книги из ГПНТБ / Крученок И.Л. Авиационный двигатель М-14В26
.pdfНесомненна перспективность применения на вертолетах реак тивного привода несущего винта (рис. 7). Такой привод позволяет избавиться от потерь мощности в трансмиссии, неизбежных во вся ком механическом приводе несущего винта. Кроме того, отсутствие в реактивном приводе сложной и тяжелой трансмиссии дает воз можность упростить компоновку вертолета и существенно снизить общий вес его конструкции.
Однако в современных условиях, когда окружная скорость на концах лопастей несущего винта не пр'евышает 200—250 м/сек, сте пень преобразования энергии топлива в полезную работу реактив-
10
ного привода оказывается намного меньше, чем в схеме с механи ческой трансмиссией. Вследствие этого выигрыш в относительной величине полезной нагрузки, получаемой при реактивном приводе за счет снижения веса конструкции вертолета и его силовой уста новки, быстро уменьшается с увеличением расчетной продолжитель ности полета.
Так, схемы реактивного привода несущего винта от Ж РД, пря моточных или пульсирующих воздушно-реактивных двигателей да ют большую относительную полезную нагрузку, чем схемы с меха нической трансмиссией, лишь при продолжительности полета менее 1 ч. Это объясняется неэффективностью теплового процесса у этих двигателей в указанных условиях.
Более экономична так называемая компрессорная система ре активного привода несущего винта (рис. 8), которая по полезной нагрузке в ряде случаев имеет преимущество перед схемой с меха нической трансмиссией при полетах с продолжительностью до 2 ч. При такой схеме двигатель устанавливается, как и в схеме с меха нической трансмиссией, в фюзеляже вертолета.
Тепловая энергия, получаемая при сгорании в двигателе топли ва, затрачивается на получение сжатого газа, который через по движные соединения поступает в полые лопасти несущего винта, и, вытекая из сопел на концах лопастей, создает реактивное окруж ное усилие, приводящее винт во вращение. Если работа расширения газа недостаточна для получения необходимой тяги, то ее можно
китератору
Кдащящ
tmum/pfa
w |
Ф\ |
-IP |
// |
|
^^Придодраспределив. П;:!д|1||Дй^ ' |
|
|
т т |
сжатого Ш у т |
Т к к н з т у |
|
Рис. 4. Кинематическая схема двигателя
11
увеличить, подводя дополнительное тепло к сжатому газу. Такой подвод тепла осуществляется в специальных камерах сгорания (рис. 8, б), устанавливаемых в газовоздушный тракт перед реак тивными соплами.
Наиболее экономичной является схема реактивного привода не сущего винта с турбореактивными двигателями на концах лопастей. На тяжелых вертолетах она может дать выигрыш в полезной на грузке при продолжительности полета до 4—5 ч.
Однако создание турбореактивных двигателей, работающих в пол*е центробежных сил при наличии больших гироскопических мо ментов, представляет сложную задачу. Поэтому до сих пор такого рода силовые установки еще не получили широкого практического применения на вертолетах.
Рис. 5. Схемы силового привода несущего винта вертолета от поршневых двига телей через механическую трансмиссию:
а — с одним двигателем; б —с двумя двигателями; 1 —• поршневой двигатель; 2 — редуктор двигателя с муфтой включения; 3 — трансмиссия с упругими муфтами; 4 —вертолетный редуктор
Рис. б. Схемы силового привода несущего винта вертолета от газотурбинных двигателей через механическую трансмиссию:
а —с нижним расположением двигателя; б — с верхним расположением двигателя; 1 — газотурбинный двигатель; 2 — вертолетный понижающий редуктор; 3 — трансмиссия 4 — распределительный редуктор; 5 — трансмиссия привода рулевого винта
12
Рис. 7. Схемы реактивного привода несущего винта вертолета:
а — от пульсирующего воздушно-реактивного двигателя; б —от жидкостного реактивного
двигателя; / —* пульсирующий реактивный двигатель; 2 —топливная форсунка; 3 — распределительный
топливный коллектор; 4 —втулка несущего винта; 5 —трансмиссия; 6 — топливный бак; 7 — топливный насос; 8 —реактивное сопло; 9 — редуктор
Рис. 8. Схема компрессорной системы реактивного привода несущего винта вер толета:
а —от струи сжатого |
газа; б — от |
струи |
сжатого воздуха с подводом к нему тепла перед |
реактивным соплом; |
2 — газовый |
тракт; |
3 — газотурбинный двигатель; 4 — компрессор; |
/ — реактивное сопло; |
|||
5 —топливный бак; 6 |
топливная магистраль; 7 —воздушный тракт |
||
АНАЛИЗ СХЕМЫ СИЛОВОГО ПРИВОДА НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ ВЕРТОЛЁТА Ка-26
Для привода двух соосных несущих винтов легкого многоцеле вого вертолета Ка-26 наиболее приемлемой оказалась схема сило вого привода от поршневого двигателя через механическую пере дачу.
В состав силового привода несущих винтов вертолета Ка-26 вхо дят (рис. 9):
13
Рис. 9. Кинематическая схема привода несущих винтов вертолета Ка-26:
/ —ведущее |
зубчатое |
колесо; 2 — ведомое зубчатое |
колесо; 3 —зубчатый |
венец |
вала ниж |
||||
него винта; |
4 — большое цилиндрическое зубчатое колесо |
блока; 5 — малое |
зубчатое колесо |
||||||
блока; |
6 — венец вала |
верхнего |
винта; 7 —поводок |
вала |
нижнего |
винта; |
8 — ведущее зуб |
||
чатое |
колесо |
коробки |
приводов; |
9 — ведущий венец; |
10 — зубчатое |
колесо привода агрегатов |
|||
два поршневых двигателя М-14В26 с |
понижающими |
редукто |
|||||||
рами и комбинированными муфтами; два соединительных вала с упругими резиновыми муфтами; распределительный редуктор Р-26.
Двигатели расположены симметрично относительно продольной оси и подвешены консольно на центральном отсеке фюзеляжа.
Как известно, мощность, развиваемая поршневым двигателем, находится в прямой зависимости от числа оборотов коленчатого вала. Для снятия с двигателей большой мощности они выполнены высокооборотными. Но так как лопасти вертолета имеют значи тельную длину (13 м), то скорость вращения их валов должна быть меньше, чем число оборотов коленчатых валов двигателей. С этой целью между несущими винтами и коленчатыми валами двигате лей установлен редуктор, понижающий число оборотов несущих винтов с таким расчетом, чтобы они работали с максимальным ко эффициентом полезного действия.
Потребное число оборотов несущих винтов определяет необхо димое передаточное число редуктора. Поскольку максимальное число оборотов несущих винтов пн.в= 294 об/мин, а число оборотов коленчатых валов двигателей як.в= 2800 об/мин, то
. |
^н.в |
294 |
1р = |
Д |
0,105. |
|
^п.в |
2800 |
14
Такое снижение оборотов конструктивно трудно выполнимо в редукторах двигателей. Поэтому в редукторах двигателей проис ходит частичное уменьшение оборотов с передаточным числом г = 0,309. Дальнейшее понижение оборотов производится с помощью специального редуктора Р-26.
Редуктор Р-26 выполнен в виде отдельного агрегата. Крутящий момент от двигателей передается посредством трансмиссионных ва лов к ведущему зубчатому колесу редуктора.
Трансмиссионный вал (рис. 10) состоит из двух упругих муфт 2 и 4 и промежуточного валика 3. Упругая муфта предназначена для сглаживания ударных нагрузок на зубья и состоит из двух дисков, на торцах которых имеются лопатки. Диски между собой соединя ются резиновыми вкладышами. Один конец муфты имеет фланец для соединения е промежуточным валиком, другой — шлицы для соединения с шлицами двигателя или редуктора. Соединительный валик фиксируется от осевых перемещений хомутом 1, устанавли ваемым на редуктор двигателя.
Вращение от ведущего зубчатого колеса 1 редуктора (см. рис. 9) передается через ведомое колесо 2 и ведущий венец 9 шести блокам, состоящим из больших 4 и малых 5 цилиндрических зуб чатых колес. Блоки вращаются на неподвижных осях, закреплен-
Рис. 10. Трансмиссионный вал:
1 — хомут; 2, 4 — упругие муфты; 3 — промежуточный валик; 5 — прокладка
15
Наименование характеристики
Тип двигателя Марка »
Взлетная мощность, л. с.
Удельный расход топлива на режи мах работы двигателя, кГ/л. с.:
взлетный 'номинальный 'крейсерский
Удельный вес двигателя, кГ/л. с.
|
|
Характеристика |
|
|
Тип вертолета, |
Ка-26 |
Ми-2 |
Ми-1 |
пд |
твд |
пд |
М-14В26 |
ГТД-350 |
АИ-26В |
2X325 |
2X400 |
1X525 |
0,277 |
0,370 |
0,305 |
0,265 |
0,395 |
0,267 |
0,220 |
0,420 |
0,225 |
0,755 |
0,338 |
0,783 |
ных в корпусе редуктора. От больших зубчатых колес 4 блоков че рез зубчатый венед 3 и поводок 7 вращение передается ведущему валу нижнего винта вертолета. От малых зубчатых колес 5 через ступицу и зубчатый венец 6 вращение передается ведущему валу верхнего винта. На всех режимах работы двигателей и редуктора обороты ведущих валов верхнего и нижнего винтов равны между собой.
Конструкция силового привода обеспечивает вращение несущих винтов с равномерной загрузкой обоих двигателей, вращение несу щих винтов от одного двигателя и вращение винтов с отключенны ми двигателями при полете вертолета на режиме авторотации. Си ловой привод обеспечивает хорошую маневренность, большую даль ность и продолжительность полета вертолета.
Характеристики двигателя М-14В26 приведены в табл. 2.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ
Авиационный поршневой двигатель внутреннего сгорания пред ставляет собой машину, в которой тепловая энергия, полученная при химических превращениях топлива, преобразуется в механиче скую работу на валу двигателя.
Преобразование химической энергии топлива в тепловую энер гию и затем в механическую работу совершается при непрерывном
изменении состояния рабочего тела — газа. |
|
под |
|
Изменение параметров, характеризующих состояние газа |
|||
действием |
внешних сил или тепла, называется п р о ц е с с о м . |
Со |
|
вокупность |
отдельных процессов, по завершению |
которых вновь |
|
начинается |
их повторение, называется ц и к л о м |
д в и г а т е л я . |
|
Часть цикла, соответствующая ходу поршня от одной мертвой точ ки до другой мертвой точки, называется т а к т о м .
Цикл авиационного поршневого двигателя совершается за два оборота колечатого вала (720°) или четыре хода поршня. Поэтому
|
вертолетных двигателей |
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
на котором установлены двигатели |
|
|
|
|
|
|
||
1 |
|
|
|
В-62А, |
|
205А |
„Хаски-3“ |
||
|
Ка-15 |
Ми-4 |
|
,Уирлуинд“-3, |
|||||
|
|
США |
Англия |
„ Августо-бел14, |
Камаш, |
||||
t |
|
|
|
|
|
Италия |
США |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
! |
пд |
пд |
|
твд |
твд |
твд |
твд |
||
АИ-14ВФ |
АШ-82В |
СТ-58-110 |
Н-1000 |
„АСТАЗУ" |
БОИНГ-60 |
||||
|
1X280 |
1X1700 |
|
1X1250 |
1X1050 |
2X700 |
2x600 |
||
|
0,267 |
0,343 |
|
|
|
0,254 |
0,310 |
||
|
0,267 |
0,300 |
|
0,277 |
0,310 |
||||
|
|
0,256 |
0,320 |
||||||
V |
0,217 |
0,235 |
|
|
0,340 |
|
|
|
|
0,85 |
0,63 |
|
0,110 |
0,177 |
0,183 |
|
|
||
\ |
|
|
|
||||||
| |
такой двигатель называется ч е т ы р е х т а к т н ы м . |
В действитель- |
|||||||
I |
пости цикл поршневого авиационного двигателя совершается |
при |
|||||||
и- |
повороте коленчатого вала на угол, больший 720°, так как происхо |
||||||||
|
дит перекрытие отдельных процессов смежных циклов. |
|
|
||||||
|
Д е й с т в и т е л ь н ы й |
ц и к л |
д в и г а т е л я |
состоит из |
пяти |
||||
;самостоятельных процессов, чередующихся в такой последователь ности: 1) процесс впуска; 2) процесс сжатия; 3) процесс сгорания;
4)процесс расширения; 5) процесс выпуска.
Процесс впуска
■ |
Процесс впуска служит для заполнения рабочего |
объема ци |
|
линдра двигателя топливо-воздушной смесью, которая содержит |
|
|
энергию, необходимую для получения работы. Основная часть про |
|
i |
цесса впуска происходит при движении поршня от верхней мертвой |
|
точки (в.м.т.) до нижней мертвой точки (н.м.т), т. е. |
от точки г до |
|
| |
точки а (рис. 11). Мощность, развиваемая двигателем при данном |
|
' |
объеме цилиндров и числе оборотов, зависит от количества смеси, |
|
!поступающей в цилиндры. Весовое количество смеси, поступившей
• |
в цилиндр за весь процесс впуска, называется |
в е с о в ы м з а р я - |
} |
дом. Величину весового заряда смеси GCM можно определить по |
|
| |
-формуле |
|
i |
' |
|
j |
£*см — yaVh , |
|
t |
где уа — удельный вес смеси в конце такта |
впуска; V \ — объем |
[ |
свежей смеси в цилиндре в конце такта впуска. |
|
} |
Величина весового заряда смеси зависит от удельного веса све- |
|
? |
жей смеси в конце процесса впуска и от объема, который она зани- |
|
| |
мает в цилиндре. Обе эти величины, в свою очередь, зависят от |
|
|
давления и температуры смеси в конце процесса впуска. Увеличе |
|
|
ние давления смеси в процессе впуска осуЕествляется-за счет над- |
|
16 |
I ... > |
|
щ
Рис. 11. Графическое изображение процесса впуска у двигателя, работающего с различным давлением наддува (рк):
а — взлетный режим; б —режим малого газа
дува двигателя, т. е. питания его смесью под давлением выше атмосферного. Повышений давления смеси перед поступлением ее в цилиндр производится с помощью приводного центробежного на гнетателя. Увеличение весового заряда при этом происходит вслед ствие увеличения удельного веса смеси в конце процесса впуска и увеличения объема V \.
На рис. 11 показан примерный характер протекания процесса впуска в цилиндре двигателя М-14В26 при работе на взлетном ре
жиме с наддувом /7К= 125+ р0 мм рт. ст. |
и на малом газе — с рк= |
= 450-1-500 мм рт. ст. |
11, а) смесь сразу же на |
При работе на взлетном режиме (рис. |
чинает поступать в цилиндр и способствует выталкиванию остаточ ных газов. В момент прихода поршня в в.м.т. объем остаточных газов становится меньше объема камеры сгорания Ус, а объем све
жей смеси в конце такта наполнения |
V'h будет |
больше рабочего |
объема Vh- |
(рис. 11,6) |
смесь в цилиндр |
При работе на режиме малого газа |
||
начинает поступать только в точке |
когда давление остаточных |
|
газов при расширении понизится до 450—500 мм рт. ст. В этот мо мент объем, занимаемый остаточными газами, превышает объем камеры сгорания Vс, а объем свежей смеси V'h— меньше рабочего объема Vh. Уменьшение удельного веса смеси и объема, занимае мого ею в цилиндре, приводит к резкому уменьшению весового за ряда и мощности двигателя.
Температура топливо-воздушной смеси при движении ее по всасывающему тракту непрерывно изменяется. В процессе приго товления смеси в карбюраторе и при движении от карбюратора к
18
нагнетателю температура ее снижается за счет испарения топлива. Величина снижения температуры зависит от состава смеси, темпе ратуры наружного воздуха и составляет примерно 15—20° С. При сжатии смеси в нагнетателе температура ее повышается в зависи мости от давления наддува. При работе на взлетном режиме тем пература смеси повышается примерно на 30—35° С. Поступая в цилиндр, смесь нагревается в результате соприкосновения с нагре тыми деталями двигателя (стенками головки и цилиндра, днищем поршня, клапанами) и смешения с остаточными газами. Общее повышение температуры смеси по сравнению с температурой на ружного воздуха к концу процесса впуска может достичь 90— 100° С. Это приводит к уменьшению удельного веса смеси, весово го заряда и мощности двигателя.
Воздух, необходимый для образования топливо-воздушной сме си, поступает в карбюратор из атмосферы, поэтому температура окружающей среды значительно влияет на величину весового за ряда цилиндра.
Уменьшение весового заряда смеси вследствие повышения ее температуры является одной из основных причин уменьшения мак симальной мощности двигателя при работе в условиях высоких тем ператур наружного воздуха, перегрева двигателя и при пользова нии подогревом воздуха на входе в карбюратор.
Увеличение весового заряда смеси вследствие уменьшения ее температуры является основной причиной увеличения мощности при работе в условиях низких температур наружного воздуха и при наборе вертолетом высоты с постоянным давлением наддува.
Уменьшение нагрева топливо-воздушной смеси при поступлении ее в цилиндры достигается охлаждением горячих деталей и регу лированием температурного режима двигателя.
Процесс впуска происходит быстро и составляет примерно
— — сек. Скорость движения смеси по впускным трубам до
стигает 80—100 м/сек, что вызывает значительные гидравлические сопротивления. Давление смеси впуска в цилиндр меньше давле ния наддува на величину гидравлических сопротивлений.
Основными причинами потерь напора смеси являются препятст вия на пути ее движения (дроссельная заслонка карбюратора, бо бышки головок цилиндров, направляющие клапанов, клапаны), из менение поперечного сечения смесепроводов и их резкие повороты, трение смеси о стенки. Вследствие указанных причин давление сме си в конце процесса впуска уменьшается примерно на 5—15%, что приводит к уменьшению весового заряда цилиндра и уменьшению мощности двигателя.
Регулируемым источником гидравлических сопротивлений яв ляется дроссельная заслонка карбюратора, поэтому она исполь зуется как регулятор мощности двигателя.
Уменьшение гидравлических сопротивлений в двигателе дости гается за счет того, что внутренние поверхности деталей, образую
19
щих всасывающий тракт, выполняются гладкими, а повороты и переходы от ма лых сечений к большим л наоборот — плавными.
Увеличение весового за ряда смеси в процессе впус ка на двигателе производит ся вследствие удлинения продолжительности процес са впуска.
Начало процесса впуска обусловливается началом от крытия впускного клапана. Впускной клапан открывает ся в конце такта выпуска (точка 1, рис. 11), т. е. до прихода поршня в в. м. т. Угол опережения открытия клапана впуска для двигате ля М-14В26 равен 20±4°.
Окончание наполнения ци линдра смесью определяется моментом закрытия впускно
го клапана. Впускной клапан закрывается с запаздыванием (точ ка 2, рис. 11), т. е. после прихода поршня в н. м. т., в начале такта сжатия. Угол запаздывания закрытия впускного клапана для дви гателя равен 54±4°. Общая продолжительность процесса впуска по углу поворота коленчатого вала составляет 262—246°.
Опережение открытия впускного клапана способствует умень шению гидравлического сопротивления при протекании основной фазы процесса впуска и лучшей очистке камеры сгорания от отра ботавших газов.
Запаздывание закрытия клапана впуска обеспечивает увеличе ние весового заряда смеси, так как она, имея большую скорость к концу такта наполнения, продолжает поступать по инерции в ци линдр, несмотря на то, что поршень движется к в.м.т. Моменты открытия и закрытия клапана подбираются опытным путем.
Процесс сжатия
Процесс сжатия улучшает условия преобразования тепловой энергии в механическую. В процессе сжатия происходит повышение давления и температуры рабочей смеси (рис. 12). Сжатая смесь за нимает меньший объем цилиндра, что обеспечивает быстрое рас пространение пламени по всему объему смеси. Повышение темпе ратуры смеси способствует уменьшению времени процесса сгора ния. Увеличение скорости сгорания смеси приводит к повышению давления и температуры продуктов сгорания, а следовательно, и
20