САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

А.С. ГЛАЗКОВ, И.Г. ДЕЕВ, М.Ф. КУЖИМ

КОНСТРУКЦИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПОРШНЕВЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

КУРС ЛЕКЦИЙ

(учебный курс для студентов ФЛЭ, специализация ЛЭГВС)

Санкт-Петербург

2011

Лекция №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) мощность 360 л.с., ресурс 1500 часов.

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).

Коэффициент полезного действия (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 η_винта ≈ 0,9, а при М = 0,8 η_винта ≈ 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…500 л.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, ад­министративные и связные) стоимость силовой уста­новки 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.

Лекция № 2 Устройство поршневого четырёхтактного 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, глав­ным образом, от состава всасываемой смеси (n ≈ 1,20…1,35). Кроме давления на входе конечное давление определяется степенью сжатия*, т. е отношени­ем 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.