Самарский государственный аэрокосмический университет имени
академика С.П. Королева.
Кафедра: «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей».
Двигатель АШ-62ИР.
Учебное пособие.
(Компьютерный вариант)
Составил: Сошин В.М.
Компьютерная обработка: студент Васьков М.И.
Пособие предназначено для студентов 1-го курса специальности 13.03., изучающих конструкцию самолета Ан-2 по дисциплине «Авиационная техника».
Размер файла: 22,7 Мбаит.
Файл помещен в компьютере «Server» ауд. 113-5 Имя файла: E:\ ПОСОБИЯ \ АШ-62ИР \ АШ-62ИР.pdf Дата составления: 18 декабря. 2007 г.
Допущено для использования в учебном процессе.
Протокол заседания кафедры «ЭЛАиД»
№ от «_» _ 2004г.
Самара 2007г.
ГЛАВА 1.ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВИАЦИОННЫХ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.
ВВЕДЕНИЕ
Авиационный поршневой двигатель (ПД) работает на принципе преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу, которая обеспечивает вращение выходного вала двигателя. Для использования поршневого двигателя на летательных аппаратах он должен работать совместно с воздушным винтом. Винт устанавливается на вал двигателя и при вращении, взаимодействуя с окружающей средой, перемещается относительно нее, увлекая за собой двигатель и летательный аппарат, на котором он установлен. Поршневой двигатель вместе с воздушным винтом образуют винтомоторную группу (ВМГ).С момента зарождения авиации и до середины 1940-х годов единственным практически используемым авиационным двигателем был ПД с воздушным винтом. В процессе развития авиационной техники ПД непрерывно совершенствовались. Основные направления совершенствования: повышение мощности, развиваемой двигателем на земле, высотности, уменьшения его массы и улучшения экономичности.
До 1917 Россия не имела собственного авиадвигателестроения. На нескольких заводах собирались и ремонтировались ПД иностранных конструкций. Начиная с 1920-х годов, в стране начали создаваться группы и коллективы, в которых разрабатывались различные типы ПД. Коренной перелом в развитии двигателестроения наступил в конце 1920-х — начале 1930-х гг. В 1930 создан Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ), в котором объединились кадры конструкторов и исследователей, начавших активную работу по созданию и отработке прогрессивных конструкций ПД. Уже в начале тридцатых годов насчитывалось несколько заводов, оснащённых первоклассным оборудованием и выпускавших двигатели различных типов, в т. ч. лицензионные. Созданные при заводах КБ совершенствовали выпускаемые двигатели и разрабатывали новые оригинальные конструкции. Многие КБ возглавили конструкторы, переведённые из ЦИАМ, который уже с 1935 начал заниматься только научными исследованиями. Вскоре СССР по техническому уровню авиадвигателестроения вышел в ряд передовых стран мира. Свидетельством этому явились многочисленные рекорды дальности, грузоподъёмности, скорости и высоты, установленные советскими лётчиками в предвоенные годы. Техническое совершенство отечественных ПД позволило нашим конструкторам в годы Великой отечественной войны создавать самолеты, превосходящие по своим летнотехническим характеристикам самолеты фашистской Германии, что обеспечило нашей авиации превосходство в воздухе.
Выдающийся вклад в развитие отечественного двигателестроения внесли советские конструкторы: В. Я.
Климов, А. А. Микулин. В. А. Добрынин, А. Д. Швецов др. Например, под руководством В.Я. Климова был создан поршневой двигатель ВК-105ПФ, этот двигатель устанавливался на самолеты Як-3, Як-7, Як-9, Пе-2.
Все эти самолеты достойно показали себя в боях с немецко-фашистскими захватчиками, а самолет Як-3 был признан лучшим истребителем 2-й мировой войны.
Под руководством А.А. Микулина были созданы двигатели М-34, АМ-38Ф и др. Двигатель АМ- устанавливался на самолете АНТ-25, на котором экипажи В. П. Чкалова и М. М. Громова установили рекорды дальности, совершив дальние беспосадочные перелеты через Северный полюс в США. Двигатель АМ- устанавливался на самолете Ил-2, который был признан лучшим штурмовиком 2-й мировой войны.
Под руководством А. Д. Швецова были созданы двигатели АШ-62, АШ-82 и др. Двигатель АШ- применяется на самолетах Ли-2, Ан-2. Самолет Ли-2 был основным военно-транспортным самолетом в годы Великой отечественной войны, в послевоенные годы он продолжал эксплуатироваться в гражданской авиации.
Самолет Ан-2 до сих пор продолжает эксплуатироваться, обеспечивая пассажирские, грузовые перевозки, выполнение сельскохозяйственных работ и др. Двигатель АШ-82 устанавливался на самолеты Ла-5, Ту-2, Пе- и др. Самолет Ту-2 был признан лучшим фронтовым бомбардировщиком 2-й мировой войны. На самолетахбомбардировщиках Пе-8 наши летчики в 1941г наносили бомбовые удары по столице фашистской Германии Берлину.
К середине 1940-х гг. ПД достигли очень высокого уровня совершенства. Повышение эффективности и мощности двигателей в сочетании с прогрессом в области аэродинамики и авиации в целом позволили заметно увеличить высотность и скорость полета ЛА. Самолёты-истребители периода 2-й мировой войны достигали высот более 10 км и скоростей полёта 700—750 км/ч.
Однако требование дальнейшего увеличения высотности и скорости уже не могло быть удовлетворено винтомоторной группой с ПД. Ограничение возможностей ПД обусловливалось необходимостью значительного увеличения мощности двигателя для компенсации возраставшего лобового сопротивления и падения КПД винта при приближении скорости полёта к скорости звука (рис.1-1). Поэтому на смену ПД пришли турбореактивные двигатели (ТРД).
Однако в настоящее время ПД продолжают применяться на летательных аппаратах. Как видно из рисунка 1-1 ВМГ имеет преимущества перед ТРД на небольших скоростях полета. Кроме того, ПД дешевле в производстве и эксплуатации, более экономичны при полетах на небольшую дальность. Перечисленные преимущества ПД определяют сферы их применения:
1. Легкие самолеты для перевозки пассажиров и грузов на небольшие расстояния при отсутствии дорог и подготовленных взлетно-посадочных полос (ВПП).
Поршневой двигатель АШ-62ИР установлен на самолет Ан-2. Самолет Ан-2 имеет уникальные взлетнопосадочные характеристики, может осуществлять посадку на неподготовленных ВПП. Это позволяет активно использовать его в районах Сибири и Дальнего востока.
2. Учебные самолеты и вертолеты.
Поршневые двигатели применяются на учебном самолете Як-18 и вертолете Ми-34. На этих летательных аппаратах применяются двигатели соответственно М-14П и М-14В26В. Применение ПД на учебных ЛА позволяет снизить стоимость первоначального обучения летчиков.
3. Самолеты сельскохозяйственной авиации.
Поршневой двигатель АШ-62ИР установлен на сельскохозяйственном варианте самолета Ан-2.
Применение ПД на самолетах сельскохозяйственной авиации позволяет уменьшить стоимость сельскохозяйственных работ и благодаря небольшой скорости полета повысить их качество. Возможность эксплуатации Ан-2 с полевых аэродромов позволяет значительно сократить время полета до обрабатываемого поля и обратно.
4. Спортивные самолеты.
ПД установлены на спортивных самолетах Як-50, Як-55, Су-26. На этих самолетах установлены различные модификации двигателя М-14. Применение ПД на спортивных самолетах позволяет выполнять фигуры высшего пилотажа при небольших скоростях полета. Это обеспечивает ограничение зоны пилотирования, что предусмотрено правилами соревнований Существуют и другие области применения ПД на летательных аппаратах. Например, ПД целесообразно устанавливать на самолеты для патрулирования лесных массивов, трубопроводов, выброса десанта для тушения лесных пожаров, и др.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВИАЦИОННЫХ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
Авиационные поршневые двигатели относятся к двигателям внутреннего сгорания. Это означает, что топливо в ПД сгорает внутри самого двигателя. Камера сгорания ПД ограничена внутренней поверхностью цилиндра и поршнем.Существующие авиационные поршневые двигатели могут быть классифицированы по различным признакам:
1) В зависимости от применяемого топлива.
На летательных аппаратах возможно применении поршневых двигателей легкого и тяжелого топлива К двигателям легкого топлива относятся авиационные ПД, использующие в качестве топлива бензин. Это 4-х тактные двигатели, принцип работы которых будет рассмотрен ниже. Двигатели тяжелого топлива работают на дизельном топливе (солярке). Эти двигатели называются «дизелями» и принцип их работы в данном пособии рассматриваться не будет.
Дизели не нашли широкого применения в качестве двигателей ЛА. Их главный недостаток: малая высотность и неудовлетворительные пусковые свойства. Ограниченно дизели конструкции А. Д. Чаромского М-40 и АЧ-30Б применялись на самолетах времен Великой отечественной войны Ер-2 и Пе-8.
В настоящее время все применяемые на ЛА ПД являются двигателями легкого топлива, т.е. в качестве топлива используют бензин.
2) По способу смесеобразования.
Различают двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные) и с внутренним смесеобразованием (непосредственный впрыск топлива в цилиндры).
У двигателей с внешним смесеобразованием подготовка топливовоздушной смеси (ТВС) осуществляется в специальном агрегате — карбюраторе. Это обеспечивает качественную подготовку смеси, следовательно, ее полное сгорание и снижение потерь топлива. Недостатком карбюраторов является то что, они рассчитаны на работу при положительных перегрузках. Поэтому карбюраторные двигатели применяются на неманевренных самолетах (пассажирских, транспортных…) и вертолетах. Карбюраторным, например, является двигатель АШИР, устанавливаемый на самолете Ан-2.
Двигатели с непосредственным впрыском топлива в цилиндры широко применялись на самолетахистребителях времен 2-й мировой войны. В настоящее время используются на спортивных самолетах.
3) В зависимости от расположения цилиндров.
Различают двигатели с рядным расположением цилиндров и (цилиндры располагаются в один и более рядов, один за другим) и звездообразные (цилиндры расположены по окружности).
У двигателей с рядным расположением цилиндры расположены компактно, что облегчает размещение такого двигателя на самолете. Кроме того, цилиндры можно расположить в 2, 3 или 4 ряда, что позволит получить большую мощность при незначительном увеличении габаритов двигателя. Недостатком рядного расположения цилиндров является сложность их охлаждения. Внешний вид 2-х рядного поршневого двигателя АМ-34 приведен на рис. 1-4.
У звездообразных двигателей цилиндры расположены по окружности в форме звезды. Причем, количество рядов (звезд) у одного двигателя может быть 1, 2 или 4. Недостатком такого расположения цилиндров является большие поперечные размеры двигателя, и, следовательно, и сложность компоновки на летательном аппарате.
Внешний вид однорядного звездообразного поршневого двигателя М-14 приведен на рис. 1-3.
4) В зависимости от способа охлаждения.
Различают двигатели жидкостного и воздушного охлаждения.
У двигателей жидкостного охлаждения цилиндры снаружи омываются жидкостью. Затем нагретая жидкость, проходя через специальный теплообменник (радиатор) отдает тепло атмосферному воздуху и снова возвращается к цилиндрам. Такие двигатели выполнены, как правило, с рядным расположением цилиндров, т.е.
компактны и удобны для размещения на самолете. Однако они сложны конструктивно, так как на них должна быть специальная система охлаждения, обеспечивающая циркуляцию жидкости. Двигатели жидкостного охлаждения были распространены на самолетах времен 2-й мировой войны. Например, так были изготовлены все двигатели А.А.Микулина: М-34 (рис.1-2), М-35А, М-38Ф, АМ-42.
У двигателей воздушного охлаждения цилиндры охлаждаются при обдуве их воздухом. Цилиндры в таких двигателях расположены в струе воздуха, идущей от воздушного винта, и для улучшения охлаждения имеют оребрение. Так как необходимо обеспечить охлаждение всех цилиндров, каждый из них должен находиться в воздушной струе. Поэтому цилиндры располагаются по окружности (звездообразно), что приводит к значительному увеличению поперечных размеров двигателя.
Наибольшее распространение в настоящее время получили звездообразные двигатели с воздушным охлаждением. К ним относятся двигатели М-14 (рис.1-3) и АШ-62ИР.
5) В зависимости от характера изменения мощности при изменении высоты полета.
Авиационные ПД делятся на высотные и невысотные.
Высотные двигатели при увеличении высоты сохраняет свою мощность до достижения какой-то определенной высоты, называемой расчетной (Hрасч). При дальнейшем увеличении высоты (если Н>Hрасч) мощность у высотных двигателей снижается. У невысотных двигателей мощность с увеличением высоты только снижается.
На пассажирские и транспортные самолеты устанавливаются высотные двигатели. Например, высотным является двигатель АШ-62ИР.
Поршневой двигатель работает на принципе преобразования тепловой энергии в механическую.
Рассмотрим, как практически осуществляется этот принцип (рис. 1-4). Через трубопровод 4 подается топливовоздушная смесь (ТВС) по стрелке "А". К моменту подачи топлива в камеру сгорания 6 открывается впускной клапан 5. После заполнения камеры сгорания впускной клапан закрывается и к свече 8 подается высокое электрическое напряжение. В свече возникает электрическая искра, которая поджигает ТВС Топливовоздушная смесь, быстро сгорая, расширяется, в камере сгорания возникает значительное давление сгоревших газов. Это давление, действуя на поршень 3, заставляет его двигаться вниз в цилиндре 2 и через шатун 9 движение передается коленчатому валу 10, который вращается по стрелке "В". Коленчатый вал, вращаясь, перемещает поршень вверх и через открытый выпускной клапан 7 продукты сгорания удаляются из двигателя в атмосферу (по стрелке "Б"). Коленчатый вал вращается в корпусе 1, который носит название картера. К передней части коленчатого вала может быть присоединен редуктор, вращение которого передается воздушному винту самолета.
Рассмотрим подробно схему работы четырехтактного поршневого двигателя, применяющегося сегодня в авиационном двигателестроении.
В четырехтактном поршневом двигателе внутреннего сгорания чередующиеся процессы преобразования тепловой энергии в механическую осуществляются в следующем порядке (рис. 1-5):
— поступление ТВС в камеру сгорания — впуск (первый такт);
— сжатие поступившей смеси (второй такт);
— расширение после сгорания смеси (третий такт);
— выпуск сгоревших газов (четвертый такт).
В начале такта впуска поршень 1 находится в верхнем положении. На рис. 1-3 это положение отмечено линией с обозначением ВМТ (верхняя мертвая точка). Нижнее положение поршня отмечено линией НМТ — нижняя мертвая точка. Таким образом, поршень во всех тактах перемещается от ВМТ к НМТ.
В первом такте (впуск) поршень, двигаясь вниз, при открытом впускном клапане 4 дает возможность смеси заполнить цилиндр 6. В процессе впуска цилиндр заполняется свежей ТВС. Чем больше попадет смеси в цилиндр к моменту закрытия впускного клапана, тем большую мощность может развивать двигатель.
Во втором такте (сжатие) коленчатый вал 3 через шатун 2 передает движение поршню 1, и он перемещается вверх, сжимая поступившую в цилиндр горючую смесь. В этот момент впускной клапан закрыт.
Сжатие горючей смеси производится для того, чтобы обеспечить высокое давление. При большем давлении в процессе расширения будет выполнена большая работа.
1— картер; 2— цилиндр; 3— поршень; 4— трубопровод подачи ТВС; 5— впускной клапан; 6— камера сгорания; 7— выпускной клапан; 8— свеча; 9— шатун; 10— коленчатый вал Рис. 1-5. Схема работы четырехтактного поршневого двигателя:
1— поршень; 2— шатун; 3— коленчатый вал; 4— впускной клапан; 5— выпускной клапан; 6— цилиндр В третьем такте (расширение) при закрытых клапанах впуска и выпуска в верхнюю часть цилиндра, в пространство над поршнем, находящимся в ВМТ, подается искра, от которой зажигается ТВС. Сгорание начинается в конце такта сжатия. Сгорание топлива, входящего в топливовоздушную смесь, — химический процесс окисления углерода и водорода кислородом воздуха. В результате при полном сгорании образуются углекислый газ СО и вода Н2О. При неполном сгорании к ним добавляется окись углерода СО.
Быстро расширяясь, сгоревшие газы толкают поршень вниз. Через шатун коленчатому валу придается вращательное движение. Поршень опускается до НМТ. Процесс расширения — основной процесс, так как именно здесь совершается работа по преобразованию тепла в механическую работу.
В четвертом такте (выпуск) поршень из НМТ поднимается, выталкивая сгоревшие газы через открытый клапан выпуска 5. Процесс выпуска заканчивается в момент закрытия выпускного клапана.
Все четыре такта в четырехтактном поршневом двигателе совершаются за два оборота коленчатого вала.
Все процессы, происходящие в цилиндре двигателя, выполняются за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и называются циклом двигателя. Цикл двигателя начинается с первого такта и заканчивается четвертым. Затем весь процесс снова повторяется, наступает следующий цикл. Поршневые двигатели, имеющие такой цикл, называются четырехтактными.
В описанной выше схеме на рис. 1-2 и 1-3 показан ПД с одним цилиндром. Из приведенного описания следует, что тепловая энергия сгоревшей смеси превращается в механическую работу только в третьем такте (расширение). Вот почему в одноцилиндровом двигателе вращение коленчатого вала не может быть равномерным, да и мощность один цилиндр выдает весьма малую. Поэтому поршневые двигатели делают многоцилиндровыми.
1.3. Кривошипно-шатунный механизм. Геометрические параметры ПД.
Как было сказано выше, поршень совершает возвратно-поступательные перемещения от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ). Коленчатый вал двигателя при этом вращается. Передача перемещения от поршня к коленчатому валу двигателя производится при помощи кривошипно-шатунного механизма. Т.е. можно сказать, что кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Основные части кривошипно-шатунного механизма: поршень, шатун и кривошип (рис.1-6). Конструктивно кривошип выполнен как составная часть коленчатого вала.
Очевидно, что положения ВМТ и НМТ определяются длиной шатуна и радиусом кривошипа. Длина шатуна — это расстояние от оси поршневой (верхней) головки шатуна до оси кривошипной (нижней) головки шатуна. Обозначается длина шатуна буквой L. Радиус кривошипа — это расстояние от оси коренной шейки до оси шатунной шейки. Обозначается радиус кривошипа буквой R.
Проходимое поршнем расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршням и обозначается буквой S. Ход поршня осуществляется за пол-оборота коленчатого вала, т.е. за 180°, и равен двум радиусам кривошипа: S = 2R.
Перемещение поршня в цилиндре вызывает изменение его внутреннего объема. При этом различают три характерных объема цилиндра: объем камеры сжатия, рабочий объем и полный объем.
Объем цилиндра над поршнем, когда последний находится в ВМТ, называется камерой сжатия или камерой сгорания и обозначается VС..
Объем цилиндра, соответствующий ходу, поршня S, называется рабочим объемом. Он обозначается Vh.
Его можно определить, зная диаметр цилиндра D и ход поршня S:
где i— число, цилиндров двигателя.
Объем цилиндра, ограничиваемый поршнем при его положении в НМТ, называется, полным объемом цилиндра и обозначается Vа. Очевидно, что: Va = Vc + Vh.
Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия и обозначается буквой, т. е.
Степень сжатия в авиационных поршневых двигателях лежит в пределах 5 8.
Рабочий цикл – это совокупность циклически повторяющихся термодинамических процессов в цилиндре поршневого двигателя. В ходе цикла изменяются параметры рабочего тела (воздуха). Цикл, как было сказано выше, включает в себя 4 такта, соответствующим 2 оборотам коленчатого вала. Рассмотрим, как изменяются параметры рабочего тела в цилиндре ПД за один цикл, и построим график зависимости давления в цилиндре (р) от его объема (V). В результате получим замкнутую кривую, которая называется индикаторной диаграммой двигателя.
Приведем условия, при которых рабочий цикл ПД считается идеальным:
— отвода тепла через стенки поршня и цилиндра не происходит;
— сопротивления перетеканию воздуха (газа) в каналах впуска и выпуска нет;
— давление воздуха в каналах впуска и выпуска равно атмосферному (ро), — давление воздуха во внутренних объемах двигателя равно атмосферному;
— клапаны открываются и закрываются в ВМТ и НМТ с бесконечно большой скоростью;
— ТВС в цилиндре сгорает с бесконечно большой скоростью.
1. Такт «впуск».
Клапан впуска открыт, клапан выпуска закрыт, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, рабочий объем цилиндра возрастает и заполняется топливовоздушной смесью. Так как клапан впуска открыт, давление в цилиндре постоянно и равно атмосферному. Такту впуска соответствует линия «ra» на графике (рис.1-7).
2. Такт «сжатие».
Оба клапана закрыты, поршень перемещается от НМТ к ВМТ, происходит адиабатическое сжатие ТВС.
Такту сжатия соответствует линияr «aс» на графике (рис.1-7).* 5. Такт «расширение».
Оба клапана закрыты, в ВМТ происходит подача напряжения на свечи и воспламенение ТВС, происходит резкий рост давления и температуры газа при постоянном объеме. Затем поршень под действием высокого давления газа перемещается от ВМТ к НМТ, передавая усилие на коленчатый вал двигателя. Такту расширения соответствуют две линии на графике: линия «сz» – горение ТВС, линия «zb» – адиабатическое расширение газа.
«