Поршневой авиационный двигатель.
Работа радиального поршневого двигателя.
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…
Принцип работы ТРД (турбореактивного двигателя) самолёта
Очень много самолётов оснащены двигателем ТРД. Если у вас ассоциация связана с самолетом — это шум, то знайте, что это шум производит двигатель из-за большого количества оборотов лопаток на вентиляторе или по технической терминологии входного устройства
Это тот самый двигатель про который пойдет речь. Выглядит страшно, не правда ли? Но если знать основы, то уже становится лучше.
Это схематический чертёж ТРД. Само «сердце» самолета состоит из: входного устройства, компрессора, камеры сгорания, турбины и реактивного сопла.
Принцип работы.
Воздух из атмосферы попадает в входное устройство, точнее лопатки вентилятора (входного устройства) движутся с такой скоростью, что воздух сам туда попадает(есть один из важных параметров. Это удельный расход воздуха) то есть этот термин удельный расход воздух гласит, что сколько килограммов воздуха пройдет через В.У. за 1 секунду. При запуске двигателя, В.У. так сильно затягивает воздух, что может затянуть и человека.
Компрессор.
После того как воздух прошёл через входное устройство в компрессоре он сжимается, чтобы его масса была такой же, но объём в разы меньше. Также в компрессоре резко увеличивается температура. Для чего? Чтобы он загорелся в камере сгорания.
Камера сгорания.
В камеру сгорания подаётся уже сжатый и нагретый воздух и тут происходит следующее: через определенные каналы, а именно через каналы в которых подаётся топливо от крыла, а точнее в топливной системе которая находится внутри крыла в камеру сгорания. Топливо распыляется в нагретый воздух выходит и попадает в турбину.
Турбина.
Поскольку горячий воздух выходит очень быстро, то именно он разгоняет турбину, а сама турбина это некий еще один вентилятор, но лопасти находятся под углом, тем самым создают подъёмную силу именно та, что нас нужна. Сама турбина сделана из специального материала, которые выдержит такую температуру. Осталось дело за малым. Это реактивное сопло.
Реактивное сопло.
Горячий воздух выходит очень быстро, плюс ко всему этому реактивное сопло зауженно на конце, а здесь играет уравнение неразрывности, а оно гласит, что «чем шире сосуд, тем медленней будет проходить скорость и наоборот» тем самым зауженное сопло играет нам только на руку, ведь оно увеличивает скорость, а это то что нам нужно.
Как устроен турбовинтовой двигатель? Отвечает авиатехник
Турбовинтовые двигатели считаются более экономичными для самолетов, которые осуществляют длительный полет на небольших скоростях. Такие двигатели сочетают в себе преимущества винтомоторной силовой установки и турбореактивного двигателя.
Турбовинтовым двигателем называется газотурбинный авиационный двигатель, избыток мощности турбины которого применяется для вращения воздушного винта, при этом используется понижающий частоту вращения редуктор.
Турбовинтовой двигатель по своей конструкции схож с турбореактивным. Он имеет такие же узлы и агрегаты, за исключением наличия у первого — воздушного винта и редуктора.
Турбина может достигать своей максимальной мощности при 20000 оборотов в минуту, однако скорость вращения винта специально понижается через редуктор, чтобы добиться нормального КПД. Наибольшее значение КПД винта достигается при 750-1500 об/мин.
Иногда на турбовинтовых двигателях имеется два винта, вращающихся противоположно друг другу. Также, история знает случаи, когда для компрессора и винта использовались отдельные турбины.
До 90% тяги на ТВД создается благодаря работе воздушного винта, и лишь небольшой процент от тяги связан с реакцией газовой струи.
Обычно в турбовинтовых двигателях применяются многоступенчатые турбины (от двух до шести), что влияет на габариты и вес устанавливаемого редуктора.
Весь рабочий процесс внутри ТВД схож с работой ТРД. Воздух попадает через входное устройство в компрессор, подвергается сжатию, затем направляется в камеру сгорания, где и образуется ТВС. Далее, в процессе горения горючей смеси, образуются газы с высокой потенциальной энергией, которые вращают турбину, воздействуя на её лопатки. Далее происходит вращение компрессора и воздушного винта через понижающий редуктор. Разница лишь в том, что в ТРД поток полностью выходит через сопло, образуя реактивную тягу, а на ТВД за тягу отвечает воздушный винт.
Как устроен поршневой авиационный двигатель? Отвечает авиатехник
Авиационный поршневой двигатель представляет собой четырехтактный звездообразный двигатель, на котором в качестве топлива используется бензин.
Зачастую охлаждение цилиндров происходит за счет воздуха. Ранее встречались поршневые двигатели с водяным охлаждением.
Поршневые авиационные двигатели различаются по способу образования смеси топлива с воздухом. Существуют двигатели, на которых смесеобразование происходит в карбюраторе, а есть и такие, где похожий процесс осуществляется непосредственно в цилиндрах, путем прямого впрыска.
В поршневом двигателе сгорание топлива происходит в цилиндрах, где в дальнейшем тепловая энергия преобразуется в механическую. Под воздействием давления образующихся газов, производится поступательное движение поршня.
Далее происходит вращение коленчатого вала двигателя через шатун, который соединяет поршень с цилиндром и коленвалом.
Вращение воздушного винта осуществляется за счет работы редуктора планетарного типа. Также, как и на турбовинтовых двигателях, редуктор понижает частоту вращения воздушного винта с целью повышения КПД за счет установки винта с большим диаметром.
Четырехтактными называют двигатели, во время работы которых происходят следующие процессы:
Впуск топливовоздушной смеси в цилиндр через открытый впускной клапан во время движения поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точки (НМТ) и смешение с оставшимися от предыдущего цикла работы газами для подготовки новой рабочей смеси. Впуск осуществляется примерно за 1/2 оборота коленвала. (первый такт)
Сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя во время движения поршня от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах впуска и выпуска. Большая часть процесса также как и с впуском протекает за за 1/2 оборота коленчатого вала. Является вторым тактом. При сжатии повышается температура и давления рабочей смеси, благоприятно влияя на условия сгорания. В конце данного такта происходит воспламенение смеси с помощью искры.
Процесс горения. Сопровождается резким увеличением температуры и давления газов в камере сгорания.
Рабочий ход поршня от ВМТ к НМТ под воздействием давления сгоревшей ТВС при закрытых клапанах (третий такт). От этого такта зависит полезная механическая работа коленчатого вала.
Выпуск отработанных газов через выпускной клапан. На этом заканчивается полный рабочий цикл поршневого авиационного двигателя (четвертый такт). На все четыре такта ушло два полных оборота коленчатого вала.
Если вам понравился данный материал, поставьте палец вверх и подпишитесь на канал! Читайте далее: Как устроен турбовинтовой двигатель? Отвечает авиатехник
