Авиационные поршневые двигатели

Авиационный двигатель является основой всякой силовой установки летательного аппарата. Все наиболее значительные достижения в авиации связаны, главным образом, с созданием более совершенных типов самолетных силовых установок.

Полет самолета связан с непрерывным расходом механической энергии на преодоление сопротивлений, возникающих при движении самолета в воздухе. Механическую энергию, необходимую для полета самолета, можно получить из энергии другого вида, например, из тепловой или электрической энергии. Машины, при помощи которых происходит преобразование тепловой энергии в механическую, называются тепловыми двигателями. Все современные авиационные двигатели относятся к числу тепловых двигателей. В настоящее время в авиации применяются два основных типа тепловых двигателей: поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинные двигатели (ГТД).

В поршневом двигателе преобразование теплоты, выделяющейся при сгорании топлива внутри цилиндра двигателя, происходит путем последовательного чередования следующих процессов:

1) впуска воздуха или топливовоздушной смеси в цилиндр; 2) сжатия рабочего тела; 3) сгорания топливовоздушной смеси; 4) расширения продуктов сгорания; 5) выпуска отработавших газов.

Передача работы от газа в цилиндре двигателя к выходному валу ДВС производится при помощи кривошипно-шатунного механизма, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

По расположению цилиндров поршневые авиадвигатели делятся на две группы: рядные двигатели, у которых цилиндры расположены один за другим, V-образные, оппозитные, звездообразные (могут быть 1-рядными, 2-рядными и т.д.);

По способу организации рабочего процесса: 2-тактные и 4-тактные.

По способу приготовления горючей смеси - на карбюраторные и двигатели с непосредственным впрыском. В карбюраторных двигателях приготовление топливовоздушной смеси (ТВС) происходит вне цилиндра, – в карбюраторе. В двигателях с непосредственным впрыском смесеобразование происходит непосредственно в цилиндрах.

По способу воспламенения смеси - на двигатели с электрическим запалом (двигатели легкого топлива), к которым относится большинство современных бензиновых авиадвигателей, и двигатели с воспламенением от сжатия, называемые дизелями (двигатели тяжелого топлива).

По способу охлаждения - на двигатели жидкостного охлаждения и двигатели воздушного охлаждения. В качестве охлаждающей жидкости чаще всего применяется вода, но могут применяться и другие жидкости, имеющие, например, высокую температуру кипения (этиленгликоль) или низкую температуру замерзания (антифриз).

В настоящее время на летательных аппаратах (ЛА) находят применение в основном 4-тактные поршневые двигатели легкого топлива с воздушным охлаждением. По сравнению с другими типами поршневых ДВС они в большей степени удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к силовым установкам ЛА с небольшими дозвуковыми скоростями полета: имеют хорошую экономичность, сравнительно малый удельный вес, отличаются высокой надежностью и долговечностью в работе.

Основными рабочими элементами поршневого ДВС являются: цилиндр, внутри которого находится подвижный поршень, коленчатый вал и шатун, связывающий поршень с коленвалом. Основание, к которому крепятся все части двигателя и которое объединяет их в один целостный механизм, называется картером. Возвратно-поступательное движение поршня посредством шатуна передается коленчатому валу, который приходит во вращательное движение. Вращение от коленчатого вала сообщается воздушному винту.

В ДВС выделение тепла, сообщение его рабочему телу и преобразование тепловой энергии в механическую осуществляется внутри цилиндров двигателя. При этом топливо, смешанное с определенным количеством воздуха, вводится в цилиндр. В цилиндре эта смесь сжимается поршнем, в определенный момент воспламеняется и сгорает. После сгорания смеси образовавшиеся газы с высокой температурой и давлением давят на поршень и приводят его в поступательное движение.

Для заполнения цилиндра смесью топлива с воздухом и для очистки его от продуктов сгорания после использования их энергии в цилиндре имеются специальные окна, закрываемыевпускными и выпускными клапанами. Клапаны открываются при помощи специального механизма, который приводится в действие коленчатым валом. Этот механизм состоит из кулачкового (распределительного) валика, связанного с коленчатым валом какой-либо передачей, и клапанных рычагов, действующих непосредственно на клапаны. Закрытие клапанов происходит под действием пружин, расположенных на головке цилиндра.

Смесь топлива с воздухом приготавливается в карбюраторе и по трубопроводу подводится к впускным клапанам цилиндров. К карбюратору топливо подается из бака топливным насосом. Воспламенение ТВС в цилиндре осуществляется электрической искрой, образующейся между электродами запальной свечи. Электрический ток, питающий свечу, вырабатывается магнето.

Продукты сгорания, имеющие высокую температуру (до 2500⁰), отдают часть своего тепла деталям двигателя и в первую очередь стенкам цилиндра. Поэтому нормальная работа двигателя возможна лишь при интенсивном охлаждении его цилиндров. При жидкостном охлаждении стенки цилиндра охлаждаются циркулирующей вокруг них жидкостью. Нагретая жидкость поступает в радиатор, где охлаждается воздухом, затем снова поступает к цилиндрам. Такова принципиальная схема устройства и работы поршневого ДВС.

Постановка задачи оптимизации циклов обусловлена известным положением термодинамики: термический КПД любого обратимого цикла меньше термического КПД цикла Карно, осуществляемого между заданными предельными температурами. Из всех возможных вариантов циклов максимальный КПД имеет, следовательно, тот вариант, процессы которого ближе к процессам цикла Карно. Таким образом, в качестве эталона ТД-совершенства циклов может быть принят цикл Карно.

Под оптимизацией обратимого ТД-цикла понимают отыскание такого варианта организации цикла, при котором его КПД максимально приблизится к КПД обратимого цикла Карно.

1. Термический КПД обратимого ТД-цикла с переменной температурой в процессах подвода и отвода теплоты равен термическому КПД эквивалентного цикла Карно с предельными температурами Т_1СИ и Т_2СИ:

2. При р_MAX = idem и q₁ =idem наибольший КПД имеет обратимый ТД-цикл комби-Д с изобарным подводом теплоты, а наименьший – цикл с изохорным подводом теплоты.

3. В обратимом ТД-цикле комби-Д. с импульсной турбиной работа при одинаковых ограничениях больше, а термический КПД выше, чем в цикле с турбиной постоянного давления (рис.13).

Среднее давление цикла двигателя с охладителем после компрессора существенно больше, чем цикла двигателя без охлаждения, и следовательно, при одинаковой мощности габаритные размеры и масса двигателя могут быть уменьшены.

5. Термический КПД обратимого цикла двигателя с охлаждением после компрессора меньше КПД цикла двигателя без охлаждения. Объясняется это тем, что средняя температура в процессе подвода теплоты в цикле двигателя с охлаждением ниже.

Анализ обратимых ТД-циклов комби-Д. позволяет заключить, что цикл с изобарным подводом теплоты без охлаждения после компрессора имеет наибольший КПД при характерных условиях сравнения: одинаковой величине максимального давления цикла и равном количестве подведенной теплоты.

11. Характеристики авиационных поршневых двигателей

Для определения летных параметров самолета с данным двигателем необходимо знать зависимость мощности двигателя и удельного расхода топлива от оборотов двигателя, нагрузки на валу и высоты полета. Характеристики обычно представляются в форме графиков, в которых по оси ординат откладывается значение эффективной мощности, удельного расхода топлива и давления наддува, а по оси абсцисс – число оборотов или высота полета. Характеристики двигателя могут быть получены расчетным путем или по результатам испытания двигателя на стенде, основными из них являются внешняя, дроссельная и высотная характеристики.

Внешней характеристикой называется зависимость эффективной мощности и удельного расхода топлива от числа оборотов при максимальном давлении наддува. При работе двигателя по внешней характеристике состав смеси на всех оборотах остается постоянным, соответствующим максимальному значению мощности. Следовательно, внешней характеристикой определяются наибольшие мощности, которые может развить двигатель при данных оборотах коленчатого вала.

Снятие внешней характеристики производится на испытательном стенде. Изменение числа оборотов производится при этом путем изменения нагрузки на валу двигателя винтом изменяемого шага (ВИШ) или специальным воздушным (или гидравлическим) тормозом.

На рис.2 представлена типичная внешняя характеристика двигателя. С увеличением числа оборотов эффективная мощность двигателя сначала возрастает, при некоторых оборотах достигает максимального значения, а затем начинает падать, так как с увеличением оборотов рост мощности трения (Nтр = A.n²) опережает рост индикаторной мощности. Удельный расход топлива с_е с увеличением числа оборотов непрерывно увеличивается в связи с уменьшением механического КПД (с_е = с_i/ξ_m), индикаторный же расход топлива с_i остается постоянным.

Высотной характеристикой двигателя без наддува называется зависимость его эффективной мощности и удельного расхода топлива от высоты полета при постоянных оборотах и неизменном качестве смеси.

Двигатели без нагнетателя называют невысотными. У таких двигателей падение мощности с подъемом на высоту очень велико (на высоте 5000 м мощность в 2 раза меньше, чем на земле при тех же оборотах). Мощность, развиваемая двигателем на высоте при постоянных оборотах и постоянном коэффициенте избытка воздуха α:

N_e₀ – мощность двигателя у земли по внешней характеристике;

A – коэффициент падения мощности двигателя при подъеме на высоту. Коэффициент А зависит от температуры и давления окружающего воздуха.

На рис. 5 показана высотная характеристика двигателя без нагнетателя.

Высотными называются двигатели, которые сохраняют мощность до некоторой высоты, называемой расчетной. Для поддержания мощности двигателя по высоте наибольшее распространение получил центробежный нагнетатель.

Высотной характеристикой двигателя с нагнетателем называется зависимость его эффективной мощности и удельного расхода топлива от высоты при постоянных оборотах, составе смеси и давлении наддува до расчетной высоты.

На рис.6 показана высотная характеристика двигателя с нагнетателем. Из характеристики видно, что эффективная мощность до расчетной высоты увеличивается., а удельный расход топлива падает. Увеличение эффективной мощности до расчетной высоты при постоянном давлении наддува объясняется следующими причинами:

1) увеличением заряда цилиндра свежей смесью при понижении температуры наружного воздуха и повышении плотности воздуха на выходе из нагнетателя;

2) уменьшением атмосферного давления, а следовательно, и противодавления выхлопу, что способствует лучшей очистке цилиндров от остаточных газов, а также снижению работы насосных ходов тактах выхлопа.

По способу организации рабочего процесса: 2-тактные и 4-тактные.

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: