8.2. Авиационные двигатели их классификация и краткие характеристики

Авиационный двигатель – это тепловая машина, которая преобразует тепловую химическую энергию авиационного топлива в энергию отбрасываемой воздушной массы или истекающих реактивных газов.

И хотя, по большому счету, создание силы тяги в воздушном пространстве основано на эффекте реакции отбрасываемой (истекающей) воздушной массы и оно по сути своей является реактивным движением. Сегодняшние авиационные двигатели ГА подразделяются на два больших класса: - класс реактивных и класс винтовых авиационных двигателей.

Класс реактивных двигателей включает в себя:

• воздушно-реактивные двигатели (ВРД), в которых для сгорания топлива используется кислород воздуха атмосферы. ВРД, имеющие газовую турбину, называются турбореактивными двигателями ТРД,

• ракетные двигатели (РД ) – в которых для сгорания топлива используется окислитель, транспортируемый самим летательным аппаратом.

Класс винтовых двигателей включает в себя:

• поршневые двигатели (ПД) это - бензиновые моторы внутреннего сгорания и дизельные двигатели, которые создают тягу за счет реакции отбрасывания воздушным винтом масс воздуха.

• турбовинтовые двигатели (ТВД) это - двигатели которые создают тягу за счет реакции отбрасываемой воздушным винтом воздушной массы (85-90 %) и истекающих из двигателя реактивных газов (15-10 %)

Так как в конструкциях ТРД, и ТВД имеют место газовые турбины, то эти двигатели объединяют в одну общую группу – газотурбинные двигатели.

Рассмотрим вкратце конструктивные особенности этих авиадвигателей, их достоинства и недостатки.

Поршневые бензиновые двигатели это - двигатели внутреннего сгорания, работающие по ”четырехтактному циклу Карно” (цикл впуска, цикл сжатия, цикл расширения, цикл выпуска), у которых основная часть процесса приготовления горючей смеси осуществляется карбюратором или впрыском топлива прямо в цилиндры, а поджиг ее осуществляется от искры.

Важным показателем авиационного поршневого двигателя является его минимальная удельная масса- это соотношение веса двигателя к развиваемой им максимальной мощности и она для современных двигателей составляет 0,4кг/кВт.

В поршневом двигателе возвратно-поступательное движение поршней посредством кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, крутящий момент которого напрямую или через понижающий редуктор передается на вал воздушного винта, заставляя его вращаться и создавать силу тяги.

Основными параметрами и показателями тяговых характеристик поршневого двигателя являются:

Индикаторная мощность – мощность развиваемая газами внутри цилиндра двигателя и передаваемая поршню за циклы сжатия и расширения. Она определяется как:

N _i = p_i U_h i n / 900 ( л.с.)

где: - p_i - среднее индикаторное давление ( кг /см²⁾ равное разности сред-

него давления расширения и среднего давления сжатия.

- U_h - рабочий объем цилиндра

- i - число цилиндров

- n - число оборотов коленчатого вала.

Мощность трения Nr –часть индикаторной мощности, затрачиваемая на механические потери и потери на привод в работу насосов. Для современных двигателей мощность трения составляет 10-15 %.

Так как с увеличением высоты полета плотность воздуха атмосферы и содержание кислорода в нем уменьшается, а для полного и устойчивого сгорания определенной массы топлива необходимо строго определенное количество воздуха, то для поддержания этого необходимого соотношения топливо/воздух применяются воздушные нагнетатели (турбокомпрессоры), позволяющие обеспечить подачу в двигатель необходимого количества воздуха, идущего на создание горючей смеси и тем самым повысить его высотность. Турбокомпрессоры приводятся в работу за счет отбора от двигателя части мощности, поэтому эффективная мощность двигателя с турбокомпрессором будет на 10-20% ниже, чем у двигателя без турбокомпрессора.

Эффективная мощность Nе – мощность, передаваемая от коленчатого вала к воздушному винту.

Nе = N_i - Nr – Nс

где: Nс- мощность, отбираемая для работы турбокомпрессора

Поскольку поршневые двигатели являются в большинстве своем высоко оборотистыми двигателями, а оптимальным числом оборотов для воздушного винта являются обороты до 2000-2500 ¹/мин, то для получения таких оборотов на двигателе устанавливается понижающий редуктор, с заданной степенью редуцирования.

Через величину крутящего момента на валу винта Мв, степень редуцирования

оборотов i _р и обороты двигателя n эффективная мощность ПД может быть определена из зависимости

Nе = Мв n i _р / 716,2

Наши представления о поршневых двигателях были бы не полными если бы мы оставили без внимания режимы их работы и значения мощности соответствующие этим режимам.

И так основными режимами работы поршневых авиационных двигателей считаются:

Взлетный режим это - форсированный режим работы двигателя, на котором производится взлет или интенсивный разгон самолета с целью сокращения длины разбега или быстрого увеличения скорости. Взлетному режиму соответствует взлетная мощность, которая составляет 110-120% номинальной мощности двигателя. Так как взлетный режим считается напряженным по прочностной нагрузке на двигатель, то время работы на нем ограничивается обычно до 5 мин.

Номинальный режим это - основной расчетный режим работы двигателя на номинальных оборотах винта и номинальном давлении наддува. Номинальному режиму соответствует эксплуатационная мощность, соответствующая 90% мощности развиваемой двигателем на земле, при номинальном числе оборотов и номинальном наддуве.

Крейсерский режим єто режим работы двигателя, при котором его мощность составляет 30-75% от номинальной и продолжительность его работы не ограничена.

Различают следующие крейсерские режимы:

Максимальный крейсерский режим, режим соответствующий скорости максимальной дальности полета, которая составляет 90% максимальной скорости полета на данной высоте.

Наивыгоднейший крейсерский режим – режим соответствующий минимальному километровому расходу топлива на данной высоте полета, при котором мощность двигателя равна 50-60% от номинальной.

Экономический крейсерский режим – режим соответствующий скорости максимальной продолжительности полета на данной высоте и минимальному часовому расходу топлива. Мощность при этом составляет 30-40% от номинальной.

Достоинством и преимуществом поршневых двигателей перед ГТД является их высокая приемистость – способность двигателя к его быстрому переходу от заданного установившегося режима на установившийся режим более высокой тяги или мощности.