|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ОСОБИСТИЙ ТРАНСПОРТ: НАЗЕМНИЙ, ВОДНИЙ, ПОВІТРЯНИЙ
Двигун для літального апарату. Особистий транспорт
Довідник / Особистий транспорт: наземний, водний, повітряний Одна з головних проблем, з якою доводиться стикатися з самодіяльним конструктором моторного літального апарату, - підбір або виготовлення силової установки необхідної потужності, ваги та економічності. Це завдання вирішується зазвичай, виходячи з наявних можливостей та досвіду будівництва подібних агрегатів.Безсумнівно, що й конструкторами може бути як технічно грамотні люди, і недостатньо знайомі з основними положеннями теорії ДВС. У цій статті ми спробуємо дати аналіз двигунів, представлених на минулий Московський зліт надлегких літальних апаратів, і кілька порад щодо вибору параметрів ДВС, дотримання яких скоротить порівняно дорогий і довгий шлях пошуку, допоможе суттєво знизити ймовірність технічного ризику. Всі ДВЗ літальних апаратів, представлених на зліт, можна поділити на три категорії: 1. Серійні (човнові, мотоциклетні, ДВС від снігохідної техніки, автомобільні), пристосовані без переробок. 2. Власної конструкції, із широким застосуванням деталей серійних моторів. 3. Оригінальні розробки, виконані "з аркуша". Ці мотори, у тому числі і конкурсні, зведені в таблицю № 1. У графі 1 по вертикалі вказана їхня ефективна максимальна потужність Ne макс, що витрачається на обертання повітряного гвинта, за допомогою якого крутний момент на його валу Мкр перетворюється на осьову тягу. Для судження про потужність силового агрегату, побудови характеристик гвинтомоторної групи, підбору гвинта та ув'язування його з двигуном потрібно мати зовнішню характеристику, криву граничних потужностей, які може розвинути мотор на різних оборотах при повністю відкритому дроселі. Точні дані можна отримати при випробуванні на гальмівних стендах, що не кожному любителю доступно. Існує наближений спосіб побудови зовнішньої характеристики на основі теоретичних розрахунків, якщо є хоча б одна точка потужності та оборотів колінчастого валу (вони зазвичай вказуються в заводських даних). Таблиця 1 (натисніть , щоб збільшити)
Цей спосіб полягає в тому, що при постійному складі паливної суміші потужність, що витрачається на подолання внутрішніх втрат, змінюється приблизно пропорційно до квадрата числа оборотів. Позначимо:N1 - Індикаторна потужність, л. с.; Nтр - Потужність, що витрачається на подолання сил тертя поршнів, насосних втрат при продуванні, обертання агрегатів запалювання, розподілу і т. д.; Ne - Ефективна потужність; N1', Nтр', n' про/хв - поточні значення потужностей та оборотів. тоді:N1'=N1*(n'/n), (1) Nтр'=Nтр*(n'/n)2. (2) Потужність Nтр оцінюється механічним ККД (ηм), який знаходиться в межах 0,8-0,9 для двигунів зі швидкістю обертання коленвала 4000-6000 об/хв і 0,6-0,8 для швидкохідніших.Наприклад проведемо побудова цим способом зовнішньої характеристики двигуна РМЗ-640. Заявлена заводом максимальна ефективна потужність: Ne макс= 27 л. с. при 5250 об/хв. Механічний ККД приймаємо ηм=0,87, тоді індикаторна потужність N1=Ne макс/ηм= 27/0,87 = 31 л. с. Потужність тертя: Nтр=N1-Ne макс= 31-27 = 4 л. с. Визначимо за формулами (1, 2) N1', Nтр', Ne', попередньо задаючись рядом значень оборотів n про/хв, і зводимо результати табл. 2. За цими даними будуємо зовнішню характеристику Ne= f (n) (рис. 1). Таблиця 2
Розрізняють максимальну (або злітну), номінальну та експлуатаційну максимальну потужність. Максимальну потужність Ne макс отримують під час роботи двигуна при повному відкритті дроселя землі. Такий режим двигуна виявляється напруженим і обмежується 3-10 хв. Потужність менша за максимальну на 10-15% називається номінальною (Ne ном). Користуватися нею можна протягом тривалого, але обмеженого часу, трохи більше 1-1,5 години. Експлуатаційна потужність (Ne екс) менше максимальної на 25-30%, час роботи двигуна на цій потужності не обмежений. Обороти, що відповідають видам потужностей, називаються максимальними, номінальними та експлуатаційними. Сама по собі потужність двигуна ще не свідчить про його переваги, оскільки її потрібно співвідносити з його масою (див. графу 2). Маса великою мірою впливає на конструкцію авіаційного двигуна, визначаючи ступінь напруженості всіх деталей. Розрізняють суху масу та польотну. У суху масу двигуна в авіації прийнято включати масу таких вузлів, як карбюратор, трубопроводи, що всмоктують, магнето, свічки і проводи до них, деталі пускової системи, фланці вихлопних патрубків (але не самі патрубки), дифлектори, бензинові та масляні насоси. При підрахунку сухої маси не враховуються повітряний гвинт та його втулка, капот, вихлопні патрубки, водяний радіатор, енергогенератор, контрольні та вимірювальні прилади та проводка до них.У польотну масу гвинтомоторної установки входить маса всіх агрегатів, необхідних для польоту, із заповненими олією та паливом баками. Політна маса як об'єктивний критерій вагової якості мотора незручна тим, що в ній враховуються вантажі, що витрачаються (паливо, масло), що залежать від призначення і типу літального апарату. Сумарна маса цих компонентів нелегко піддається визначенню, тому маса двигуна характеризується менш повним, але більш точно окресленим поняттям сухої маси. У графі 3 показана порівняльна оцінка двигунів різної потужності по питомій масі. g=Gдв/Ne max, де Gдв - Суха маса двигуна, кг; Ne макс - максимальна потужність, л. с. При обчисленні питомої маси зазвичай суху масу мотора відносять до максимальної потужності. Питома маса - одне із найважливіших показників якості авіаційного двигуна. Питома маса у сучасних західних ДВЗ для СЛА становить 0,5-0,6 кг/л. с., у найкращих представників 0,25-0,4 кг/л. с. Наприклад, питомі маси двотактних ДВС для СЛА американської фірми "Колбо Корп": g кг/л. с. Ne макс HP 0,32 6 0,25 18 0,23 25 Статистика з двигунів, представлених на зліт, дає такі показники: 34% всього парку ДВС має від 0,61 до 0,91 кг/л. с., решта 66% - від 1 до 2 кг/л. с., що у 4-5 разів більше, ніж у спеціальних двигунів для надлегких літальних апаратів.Найкращий показник у конкурсного двигуна М-18: g=0,34 кг/л. с., найгірший 2,04 кг/л. с. у двигуна "Дніпро" МТ-10. З теорії подібності відомо, що для геометрично подібних двигунів маса пропорційна кубу діаметра циліндра, а потужність пропорційна квадрату діаметра, тобто g=Gдв/Ne макс=A*(D3/D2) = AD. На практиці це співвідношення не дотримується, тому що строга геометрична подібність між однойменними деталями різних розмірів неможливо через те, що перерізи багатьох деталей задані умовами виробництва; ливарною товщиною, жорсткістю, умовами монтажу тощо, тому ці розміри перерізів можна вважати постійними. Тоді: Gдв=AD2. Статистика показує, що двигуни середнього та великого розміру добре дотримуються цієї залежності, таким чином: g=Gдв/Ne макс=A*(D2/D2) = A = const. Ця залежність порушується в області малих D у бік збільшення маси і пояснюється не лише вище перерахованими технологічними причинами, але й тим, що маса обслуговуючих агрегатів – магнето, свічок, карбюраторів тощо – мало залежить від розмірів мотора. Відносна маса цих деталей, незначна при великих розмірах двигуна, зростає із зменшенням об'єму двигуна (рис. 2).
У графі 4 наведено значення літрової потужності, ця величина є важливим параметром досконалості двигуна. Як відомо, потужність двигуна: Ne макс=(Pe*Vs*nМакс)/(225*i), де Pe - середній ефективний тиск, кг/см2, Vs - робочий об'єм двигуна, см3, n - швидкість обертання, об/хв, і – тактність. Звідси літрова потужність виразиться: Nл=Ne макс/Vлл. с./л. Зі збільшенням літрової потужності зменшуються габарити двигуна та його маса. За літровою потужністю найвищі показники у двотактного двигуна ІЖ-"Спорт", Nл= 91,5 л. с./л, найменша у двотактного двигуна "Шкода" – 39 л. с./л. Близько 80% представлених двигунів мають Nл від 46 до 63 л. с./л. У поширених у країнах двотактних двигунів для СЛА " Ротапс " , " Хірт " , " Кьюн " , " Кавасаки " , - Nл=80...105 л. с./л. Таким чином, двигуни, представлені на зліт, мають резерви для форсування. З теорії подібності відомо, що літрова потужність обернено пропорційна діаметру циліндра, тобто: Nл=A/D, причому fохл=Fохл/Us=D2/D3=A/D, де fохл - відношення поверхні охолодження до об'єму циліндра, Fохл - Поверхня охолодження, Us - об'єм циліндра, тобто зі зменшенням діаметра циліндра збільшується площа охолоджуючої поверхні на одиницю об'єму, що покращує охолодження циліндра малого діаметра, збільшує втрати тепла та знижує термічний ККД ηt, але одночасно це дозволяє збільшити ступінь стиснення та компенсувати падіння ηt, тобто зростання термічної ефективності очікувати годі було. У графі 5 вказано тактність двигунів.Спробуємо вирішити, який двигун найбільше підходить для СЛА - чотиритактний або двотактний. Почнемо з рівня витрати пального. У двотактного ДВЗ 400-450 г/л.с.ч., у чотиритактного ДВЗ 200-250 г/л.с.ч., тобто питома витрата у двотактного двигуна в середньому в 2 рази вище, ніж у чотиритактного. Але останній може виявитися менш вигідним для СЛА через більшу масу і більший повітряний опір, тому що частина ефективної потужності витрачається на переміщення більш важкого двигуна в повітрі і на подолання його шкідливого опору. Тому економічність польоту найповніше характеризується витратою пального на тонно-кілометр. Цей показник, крім економічності, враховує також величину повітряного опору гвинтомоторної установки, ККД гвинта та інших показників, словом, всю сукупність чинників, визначальних ступінь досконалості літального апарату. Підрахуємо сумарну масу двигуна та часового запасу палива для чотирьох- та двотактних двигунів. Візьмемо застосовувані на СЛА близькі за потужністю та обсягом двигуни "Дніпро" МТ-10 та "Вихор". Запас палива на 1 годину для МТ-10 у gc=200 г/л.с.ч - 7,2 кг, а для "Вихря" при gc= 400 г/л.с.ч – 12 кг. Сумарна маса двигуна та палива 67,2 кг - для двигуна "Дніпро" МТ-10 та 36 кг для двигуна "Вихор". Таким чином, гвинтомоторне встановлення на базі чотиритактного двигуна значно важче, ніж на базі двотактного. Маса ВМУ для СЛА має велике значення, так як становить 25-35% маси порожнього СЛА.Застосування для виготовлення СЛА нових матеріалів, технологій, профілів викликає появу конструкції з малою масою планера. І тут відносна маса ВМГ ще більше зросте. Чотирьохтактні двигуни матимуть незаперечну перевагу перед двотактними при далеких перельотах, коли вирішальною стає питома витрата палива. Ми вже говорили про вплив об'єму циліндра (див. табл. 1) на питому масу та літрову потужність. Тепер розглянемо вплив розмірів циліндра на індикаторний ККД. Нагадаємо, що індикаторний ККД ηі - Відношення теплової енергії, зверненої в роботу, до всієї підведеної в двигун. Оскільки обсяг змінюється пропорційно кубу діаметра D3, а поверхня квадрату діаметра циліндра D2, то теплові втрати в двигунах аналогічних конструкцій обернено пропорційні їх розмірам. Звідси випливає, що за інших рівних умов індикаторний ККД зростає зі збільшенням діаметра циліндра (при одній швидкості швидкості поршня).Таким чином, термічна ефективність ДВЗ малих розмірів буде порівняно низька, і питома витрата палива у них буде вищою. У таблиці 1 дано розміри циліндра, поршня та його відносний хід S/D. Ці параметри тісно пов'язані між собою, тож розглянемо їх разом. Практично всі двигуни, про які йдеться, мають відносний хід менше одиниці, причому короткохідні двигуни мають ряд переваг перед довгохідними: тут і можливість розміщення каналів великого поперечного перерізу, що збільшують наповнення циліндра; та зменшення середньої швидкості поршня, що сприяє збільшенню механічного ККД. Нарешті, короткохідні ДВС компактніші за довгохідні.Наступний показник – швидкість поршня Vср=(S*n)/30, де S -хід поршня, м; n - частота обертання коленвала, об/хв. Середня швидкість руху поршня для двигунів, поданих у таблиці, від 8,4 м/с до 17 м/с. Цей показник серйозно впливає на динамічне навантаження деталей двигуна, наповнення циліндра та величину енергії, що витрачається на тертя поршнів та підшипників. Середня швидкість поршня спеціальних двигунів СЛА 12-15 м/с. Частота обертання коленвала (див. таблицю 1) силових установок, що розглядаються - від 4500 об/хв до 8000 об/хв. Відомо, що потужність ДВЗ залежить від його швидкохідності. Однак форсування супроводжується різким (пропорційно квадрату числа оборотів) зростанням сил інерції обертових і поступово рухомих мас деталей двигуна і, як наслідок, збільшенням втрат на тертя, що вимагає посилення механічної міцності деталей двигуна та зміни умов роботи підшипників. З іншого боку, підвищення обертів лімітується охолодженням головки циліндра, поршня, свічок, оскільки з підвищенням обертів збільшується тепловідведення від циліндра. Крім того, швидкість обертання обмежується середньою швидкістю поршня, зі зростанням якої гідравлічні втрати на продуванні різко збільшуються (пропорційно квадрату швидкості поршня), що зменшує наповнення та знижує потужність двигуна. Водночас підвищення частоти обертання до певної межі покращує ηі. У таблиці 1 наведено також середній ефективний тиск і ступінь стиснення. З формули потужності видно, що є два головні напрямки збільшення потужності - це підвищення швидкохідності та тиску Pe. Вплив оборотів на потужність ми розглянули раніше. Подивимося, як можна підвищити Рe. Цього легко досягти збільшенням Е – ступеня стиснення (для двотактних двигунів застосовується ефективний ступінь стиснення). Eеф= (Vеф+Vкс)/Вкс, Де Eеф - ефективний об'єм, що описується поршнем від верхньої кромки вихлопного вікна до ВМТ, Vкс - Об'єм камери згоряння (див. табл. 3). Таблиця 3
Цей спосіб добрий тим, що він простий і, крім приросту потужності, веде до зменшення витрати палива. Однак він має недоліки. Збільшення Е супроводжується зростанням температури та тиску в кінці такту стиснення, що викликають різке підвищення тиску згоряння Рe, а отже, викликає необхідність у більш міцних деталях, посилює вимоги до палива та олії. Однак ефект збільшення потужності від підвищення Рe має фізичні межі – більше ніж на 15-20% таким чином потужність не збільшити. При ступенях стиснення 10-12 зростання потужності вже незначне. До якої межі можна збільшувати ступінь стиснення з погляду практичних вигод? Підйом Pz та ηt можна простежити у разі зростання Е від 4 до 8. Опускаючи розрахункову сторону, наведемо результат. Ступеням стиснення Е, рівним 4, 5, 6, 7, 8, відповідають тиску згоряння Pz 25,3 кг/см2, 34 кг/см2, 44,0 кг/см2, 54,2 кг/см2 та 65,5 кг/см2. Звідси видно, що зі збільшенням Е від 7 до 8 ми виграємо у ККД ηt лише 4,6%, тоді як тиск згоряння підвищується з 54,2 до 65,5 кг/см, тобто на 20%. Отже, на практиці потрібно йти на компроміс між оптимальними ступенем стиснення та ηt (Див. графік). Для практичного користування можна порекомендувати величини максимально вигідних ступенів стиснення при роботі на пальному, що не детонує за всіх обставин. Інший спосіб підвищення Рe полягає у збільшенні тиску суміші на впуску. У двотактних двигунів підвищення Рe досягається застосуванням резонансних труб на всмоктуванні та вихлопі (ефект Каденасі, відкритий ним у 1903 році та вперше реалізований на двигуні фірми "Юмо" у 1923 році, коли було отримано збільшення потужності на 60%). Налаштована система вихлопу, наприклад, збільшує потужність до 30-40% без великого зростання маси двигуна, до того ж покращуючи його економічність. Підвищення Рe у чотиритактних двигунів пов'язане зі значно більшими труднощами. Навіть просте зміна фаз газорозподілу поставить конструктора перед серйозним технологічним і конструкторським завданням виготовлення розподільного валу, розточування сідел та встановлення нових клапанів тощо. Наша статистика дає наступні Рe: для чотиритактних ДВЗ від 9,5 до 10 кг/см.2, двотактні мають від 3,6 до 6,6 кг/см.2, у 40% двотактних двигунів Рe коливається від 5,1 до 6,5 кг/см2що є непоганим показником. Водночас у двигуна РМЗ-640 (одного з найпоширеніших на зльоті) Рe складає всього 3,6 кг/см2що свідчить про резерви підвищення його потужності. Довівши Рe до 5 кг/см2тобто до середнього значення для двотактних ДВС, ми збільшимо Ne макс на 30-35%, отримавши 38-40 л. с. Автором була зроблена робота з поліпшення цього двигуна. Переробка полягала у виготовленні чотирьох додаткових продувних каналів з фазами на 2-3° менше основних, вікна в поршні та збільшенні Ееф. Ця доробка дозволила зняти 84 кг тяги на гвинті Ø = 1,08 м, з кроком Н = 0,5 м проти 70 кг до переробки. По таблиці 1 можна простежити значення редукції на гвинт. Відомо, що ККД гвинта залежить від величини динамічного кроку: λ=V/nc*D, де V – швидкість польоту, м/с; nc - Число оборотів гвинта в сек; D – діаметр гвинта, м. ККД гвинта має максимум при значенні =1-1,5; при більшому і меншому значенні ККД гвинта падає. Звідси видно, що швидкість польоту та кількість обертів гвинта повинні бути у певному співвідношенні. У сучасних швидкохідних моторів ККД гвинта сильно падає, до 0,3-0,5, внаслідок зменшення динамічного кроку, особливо при встановленні двигуна на тихохідні літальні апарати. Тому виявляється вигідним наводити гвинт не від коленвала, а через знижувальний редуктор.Майже половина двигунів на СЛА має редукцію на гвинт від 0,38 до 0,7, що зумовлює збільшення статичної тяги на 80-100%. Таким чином, застосування понижуючого редуктора на швидкохідних моторах, що встановлюються на тихохідні СЛА, є дуже бажаним. У таблиці 1 показано вплив гвинта на статичну тягу. Тяга гвинта Р=L a*р*nc2*D4, де а - коефіцієнт тяги; р – масова щільність повітря; nc - Число оборотів гвинта, с; D – діаметр гвинта, м. Видно, що виграш у тязі від збільшення діаметра гвинта виходить значнішим. Наприклад, збільшення D на 5% підвищує потяг на 21%, а на 10% дає зростання на 46%.Зупинимося коротко на можливих шляхах конструктивного рішення ДВС для СЛА. Видається два шляхи. Перший - створення нових двигунів із використанням новітньої перспективної технології, з оптимізацією параметрів робочого процесу; другий - розробка їх на базі вже існуючих та перевірених тривалою практикою, шляхом необхідної модифікації. Перший шлях дасть найкращі результати, але вимагатиме великих матеріальних витрат, проведення дослідницьких та теоретичних робіт. Та й терміни створення таких ДВЗ будуть великі, тому що технічна культура виробництва авіаційних поршневих двигунів багато в чому втрачена з переходом на газотурбінні.Другий шлях пов'язаний з меншим технічним ризиком і може бути здійснений значно менші терміни. Вихідною базою для створення двигунів можуть служити ті, що випускаються нашою промисловістю і широко застосовуються любителями "Вихор", РМЗ-640, "Нептун", "Привіт". Ці машини компактні, мають малий "лоб", динамічно врівноважені, мають рівномірний крутний момент і невисоку швидкість обертання колінчастого валу. Торкаючись особливостей конструкції двигунів, можна відзначити, що основне число ДВЗ зльоту (78%) мали швидкість обертання колінвала 5000-6500 об/хв, що можна вважати оптимальним. Застосовуючи редукцію на гвинт 0,4-0,6, вдається отримати компактний редуктор (клинопасовий або простий зубчастий). При збільшенні швидкохідності зростає редукція на гвинт, що вимагатиме переходу на багаторучкові шківи через зменшення кута охоплення ведучого шківа для клинопасової передачі, що "потягне" за собою збільшення довжини і діаметра консолі валу гвинта (і як наслідок - ваги установки) або викличе необхідність переходу на планетарну передачу (двигун Ст Фролова, з n=8000 об/хв). Питома маса грамотно спроектованого та виготовленого зубчастого редуктора для ДВЗ малих обсягів становить 0,14-0,15 кг/л. с., і за високих оборотах двигуна він може "з'їсти" весь виграш за питомою масою. Автору представляється й інше рішення двотактного ДВЗ для СЛА. Пам'ятаючи, що питома вага двигуна обернено пропорційна діаметру циліндра, можна збільшити об'єм мотора до 1,5-2,0 л, обмеживши швидкість обертання коленвала в межах 2400-2600 об/хв. Помірні середні швидкості поршня (7-8 м/с) благотворно позначаться на механічному ККД. У такому двигуні легше організувати газодинаміку, що призведе до збільшення коефіцієнта наповнення циліндра. Система безпосереднього упорскування палива низького тиску поставить такий двигун в один ряд із чотиритактними машинами за питомою витратою палива. Застосування негільзованих циліндрів із нікосиловим покриттям або керамікою ще більше знизить питому вагу. Такий двигун може виявитися легшим, ніж швидкохідний ДВС тієї ж потужності з редуктором. Насамкінець відзначимо ще одну проблему, поставлену перед конструкторами СЛА майбутніх зльотів, пов'язану з глушінням шуму вихлопу. 87% парку двигунів зльоту експлуатувалися без глушників. Звуковий тиск вихлопу двотактних ДВС без глушника на відстані 2 м від зрізу вихлопного вікна досягає 130-140 дБ, що відповідає больовому порозі відчуттів. Перебувати під впливом звуку такої потужності дуже втомлює та шкідливо. Для двотактних ДВС налаштований глушник навіть бажаний, оскільки підвищує потужність та економічність. На підставі розглянутого можна сформулювати загальний підхід до створення ДВС для СЛА:
Автор: В.Новосельцев
▪ Проста заміна олії у двигуні
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ 60-ГГц приймач з вбудованим самокалібруванням ▪ Блокування принтерів за неоплачену передплату ▪ 7-нм процесор ARM для самоврядних авто ▪ Антистресова музика для котів
▪ Розділ сайту Електрику. ПУЕ. Добірка статей ▪ стаття Без папірця - ти комашка. Крилатий вислів ▪ стаття Звідки виникла англійська традиція п'ятигодинного чаювання? Детальна відповідь ▪ стаття Сдутоплодник волохатий. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Імітатор звучання альтома. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Магічна тростинка. Секрет фокусу
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page