Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Лекция № 11 «Рабочий процесс авиационного поршневого двигателя»

Лекция № 11 «Рабочий процесс авиационного поршневого двигателя»

Устройство и принцип действия.

В качестве авиационных поршневых двигателей в настоящее время применяются четырехтактные двигатели легкого топлива с воспламенением от электрической свечи.

Основными рабочими элементами поршневого двигателя являются: цилиндр, внутри которого находится подвижной поршень, коленчатый вал и шатун, связывающий поршень с валом. Основание, к которому крепится все части двигателя и которое объединяет их в один целостный механизм называется картером.

Кроме названных основных деталей, двигатель имеет целый ряд агрегатов, которые приводятся в движение от коленчатого вала и обеспечивают питание, охлаждение и смазку

Процесс превращения тепловой энергии в механическую энергию можно разделить на две основные части:

а) выделение из топлива тепла;

б) преобразование выделенного тепла в работу – механическую энергию.

Поршневые авиационные двигатели относятся к двигателям внутреннего сгорания. В двигателях внутреннего сгорания выделение тепла, сообщение его рабочему телу и преобразование тепловой энергии в механическую энергию осуществляется внутри цилиндров двигателя.

В двигателе внутреннего сгорания 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 высокой температуры и давления давят на поршень и приводят его в поступательное движение.

Поступательное движение поршня посредством шатуна передается коленчатому валу, который приходит во вращательное движение. Вращение от коленчатого вала сообщается винту, или какому – нибудь иному механизму.

Рабочий процесс поршневого авиационного двигателя имеет следующие две характерные особенности: во — первых, все процессы изменения параметров рабочего тела происходят в одном и том же элементе двигателя, а именно, в цилиндре, во – вторых, протекающие в рабочем цикле процессы частично перекрывают друг друга. Эти особенности существенно сказываются на протекании рабочих процессов.

Все эти изменения в авиационном поршневом двигателе можно разделить на пять самостоятельных, последовательно чередующихся процессов.

За четыре хода поршня полностью осуществляется рабочий процесс поршневого двигателя, в котором можно выделить пять отдельных процессов: наполнение; сжатие; сгорание; расширение; выхлоп.

Процесс наполнения служит для зарядки цилиндра свежей смесью. В авиационных ПД весьма важно заполнить цилиндр максимально возможным количеством смеси, так как от этого зависит величина получаемой работы при данном рабочем объеме цилиндра.

Регулирование качества смеси, т.е. соотношения топлива и воздуха, осуществляется при помощи специальных устройств. Процесс наполнения осуществляется между моментами открытия и закрытия впускного клапана, которые в общем случае не совпадают с верхней мертвой точкой (в.м.т.) и нижней мертвой точкой (н.м.т.), а подбираются таким образом, чтобы процесс наполнения был продолжительнее такт наполнения.

Процесс сжатия предназначен для того, чтобы повысить температуру и давление топливно – воздушной смеси и тем самым подготовить ее для более быстрого и полного сгорания. Повышение степени сжатия улучшает эффективность и экономичность двигателя, но одновременно и увеличивает силы давления газов, действующие на кривошипно – шатунный механизм двигателя, а также и опасность перехода процесса сгорания в детонационную форму. Верхний предел степени сжатия двигателей, работающих на чистом бензине, не превышает , а при применении бензинов со специальными антидетонационными присадками .

Процесс сгорания начинается в момент проскакивания искры между электродами запальной свечи. Условной точкой окончания процесса горения считается точка, в которой температура и давлении рабочего тела достигают максимального значения.

При протекании процесса сгорания имеют следующие потери тепла:

— потеря на химический недожог топлива, что связано в первую очередь с коэффициентом избытка воздуха;

— потеря на теплообмен через стенки цилиндра;

— потеря на диссоциацию молекул продуктов сгорания;

— потеря на догорание топлива на линии расширения.

Процесс расширения является основным процессом, во время которого происходит преобразование тепловой энергии в механическую. Начало процесса расширения условно рассматривается с момента достижения в цилиндре максимального давления. В дальнейшем расширение газов происходит в течение всего рабочего хода поршня, причем в конце рабочего хода оно частично совпадает с начинающимся процессом выхлопа.

Характер протекания процесса расширения обусловливается двумя факторами: догоранием смеси и теплоотдачей в стенки.

Среднее значение показателя политропы расширения обычно лежит в пределах .

Процесс выхлопа служит для удаления продуктов сгорания из цилиндра, которое должно быть возможно более полным, так как присутствие остаточных газов ухудшает коэффициент наполнения. Процесс выхлопа должен протекать при минимальном давлении остаточных газов с целью уменьшения затраты работы на очистку цилиндра.

Идеальный и действительный циклы.

Действительный рабочий цикл авиадвигателя может быть осуществлен либо за один оборот коленчатого вала, что соответствует двум ходам поршня, либо за два оборота коленчатого вала, т.е. за четыре хода поршня. В том и другом случаях за один ход поршня совершается только часть рабочего цикла, называемая тактом.

Тактом называется часть рабочего цикла, совершаемая за один ход поршня.

1. Такт впуска – поршень движется от верхней мертвого точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ); клапаны впуска открыты, а клапаны выпуска закрыты; в цилиндр поступает свежая горючая смесь. Такт впуска начинается при положении поршня в ВМТ и кончается при положении поршня в НМТ.

2. Такт сжатия – поршень движется от НМТ к ВМТ; клапаны впуска и выпуска закрыты; горючая смесь в цилиндре сжимается и около ВМТ воспламеняется и сгорает. Такт сжатия начинается в НМТ и кончается в ВМН.

Читать еще:  Виды топлива для автомобильных двигателей их характеристики и свойства

3. Такт расширения – газы, имеющие высокие температуру и давление, расширяются и передвигают поршень от ВМТ к НМТ. В этом такте совершается полезная работа, необходимая для приведения в действие кривошипно – шатунного механизма, а поэтому такт расширения называют также рабочим ходом.

4. Такт выпуск – поршень движется от НМТ к ВМТ, клапаны выпуска открыты, а клапаны впуска закрыты, продукты сгорания выталкиваются поршнем из цилиндра. Такт выпуска начинается в НМТ и кончается в ВМТ.

Идеальный цикл процесса поршневого авиационного двигателя представляет собой сжатие, подвод тепла, расширение и отвод тепла.

Анализ рабочего процесса поршневого двигателя показывают, что коэффициент выделения тепла зависит в основном от коэффициента избытка воздуха .относительно внутренний КПД и механический КПД сравнительно мало зависят от параметров рабочего процесса и в первом приближении могут считаться постоянными. Тяговый КПД, который для двигателей, использующих в качестве движителя воздушного винт, называется КПД винта , для поршневых двигателей зависит исключительно от скорости полета и число оборотов и не зависит от параметров рабочего процесса.

Зачем нужны странные «плавнички» на концах крыльев самолётов?

Тут меня давеча спросили: а что это за такие вертикальные «плавнички» на крыльях у самолётов и зачем они нужны?

Отличный вопрос с интересным ответом. Поехали.

Почему вообще летают самолёты? Делают они благодаря явлению, известному как закон Бернулли. Суть его состоит в том, что движущиеся жидкость или газ оказывают на помещённые в эти жидкость или газ тело тем меньшее давление, чем с большей скоростью они движутся.

Это интуитивно довольно понятный закон: если мы вспомним, что давление по существу — это плотность энергии, то закон Бернулли является всего лишь своеобразной формулировкой закона сохранения энергии: сумма потенциальной и кинетической энергии должна оставаться постоянной. В движущейся среде роль «кинетической энергии» играет динамическое давление (спорный термин), определяющееся самим фактом движения газа или жидкости — это, грубо говоря, то дополнительное давление, которое мы испытываем, когда нам в лицо дует ветер. Но при этом по закону сохранения энергии статическое давление, возникающее исключительно вследствие самостоятельного, несогласованного, теплового, проще говоря, движения молекул газа или жидкости, должно уменьшаться. Именно это и происходит: если мы замерим давление в направлении, перпендикулярном направлению нашего движения, то окажется, что оно уменьшилось. Замечали, как «вытягивает» дым из окна движущегося автомобиля? Это действует как раз закон Бернулли: у движущегося относительно нас потока воздуха снаружи «статическое» давление меньше, чем у неподвижного воздуха внутри.

Ещё один, более ЗОЖный пример: окна, которые закрываются (или открываются) когда ветер дует параллельно стене дома (и плоскости окна).

Короче, мы с вами запомнили: чем быстрее движется газ, тем слабее он давит на плоскость, параллельную направлению его движения.

Теперь посмотрим на поперечное сечение крыла самолёта. Можно увидеть, что оно состоит как бы из двух половинок: верхняя — более выпуклая, нижняя — более плоская.

При движении крыла (вместе с самолётом, разумеется), в воздушном потоке воздуху, который обтекает крыло сверху, нужно пройти больший путь, чем воздуху, который обтекает его снизу. А так как в конечном итоге должна обеспечиваться непрерывность потока, то поток, обтекающий крыло сверху, должен двигаться быстрее того, что идёт снизу. Согласно закону Бернулли, это значит, что воздух под крылом давит на само крыло сильнее, чем воздух над крылом. Возникает разница давлений, которая как бы толкает крыло вверх — точнее, не как бы, а именно что толкает. Так как в законе Бернулли давление зависит не от скорости, а от квадрата скорости, то чем с большей скоростью летит самолёт — тем больше разница давлений. Так как подъёмная сила равна разнице давлений, умноженной на площадь, то чем больше площадь крыла — тем также больше подъёмная сила.

Именно поэтому у первых, медленно летающих самолётов, крылья были большие: разница давлений (из-за маленькой скорости) там была довольно скромная, и чтобы получить нужную подъёмную силу, требовалась серьёзная площадь. Иногда даже делали самолёты с двумя парами крыльев — бипланы, или даже (экзотика) с тремя.

С ростом скоростей самолётов в этом необходимость отпала. Как ни крути, а большие крылья (или большее количество крыльев) — это и лишний вес, и, что немаловажно, сопротивление воздуха — то самое «динамическое» давление, «ветер в лицо», который давит на переднюю кромку крыла. Поэтому у скоростных самолётов (например, военных истребителей) крылья маленькие: из-за их большой скорости разница давлений там солидная, и нужную подъёмную силу создаёт и небольшое крыло, которое при этом испытывает меньшее сопротивление воздуха.

Хотя наврал: трипланы существуют и сегодня. Технически трипланом является, например, российский СУ-30МК: у него тоже три пары крыльев, только расположенные не одна над другой, а одна перед другой — т.н. горизонтальный триплан. Зачем так делают — расскажу как-нибудь в другой раз.

Прошу прощения у тех, кто и так знает, за счёт чего летают самолёты: как показала практика, это далеко не такой общеизвестный факт, как многим кажется. А нам в рамках нашего объяснения надо показать, почему давление воздуха под крылом и над крылом — различны. Потому что именно это, являясь причиной того, что самолёт летает в принципе, создаёт проблемы, которые призваны решать «плавнички», которые инженеры называют законцовками крыла.

Читать еще:  Что такое режим опрокидывания асинхронного двигателя

Дело вот в чем. Когда мы смотрим на ситуацию в середине крыла, всё хорошо: сверху давление меньше, снизу больше, разница давлений толкает крыло вверх. Но на конце крыла у нас возникает ситуация: здесь верхний и нижний потоки с разными давлениями встречаются. Естественно, что давления стремятся уравняться: воздух снизу крыла устремляется наверх. Огибая крыло, он закручивается в вихрь. А так как всё это дело у нас ещё движется в перпендикулярном направлении (в том, в котором движется самолёт), то за самолётом возле конца каждого крыла возникают эдакие «воздуховороты», которые называют вихревыми шнурами.

Как эти шнуры и их образование влияют на самолёт и его движение? Плохо влияют. Дабы не вдаваться в тонкости аэродинамики, поясним это так. На образование вихря требуется некая энергия. Откуда ей взяться? Просто неоткуда, кроме как из энергии, которую производят двигатели самолёта. То есть, часть этой энергии тратится не на что-то полезное, а на создание совершенно «ненужных» с точки зрения полёта вихревых шнуров. Результат: часть произведённой двигателем энергии уходит в прямом смысле слова в атмосферу. Это, в свою очередь, приводит, к примеру, к повышению затрат топлива.

Так вот, перпендикулярные «плавнички» на концах крыльев призваны как раз препятствовать свободному течению воздуха из нижней части крыла в верхнюю и закручиванию этого потока в вихри, что, в свою очередь, ведёт к более рациональному использованию производимой двигателем энергии и уменьшению расхода топлива.

Другое дело, что эти «плавнички», или «крылышки» (их, кстати, так и называют — винглеты) увеличивают лобовое сопротивление крыла и его вес. Кроме того, винглеты увеличивают нагрузку на крыло (они испытывают давление пытающегося закрутиться воздушного потока), что требует от конструкторов делать его более прочным, что в авиации обычно значит — более тяжёлым.

Всё это, в свою очередь, опять же ведёт к увеличению расхода топлива. Поэтому винглеты ставит не на все самолёты, а преимущественно на магистральные авиалайнеры, которые значительную часть своего полёта проводят в крейсерском режиме — с постоянной значительной скоростью.

Есть, к слову, и другие конструкции законцовок крыла, призванные минимизировать концевые эффекты. Например, применяются так называемые гребневые законцовки: как бы треугольнички, ориентированные в основной плоскости крыла, призванные уменьшить площадь концевых участков крыла относительно самого крыла и, соответственно, минимизировать концевые эффекты.

Их ставят, к примеру, на новейшие самолёты Boeing: они не заметны так, как классические винглеты, это просто заострённое окончание крыла, не будешь знать, на что смотреть, так и не увидишь. Подобное же решение использовано и на российском МС-21.

Авиаинженеры продолжают экспериментировать с конструкцией законцовок крыла, которые должны обеспечить должный положительный эффект при минимальных «побочках». Посмотрим, что ещё новенького они придумают.

Расположение двигателей

Васяыы
  • 6 Мар 2012
  • #1
  • timsz
    Старожил
    • 6 Мар 2012
  • #2
  • Местный
    • 6 Мар 2012
  • #3
    • 6 Мар 2012
  • #4
  • Андрей 65000
    Старожил
    • 6 Мар 2012
  • #5
  • Васяыы
    • 6 Мар 2012
  • #6
    • 6 Мар 2012
  • #7
  • Экзот
    Элефантерия
    • 6 Мар 2012
  • #8
  • Если кратко и ооочень упрощённо.
    Под крылом — работают на устойчивость самолёта и на хорошую весовую культуру самолёта (при прочих равных такой самолёт весит меньше тех, у кого движки расположены по-другому), т.е. самолёт везёт больше комм.нагрузки.
    Удобнее обслуживание двигателей.
    Минусы — проблемы при посадке без шасси — двигатели ниже брюха самолёта и есть опасность клевания носом самолёта. Но нынче невыход шасси это очень редкий дефект. Неудобное обслуживание двигателей.

    На хвостовой части фюзеляжа — меньше шум в пасс.кабине и меньше дестабилизирующий момент при отказе двигателя.
    Минусы — длинные (тяжёлые) топливопроводы и слишком задняя центровка.

    Над крылом — настолько редко, что можно и не обсуждать.

    Читатель
    • 6 Мар 2012
  • #9
  • Попробовал найти источник, где всё уже изложено — но, действительно, проблема. Я не специалист, так что только для затравки. Надеюсь, меня есть кому поправить.

    1. Под крылом, обычно на пилонах.
    Плюсы: малая чувствительность к распределению нагрузки по фюзеляжу, двигатель разгружает крыло, удобный доступ при обслуживании, доступ воздуха в вдигатель не перекрывается крылом или фюзеляжем ни при какjv угле тангажа.
    Недостатки: двигатели могут пострадать от мусора на полосе, более заметен шум, при отказе одного двигателя — заметный разворачивающий момент.
    В современных условиях является оптимальной для пассажирских самолётов вместимостью более 70 мест.

    2. В хвостовой части.
    Достоинства: «чистое» крыло, низкий уровень шума, двигатели ближе к фюзеляжу, поэтому при отказе одного из них будет меньше разворачивающий момент от работающего.
    Недостатки: задняя часть перетяжелена, что ограничивает размеры и число двигателей — в сложных случаях приходится предусматривать хвосовую опору (Ил-62), самолёт чувствителен к распределению нагрузки. Приходится предусматривать специальные меры — у VC-10 для этого использовался стабилизатор увеличенной площади.
    Но недостатки малозаметны на сравнительно небольших самолётах (до 70-90 мест), где эта схема теперь и применяется в основном.

    3. Над крылом. Очень редкая схема, на низкопланах применялась на VFW-614 и HondaJet.

    Здесь рождаются самолёты: над чем работают в СибНИА

    СибНИА имени Чаплыгина отмечает юбилей. Институту авиации — 80 лет. Сейчас здесь работают сразу над несколькими направлениями развития крылатых машин.

    Читать еще:  Шум при запуске двигателя на холодную мерседес

    Вторая жизнь легенды

    Модернизация «народного» самолёта — пожалуй, самый известный проект СибНИА имени Чапллыгина.

    В Новосибирске сразу после Великой Отечественной был создан самолёт-легенда — Ан-2. В 1949 году он совершил свой первый полёт. Ан-2 может взлетать с небольших площадок, везти достаточно груза и пассажиров, при этом неприхотлив в эксплуатации и прощает ошибки неопытным пилотам.

    Благодаря этим качествам машина стала базовой для местной авиации СССР. Ан-2 выпускали в Польше и Китае. Построено примерно 18 000 машин.

    Экономическую эффективность, скорость и дальность полёта можно увеличить, заменив старый мотор на турбину. В 2010 году над вариантом такой ремоторизации начали работать в новосибирском СибНИА.

    Вскоре появился ТВС-2МС. Первые три буквы — «турбовинтовой самолёт», цифра — два лётчика, «МС» — «модернизация СибНИА». У базовой машины переделали носовую часть под установку нового двигателя. Испытания подтвердили: все характеристики самолёта заметно улучшились. Но главное — керосин, на котором летает обновлённая машина, в пять раз дешевле бензина.

    Эти самолёты выпустили небольшой серией, сейчас они работают в северных районах России. Обновлённой моделью интересовались иностранные заказчики.

    Чуть позже специалисты СибНИА создали собственную разработку — аналог Ан-2 с турбовинтовым двигателем, сделанный из углепластика. В июле 2017 года самолёт ТВС-2ДТС впервые поднялся в воздух.

    Эта машина легче и прочнее предшественника, благодаря чему удалось разместить дополнительные топливные баки.

    «Работа продолжается. Сейчас она продвигается в направлении сертификации этого самолёта, чтобы он юридически мог выполнять все свои обязанности в народном хозяйстве. Есть целая линейка вариантов этого самолёта: пассажирский, транспортный, химический.

    Композитный вариант этого самолёта — достаточно отдалённая перспектива. В своё время был создан только демонстратор технологий. Там ещё есть что разрабатывать. Но я думаю, что в перспективе мы придём к этому самолёту», — рассказал первый заместитель директора СибНИА имени С. А. Чаплыгина Владимир Драгочинский.

    Летающий автомобиль из Новосибирска

    Два года назад в СМИ появилась информация: в Новосибирске будут собирать диковинный летающий автомобиль.

    «В Новосибирске в рамках совместного проекта ФПИ и СибНИА имени Чаплыгина сформирована проектная лаборатория перспективных летательных аппаратов. Специалистам лаборатории предстоит создать демонстратор транспортного беспилотника сверхкороткого взлёта и посадки с гибридной силовой установкой („летающий автомобиль“)», — сообщили в пресс-службе Фонда перспективных исследований (ФПИ).

    От души тогда посмеялись многие.

    «Я помню это сообщение. Это была искажённая информация. Мы не занимаемся разработкой летающего автомобиля», — отмечает Владимир Драгочинский.

    Но небольшая доля правды в этом всё-таки была. Тогда уже работали над «Партизаном» — как раз «транспортным беспилотником сверхкороткого взлёта и посадки с гибридной силовой установкой». То есть и с электро-, и с турбовинтовым двигателями.

    Первый шаг — небольшие винты с электромоторами поставили на ТВС-2МС. За счёт обдува крыла винтами машина взлетает за секунды. Моторчики работают исправно. Результат продемонстрировали на авиасалоне «МАКС-2021».

    Электричество вместо керосина

    В феврале этого года на лётное поле аэродрома завода имени Чкалова выкатили необычную машину — Як-40 с большим винтом на носу, большой пассажирский электролёт.

    Ток для работы электромотора на летающей лаборатории получают от аккумуляторов и генератора, который вращается от обычной турбины. Разработка уникальна: обмотки нового двигателя охлаждают жидким азотом до 200 градусов ниже нуля, в результате получили сверхпроводимость — сопротивление току снизили кардинально. Коэффициент полезного действия мотора — почти 100%.

    Из-за этого он соответствует жёстким требованиям авиации: относительно мал и лёгок, однако развивает большую мощность.

    «Надо сказать, что СибНИА не является здесь ведущей организацией. Нашими задачами было предоставить самолёт, смонтировать оборудование на летающей лаборатории. Работа пока находится в самом начале.

    Дальше будет продолжаться ещё комплекс работ. Не исключено, что самолёт с электродвигателем взлетит у нас», — говорит первый заместитель директора СибНИА имени С. А. Чаплыгина Владимир Драгочинский.

    Як-40 с новым крылом

    Работы по созданию самолёта для местных воздушных линий и внутрирегиональных перевозок начались в 2013 году. Ранее эту нишу занимал Як-40. В СибНИА решили вести разработки на его базе — получился демонстратор технологий.

    Благодаря более современным двигателям и новому крылу, удалось серьёзно повысить лётные качества старой машины и понизить себестоимость полётов на ней.

    «В нашем институте разработано и испытано композитное крыло. Мы заменили силовую установку — вместо трёх двигателей было поставлено два, более современных, экономичных и надёжных. Мы подтвердили наши предположения в экспериментах. Двигаемся дальше», — отметил Владимир Драгочинский.

    Исследования каждый день

    Главный профиль работы СибНИА — постоянные исследования прочности самолётов. В цехах — бомбардировщики и истребители, которые состоят на вооружении ВКС России. Не пустует и аэродинамическая труба.

    «Если вы ждёте от меня каких-то секретов, я, естественно, вам их не раскрою. Могу только сказать, что темы есть, мы над ними работаем. В том числе и с иностранными заказчиками. И по продувкам в аэродинамической трубе, и по другим испытаниям, в частности, по испытаниям шасси самолётов, которые в Китае производятся», — резюмировал Владимир Драгочинский.

    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector