У широко распространенных на Западе двухтактных двигателей для СЛА «Ротапс», «Хирт», «Кьюн», «Кавасаки», — Nл=80…105 л. с./л. Таким образом, у двигателей, представленных на слет, есть резервы для форсировки.
Из теории подобия известно, что литровая мощность обратно пропорциональна диаметру цилиндра, то есть:
Nл =A/D, при этом
fохл =Fохл /Us =D2 /D3 =A/D,
где f охл — отношение поверхности охлаждения к объему цилиндра,
F охл — поверхность охлаждения,
Us — объем цилиндра,
то есть с уменьшением диаметра цилиндра увеличивается площадь охлаждающей поверхности на единицу объема, что улучшает охлаждение цилиндра малого диаметра, увеличивает потери тепла и снижает термический КПД ηt , но одновременно это позволяет увеличить степень сжатия и компенсировать падение ηt , то есть роста термической эффективности ожидать не следует.
В графе 5 указана тактность двигателей.
Попробуем решить, какой двигатель более подходит для СЛА — четырехтактный или двухтактный. Начнем с уровня расхода топлива. У двухтактного ДВС 400—450 г/л.с.ч., у четырехтактного ДВС 200—250 г/л.с.ч., то есть удельный расход у двухтактного двигателя в среднем в 2 раза выше, чем у четырехтактного. Но последний может оказаться менее выгодным для СЛА из-за большей массы и большего воздушного сопротивления, так как часть эффективной мощности будет тратиться на перемещение более тяжелого двигателя в воздухе и на преодоление его вредного сопротивления. Поэтому экономичность полета наиболее полно характеризуется расходом горючего на тонно-километр.
Этот показатель, кроме экономичности, учитывает также величину воздушного сопротивления винтомоторной установки, КПД винта и ряд других показателей, словом, всю совокупность факторов, определяющих степень совершенства летательного аппарата.
Подсчитаем суммарную массу двигателя и часового запаса топлива для четырех- и двухтактных двигателей. Возьмем применяемые на СЛА близкие по мощности и объему двигатели «Днепр» МТ-10 и «Вихрь». Запас топлива на 1 час для МТ-10 при gc =200 г/л.с.ч — 7,2 кг, а для «Вихря» при gc =400 г/л.с.ч — 12 кг. Суммарная масса двигателя и топлива 67,2 кг — для двигателя «Днепр» МТ-10 и 36 кг для двигателя «Вихрь». Таким образом, винтомоторная установка на базе четырехтактного двигателя значительно тяжелее, чем на базе двухтактного. Масса же ВМУ для СЛА имеет большое значение, так как составляет 25—35% массы пустого СЛА.
Применение для изготовления СЛА новых материалов, технологий, профилей вызовет появление конструкции с малой массой планера. В этом случае относительная масса ВМГ еще больше вырастет. Четырехтактные двигатели будут иметь неоспоримое преимущество перед двухтактными при дальних перелетах, когда решающим становится удельный расход топлива.
Мы уже говорили о влиянии объема цилиндра (см. табл. 1) на удельную массу и литровую мощность. Теперь рассмотрим влияние размеров цилиндра на индикаторный КПД. Напомним, что индикаторный КПД ηі — отношение тепловой энергии, обращенной в работу, ко всей подведенной в двигатель.
Так как объем изменяется пропорционально кубу диаметра D3 , а поверхность квадрату диаметра цилиндра D2 , то тепловые потери в двигателях аналогичных конструкций обратно пропорциональны их размерам. Отсюда следует, что при прочих равных условиях индикаторный КПД растет с увеличением диаметра цилиндра (при одной и той же скорости поршня).
Таким образом, термическая эффективность ДВС малых размеров будет сравнительно низка, и удельный расход топлива у них будет выше.
В таблице 1 даны размеры цилиндра, поршня и его относительный ход S/D. Эти параметры тесно связаны между собой, поэтому рассмотрим их вместе.
Практически все двигатели, о которых идет речь, имеют относительный ход меньше единицы, причем короткоходные двигатели обладают рядом преимуществ перед длинноходными: здесь и возможность размещения каналов большого поперечного сечения, увеличивающих наполнение цилиндра; и уменьшение средней скорости поршня, что способствует увеличению механического КПД. Наконец, короткоходные ДВС компактнее длинноходных.
Следующий показатель — скорость поршня
Vср =(S*n)/30, где
S —ход поршня, м; n — частота вращения коленвала, об/мин. Средняя скорость движения поршня для двигателей, представленных в таблице, от 8,4 м/с до 17 м/с. Этот показатель серьезно влияет на динамическую нагрузку деталей двигателя, наполнение цилиндра и величину энергии, затрачиваемой на трение поршней и подшипников. Средняя скорость поршня специальных двигателей для СЛА 12—15 м/с.
Частота вращения коленвала (см. таблицу 1) рассматриваемых силовых установок — от 4500 об/мин до 8000 об/мин. Известно, что мощность ДВС зависит от его быстроходности. Однако форсировка сопровождается резким (пропорционально квадрату числа оборотов) возрастанием сил инерции вращающихся и поступательно движущихся масс деталей двигателя и, как следствие, увеличением потерь на трение, что требует усиления механической прочности деталей двигателя и изменения условий работы подшипников. С другой стороны, повышение оборотов лимитируется охлаждением головки цилиндра, поршня, свечей, так как с повышением оборотов увеличивается теплоотвод от цилиндра. Кроме того, скорость вращения ограничивается средней скоростью поршня, с возрастанием которой гидравлические потери на продувке резко увеличиваются (пропорционально квадрату скорости поршня), что уменьшает наполнение и снижает мощность двигателя. Вместе с тем повышение частоты вращения до определенного предела улучшает ηі .
В таблице 1 приведены также среднее эффективное давление и степень сжатия. Из формулы мощности видно, что есть два главных направления увеличения мощности — это повышение быстроходности и давления Pe . Влияние оборотов на мощность мы рассмотрели раньше. Посмотрим, как можно повысить Рe .
Этого легко достичь увеличением Е — степени сжатия (для двухтактных двигателей применяется эффективная степень сжатия).
Eэф =(Vэф +Vкс )/Vкс , где
E эф — эффективный объем, описываемый поршнем от верхней кромки выхлопного окна до ВМТ, V кс — объем камеры сгорания (см. табл. 3).
Таблица 3.
График влияния увеличения степени сжатия (сплошные линии) и наддува (штриховые линии) на давление в конце сгорания. Pz и удельный расход топлива Ce (в %).
Этот способ хорош тем, что он прост и, кроме прироста мощности, ведет к уменьшению расхода топлива. Однако он имеет и недостатки.
Увеличение Е сопровождается возрастанием температуры и давления в конце такта сжатия, вызывающих резкое повышение давления сгорания Рe , а следовательно, вызывает необходимость в более прочных деталях, ужесточает требования к топливу и маслу. Однако эффект увеличения мощности от повышения Рe имеет физические границы — больше чем на 15—20% таким образом мощность не увеличить. При степенях сжатия 10—12 рост мощности уже незначителен. До какого же предела можно увеличивать степень сжатия с точки зрения практических выгод? Подъем Pz и ηt можно проследить при возрастании Е от 4 до 8. Опуская расчетную сторону, приведем результат.
Степеням сжатия Е, равным 4, 5, 6, 7, 8, соответствуют давления сгорания Pz 25,3 кг/см2 , 34 кг/см2 , 44,0 кг/см2 , 54,2 кг/см2 и 65,5 кг/см2 . Отсюда видно, что при увеличении Е от 7 до 8 мы выигрываем в КПД ηt лишь 4,6%, тогда как давление сгорания повышается с 54,2 до 65,5 кг/см , т. е. на 20%. Следовательно, на практике нужно идти на компромисс между оптимальными степенью сжатия и ηt (см. график).
Для практического пользования можно порекомендовать величины максимально выгодных степеней сжатия при работе на горючем, не детонирующем при всех обстоятельствах.
Другой способ повышения Рe заключается в увеличении давления смеси на впуске.
У двухтактных двигателей повышение Рe достигается применением резонансных труб на всасывании и выхлопе (эффект Каденаси, открытый им в 1903 году и впервые реализованный на двигателе фирмы «Юмо» в 1923 году, когда было получено увеличение мощности на 60%). Настроенная система выхлопа, например, увеличивает мощность до 30—40% без большого возрастания массы мотора, к тому же улучшая его экономичность.
Повышение Рe у четырехтактных двигателей сопряжено со значительно большими трудностями. Даже простое изменение фаз газораспределения поставит конструктора перед серьезной технологической и конструкторской задачей изготовления распредвала, расточки седел и установки новых клапанов и т. п.
Наша статистика дает следующие Рe : для четырехтактных ДВС от 9,5 до 10 кг/см2 , двухтактное имеют от 3,6 до 6,6 кг/см2 , у 40% двухтактных двигателей Рe колеблется от 5,1 до 6,5 кг/см2 , что является неплохим показателем. Вместе с тем у двигателя РМЗ-640 (одного из наиболее распространенных на слете) Рe составляет всего 3,6 кг/см2 , что свидетельствует о резервах повышения его мощности. Доведя Рe до 5 кг/см2 , то есть до среднего значения для двухтактных ДВС, мы увеличим N e max на 30—35%, получив 38—40 л. с.
Автором была проделана работа по улучшению этого двигателя. Переделка заключалась в изготовлении четырех дополнительных продувочных каналов с фазами на 2—3° меньше основных, окна в поршне и увеличении Еэф . Эта доработка позволила снять 84 кг тяги на винте Ø = 1,08 м, с шагом Н=0,5 м, против 70 кг до переделки.
По таблице 1 можно проследить также значение редукции на винт. Известно, что КПД винта зависит от величины динамического шага:
λ=V/nc *D, где
V — скорость полета, м/с; n c — число оборотов винта в сек; D — диаметр винта, м.
КПД винта имеет максимум при значении λ=1-1,5; при большем и меньшем значении λ КПД винта падает. Отсюда видно, что скорость полета и число оборотов винта должны находиться в определенном соотношении.
У современных быстроходных моторов КПД винта сильно падает, до 0,3—0,5, в результате уменьшения динамического шага, особенно при установке мотора на тихоходные летательные аппараты. Поэтому оказывается выгодным приводить винт не от коленвала, а через понижающий редуктор.
Почти половина двигателей на СЛА имеет редукцию на винт от 0,38 до 0,7, что приводит к увеличению статической тяги на 80—100%.
Таким образом, применение понижающего редуктора на быстроходных моторах, устанавливаемых на тихоходные СЛА, является весьма желательным.
В таблице 1 показано влияние D винта на статическую тягу.
Тяга винта Р=L a*р*nc 2 *D4 , где а — коэффициент тяги; р — массовая плотность воздуха; nc — число оборотов винта, с; D — диаметр винта, м.
Видно, что выигрыш в тяге от увеличения диаметра винта получается значительней. Например, увеличение D на 5% повышает тягу на 21%, а на 10% дает возрастание на 46%.
Остановимся вкратце на возможных путях конструктивного решения ДВС для СЛА. Представляется два пути. Первый — создание новых двигателей с использованием новейшей перспективной технологии, с оптимизацией параметров рабочего процесса; второй — разработка их на базе уже существующих и проверенных длительной практикой, путем необходимой модификации.
Первый путь даст наилучшие результаты, но потребует больших материальных затрат, проведения исследовательских и теоретических работ. Да и сроки создания таких ДВС будут велики, так как техническая культура производства авиационных поршневых двигателей во многом утеряна с переходом на газотурбинные.
Второй путь связан с меньшим техническим риском и может быть осуществлен в значительно меньшие сроки. Исходной базой для создания двигателей могут служить выпускаемые нашей промышленностью и широко применяемые любителями «Вихрь», РМЗ-640, «Нептун», «Привет». Эти машины компактны, имеют малый «лоб», динамически уравновешены, обладают равномерным крутящим моментом и невысокой скоростью вращения коленчатого вала.
Касаясь особенностей конструкции двигателей, можно отметить, что основное число ДВС слета (78%) имели скорость вращения коленвала 5000—6500 об/мин, что можно считать оптимальным. Применяя редукцию на винт 0,4—0,6, удается получить компактный редуктор (клиноременный или простой зубчатый). При увеличении быстроходности растет редукция на винт, что потребует перехода на многоручьевые шкивы из-за уменьшения угла охвата ведущего шкива для клиноременной передачи, что «потянет» за собой увеличение длины и диаметра консоли вала винта (и как следствие — веса установки) или вызовет необходимость перехода на планетарную передачу (двигатель В. Фролова, с n=8000 об/мин). Удельная масса грамотно спроектированного и изготовленного зубчатого редуктора для ДВС малых объемов составляет 0,14—0,15 кг/л. с., и при высоких оборотах двигателя он может «съесть» весь выигрыш по удельной массе.
Автору представляется и другое решение двухтактного ДВС для СЛА. Помня, что удельный вес двигателя обратно пропорционален диаметру цилиндра, можно увеличить объем мотора до 1,5—2,0 л, ограничив скорость вращения коленвала в пределах 2400—2600 об/мин. Умеренные средние скорости поршня (7—8 м/с) благотворно скажутся на механическом КПД. В таком двигателе легче организовать газодинамику, а это приведет к увеличению коэффициента наполнения цилиндра. Система непосредственного впрыска топлива низкого давления поставит такой двигатель в один ряд с четырехтактными машинами по удельному расходу топлива. Применение негильзованных цилиндров с никосиловым покрытием или керамикой еще больше снизит удельный вес. Такой двигатель может оказаться легче, чем быстроходный ДВС той же мощности с редуктором.
В заключение отметим еще одну проблему, поставленную перед конструкторами СЛА будущих слетов, связанную с глушением шума выхлопа. 87% парка двигателей слета эксплуатировались без глушителей. Звуковое давление выхлопа двухтактных ДВС без глушителя на расстоянии 2 м от среза выхлопного окна достигает 130—140 дб, что соответствует болевому порогу ощущений. Находиться под воздействием звука такой мощности весьма утомительно и вредно. Для двухтактных ДВС настроенный глушитель даже желателен, так как повышает мощность и экономичность.
На основании рассмотренного можно сформулировать общий подход к вопросам создания ДВС для СЛА:
— небольшие габаритные размеры,
— невысокий удельный вес g≤0,5 кг/л. с.,
— динамическая уравновешенность,
— хорошая приемистость (1—2 сек),
— высокая экономичность, не более 200 г. л. с/ч
— высокая надежность и долговечность (1000—1500 ч),
— простота монтажа и демонтажа,
— простота технического обслуживания,
— низкий уровень шума (не выше 100 д,),
— низкая стоимость единицы в массовом производстве.
В. НОВОСЕЛЬЦЕВ
Рекомендуем почитать КРУТЯ НАЗАД НА РАЗНЫХ СКОРОСТЯХ Почти два века минуло со времени изобретения велосипеда. С той поры кто только, где и как его не «переизобретал» и ни усовершенствовал. В результате появилось разнообразное множество... КАЮТНЫЙ КАТЕР «РУСЛАН» (Окончание. Начало в № 5, 1975 г.) В предыдущем номере мы рассказали о новом катере, созданном в нашем общественном конструкторском бюро. Сочетая лучшие традиции отечественного малого...
Одна из главных проблем, с которой приходится сталкиваться самодеятельному конструктору моторного летательного аппарата, — подбор или изготовление силовой установки необходимой мощности, веса и экономичности. Эта задача решается обычно, исходя из имеющихся возможностей и опыта строительства подобных агрегатов.