего заводом по технической части Н.А. ОКРОМЕШКО. Конкурс на создание двигателя был объявлен в 1923 году. Начало серийного выпуска М-11 – 1929 год. Прекращение выпуска – 1952 год. Всего было выпущено 150…160 тысяч двигателей М-11 разных модификаций.
Поршневые двигатели для гражданской авиации, выпущенные в нашей стране большими сериями:
М–11 (По–2, Як–18, Як–12) мощность 100…160 л.с., ресурс 400 часов;
АШ–62ИР (Ли – 2, Ан – 2) мощность 1000 л.с., ресурс 700 часов;
АШ–82Т (Ил–14) мощность 1900 л.с., ресурс 1500 часов;
АШ–82В (вертолёты Ми–4, Як-24); мощность 920 л.с., ресурс 1200 часов;
М–14П (Як-18Т, Як-50, Як-55, Су-26/29/31).
К середине 40-х годов прошлого века были созданы мощные поршневые авиационные двигатели. В нашей стране это двигатели ВД– 4К (24 цилиндра, мощность 4300 л.с., главный конструктор Владимир Алексеевич ДОБРЫНИН – бомбардировщик Ту–85) и АШ–2К (четырехрядная «звезда», 28 цилиндров, взлетная мощность 4700 л.с., главный конструктор Аркадий Дмитриевич ШВЕЦОВ, - бомбардировщик Ту–85). (Американские аналоги – Pratt Whitney R–4360-41 Wasp Major мощностью 3800 л.с. и Lycoming XR-7755 мощностью 5000 л.с.)
ВД–4К, наряду с двигателями А.А. МИКУЛИНА и двигателем М-11, являлся советским авиадвигателем, не имевшим «импортных корней» и при этом был значительно экономичнее западных двигателей своего класса.
Советская авиадвигателестроительная промышленность, вошедшая в клуб стран-лидеров в авиастроении, как и соответствующие отрасли машиностроения других стран стала жертвой инерции в деле конструирования и производства поршневых двигателей – самые мощные в мире поршневые двигатели были созданы в СССР для бомбардировщика Ту–85, который должен был нести ядерное оружие, и который оказался уже не нужен Военно–Воздушным Силам (в это время шла война в Корее – фактически СССР и Китай против США – и американские бомбардировщики В-36 с поршневыми двигателями оказались практически беззащитными перед советскими реактивными истребителями МиГ–15: скорость бомбардировщиков была существенно ниже скорости истребителей – МиГ-15 ≈ 1000 км/час, В-36 ≈ 640 км/час).
Оказалось, что создание мощных поршневых двигателей – это тупиковый путь развития как военной, так и гражданской авиации в части создания магистральных воздушных судов.
Причины:
1) высокая удельная масса мощных поршневых двигателей по сравнению с газотурбинными;
2) снижение КПД винта с увеличением скорости полета.
В принципе поршневой двигатель внутреннего сгорания – это неплохая тепловая машина. Его КПД, т.е. отношение полезной механической мощности на валу к мощности подводимой теплоты выше, чем КПД газотурбинного двигателя:
при уровне мощности ~ 5000 л.с. (1 л.с. = 0,736 кВт: 5000 × 0,736 = 3680 кВт = 3,68 МВт) КПД
– поршневого двигателя – 40…45%
– газотурбинного двигателя – 22…27%.
Однако,
во – первых – в авиации для создания тяги поршневой двигатель может быть использован только в совокупности с воздушным винтом, а КПД воздушного винта падает с увеличением скорости полета воздушного судна (при М = 0,5 ηвинта ≈ 0,9, а при М = 0,8 ηвинта ≈ 0,7 – Пермский учебник, том 1, с.12);
во вторых – масса поршневого двигателя с ростом его мощности растет быстрее, чем масса газотурбинного двигателя (ГТД): при мощности около ___ л.с. удельная масса поршневых двигателей составляет 0,4…0,5 кг/л.с., а удельная масса ГТД (ТВД) – 0,1…0,3 кг/л.с.: на рис. 1.34 видно, что поршневой двигатель (дизель) мощностью 3 МВт (4076 л.с.) по габаритам (и по массе!) существенно больше ГТД той же мощности /”Пермский учебник”, том 1, с. 35, рис. 1.34/;
в – третьих - ресурс поршневого двигателя в принципе меньше ресурса газотурбинного двигателя (2,0 … 2,5 тыс. часов против 20 тыс. часов). Причина – трение скольжения между поршнем и цилиндром.
Таким образом, в силу изложенных основных причин использовать поршневые двигатели на воздушных судах с большими массами и большими скоростями полёта (приближающимися в скорости звука и, конечно, превышающими её) стало нецелесообразно. Для таких воздушных судов в гораздо большей степени подходили газотурбинные двигатели.
Поршневые двигатели оказались хорошо подходящими для небольших воздушных судов так называемой «малой авиации» (более точно – авиации общего назначения – АОН) при их мощности, не превышающей 300…500л.с. Примеры таких двигателей, выпускающихся в мире в настоящее время приведены в таблице 1.
Поршневые двигатели несколько большей мощности в принципе могут быть использованы в авиации, но это должны быть двигатели, работающие по циклу Рудольфа ДИЗЕЛЯ, и для их создания необходимо провести дорогостоящий цикл исследовательских и опытно-конструкторских работ.
Подводя итог рассмотрению истории создания и эксплуатации авиационных поршневых двигателей, следует отметить, что при потребной мощности двигателя менее 500 л.с. поршневой двигатель предпочтительней газотурбинного (например – турбовинтового) благодаря меньшей стоимости единицы мощности. На многоцелевых самолетах авиации общего назначения (небольшие пассажирские самолеты местных воздушных линий, ад министративные и связные) стоимость силовой уста новки распределится на большое число часов налета и турбовинтовые двигатели могут оказаться в этом случае выгоднее из–за низкой стоимости технического обслуживания и более дешевого топлива. Небольшие самолеты авиации общего назначения (спортивные, туристические, тренировочные) почти всегда оборудуются поршневыми двигателями.
2. Устройство и принцип работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
У поршневого двигателя внутреннего сгорания основными деталями являются: цилиндр, головка цилиндра, картер, поршень, шатун, коленчатый вал, впускной и выпускной клапаны. Топливо и необходимый для его сгорания воздух вводятся в объем цилиндра двигателя, ограниченный днищем головки цилиндра, его стенками и днищем поршня. Образующиеся при сгорании топлива газы, имеющие высокие температуру и давление, давят на поршень и перемещают его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, расположенного в картере. В связи с возвратно-поступательным движением поршня сгорание топлива в поршневых двигателях возможно лишь периодически последовательными порциями, причем сгоранию каждой порции должен предшествовать ряд подготовительных процессов.
Принцип работы поршневого четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания
Рассмотрим цикл работы четырехтактного поршневого двигателя (рис. 1).
Рис. 1. Схема работы четырехтактного двигателя
1. В первом такте – впуске – поршень движется от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней мёртвой точке (НМТ). При этом впускной клапан открыт и смесь (карбюраторный двигатель) или воздух (двигатель с непосредственным впрыском топлива) поступают в цилиндр.
2. В течение второго такта – сжатия - топливовоздушная смесь сжимается в соответствии с политропической зависимостью pV n = Сonst, в которой показатель степени n зависит, глав ным образом, от состава всасываемой смеси (n ≈ 1,20…1,35). Кроме давления на входе конечное давление определяется степенью сжатия*, т. е отношени ем объемов цилиндра над поршнем в начале и в конце сжатия. В конце такта сжатия давление смеси составляет 8…20 кгс/см2, а температура 200…400°С.
При положении поршня, близком к верхней мёртвой точке сжатая газовая смесь воспламеняется электрической искрой и сгорает практически при постоянном объеме. Температура и давление при сгорании очень большие (30…60 кгс/см2 и 1600…2200°С., так как газовая смесь близка к стехиометрической (т.е. горючее полностью сгорает в процессе химической реакции с имеющимся в цилиндре кислородом воздуха), что делает тепловой КПД цикла достаточно высоким. Тепловой КПД для заданного состава смеси является функцией степени сжатия и, в отличие от газотурбинных двигателей, не зависит от частоты вращения ротора двигателя.
3. В процессе третьего такта - рабочего хода, сгорающий и расширяющийся газ передает тепловую энергию поршню: происходит преобразование тепловой энергии в механическую. Механическая энергия при помощи шатуна и коленчатого вала напрямую или через механический редуктор сообщается винту. Процесс расширения газа в цилиндре опять протекает в соответствии с политропическим процессом: pV n = Сonst.
4. В четвёртом такте – выпуске, происходит движение поршня от НМТ к ВМТ при открытом выпускном клапане. Отработавшие газы вытесняются поршнем в выхлопной патрубок. Этот процесс происходит практически при постоянном объеме.
3. Индикаторная диаграмма.
Индикаторная диаграмма – зависимость давления рабочего тела от объёма цилиндра (рис. 2) – является наиболее информативным источником, позволяющим анализировать процессы, происходящие в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Такты работы двигателя, осуществляющиеся за четыре хода поршня от ВМТ до НМТ показаны на индикаторной диаграмме в координатах p – V следующими отрезками кривой:
r0 – a0 – такт впуска;
a0 – c – такт сжатия;
c – z – b0 – такт рабочего хода (расширения);
b0 – r0 – такт выпуска.
На диаграмме отмечены следующие характерные точки:
b, r – моменты открытия и закрытия выпускного клапана, соответственно;
u, a – моменты открытия и закрытия впускного клапана, соответственно;
Площадь диаграммы, определяющая работу за цикл, состоит из площади, соответствующей положительной индикаторной работе, полученной за такты сжатия и рабочего хода, и площади, соответствующей отрицательной работе, затрачиваемой на очистку и наполнение цилиндра в тактах впуска и выпуска. Отрицательную работу цикла обычно относят к механическим потерям в двигателе.
Рис. 2. Типичная индикаторная диаграмма четырехтактного
двигателя внутреннего сгорания
Таким образом, общая энергия, сообщаемая валу поршневого двигателя за один цикл L, может быть определена алгебраическим сложением работы тактов L = Lвп + Lсж + Lрх + Lвып. Мощность, передаваемая валу, определится произведением этой суммы на количество тактов рабочего хода в единицу времени (n/2) и на число цилиндров двигателя i:
. ( )
Определенная таким образом мощность двигателя называется средней индикаторной мощностью.
Индикаторная диаграмма позволяет разделить цикл четырехтактного двигателя на следующие процессы:
u – r0 – r – a0 – a – впуск;
a – θ – c' – сжатие;
θ – c' – c – z – f – смесеобразование и сгорание;
z – f – b – расширение;
b – b0 – u – r0 – r – выпуск.
Приведенная типичная индикаторная диаграмма справедлива и для дизельного двигателя. В этом случае точка θ будет соответствовать моменту подачи топлива в цилиндр.
На диаграмме обозначены:
Vc – объем камеры сгорания (объем цилиндра над поршнем, находящимся в ВМТ);
Va – полный объем цилиндра (объем цилиндра над поршнем в начале такта сжатия);
Vn – рабочий объем цилиндра, Vn = Va – Vc.
Степень сжатия .
Индикаторная диаграмма описывает рабочий цикл двигателя, а ограниченная его площадь – индикаторную работу цикла. Действительно, [p ∙ ∆V] = (Н/м2) ∙ м3 = Н ∙ м = Дж.
Если принять, что на поршень действует некоторое условное постоянное давление pi, совершающее в течение одного хода поршня работу, равную работе газов за цикл L, то
L = pi ∙ Vh ( )
где Vh – рабочий объем цилиндра.
Это условное давление pi принято называть средним индикаторным давлением.
Среднее индикаторное давление численно равно высоте прямоугольника с основанием, равным рабочему объему цилиндра Vh площадью, равной площади, соответствующей работе L.
Так как полезная индикаторная работа пропорциональна среднему индикаторному давлению pi, совершенство рабочего процесса в двигателе можно оценивать на величину этого давления. Чем больше давление pi, тем больше работа L, и, следовательно, рабочий объем цилиндра используется лучше.
4. Среднее индикаторное давление, средняя индикаторная и эффективная мощность двигателя, эффективный удельный расход топлива.
Это условное давление pi принято называть средним индикаторным давлением.
Среднее индикаторное давление численно равно высоте прямоугольника с основанием, равным рабочему объему цилиндра Vh площадью, равной площади, соответствующей работе L.
Так как полезная индикаторная работа пропорциональна среднему индикаторному давлению pi, совершенство рабочего процесса в двигателе можно оценивать на величину этого давления. Чем больше давление pi, тем больше работа L, и, следовательно, рабочий объем цилиндра используется лучше.
Зная среднее индикаторное давление pi, рабочий объем цилиндра Vh, число цилиндров i и частоту вращения коленчатого вала n (об/мин), можно определить среднюю индикаторную мощность четырехтактного двигателя Ni
. ( )
Произведение i ∙ Vh представляет собой рабочий объем двигателя.
Передача индикаторной мощности на вал двигателя сопровождается механическими потерями вследствие трения поршней и поршневых колец о стенки цилиндров, трения в подшипниках кривошипно–шатунного механизма. Кроме того, часть индикаторной мощности затрачивается на преодоление аэродинамических потерь, возникающих при вращении и колебании деталей, на приведение в действие механизма газораспределения, топливных, масляных и водяных насосов и других вспомогательных механизмов двигателя. Часть индикаторной мощности тратится на удаление продуктов сгорания и заполнение цилиндра свежим зарядом. Мощность, соответствующая всем этим потерям, называется мощностью механических потерь Nм.
В отличие от индикаторной мощности, полезную мощность, которую можно получить на валу двигателя, называют эффективной мощностью Nе. Эффективная мощность меньше индикаторной на величину механических потерь, т.е.
Nе = Ni – Nм. ( )
Мощность Nм, соответствующую механическим потерям и эффективную мощность двигателя Nе определяют опытным путем при стендовых испытаниях с помощью специальных нагрузочных устройств.
Одним из основных показателей качества поршневого двигателя, характеризующего использование им индикаторной мощности для совершения полезной работы является механический КПД, определяемый как отношение эффективной мощности к индикаторной:
ηм = Nе/Ni. ( )
Общую энергию, сообщаемую валу поршневого двигателя, можно определить алгебраическим сложением работы тактов и умножив сумму на число рабочих тактов в единицу времени (n/2) и число цилиндров двигателя. Мощность, определяемая таким образом, может быть получена путем интегрирования зависимости давления в функции от объема изображенной на индикаторной диаграмме (рис 4.2,б), и называется средней индикаторной мощностью N. Эту мощность часто связывают с понятием индикаторного среднего эффективного давления рi, рассчитывае мого следующим образом:
(4.1)
Эффективная мощность Ne есть произведение индикаторной мощности N на механический КПД двигателя. Механический КПД двигателя уменьшается с увеличением частоты вращения двигателя из–за потерь на тре ние и привод агрегатов.
Для построения характеристик авиационного поршневого двигателя его испытывают на балансирном станке с использованием воздушного винта изменяемого шага. Балансирный станок обеспечивает замер величины крутящего момента, числа оборотов коленчатого вала и расхода топлива. По величине замеренного крутящего момента Мкр и числу оборотов n определяется измеренная эффективная мощность двигателя
, Вт ( )
Если двигатель снабжен редуктором, снижающим обороты винта, то формула для замеренной эффективной мощности имеет вид:
, Вт, ( )
где iр – передаточное число редуктора.
Учитывая зависимость эффективной мощности двигателя от атмосферных условий, замеренную мощность для сравнения результатов испытаний приводят к стандартным атмосферным условиям по формуле
, ( )
где Ne – эффективная мощность двигателя, приведенная к стандартным атмосферным условиям;
tизм – температура наружного воздуха во время испытаний, ºС;
B – давление наружного воздуха, мм.рт.ст.,
∆р – абсолютная влажность воздуха, мм.рт.ст.
Эффективный удельный расход топлива gе определяется по формуле:
, ( )
где GT и – расход топлива и эффективная мощность двигателя, измеренные при испытаниях.
5. Внешняя характеристика поршневого авиационного двигателя.
Внешней характеристикой называется зависимость эффективной мощности и удельного расхода топлива от числа оборотов вала при работе двигателя на земле с максимальной подачей топлива, но с переменной внешней нагрузкой.
Внешняя характеристика (рис. 3.) показывает наибольшие мощности, которые можно получить от двигателя при различных числах оборотов.
Рис. 3. Типовая внешняя характеристика авиационного поршневого двигателя
Удельный эффективный расход топлива gе во внешней характеристике определяется характером изменения механического и индикаторного коэффициентов полезного действия.
ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ – зависимость, показывающая, как изменяются основные показатели работы авиационного поршневого двигателя, в первую очередь эффективная мощность и эффективный удельный расход топлива, при изменении других показателей работы двигателя или факторов. влияющих на его работу, в первую очередь числа оборотов двигателя, высоты полета, скорости полета, давления наддува и состава смеси.
Xарактеристика поршневого двигателя, соответствующая изменению высоты полета при неизменной скорости полета, неизменных числе оборотов двигателя и давлении наддува (на полном газу у невысотного двигателя или выше границы высотности в данных условиях у высотного двигателя), называемого высотной характеристикой.
Xарактеристика поршневого двигателя, соответствующая изменению скорости полета на неизменной высоте полета при неизменных числе оборотов двигателя и давлении наддува (на полном газу у невысотного двигателя или выше границы высотности в данных условиях у высотного двигателя), называется скоростной характеристикой.
Из различных характеристик поршневого двигателя, соответствующих изменению числа оборотов двигателя при неизменных высоте и скорости полета или в земных статических условиях, обычно выделяют внешнюю и винтовую характеристики двигателя. Первую снимают при неизменном давлении наддува (обычно номинальном или взлетном) или на полном газу, вторую - при нагрузке двигателя винтом неизменного или фиксированного шага.
6. Винтовая характеристика поршневого авиационного двигателя.
Винтовой характеристикой называется зависимость эффективной мощности и удельного эффективного расхода топлива от числа оборотов при постоянном шаге винта (угле установки лопастей) на переменном расходе топлива. Она показывает изменение потребной мощности, потребляемой винтом на различных оборотах и представляет собой кубическую параболу (рис. 4.).
Рис. 4. Типовая винтовая характеристика авиационного поршневого двигателя
Удельный расход топлива gе на винтовой характеристике зависит от состава горючей смеси. На оборотах малого газа удельный расход топлива увеличен (до 400 г/л.с. – для М-14П) вследствие работы двигателя на богатой смеси (коэффициент α = 0,6 – для М-14П), которая необходима для обеспечения устойчивого горения в цилиндрах. При этом существуют большая степень загрязненности рабочей смеси продуктами сгорания и плохое смесеобразование.
С увеличением оборотов от минимальных до крейсерских удельных расход топлива постепенно уменьшается в результате обеднения смеси (до α = 0,95 – для М-14П). При дальнейшем увеличении оборотов (до номинального и взлетного режимов) удельный расход топлива увеличивается из – за обогащения смеси.
Анализ винтовой характеристики и ее сопоставление с внешней характеристикой позволяют определить режимы работы двигателя.
Максимальный (взлетный режим) работы двигателя достигается на земле при максимальных оборотах коленчатого вала. Этим режимом можно пользоваться непрерывно в течение ограниченного времени (М-14П – 5 мин.).
Номинальные режимы на двигателях, оснащенных винтом с изменяемым шагом, устанавливаются при максимальной подаче топлива путем изменения угла установки лопастей («затяжелением» винта).
Крейсерские режимы обеспечивают горизонтальный полет самолета с минимальным расходом топлива.
Режим малого газа используется сразу после запуска двигателя, для его прогрева после запуска или для охлаждения перед остановом. С точки зрения расхода топлива режим малого газа является невыгодным.
7. Высотная характеристика поршневого авиационного двигателя.
Высотной характеристикой называют зависимость эффективной мощности и удельного расхода топлива от высоты полета при постоянном числе оборотов и наивыгоднейшем составе смеси.
С подъемом на высоту плотность и температура окружающего воздуха изменяются. Это вызывает изменение мощности и удельного расхода топлива. Уменьшение эффективной мощности двигателя происходит за счет уменьшения весового заряда цилиндров из – за снижения плотности воздуха при подъеме на высоту.
Двигатели, снабженные нагнетателями и сохраняющие наддув до определенной высоты, называются высотными.
Двигатели, у которых номинальный режим реализуется при максимальной подаче топлива и «затежеленном» винте, и двигатели без нагнетания называются невысотными.
У двигателя М-14П взлетный и номинальный режимы реализуются при полностью открытой дроссельной заслонке карбюратора, поэтому при наборе высоты на этих режимах происходит падение мощности в результате уменьшения
ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ ВЫСОТНАЯ – зависимость основных показателей работы авиационного двигателя, в первую очередь его мощности, тяги и удельного расхода топлива, от высоты полета при неизменной скорости полета или неизменном числе М, соответствующем скорости полета, а также при неизменных:
а) числе оборотов и давлении наддува (на полном газу у невысотного двигателя и выше границы высотности в данных условиях у высотного двигателя) у авиационного поршневого двигателя;
) числе оборотов и температуре газа перед турбиной или при заданном их изменении в соответствии с принятым законом регулирования у авиационного газотурбинного двигателя;
в) температуре газа в камере сгорания или коэффициента избытка воздуха у прямоточного воздушно-реактивного двигателя;
г) секундном расходе топлива или давлении в камере у жидкостного ракетного двигателя. Высотная характеристика жидкостного ракетного двигателя не зависит от скорости полета.
8. Весовой заряд цилиндров и коэффициент наполнения.
Мощность, развиваемая двигателем, в первую очередь зависит от качества топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндр в такте впуска. Очевидно, что чем больше будет это количество, тем большую мощность разовьет двигатель.
Весовым зарядом цилиндра называется вес воздуха (топливовоздушной смеси – для карбюраторного двигателя), поступившего в цилиндр за время такта впуска и оставшегося в цилиндре к моменту закрытия клапанов впуска. Различают теоретический и действительный весовые заряды.
Под теоретическим весовым зарядом qТ понимают заряд, который может поместиться в рабочем объеме цилиндра Vn при давлении и температуре, равным давлению и температуре во впускном коллекторе двигателя:
qТ = ρ ∙ g ∙ Vn, Н ()
где ρ – плотность воздуха во впускном коллекторе, кг/м3;
g – ускорение свободного падения, g ≈ 9,81 м/с2;
Vn – рабочий объем цилиндра, м3.
Под действительным весовым зарядом qД понимают заряд, который в действительности поступил в цилиндр и остался в нем.
В двигателях с впуском из атмосферы (невысотных двигателях, например – Lycoming IO-360-L2A) действительный заряд цилиндра получается всегда на 10…15 % меньше теоретического. Это происходит за счет гидравлических потерь во впускных трубопроводах, влияния остаточных газов и нагрева смеси от стенок цилиндров в процессе впуска.
В двигателях с нагнетателем (например – АШ-62 ИР) теоретический и действительный весовые заряды возрастают за счет увеличения плотности смеси на впуске. В этом случае действительный весовой заряд цилиндра может быть и больше теоретического. Объясняется это тем, что давление остаточных газов в камере сгорания меньше давления наддува и, следовательно, после открытия впускного клапана некоторое количество смеси может поступить в нее за счет сжатия остаточных газов до давления, существующего на впуске.
Отношение действительного весового заряда цилиндра к теоретическому называется коэффициентом наполнения ηV:
. ()
Отсюда действительный весовой заряд цилиндра равен:
qД = ηV ∙ qТ = ηV ∙ ρ ∙ g ∙ Vn. ()
Величина коэффициента наполнения характеризует степень заполнения воздухом (смесью) цилиндров двигателя. Для двигателей с впуском из атмосферы коэффициент наполнения составляет ηV = 0,85…0,90. Для двигателей с нагнетателем коэффициент наполнения может быть больше единицы и достигает величин ηV = 1,10…1,12.
Увеличить действительный весовой заряд цилиндра можно путем увеличения плотности воздуха на впуске ρ и увеличения коэффициента наполнения ηV. Плотность ρ прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна температуре. Если снижать температуру воздуха (смеси) и увеличивать наддув, то будет увеличиваться плотность ρ и, следовательно, весовой заряд цилиндра qД. На некоторых двигателях с нагнетателями для охлаждения воздуха на выходе из нагнетателя устанавливают радиаторы, которые позволяют при том же давлении наддува получить более высокую плотность воздуха.
Коэффициент наполнения можно увеличить рациональным выбором моментов открытия и закрытия впускного клапана, уменьшением гидравлических потерь во впускной системе путем увеличения проходных сечений трубопроводов и придания им плавных переходов, а также увеличения проходного сечения впускного клапана за счет увеличения его диаметра, высоты подъема или за счет увеличения количества впускных клапанов.
При рассмотрении высотной характеристики был приведен пример такой характеристики для двигателя М-14П, являющегося промежуточным между невысотными и высотными двигателями. В этом примере отсутствовала зависимость удельного расхода топлива от высоты. Типовая высотная характеристика невысотного двигателя (Lycoming IO-360-L2A) имеет вил, приведенный на рис. 6.
Рис. 6. Типовая высотная характеристика невысотного авиационного поршневого двигателя
Изменение мощности с высотой, обозначенное сплошной линией, характерно для случая, когда на вал двигателя установлен винт изменяемого шага (ВИШ), позволяющий сохранять постоянное число оборотов с подъемом на высоту. При установке на двигатель винта фиксированного шага (ВФШ) число оборотов двигателя с подъемом на высоту будет падать, и уменьшение эффективной мощности будет более значительным, чем в первом случае (на высотной характеристике – линия, обозначенная пунктиром).
Удельный расход топлива qе с подъемом на высоту возрастает. Это объясняется тем, что с увеличением высоты индикаторная мощность Ni уменьшается в большей степени, чем мощность трения, и, следовательно, доля индикаторной мощности, затрачиваемая на преодоление трения, при подъеме на высоту увеличивается, что приводит к падению механического КПД ηм.
Уменьшение мощности невысотных двигателей с подъемом на высоту приводит к тому, что самолеты с такими двигателями имеют невысокие летно – технические характеристики (малый потолок, малые грузоподъемности и скороподъемность, невысокую скорость горизонтально полета и т.д.). Стремление к улучшению ЛТХ самолетов с поршневыми двигателями привело к созданию высотных двигателей.
9. Топливо (бензин), используемое в поршневых авиационных двигателях.
Это топливо используют в поршневых авиационных двигателях с искровым зажиганием. Оно представляет собой смесь продуктов прямой перегонки, алкилирования, изомеризации, ароматизации и других процессов с добавлением этиловой жидкости и антиокислителя.
Основные требования к авиационным бензинам: достаточная детонационная стойкость на бедной и богатой топливо-воздушной смеси, оптимальный фракционный состав, низкая температура кристаллизации, небольшое содержание смолистых веществ, кислот и сернистых соединений, высокие теплота сгорания и стабильность при хранении.
Бензины не содержат воды, механических примесей, водорастворимых кислот и щелочей, выдерживают испытание на медной пластинке.
Авиационные бензины подразделяются на марки в соответствии со значением октанового числа, характеризующего детонационную стойкость в единицах эталонной шкалы, и сортностью- детонационной стойкостью на богатой смеси, определяющей мощность двигателя при работе на бензине данной марки.
Часть бензинов марок Б-95/130 и Б-91/115 выпускают с государственным Знаком качества. Для этих бензинов установлены ограничения по содержанию ароматических углеводородов (не более 35%), снижено содержание серы и смол. С целью унификации авиационных бензинов проводятся работы по замене всех марок на одну - Б-91/115.
10. Особенности летной эксплуатации поршневых авиационных двигателей.
Следует всегда соблюдать процедуры, рекомендуемые в руководстве производителя двигателя (двигателей). Это обеспечит правильную эксплуатацию силовой установки, предотвратит образование нагара на свечах зажигания и перенапряжение компонентов двигателя, даст экономию топлива и т.д. Необходимо знать ограничения двигателя, наложенные производителем и не превышать их из соображений безопасности. Основные рекомендации пилотам сводятся к следующему:
1.Следить за датчиком температуры масла (и датчиком температуры головки цилиндра, если таковой установлен) для предотвращения заброса температуры и повреждения двигателя. Избегайть, по возможности, работы двигателя на земле в течение длительного времени. Если это неизбежно, необходимо сориентировать самолет против ветра для лучшего охлаждения и открыть створки капота, если они установлены. При достижении предельных температур масла во время работы на земле, выполняются переруливание с ВПП и останов двигателя для обеспечения его охлаждения.
2. Не допускать образования нагара на свечах зажигания путем предотвращения работы двигателя на низких оборотах в течение длительного времени. При работе на низких оборотах на свечах зажигания может образовываться нагар, что повышает их электропроводность и может привести к перебою в работе системы зажигания.
3. Не рулить по неровной поверхности, поскольку это может вызвать задевание винта о высокую траву, снежные сугробы, другие препятствия или землю. Внезапный скачок мощности двигателя на земле, толчок при рулении по неровной поверхности или попадание колес шасси в маленькие выемки и канавки может привести к обжатию амортстойки носового колеса, и винт опустится ниже. Удар лопастей винта о землю (или даже о высокую траву) может вызвать его повреждение и даже изгиб коленчатого вала двигателя.
4. Избегать опробования двигателя на каменистых поверхностях. Сильный воздушный поток и вихри вокруг винта легко подхватывают камни и щебень. Дефекты, такие как забоины на лопастях, значительно снижают КПД винта. Забоины ведут к образованию усталостных трещин на лопасти и, в конечном итоге, могут повлечь отрыв лопасти в полете с катастрофическими последствиями. Инженерам и техникам, осуществляющим техническое обслуживание необходимо незамедлительно обращать внимание на забоины винта и другие повреждения.
Традиционным способом ремонта забоин является их запиливание надфилем.
Камни, отбрасываемые винтом или воздушным потоком, могут также повредить другие части самолета. Если вы хотите сохранить доброжелательные отношения с обслуживающим персоналом, избегайте руления вблизи створок ангара и задувания камней, грязи и пыли в рабочую зону
11. Средства перекрестного контроля работы двигателя.
Если один прибор двигателя указывает на неполадку, следует проверить его, если возможно, применяя наряду с ним другой измерительный прибор. Например, показания датчика давления масла внезапно стали равны нулю. Это может означать, что либо все масло пропало из системы, либо - это просто отказ датчика.
Перекрестная проверка с использованием датчика температуры масла должна выявить отказ. Показания текущей нормальной температуры масла будут указывать, что достаточное его количество все еще циркулирует в системе. Быстрое повышение температуры масла до максимального значения будет указывать на потерю масла и оставшегося его количества может оказаться недостаточно. В этом случае должны быть немедленно приняты соответствующие меры.
В полете серьезная потеря масла ведет за собой останов двигателя и экстренную посадку. При отказе датчика двигатель будет продолжать нормально работать.
На воздушном судне, имеющем поршневой двигатель (двигатели) с наддувом установлен манометр наддува для индикации давления воздуха в магистрали между карбюратором и цилиндрами. При постоянных оборотах давление наддува будет уменьшаться при наборе высоты и уменьшении плотности воздуха. Другой причиной уменьшения давления наддува является обледенение карбюратора. Показания датчика температуры воздуха карбюратора помогут определить, что вызвало уменьшение давления наддува: увеличение высоты или обледенение карбюратора.
12. Использование органов управления двигателем.
Неправильное применение органов управления может привести к повреждению двигателя. Перемещайте дроссельную заслонку плавно. Открытие заслонки рывком вперед может привести к образованию неправильного соотношения воздух/топливо и вызвать выключение двигателя или детонацию. Открытие заслонки от малого газа до полной мощности в течение примерно трех секунд обычно зависит от того, как быстро вам это необходимо сделать.
Уменьшайте мощность медленно, особенно с высокого режима, такого как взлетный. Лучше избегать быстрого изменения нагрузки на двигатель, как увеличения, так и уменьшения мощности, т.к. в этих условиях часто происходят отказы.
При длительном снижении на малой мощности, во избежание излишнего охлаждения двигателя, требуется открытие дроссельной заслонки на короткие периоды. Также необходимо закрыть створки капота, если они имеются. Это предотвратит термический удар двигателя при возвращении на высокий режим.
Следите за правильностью соотношения компонентов топливовоздушной смеси. Слишком бедная смесь на высоком режиме и низких высотах может вызвать детонацию. В зависимости от рекомендаций производителя двигателя, при крейсерском полете на высоте смесь часто обедняют. В очень жаркую погоду даже на высоте 1000 футов над средним уровнем моря высота по плотности может составлять несколько тысяч футов. В данных условиях для эффективной работы двигателя может требоваться обеднение смеси.
13. Причины неустойчивой работы двигателя.
Двигатель. Неустойчивая работа двигателя может быть постоянной или переменной. Если двигатель переходит в неустойчивый режим, немедленно обратитесь к приборам контроля для определения причины этого. В любом случае необходимо обратиться к процедурам «Руководства по летной эксплуатации». Их совершенное знание обязательно. Ниже перечислены некоторые причины неустойчивой работы двигателя.
Недостаточная подача топлива. Индикатор количества топлива показывает «пусто», и переключатель топливных баков с позицией на данный бак будет требовать немедленный выбор нового источника топлива, если неустойчивая работа не приводит к полной потере мощности. При любой смене топливных баков или предполагаемой проблеме с подачей топлива в двигатель, вам необходимо включить подкачивающие топливные насосы (если они установлены) для создания постоянного давления топлива.
Обледенение карбюратора. Присутствие влаги, особенно при высокой влажности, может привести к образованию льда в карбюраторе. Это вызывает потерю мощности с возможностью выхода на неустойчивый режим работы. Датчик температуры воздуха карбюратора поможет выявить эту причину.
Нагрев карбюратора. Применение полного нагрева карбюратора вызовет первоначальное ухудшение эксплуатационных характеристик (падение оборотов для воздушного винта фиксированного шага), сопровождающееся увеличением мощности и более плавной работе, когда лед удален. Первоначальное уменьшение мощности вызвано тем, что плотность горячего воздуха, поступающего в карбюратор, ниже. Смешение с тем же количеством топлива, что и до применения нагрева, приводит к обогащению смеси. По мере таяния льда и повышения расхода воздуха мощность увеличивается и неустойчивая работа устраняется.
При отсутствии обледенения карбюратора применение нагрева так же вызовет понижение оборотов воздушного винта фиксированного шага. Но за этим не последует повышение оборотов, т.к. отсутствует лед, требующий удаления.
Если двигатель не оборудован датчиком температуры карбюратора, нагрев может либо быть полностью включен, либо полностью отключен (или горячий, или холодный). Промежуточные режимы могут ухудшить ситуацию, косвенно уменьшая температуру, что приводит к нарастанию еще большего количества льда. Прочитайте еще раз параграф об обледенении карбюратора главы 17.
Т.к. при включенном нагреве в карбюратор часто попадает не фильтрованный горячий воздух (отличный от нормального воздуха, затягиваемого в карбюратор), рекомендуется не применять нагрев во время работы на земле, это может привести к попаданию пыли и грязи в двигатель и систему смесеобразования.
Неправильное смесеобразование. Продолжительный набор высоты постепенно приводит к обогащению ТВС, т.к. уменьшается плотность воздуха, что является причиной возникновения неустойчивого режима работы до тех пор, пока смесь правильно не обеднить. При продолжительном снижении требуется переместить регулятор смеси в положение ОБОГАЩЕНИЕ.
Повреждение системы зажигания от магнето. Выбирайте низкий крейсерский режим и каждый магнето индивидуально. Если двигатель работает плавно на одном конкретном магнето и неустойчиво на другом или обоих магнето, выбирайте систему магнето, обеспечивающую более плавную работу. Рассмотрите посадку на ближайшем подходящем аэродроме – двигатель все еще будет работать удовлетворительно, но отказ системы второго магнето может оставить вас вовсе без единого.
Повышенный расход топлива и масла. Это может не повлечь за собой появление неустойчивой работы или заметного ухудшения при кратковременной работе, однако это событие приводит к ухудшению характеристик двигателя, причины которого должны быть выяснены. Проверьте на утечки крышки заливных горловин топлива и масла. Сообщите о повышенном расходе наземному инженеру.
Воздушный винт. Вибрация или неустойчивая работа часто говорит о возникновении проблемы или ее неизбежном приближении. Вибрацию может вызвать дисбаланс винта. Если вибрация вызвана повреждением винта, разбалансировкой из-за забоин на лопастях и т.д., понижение оборотов или воздушной скорости может снизить вибрацию. Но это только временная мера до посадки самолета.
Если вибрация не снижается, а нарастает, это может говорить о потере болтов крепления винта к валу. В этом случае рекомендуется заглушить двигатель. Если вы подозреваете этот дефект на самолете с одним двигателем, предусматривается вынужденная посадка как можно быстрее.
Для ликвидации дисбаланса, вызванного обледенением лопастей винта, необходимо устранить лед.
14. Особенности запуска двигателя в различных условиях.
Запуск двигателя
Убедитесь, что все соответствующие меры предосторожности выполнены. Расположите самолет перед стартом так, чтобы в зоне непосредственной близости не было препятствий, других самолетов, открытых створок ангара, установок заправки топливом и траектория руления была свободна.
Установите парковочный тормоз или тормозные колодки, чтобы избежать сложных и опасных ситуаций, когда самолет начинает самопроизвольное движение. Не желательно устанавливать тормозные колодки у носового колеса из-за их близости к винту. Установка колодок за основными стойками безопаснее для самолета с одним двигателем.
Будьте осведомлены о готовности противопожарного оборудования на случай необходимости. Убедитесь, что в непосредственной близости нет открытого огня, сигарет и разлива топлива.
Будьте готовы немедленно прекратить запуск при возникновении проблем или, если кто-либо попадет в опасную зону около винта.
Запуск двигателя при низких температурах
Запуск двигателя при низких температурах обычно предполагает некоторую подготовку (обеспечение начального впрыска топлива в цилиндр). Многие самолеты имеют в кабине насос для подкачки топлива при запуске двигателя (электрический или ручной).
В экстремально холодных условиях (близких к нулю или ниже, а также обледенении и морозе) правильно делать прокрутку двигателя в два-три оборота (пусковые магнето должны быть отключены и рассмотрена прокрутка так же и в обратном направлении). Это разработает масляные уплотнения в движущихся частях, уменьшит сопротивление трения внутри двигателя. Электрическая нагрузка на стартере и батарее снизится – в этом отличительная черта запуска, это не означает разрядку батареи.
Запуск горячего или перезалитого двигателя
Запускайте двигатель при установленном регуляторе смеси в положении МАЛЫЙ ГАЗ ВЫКЛЮЧЕНИЕ, тогда топливо больше не будет поступать в цилиндры. Когда соотношение компонентов в смеси достигнет правильного баланса, произойдет зажигание. На этой стадии регулятор смеси необходимо переместить в положение ОБОГАЩЕНИЕ для обеспечения непрерывной подачи топлива.
Если зажигания не происходит, когда вы поймете, что цилиндры очистились после нескольких оборотов прокрутки, переместите регулятор смеси в положение ОБОГАЩЕНИЕ для пуска топлива в цилиндры.
Вам необходимо знать рекомендуемые «Руководством по летной эусплуатации» процедуры. Они отличаются для разных самолетов и двигателей. Вы должны понимать причины определенных рекомендуемых процедур и когда допустимо их немного изменить – для залитого двигателя или для повторного запуска горячего двигателя предусмотрена процедура, отличная от запуска холодного двигателя при низких температурах воздуха.
Запуск двигателя с непосредственным впрыском топлива
Для запуска горячего двигателя существует несколько отличная технология. Горячий воздух и пары могут помешать подаче топлива по узким топливным магистралям при запуске двигателя с непосредственным впрыском.
Одним из способов является включение подкачивающих топливных насосов. Это создает давление в топливной линии до топливного регулятора, удаляя все пары в этой части системы. Оставьте регулятор смеси в положении МАЛЫЙ ГАЗ ВЫКЛЮЧЕНИЕ, т.о. топливо не попадет в цилиндры, а вернется назад в бак.
Некоторые двигатели требуют открытия дросселя для увеличения режима работы подкачивающего насоса. Через 15-20 секунд узкая топливная магистраль до топливных форсунок очистится от паров и наполнится топливом.
Небольшое количество топлива попадет в топливные форсунки рядом с цилиндрами, т.о., запуск с дросселем, установленным на МГ, может выполняться без воспламенения.
15. Ручная прокрутка винта.
Не выполняйте ручную прокрутку винта без соблюдения требований соответствующей инструкции!
Проверьте тормоза и колодки. Выполните штатные процедуры запуска до момента включения стартера. Удостоверьтесь, что дроссель установлен в положение «Малый газ» или рядом с ним. Не трогайте винт, пока не проверите, что переключатели зажигания выключены. Установите винт в положение, удобное для прокрутки – целью является провернуть (сильно потянув) его в такт сжатия.
Непосредственно перед попыткой запуска необходимо проверить отсутствие просторной одежды, которая может зацепиться за вращающийся винт и наличие крепкой опоры, т.к. после прокрутки ваше тело будет сдвигаться к плоскости вращения винта.
Винт необходимо держать вблизи законцовки лопасти. При включенном зажигании потяните лопасть с доводкой, т.о., чтобы в случае пожара двигателя ваше тело имело естественное стремление в противоположную сторону от плоскости вращения пропеллера. Всегда будьте предельно осторожны при обращении с винтом.
16. Остановка двигателя.
Перед остановом двигателя обычно рекомендуется выполнить цикл охлаждения на МГ. Это позволяет выполнить постепенное охлаждение и дает время оценить состояние двигателя и любые нештатные показания, а также, если необходимо, выполнить проверку выключения системы зажигания.
Большинство двигателей выключаются в положении малой мощности, переводом регулятора смеси на МАЛЫЙ ГАЗ ВЫКЛЮЧЕНИЕ, при этом из цилиндров удаляется топливо. Все переключатели устанавливаются в положение ВЫКЛ. После останова двигателей рекомендуемыми нормами являются:
17. Работа двигателя при постоянной частоте вращения винта.
В то время как почти все тренировочные самолеты оборудованы воздушными винтами фиксированного шага, на которых частота вращения контролируется дросселем, более совершенные самолеты, которые вам вскоре придется эксплуатировать, оборудованы воздушными винтами изменяемого шага, управляемыми блоком постоянной частоты вращения (CSU).
Винт изменяемого шага обладает лучшими характеристиками при взлете, наборе высоты и в крейсерском режиме, т.к. можно задавать шаг винта для достижения оптимальной тяги на каждом этапе полета. В крейсерском режиме (основном режиме полета) силовая установка (двигатель-винт) может работать, имея оптимальные характеристики, лучшие показатели расхода топлива и скорости полета.
Рис. 21-1. Регулятор CSU
CSU управляет двигателем с помощью следующих функций:
Производимая мощность является результатом произведения частоты вращения на давление наддува (МР).
Средняя мощность может достигаться произведением высокой частоты вращения на меньшее МР, высокого МР на меньшую частоту вращения или среднего МР на среднюю частоту вращения.
При увеличенной частоте вращения чрезмерное давление наддува может вызвать следующие изменения:
Производитель рекомендует определенные режимы работы (комбинации частоты вращения и МР) для достижения желаемой тяги, которые были проверены и установлены как удовлетворительные для данного двигателя. Наиболее эффективная (для расхода топлива) комбинация частоты вращения с МР обычно использует наименьшие обороты и наибольшее значение МР для достижения желаемой тяги. При данной комбинации получается меньше потерь на трение в связи со снижением оборотов.
Режимы с более высоким значением частоты вращения могут увеличить расход масла и ограничить объемный КПД двигателя из-за потерь на трение воздуха во входном коллекторе.
На рисунке 21-2 показана таблица типичных режимов работы. Для получения промежуточных значений требуется интерполяция. Таблица предупреждает эксплуатанта о необходимости изучить максимально допустимые предельные значения давления наддува.