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

Что такое наддув авиационного двигателя

Что такое турбонаддув

Такая вот небольшая с виду «улитка» — один из самых действенных способов увеличить мощность двигателя.

Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.

Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? нас и поджидают проблемы.

Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.

Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?

Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.

Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.

Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.

В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.

Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.

Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.

, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, , температура раскалённых газов достигает, только попробуйте представить, 1000°C! Что всё это означает? То, что сделать турбонаддув, который сможет выдержать такие неслабые нагрузки длительное время, весьма дорого и непросто.

По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.

Читать еще:  1zz двигатель сколько масла в двигателе

Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.

Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.

На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров. Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах

Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.

Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.

Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».

Что такое наддув авиационного двигателя

13 июля 2021 г., AviaStat.ru – Специалисты Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») завершили этап установки авиационного поршневого двигателя-демонстратора АПД-500 на экспериментальный летательный аппарат, которым стал самолет Як-18Т. Об этом сообщает пресс-служба ЦИАМ.

Воздушное судно с установленным на нем авиадвигателем АПД-500 можно будет увидеть на объединенной экспозиции предприятий, входящих в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского» на Международном авиационно-космическом салоне МАКС 2021.

Демонстратор авиационного поршневого двигателя АПД-500 мощностью 500 л.с. разработан ЦИАМ на основе автомобильного мотора линейки двигателей Единой модульной платформы ФГУП «НАМИ». Главной задачей НИР «Адаптация», в рамках которой ведутся работы по заказу Минпромторга России, является подтверждение возможности создания авиационного двигателя на базе серийного автомотора, а также оценка преимуществ его создания по срокам и стоимости.

Для авиаверсии специалистами ЦИАМ разработан ряд новых узлов и систем, обеспечивающих эффективную и безопасную работу двигателя в авиационном режиме в соответствии с требованиями Авиационных правил АП-33. Это, например: стартер-генератор, позволяющий в одном блоке реализовать режим запуска и генерирования энергии для нужд двигателя и борта; спроектированный под применение воздушных винтов с изменяемым шагом редуктор; дублированная двухканальная система управления двигателем с независимыми контурами для надежной работы; система наддува с приводным нагнетателем, обеспечивающая заданные мощностные характеристики авиационной версии, и др.

Достижение демонстратором требуемых параметров уже подтверждено комплексом испытаний на наземных и высотных стендах. Первые летные испытания запланированы на вторую половину 2021 года.

«По завершении летных испытаний можно будет говорить уже об открытии опытно-конструкторских работ. Двигатель-демонстратор мы создаем на базе серийного автодвигателя, поэтому ОКР можно будет завершить быстрее и экономичнее, чем при организации работ «с нуля», – считает генеральный директор ЦИАМ Михаил Гордин. – Отечественный поршневой двигатель – это возможность для «перезагрузки» всей малой авиации России. Он сможет найти самое широкое применение, дать толчок и ремоторизации, и созданию новых летательных аппаратов».

Посетители МАКС 2021 смогут увидеть и другие разработки Института в области малоразмерных двигателей. Например, двигатель-демонстратор РПД-100Т мощностью 100 л.с., созданный по заказу Фонда перспективных исследований. По сравнению с поршневыми авиамоторами, этот роторно-поршневой двигатель обладает высокой мощностью (73,5 кВт при 6500 об/мин.) при относительно малом удельном весе (0,82 кг/кВт) и небольших габаритах (рабочий объем 386 куб. см.). Стендовые испытания подтвердили его высокий ресурс, надежность и ремонтопригодность, низкий уровень вибраций и практический полетный «потолок» до 10 000 метров.

Читать еще:  Греется двигатель дизель причина

Перспективной для малой авиации может стать и энергетическая установка на основе РПД-350Т, предназначенная для применения в составе гибридных силовых установок летательных аппаратов, в т.ч. вертикального и сверхкороткого взлета и посадки.

МАКС-2021 пройдет с 20 по 25 июля 2021 года в г.о. Жуковский на территории ЛИИ им. М.М. Громова. Ознакомиться с перспективными разработками организаций НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского» в области авиа- и двигателестроения можно будет в павильоне F3, стенд А9, и на статической экспозиции.

Наддув и нагнетатель (компрессора)

Нагнетатель (компрессор) – механизм для сжатия и подачи воздуха под давлением.

Наддув – процесс повышения давления воздуха или некой смеси на впуск двигателя для увеличения количества горючей смеси в цилиндре и как следствие увеличение мощности получаемой от единицы объема двигателя.

Механический нагнетатель – это компрессор, предназначенный для сжатия воздуха или же смеси топлива и воздуха, которые направляются в цилиндры двигателя внутреннего сгорания для повышения массового заряда горючей смеси. Из-за этого растёт калорийности смеси поступающей в цилиндры и увеличивается мощность двигателя. Он приводится в движение коленчатым валом или ремнем.

Довольно давно инженеры и конструкторы установили главную цель в развитии автомобилестроения. Ею стала увеличение удельной мощности при меньших габаритах двигателя.

Первое свидетельство о применении механического нагнетателя приписывают братьям Рутс (анг. Roots), они создали нагнетатель с аналогичным названием «Roots». Чуть позже в 1885 годуГоттлиб Даймлер запатентовал свой механический нагнетатель работающий по аналогу Рутс. Спустя 7 лет в 1902 голу Луис Рено запатентовал свою собственную конструкцию центробежного нагнетателя. А в 1911 году швейцарскому инженеру Альфреду Бюши в голову пришла гениальная мысль использовать энергию выхлопных газов для нагнетания давления. Он стал первым человеком догадавшимся что можно использовать отработанные газы.

Быстрой рост развития нагнеталей сдерживался отсутствием подходящих материалов. Из-за большой температуры отработанных газов уменьшился срок службы выпускных клапанов, поршней систем охлаждения. При этом литровая мощность действительно увеличилась, но это не имело значение, поскольку двигатель чаще приходил в неисправность. Эйфория от изобретения постепенно сходила на нет.

История развития нагнетателей

Нагнетатели в авиации

Как и ожидалось следующий шаг в развитии нагнетателей был сделан вверх в авиационную отрасль. Самым первым авиа двигателем на который установили механический наддув принадлежат самолету «Мюррей-Вильята», который в 1910 г. установил рекордную высоту в 5200. В 1918 году на один из французский истребитель «SPAD» S.XIIIC» инженером Огюстом Рато был установлен турбокомпрессор с аналогичным названием «Рато». Целесообразность этого действия была нулевой и не давала двигателю абсолютно никаких преимуществ. У мотора не было достаточно мощности для привода турбины. Через два года Рато смог реабилитироваться установив свой турбокомпрессор на двигатель «Либерти L-12» в биплане «Lepere», которому удалось побить рекорд высоты ( 10092 метра) и на долго остаться на пьедестале не побежденным. Совместная работа металлургов, ученных, авиаконструкторов и машиностроителей позволила создать новые поршни, клапаны и подшипники способные выдержать гораздо большую нагрузку чем их предшественники, что позволило наддуву закрепится и пустить корни в авиации.

Нагнетатели в судоходстве

С небес наддувы сразу перекачивали на воду. В 1923 году в Германии начали выпускать пассажирские лайнеры Preussen и Danzig. Установка турбокомпрессора на 10-и цилиндровые двигатели этих гигантов увеличили их мощность в полтора раза.

Нагнетатели в машиностроении

Появлением и активным распространением на наземной техники нагнетатели обязаны Второй Мировой Войне и автогонщикам.

История вклада автоспорта в развитие наддувов начинается с двигателей «Daimler», «FIAT» и «Sunbeam» в 1921 году. Второй, между прочим, выиграл Большой приз Европы в 1923 году. Через год болиды «Daimler» и «Alfa Romeo» выиграли Танга Флорио и Большой приз Франции соответственно.

Автомобильный спорт внес не только необходимые финансы в развитие наддувов, но поселил любовь в сердце всех мужчин, обеспечив тем самым его будущие развитие. Первые нагнетатели установленные на спортивных авто сумели показать себя с самой лучшей стороны, давая двигателю от 50-70% дополнительной мощности.
В военной отрасли изначально наддувы планировали ставить на танки и грузовики, но из-за отсутствия должных знаний и материальных средств от установки надувов на танки пришлось отказаться на время. Первая массовая серия наддув была произведена и установлена на грузовики Saurer произведённые в Швейцарии в 1938 году.

Предпосылки к созданию наддувов

Для того чтобы ответить на то что же стало движущей силой для изобретения и создания наддува давайте обратив внимание на устройство двигателя. Поскольку подача необходимого объема топлива затруднений не вызывает, главной задачей для увеличения производительности становится обеспечение должной массы воздуха за единицу времени. Этот же показатель на прямую связан с частотой вращения коленчатого вала. Его пределом является допустимое значение средней скорости работы поршня. Данный показатель в основном имеет значение лишь для механических наддувов и рабочим объемом мотора. Из выше сказанного, что при заданных параметрах есть потолочное значение, выше которого можно подняться только, в том случае если установить наддув. Без особых проблем на сегодняшний день можно поднять мощность двигателя на 25% просто установив наддув, но если к нему добавить интеркулер мощность вырастит вдвое.

Точность балансировки наддува очень важна. Высокое давление и температура воздуха подаваемого в цилиндры может привести к очень серьезным негативным последствия и быстрому износу. Под конец такта сжатия в момент когда поршень прессует и без того уже сжатую смесь ее давление и температура могут оказаться на столько высокими что произойдет преждевременная детонация. Дабы это не происходило принято переходить на использование более высокооктановых сортов топлива или проводить декомпрессию – снижающую степень сжатия.

Читать еще:  Чип тюнинг двигателя 21179

Стоить учитывать, что снижение степени сжатия также отрицательно влияет на экономичность и КПД.

70-80-е годы стали для механических нагнетателей временем затухания их более продвинутые собрать турбонагнетатели (турбокомпрессоры) отвоевывали рынок. Самой продвинутой системой принудительного нагнетания установленной на серийных автомобилях сейчас считается «Mercedes-Benz» класс C, E, при этом они почти полностью копируют образцы 20-30 годов (Рутс и Eaton), что свидетельствует о том что данная ветка развития нагнетателей отмирает. Ею пользуются в тех случаях, когда нужно добиться разной мощности не сильно меняя конструкции двигателя.

Практика в нашей стране не показала особого внимания к данной технологии, из-за чего она почти не используется. Исключение составляют автогонки 60-70 годов и сельскохозяйственная отрасль.

Гораздо более широкое применение во всем мире получил наддув приводимый в действие силой отработанных газов турбо наддув.

Классификация наддува ДВС по видам.

Агрегатный наддув

Подразумевает использование нагнетателя (агрегата). Делится на:

  1. Механический наддув – отличительной особенностью этого компрессора является использование для привода энергии коленчатого вала.
  2. Турбонаддув (он же турбокомпрессор) – это компрессор (обычно центробежный) привод которого осуществляется турбиной, лопасти которого вращаются благодаря кинетической энергии выхлопных газов.
  3. Наддув «Comprex» — использует давления отработавших газов, непосредственно на поток воздуха поступаемого в мотор.
  4. Электро наддув – его отличительной особенностью является то, что привод осуществляется электрическим мотором.
  5. Комбинированный наддув – это смесь нескольких видов наддува, работающих в зависимости от нагрузки. Чаще всего это комбинация турбонаддува и механического. Первый работает на высоких оборотах, а второй на низких.

Безагрегатный наддув

  1. Резонансный наддув (он же акустический или инерционный) работает, используя колебательные явления внутри трубопровода.
  2. Динамический наддув (он же пассивный или скоростной) рост давления осуществляется воздухозаборниками специальной формы исключительно на высокой скорости. На низких скоростях этот вид наддува совершенно бесполезен.
  3. Рефрижерационный наддув использует энергию испаряющегося топлива в воздухе. Характеризуется наличием жидкости с низкой температурой кипения и большим высокой температурой пара. Не применяется в автомобилях.

Пометка: В этой статье понятие «динамический наддув» применяется исключительно для наддува с воздухозаборниками особой формы и не относится к «резонансному».

Компрессоры прошли долгий и широкий путь в развитии авто, авиа и судостроения. За это время их конструкция менялась до неузнаваемости, появлялись новые виды, а старые и не прижившиеся забывались. Здесь я хочу вспомнить какие из них уже почти забыты.

Адаптированный автомотор готовится к летным испытаниям и будет показан на МАКСе

Демонстратор разработан ЦИАМ на основе автомобильного мотора линейки двигателей Единой модульной платформы ФГУП «НАМИ». Главной задачей работ является подтверждение возможности создания авиационного двигателя на базе серийного автомотора, а также оценка преимуществ его создания по срокам и стоимости.

Для авиаверсии специалистами ЦИАМ разработан ряд новых узлов и систем, обеспечивающих эффективную и безопасную работу двигателя в авиационном режиме в соответствии с требованиями Авиационных правил АП-33. Это, например: стартер-генератор, позволяющий в одном блоке реализовать режим запуска и генерирования энергии для нужд двигателя и борта; спроектированный под применение воздушных винтов с изменяемым шагом редуктор; дублированная двухканальная система управления двигателем с независимыми контурами для надежной работы; система наддува с приводным нагнетателем, обеспечивающая заданные мощностные характеристики авиационной версии, и др.

Достижение демонстратором требуемых параметров уже подтверждено комплексом испытаний на наземных и высотных стендах. Первые летные испытания запланированы на вторую половину 2021 года.

Возникает вопрос: не проще ли сразу делать «крылатый» мотор? Не проще и намного дороже, — говорят специалисты. Самолетов никогда не будет столько, сколько автомобилей. Поэтому у авиадвигателя всегда будет меньшая серия. И он всегда будет дороже. А тут есть возможность на предприятиях, которые освоили производство двигателей для машин, наладить их производство для авиационного применения. Что значит серия? Резко снижаются себестоимость, сроки изготовления. Причем все может быть произведено в России по уже освоенным технологиям. Конечно, у авиадвигателей свои особенности, требования и ограничения. Нужно решить ряд научно-технических проблем. Что и делается.

— По завершении летных испытаний можно будет говорить уже об открытии опытно-конструкторских работ. Двигатель-демонстратор мы создаем на базе серийного автодвигателя, поэтому ОКР можно будет завершить быстрее и экономичнее, чем при организации работ «с нуля», — считает генеральный директор ЦИАМ Михаил Гордин. — Отечественный поршневой двигатель — это возможность для «перезагрузки» всей малой авиации России. Он сможет найти самое широкое применение, дать толчок и ремоторизации, и созданию новых летательных аппаратов.

Кстати, в мире двигатели для машин уже летают. Так, есть австрийский авиационный двигатель АЕ-300, который был создан на базе дизеля от автомобиля «Мерседес». Есть другие примеры. «Мы здесь не первые в мире, но в России точно первые» — сказал ранее в интервью «РГ» Михаил Гордин.

Важная деталь: цикл создания газотурбинного двигателя до серийного образца — 10-15 лет, самолета — 7-10. Для поршневого, конечно, меньше, но тут основная сложность — агрегатчики. В какое-то время поршневая авиационная тематика просто выпала из поля зрения разработчиков летательных аппаратов. И, соответственно, пропали те, кто изготавливает компоненты, узлы и агрегаты. Так что работой над адаптацией автомобильного двигателя возобновляется и кооперация.

Такой мотор будет очень хорош для самолетов сельхозавиации с полезной нагрузкой до 1 тонны, самолетов местных линий — на 7-9 мест, большой беспилотной авиации. Он может стоять на учебно-тренировочном самолете типа Як-152. Задач для него много.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector