Характеристики авиационных поршневых двигателей

Поршневой двигатель самолета.

История поршневых двигателей насчитывает на несколько десятилетий больше, чем история самой авиации. Они сдвинули с места первый автомобиль, подняли в небо первый самолет и первый вертолет, прошли две Мировые войны и до сих пор используются в 99.9% автомобилей мира. Однако в авиации на сегодняшний день поршневые двигатели практически полностью вытеснены газотурбинными двигателями и используются исключительно в малоразмерных персональных либо спортивных самолетах.

Это произошло по причине того, что даже самый простой и неэффективный газотурбинный двигатель имеет большую удельную мощность (единица мощности на единицу массы двигателя), чем самый современный поршневой, а в авиации масса – исключительно важный параметр. Кроме того, газотурбинный двигатель более универсальный и может двигать самолет за счет реактивной струи, исключительно этот факт позволил самолетам достичь скоростей в 2, 3 или даже 4 раза выше скорости звука.

Коэффициент полезного действия самых современных поршневых двигателей не превышает 25-30%, т.е. реально около 70% всей энергии, получаемой во время сгорания топлива, превращается в тепло, которое необходимо выводить из двигателя. Система охлаждения очень важный компонент в силовой установке и во многом определяет ее характеристики. По типу вывода тепла (иначе охлаждения) двигатели подразделяются на воздушный и жидкостный тип.

И если в автомобилях воздушное охлаждение практически не используется, из-за своей низкой эффективности на малых скоростях и ее полного отсутствия при остановке, то в поршневой авиации двигатели воздушного охлаждения очень и очень широко используются, ведь имеют ряд преимуществ перед двигателями жидкостного охлаждения. А именно меньшая масса, соответственно большая удельная мощность и более простая, а значит и более надежная конструкция. Кроме того, из-за большой силы набегающего потока во время полета, эффективность охлаждения обычно достаточна для нормальной работы двигателя.

Большинство поршневых двигателей – многоцилиндровые, это необходимо для повышения мощности и общей их эффективности. В связи с этим их классифицируют по расположению цилиндров относительно коленвала. В пик своего развития, авиационные двигатели имели до 24 цилиндров, а некоторые, несерийные экземпляры и более. И основными, наиболее широко используемыми вариантами расположения цилиндров является V-образное, рядное и звездообразное.

Различить их нетрудно, ведь если смотреть спереди они и выглядят как буква V в первом случае, один ряд (колонна) – во втором случае, и звезда (или при наличии большого количества цилиндров — скорее блюдечко) в третьем. Традиционно два первых типа используют систему жидкостного охлаждения, в то время как последний – воздушного. Соответственно кроме вышеназванных преимуществ и недостатков двигателей по типу их охлаждения, можно еще добавить, что рядные двигатели компактные, могут быть установлены в перевернутом положении, но при наличии большого количества цилиндров, они получаются очень уж длинными.

V-образные имеют 2 цилиндра в ряду, соответственно они имеют в два раза меньшую длину, чем рядные, но зато менее компактны, хотя также могут быть установлены в перевернутом положении, имеют большее фронтальное сечение, а значит и большее лобовое сопротивление. Звездообразные, или радиальные двигатели, имеют цилиндры, распложенные вокруг коленвала, соответственно они наиболее громоздкие, имеют просто таки огромное фронтальное сечение и лобовое сопротивление, но благодаря этому могут эффективно охлаждаться набегающим потоком и имеют очень незначительные показатели длины.

Характеристики авиационных поршневых двигателей

Для ультралегких летательных аппаратов широко используются бензиновые поршневые двигатели, работающие по двухтактному циклу с искровым зажиганием. Мощность таких двигателей находится в пределах 25 — 80 кВт.

В перспективе удельные показатели таких двухтактных авиационных поршневых двигателей (АПД) характеризуются следующими величинами (если отбросить несколько устаревших образцов):
— литровая мощность- литровая мощность 90 — 100 кВт / литр
— удельная масса 0,4 — 0,7 кг / кВт
— крейсерский удельный расход топлива 0,41 — 0,45 кг / кВт ч
— частота вращения 5000 — 8500 об / мин
— средняя скорость поршня 10-14 м/с

Конкретное сочетание указанных выше величин не имеет строго закономернрго характера для какого либо образца, а выражает наиболее доступный для каждой фирмы способ достижения желаемого уровня мощности при малой массе . При этом наибольшие значения литровой мощности достигаются обычно повышением частоты вращения .

В большом числе случаев, для ультрагких летательных аппаратов используются двухтактные бензиновые двигатели с кривошипно-камерной продувкой, обладающие достаточно простым устройством и, несмотря на некоторые эксплуатационные недостатки, удовлетворяющие все же ряду требований к таким летательным аппаратам.

Поэтому предложенный изобретателем Ю.Н. Скриповым оригинальный способ осуществления газораспределительного механизма в двухтактном ДВС был рассмотрен в ЦИАМ применительно к АПД для легкомоторной авиации.

Перечень материалов, присланных на отзыв в ЦИАМ:
1. Описание изобретения к патенту Российской Федерации
2. Обращение к возможным партнерам по бизнесу
3. Набросок статьи для журнала » Автомобильная промышленность»
4. Схематическое изображение процесса в двигателе Ю.Н. Скрипова последовательно: ВМТ — вспышка, Рабочий ход, НМТ, продувка.

Предлагаемая новая схема газораспределительного механизма для двигателей внутреннего сгорания позволяет по мнению автора увеличить литровую мощность двигателя в 4 раза , уменьшить токсичность отработанных газов и уменьшить стоимость двигателя.

Предложенная автором кинематическая схема двигателя с новым газораспределительным механизмом по предварительной проработке на основании полученных материалов представляется реализуемой с технической точки зрения и работоспособной.

Обращает на себя внимание сдвоенный поршень, который пока остался еще не проработанным конструктивно. В этом отношении будут значительные трудности с тем, чтобы создать легкую, сборную деталь обеспечивающую высокую жесткость и стабильность формы, поскольку требуется обеспечить постоянство регулировки автоматических клапанов в процессе работы.

Выделение зоны кривошипов для организации смазки под давлением и устранения необходимости подмешивать моторное масло к топливу, тоже требует предварительной конструктивной проработки, поскольку двойной поршень и элементы его жесткого скрепления образуют в цилиндре своего рода крейцкопфный механизм, без конструктивной проработки и прочностных расчетов работоспособность такой системы оценить нельзя. Нужно отметить, что имеющиеся на двойном поршне уплотнительные кольца могут поглощать довольно значительную мощнолсть трения в результате действия сил упругости колец. Это явление неоднократно отмечалось на двигателях с крейцкопфным механизмом.

Все представленные материалы по изобретению Ю.Н.Скрипова выполнены схематично, без коструктивной разработки, позволяющей строго оценить уровень безопасности пилотируемых полетов.

Представляется целесообразным рекомендовать Ю.Н.Скрипову привлечь для коструктивной разработки основной идеи его изобретения — нового принципа газораспределительного механизма для ДВС квалифицированных конструкторов-двигателистов по двухтактному процессу для наземных энергитических установок. Такая разработка будет первым шагом к реальной оценке изобретения Ю.Н.Скрипова как объекта промышленного производства.

Кроме того, при создании предлагаемой машины следует учесть, что существуют определённые алгоритмы разработки тех или иных схем двигателей. Прежде всего необходимо оценить возможные удельные параметры создаваемой машины по сравнению с современным уровнем.

Для первого этапа работ необходимо составить простейшую математическую модель и просчитать возможные потери, приняв во внимание тот факт, что основными будут потери трения уплотнительных колец поршней а также гидравлические потери по тракту системы нагнетания. Параллельно целесообразно изготовить 1- 2 макета, по результатам продувки которых необходимо оценить правильность расчётов, определить уровень потерь, составить полноценную математическую модель и заново просчитать параметры машины.

Предварительные испытания рабочего макета, при положительных результатах расчета, позволят скорректировать конструкцию отдельных деталей и выявить пределы их совершенствования при доводке. Испытания частично подтвердят правильность расчётов на прочность и направления в выборе материалов.

Следует отметить, что уже на этой стадии необходимо, возможно более полно оценить проблемы связанные с уплотнениями рабочих полостей, системой смазки и охлаждения, системой впуска- выпуска рабочего тела а также технологоии изготовления отдельных узлов. Известны случаи, когда невполне продуманные решения отбрасывали разработчиков при доводке изделия на 10 — 15 лет.

При разработке конструкторско-технической документации необходимо стремиться к уменьшению количества деталей и широкому использованию стандартных деталей и узлов, к максимально возможному упрощению технологий изготовления сложных деталей,что в принципе закладывается автором .

Кроме того, при рассмотрении предлагаемой машины в качестве двигателя необходимо представить описание и расположение систем двигателя, обеспечивающих его работу.

Исходя из вышеизложенного, использование предложенной схемы влечет за собой увеличение массогабаритных размеров двигателя и несмотря на улучшение, по мнению автора, отдельных параметров делает проблематичным разработку авиационного варианта. Однако применение двигателя с данным механизмом газораспределения может найти широкое применение в качестве силовой установки как в наземном, так и в судовом исполнении .

Выводы:

1. Предлагаемая новая схема газораспределительного механизма изобретателя Ю.Н. Скрипова для двигателей внутреннего сгорания может быть реализована при решении указанных в заключении вопросов.

2. Указанная схема может найти применение в наземных и судовых дизельных двухтактных двигателях, учитывая, что для таких двигателей важен высокий ресурс и низкий расход топлива и менее важны весовые и габаритные характеристики двигателя.

Двигатель авиационный

Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия . Главный редактор Г.П. Свищев . 1994 .

• ДБ
• Двигатель изменяемого рабочего процесса

Смотреть что такое «Двигатель авиационный» в других словарях:

двигатель авиационный — Рис. 1. Зависимость тяги от скорости полёта. двигатель авиационный — тепловой двигатель для приведения в движение летательных аппаратов (самолётов, вертолётов, дирижаблей и пр.). С момента зарождения авиации и до конца 2 й мировой войны… … Энциклопедия «Авиация»

двигатель авиационный — Рис. 1. Зависимость тяги от скорости полёта. двигатель авиационный — тепловой двигатель для приведения в движение летательных аппаратов (самолётов, вертолётов, дирижаблей и пр.). С момента зарождения авиации и до конца 2 й мировой войны… … Энциклопедия «Авиация»

двигатель внутреннего сгорания — (ДВС), тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые ДВС; по рабочему циклу – непрерывного действия, двух – и… … Энциклопедия техники

двигатель внутреннего сгорания — (ДВС) — тепловой двигатель, внутри которого происходит сжигание топлива и преобразование части выделившейся теплоты в механическую работу. К ДВС относятся поршневые, газотурбинные, прямоточные, ракетные и различные комбинированные двигатели … Энциклопедия «Авиация»

двигатель внутреннего сгорания — (ДВС) — тепловой двигатель, внутри которого происходит сжигание топлива и преобразование части выделившейся теплоты в механическую работу. К ДВС относятся поршневые, газотурбинные, прямоточные, ракетные и различные комбинированные двигатели … Энциклопедия «Авиация»

Двигатель GE90 — Авиационный двигатель GE90 115B Авиационный двигатель GE90 GE90 производства General Electric семейство турбовентиляторных двигателей для гражданской авиации. Содержание … Википедия

Авиационный двигатель — силовая энергетическая установка самолетов, вертолетов. Авиационный двигатель подразделяются на поршневые, газотурбинные и реактивные. EdwART. Толковый Военно морской Словарь, 2010 … Морской словарь

авиационный газотурбинный двигатель — авиационный газотурбинный двигатель; газотурбинный двигатель Тепловая машина, предназначенная для превращения тепла в кинетическую энергию реактивной струи и в механическую работу на валу двигателя, основными элементами которой (машины) являются … Политехнический терминологический толковый словарь

авиационный двигатель — Двигатель, служащий для приведения в движение летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, дирижаблей и других), предназначенных для полетов в околоземном воздушном пространстве. Основными типами авиационных двигателей самолетов являются… … Справочник технического переводчика

Двигатель J79 — Авиационный двигатель General Electric J79 Двигатель J79 производства General Electric турбореактивный двигатель с форсированной тягой, используемый для истребительной и бомбардировочной авиации. Компрессор двигателя … Википедия

Характеристики авиационных поршневых двигателей

О новых российских авиационных поршневых двигателях

Пять лет назад наш журнал опубликовал обзор «ROTAXозамещение. Российские поршневые двигатели для легкой авиации и БЛА» (см. «Взлёт» №11/2015, с. 14–21), в котором рассматривалась ситуация, сложившаяся на рынке силовых установок для новых отечественных легких гражданских самолетов и беспилотных летательных аппаратов. Сегодня, по прошествии этого времени, приходится констатировать: серийных авиационных поршневых двигателей мощностью от 80 до 500 л.с. полностью российской разработки пока еще не появилось. Тем не менее, существенный прогресс в этой области все же наметился: работы по созданию подобных силовых установок, ведущиеся в Центральном институте авиационного моторостроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ) уже начали получать практическое воплощение. На прошедшем в конце августа в Подмосковье Международном военно-техническом форуме «Армия-2020» были продемонстрированы некоторые результаты: на стенде Уральского завода гражданской авиации (АО «УЗГА»), с которым ЦИАМ сотрудничает по этим программам, был впервые представлен натурный образец восьмицилиндрового V-образного двигателя-демонстратора АПД-500 мощностью 500 л.с., созданного на базе автомобильного мотора реализуемого НАМИ проекта Единой модульной платформы «Кортеж». Здесь же можно было увидеть экспериментальные экземпляры оппозитного двигателя АПД-80 и роторно-поршневых РПД-100Т и РПД-150Т. Ожидается, что в следующем году опытный АПД-500, уже прошедший серию стендовых отработок, сможет поступить на летные испытания на борту летающей лаборатории и затем будет запущен в серийное производство.

От совместных проектов – к импортозамещению

Вопрос о необходимости создания новых отечественных авиационных поршневых двигателей (АПД) для самолетов малой авиации и беспилотных летательных аппаратов, в т.ч. обладающих большой продолжительностью полета, со всей остротой встал в начале нынешнего десятилетия. Однако на практике, из-за отсутствия реального, отвечающего современным требованиям научно-технического задела в данной области у российских предприятий, такие работы поначалу велись с участием германских, австрийских и итальянских фирм, с привлечением их к этапам разработки, поставки узлов и систем, или же рассматривались варианты получения готовых импортных двигателей с их последующей адаптацией и доработкой под отечественные требования, либо планировалось совместное и лицензионное производство. В этом процессе участвовало несколько российских предприятий – ОАО «ГМЗ «Агат» (г. Гаврилов-Ям, Ярославская обл.), Инженерный центр «Итлан» и КБ «Луч» (г. Рыбинск), АО «УЗГА» (Екатеринбург) и ряд других. Однако из-за изменения геополитической обстановки многие из тех совместных планов в новых условиях пришлось пересматривать (проводить затянувшиеся мероприятия по импортозамещению компонентов и узлов), либо вовсе от них отказываться. В итоге далее пришлось идти единственным путем, которым следовало двигаться с самого начала – разрабатывать собственные отечественные проекты АПД.

Поисковые научно-исследовательские работы по авиационным поршневым бензиновым и дизельным двигателям были сосредоточены в ЦИАМ им. П.И. Баранова. Благодаря нескольким проведенным НИР сегодня появилась возможность перехода к практическим ОКР по созданию ряда АПД мощностью от 80 до 500 л.с. Их производство, скорее всего, будет осуществляться Уральским заводом гражданской авиации: в сентябре 2018 г., в ходе «Гидроавиасалона-2018» состоялось подписание соглашения между ФГУП «ЦИАМ» и АО «УЗГА» о развертывании конструкторской разработки с целью дальнейшего серийного производства линейки отечественных двигателей для малой, беспилотной и учебно-тренировочной авиации.

С лимузина на самолет. АПД-500

Пожалуй, главным натурным экспонатом на стенде Уральского завода гражданской авиации в КВЦ «Патриот» на форуме «Армия-2020» стал авиационный поршневой двигатель АПД-500 – восьмицилиндровый редукторный бензиновый V-образный двигатель-демонстратор водяного охлаждения, созданный на базе автомобильного мотора V8 Единой модульной платформы «Кортеж». На первый взгляд кажется не совсем логичным, почему, взяв курс на получение полностью российского АПД, вместо одного двигателя германского происхождения (RED A03) теперь продвигается другой («почти российский»). Действительно, базовый V8, по сути, был разработан компанией Porsche Engineering при участии ФГУП «НАМИ». Однако, с учетом «полной локализации» его производства в России, такой вариант, по мнению разработчиков, более предпочтителен. Генеральный директор ЦИАМ Михаил Гордин в одном из интервью в 2018 г. говорил, что «Кортеж» был взят за основу потому, что это «самый современный автомобильный двигатель, который есть в России», «производство почти всех его комплектующих практически освоено на территории России», а «быстро воспроизвести у нас все компоненты иностранного двигателя типа RED нереально». По словам министра промышленности и торговли России Дениса Мантурова, «в настоящий момент из-за отсутствия отечественных АПД сохраняется импортозависимость, и одним из путей насыщения рынка в короткие сроки (3–5 лет) является адаптация современных отечественных автомобильных двигателей для авиации, включая использование их комплектующих, агрегатов и систем». Отмечалось, что автомобильные моторы – крупносерийные, их себестоимость существенно ниже, поэтому на их базе можно сделать относительно дешевые силовые установки для авиации.

В октябре 2018 г. Минпромторг заключил контракт с ЦИАМ на проведение НИР «Адаптация», предусматривающей исследования методологии преобразования автомобильного двигателя в авиационный и сборку его демонстратора с испытанием на стенде. В июне 2019 г. генеральный директор ЦИАМ Михаил Гордин сообщил, что создание такого двигателя-демонстратора АПД-500 завершено и все готово к его испытаниям на стендах.

В ходе НИР специалисты ЦИАМ вместе со смежниками решили ряд вопросов, связанных с отличиями диапазонов рабочих режимов базового автомобильного мотора и АПД, разницей в компоновке элементов двигателя и систем. Демонстратор АПД-500 был укомплектован системой наддува, новой авиационной маслосистемой и редуктором. Летом 2019 г. он проходил отладочные и калибровочные испытания на тормозном стенде ФГУП «НАМИ». В конце ноября 2019 г. с целью подтверждения заявленных в техническом задании параметров по мощности и удельному расходу топлива была проведена отработка двигателя с редуктором на винтовом стенде ООО «ОКБМ» (г. Воронеж). «В ходе испытаний получены характеристики двигателя в диапазоне от земного малого газа до взлетного режима, проверены его запуск и приемистость. Результаты работы подтвердили заявленные в техническом задании удельные характеристики по литровой мощности, расходу топлива и весу двигателя», – сообщалось тогда в пресс-релизе ЦИАМ.

Печатная версия материала опубликована в журнале «Взлёт» №9-10/2020