Винтомоторные поршневые двигатели

содержание 

 

введение

     Издревле  людям свойственно желание парить в небесах, покорив воздушные  просторы. Однако воздухоплаванье и  авиация кардинально отличные понятия, принадлежащие одной стихии. Так как воздухоплаванье подразумевает использование летательных аппаратов, которые легче воздуха, авиастроение в авиации занимает ключевую позицию. Авиастроение в нашей стране прошло долгий и тернистый путь и продолжает развиваться эквивалентно техническому прогрессу. В середине 20-х 30-х годов прошлого века развитие двигателей происходило быстрыми темпами  и двигатели от бензиновых рядных с водяным охлаждением стремительно переразвились в радиальные (звездообразные) двигатели с воздушным охлаждением. Сему способствовал тот факт, что транспорту отвели главенствующую роль не только в оборонном комплексе страны, но и роль одной из крупнейших отраслей хозяйства,  стать частью производственно-социальной инфраструктуры. Для поддержания единства экономического пространства и территориальной целостности необходима была транспортная коммуникация,  которая в свою очередь нуждалась серьёзном старте, коим и стал век создания, развития и модернизации винтомоторных двигателей.

     Дальнейшее  развитие конструкций авиационных  двигателей переместило вектор активного  развития на  более лёгкие и мощные реактивные и ракетные двигателя, однако винтомоторные двигатели всё же находят широкое применение в разного рода планеризме, судах для прибрежного и речного плаванья, нетрадиционных видах транспорта.

 

основная  часть

1. Классификация основных видов авиационных  двигателей

     Принципиальную  разницу в работе двигателей принято  подразделять на две группы: группу двигателей, требующих для своей работы наличие атмосферы, и группу двигателей, способных работать в безатмосферной среде.

     Выделение спектра двигателей в первую группу заключается в использовании ими в качестве основной массы рабочего тела атмосферы (воздуха), тогда как рабочее тело второй группы двигателей находится на борту летательного аппарата.

     Двигатели первого типа назовем атмосферными или, как уточнено выше, воздушными, а второго типа – ракетными.

     Следует отметить, что воздушные двигатели по конструкции агрегата делятся на не совмещённые, в которых тепловая машина и движитель не совмещаются в одном агрегате, и совмещённые, у которых тепловая машина и движитель представляют собой единый агрегат.

     Двигатели первой группы условно назовем винтовыми  воздушными двигателями и второй – реактивными воздушными двигателями.

     Винтомоторные и турбовинтовые двигатели являются основными представителями группы винтовых воздушных двигателей, имеющие одинаковые движители – воздушный винт. Однако они отличаются видами тепловых машин: у турбовинтовых двигателей машина представляет собой турбокомпрессор, у винтомоторных – мотор.

     Представителями группы реактивных воздушных двигателей являются турбореактивные воздушные двигатели (турбореактивные двухконтурные или турбовентиляторные двигатели, турборакетные двигатели, турбореактивные двигатели) и прямоточные воздушно-реактивные двигатели (прямоточные реактивные двигатели и ракетно-прямоточные двигатели), принципиальное отличие которых заключается в отличии у прямоточных воздушно-реактивных двигателей сжатия воздуха за счет подвода механической энергии в тракте двигателя. За счёт замедления (торможения) воздуха во входном устройстве воздухозаборника происходит необходимое для работы двигателя повышение статического давления.

   

     Рис.1. Классификация авиационных двигателей 

     Классификация ракетных двигателей производиться исходя из рода энергии, которая используется в движителе. В ракетных двигателях используется ядерное, электро-ядерное и химическое топливо, что и подразделяет их на три группы. Последние, в свою очередь, делятся  на ракетные двигатели, использующие жидкое топливо и на двигатели, использующие твердое топливо.

     Так же на схеме (рис. 1) серыми линиями отображены существенные взаимосвязи свойства конструкции двигателей, относящиеся одновременно к нескольким группам. Образующий тягу как за счёт внутреннего (тепловая машина) так и за счёт внешнего (собственно движитель) контуров турбореактивный двухконтурный двигатель объединяет конструктивные характеристики как турбореактивного двигателя, так и турбовинтового.

     Конструкция ракетно-прямоточного двигателя сочетает характеристики ракетного двигателя (на жидком или твердом топливе) и  прямоточного двигателя.

2. Характеристика винтомоторных двигателей

     2.1. Строение винтомоторных двигателей

       Винтомоторные двигатели, более известные как поршневые двигатели, имеют следующую классическую конструкцию:

     

     Рис. 2. Конструкция винтомоторных двигателей

     1 – поршень; 2 – шатун; 3 – коленчатый вал; 4 – впускной клапан;

     5 – выпускной клапан; 6 – цилиндр двигателя 

     Современные авиационные поршневые двигатели  представляют собой звездообразные четырехтактные двигатели, работающие на бензине, дизеле или на авиационном керосине.

     

     Рис. 3. Пример звездообразного двигателя 

     Как правило, охлаждение цилиндров поршневых двигателей выполняется воздушным способом, однако находят применение и поршневые двигатели с водяным охлаждением цилиндров.

     Основная  группа поршневых двигателей имеет подразделы по способу смесеобразования. Образование смеси, топлива с воздухом, осуществляется либо в специальном устройстве, называемом карбюратором, откуда в цилиндр поступает готовая смесь, либо непосредственно в цилиндрах. Соответственно, в зависимости от способа смесеобразования поршневые авиационные двигатели делятся на карбюраторные и двигатели с непосредственным впрыском.

       Принцип работы винтомоторных двигателей.

     Образовавшаяся в результате сгорания топливо – воздушной смеси в замкнутом объёме тепловая энергия расширяющихся газов преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня за счёт расширения рабочего тела (газообразных продуктов сгорания топлива) в цилиндре, в который вставлен поршень.

     Поступательное  движение поршня преобразуется во вращение коленчатого вала кривошипно-шатунным механизмом.

     2.2. Классификация поршневых двигателей

       Авиационные поршневые двигатели  могут быть классифицированы  по различным признакам:

• по числу цилиндров – на двигатели четырехцилиндровые, пятицилиндровые, двенадцатицилиндровые и т.д.;
• в зависимости от рода применяемого топлива – на двигатели легкого или тяжелого топлива;
• по способу смесеобразования – на двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные) и двигатели с внутренним смесеобразованием (непосредственный впрыск топлива в цилиндры);
• в зависимости от способа охлаждения – на двигатели жидкостного и воздушного охлаждения;
• по способу воспламенения смеси – на двигатели с принудительным зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия;
• в зависимости от числа тактов – на двигатели двухтактные и четырехтактные;
• по способу привода воздушного винта – на двигатели с прямой передачей на винт и редукторные двигатели;
• в зависимости от расположения цилиндров — на рядные (с расположением цилиндров в ряд) и звездообразные (с расположением цилиндров по окружности);

     Рядные  двигатели в свою очередь подразделяются на однорядные, двухрядные V-образные, трехрядные W-образные, четырехрядные  Н-образные или Х-образные двигатели. Звездообразные двигатели также подразделяются на однорядные, двухрядные и многорядные.

     По  характеру изменения мощности в  зависимости от изменения высоты – на высотные, т.е. двигатели, сохраняющие мощность с подъемом самолета на высоту, и невысотные двигатели, мощность которых падает с увеличением высоты полета.

     Рассмотрим  так же следующую характеристику поршневых двигателей – достоинства и недостатки. Так, достоинствами винтомоторных двигателей, обеспечившими их высокую распространенность, являются:

• многотопливность;
• малая масса;
• невысокая стоимость;
• компактность;
• автономность;
• универсальность (сочетание с различными потребителями);
• возможность быстрого запуска;

     Однако ряд существенных недостатков, таких как:

• высокий уровень шума;
• большая частота вращения коленчатого вала;
• невысокий ресурс;
• токсичность отработавших газов;
• низкий коэффициент полезного действия

     и является конкурентообразующим элементом для создания и развития иных конструкторских решений.

3. Представители винтомоторных двигателей

     Ход истории с наиболее яркими примерами отечественного винтомоторного авиастроения двигателей приведены ниже: 

     АИ-14                                    ,

     Современная версия АИ 14   
 

     АМ-34                     ·

     АШ-82              ·

     ВАЗ-426          

     М-11 ·     

     М-63 ·              

     Однако  винтомоторные двигатели, они же винтомоторные силовые установки, применяются не только в авиастроении, но и в парапланеризме для создания парамоторов, паратрайков для паралётов, парамоторных мототележек, аэрошютов, ветродуев, аэроботов (аэролодок), аэросаней и т.д.

     

     Параплан  «Татуш 120»

     

     Аерокатамаран

 

Заключение

     В данной работе были рассмотрена классификация  авиационных двигателей и более  подробно раскрыта тема винтомоторных  двигателей. Винтомоторный (поршневой) двигатель - двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяющихся газов, образовавшаяся в результате сгорания топлива в замкнутом объёме, преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня, который в свою очередь через кривошипно-шатунный механизм приводит в движение коленчатый вал, на котором закреплён винт. Да, на современном этапе развития авиастроения основной упор делается на ракетных и реактивных двигателях, однако уровень современного прогресса в авиастроении не был бы возможен без золотого века винтомоторных двигателей. Тогда ставились мировые рекорды в авиации и величайшие умы работали над развитием и всяческим улучшением технологий двигателей, что и вылилось в создание современных двигателей. Однако в новом тысячелетии винтомоторные двигатели целесообразнее использовать там, где по каким-либо причинам невозможно или небезопасно применение традиционных транспортных средств, а также в экстремальном спорте. Так же ставятся мировые рекорды, но во все более надуманных и развлекательных сферах нашей жизни:

     - разного рода планеризм;

     - соревнования по аэробатике;

     - гонки на судах на воздушных  подушках.

     Это совсем поверхностный список применения винтомоторных двигателей, ограничен он лишь нашим воображением, а резервы и потенциалы его ещё далеко не исчерпаны.

 

список литературы

     1.     Александров В.Г. Справочник авиационного инженера. Под общ. ред. В. Г. Александрова. - М.: Транспорт, 1973. - 400 с.

     2.     Бакулев В.И., Голубев В.А. и  др. Теория, расчет и проектирование  авиационных двигателей и энергетических  установок  Издание 3-е. – М.: МАИ-САТУРН, 2003. - 688 с.

     3.     Гарькавый А.А., Чайковский А.В., Ловинский  С.И. Двигатели летательных аппаратов  – М.: Машиностроение, 1987 – 288 с.

     4.     Иноземцев А.А., Нихамкин М.А. и  др. Основы конструирования авиационных  двигателей и энергетических установок. Том 1  Общие сведения. Основные параметры и требования. Конструктивные и силовые схемы. – М.: Машиностроение, 2008 – 207с.