Содержание
Двигатель вертолета. Фото. Видео. Определение.
Двигатель вертолета служит для вращения несущего винта. Если на вертолете имеется несколько несущих винтов, то они могут приводиться во вращение от одного общего двигателя или каждый от отдельного двигателя, но так, чтобы вращение винтов было строго синхронизировано.
Назначение двигателя на вертолете отличается от назначения двигателя на самолете, автожире, дирижабле, так как в первом случае он вращает несущий винт, посредством которого создает как тягу, так и подъемную силу, в остальных же случаях он вращает тянущий винт, создавая только тягу «ли силу реакции газовой струи (на реактивном самолете), также дающей только тягу.
Если на вертолете установлен поршневой двигатель, то в его конструкции должен быть учтен ряд особенностей, присущих вертолету.
Двигатель вертолета
Вертолет может летать при отсутствии поступательной скорости, т. е. висеть неподвижно относительно воздуха.
В этом случае отсутствует обдув и охлаждение двигателя, водо-радиатора и маслорадиатора, в результате чего возможен перегрев двигателя и выход его из строя. Поэтому на вертолете целесообразней применять двигатель не водяного, а воздушного охлаждения, так как последний не нуждается в тяжелой и громоздкой системе жидкостного охлаждения, для которой на вертолете потребовались бы очень большие поверхности охлаждения.
Двигатель воздушного охлаждения, обычно устанавливаемый на вертолете в туннеле, должен иметь привод для вентилятора принудительного обдува, который обеспечивает охлаждение двигателя на режиме висения и при горизонтальном полете, когда скорость относительно невелика.
В этом же туннеле устанавливается маслорадиатор. Регулировка температуры двигателя и масла может осуществляться путем изменения величины входного или выходного отверстий туннеля при помощи подвижных заслонок, управляемых из кабины летчика вручную или автоматически.
Авиационный поршневой двигатель обычно имеет номинальное число оборотов порядка 2000 в минуту.
Понятно, что полное число оборотов двигателя на винт передавать нельзя, так как при этом концевые скорости лопастей будут настолько велики, что вызовут возникновение скоростного срыва потока. Из этих соображений число М на концах лопастей должно быть не более 0,7—0,8. Кроме того, при больших центробежных силах несущий винт был бы тяжелой конструкции.
Подсчитаем, какова величина максимально допустимых оборотов несущего винта диаметром в 12 м, при которых число М концов лопастей не превышает 0,7 для высоты полета в 5000 м при скорости полета в 180 км/час,
Двигатель вертолета
Итак, двигатель для вертолета обязательно должен иметь редуктор с высокой степенью редукции.
На самолете двигатель всегда жестко соединен с винтом. Прочный, малого диаметра цельнометаллический винт легко выдерживает рывки, сопровождающие запуск поршневого двигателя, когда он резко набирает несколько сот оборотов. Винт вертолета, имеющий большой диаметр, далеко разнесенные от оси вращения массы п, следовательно, большой момент инерции, не рассчитан на резкие переменные нагрузки в плоскости вращения; при запуске может произойти повреждение лопастей от пусковых рывков.
Поэтому необходимо, чтобы в момент запуска несущий винт вертолета был отсоединен от двигателя, т. е. двигатель должен запускаться вхолостую, без нагрузки. Обычно это осуществляется введением в конструкцию двигателя фрикционной и кулачковой муфт.
Перед запуском двигателя муфты должны быть выключены, при этом вращение вала двигателя на несущий винт не передается.
Однако без нагрузки двигатель может развить очень большие обороты (дать раскрутку), которые вызовут его разрушение. Поэтому при запуске до включения муфт нельзя полностью открывать дроссельную заслонку карбюратора двигателя и превышать установленное число оборотов.
Двигатель вертолета
Когда двигатель уже запущен, необходимо соединить его с несущим винтом посредством фрикционной муфты.
В качестве фрикционной муфты может служить гидравлическая муфта, состоящая из нескольких металлических дисков, покрытых материалом, обладающим высоким коэффициентом трения. Часть дисков соединена с валом редуктора двигателя, а промежуточные диски соединены с приводом главного вала к несущему винту.
До тех пор, пока диски не сжаты, они свободно проворачиваются относительно друг друга. Сжатие дисков осуществляется поршнем. Подача масла с высоким давлением под поршень заставляет поршень передвигаться и постепенно сжимать диски. При этом крутящий момент от двигателя передается на винт постепенно, плавно раскручивая винт.
Счетчики оборотов, установленные в кабине, показывают числа оборотов двигателя и винта. Когда обороты двигателя и винта равны, это означает, что диски гидравлической муфты плотно прижаты друг к другу и можно считать, что муфта соединена по типу жесткого сцепления. В этот момент может быть плавно (без рывков) включена кулачковая муфта.
Наконец, для обеспечения возможности самовращения, несущего винта надо, чтобы винт автоматически отключался от двигателя. До тех пор, пока двигатель работает и вращает винт, кулачковая муфта находится в зацеплении. При отказе же двигателя его обороты быстро уменьшаются, но несущий винт некоторое время по инерции продолжает вращение с тем же числом оборотов; в этот момент кулачковая муфта выходит из зацепления.
Несущий винт, отсоединенный от двигателя, может продолжать затем вращение на режиме самовращения.
Полет на режиме самовращения с учебными целями производится при выключенном двигателе или при работающем двигателе, в последнем случае обороты его уменьшаются настолько, чтобы винт (с учетом редукции) делал большее число оборотов, чем коленчатый вал двигателя.
После посадки вертолета обороты двигателя сначала уменьшаются, выключается муфта сцепления, а затем останавливается двигатель. При стоянке вертолета винт всегда должен быть заторможен, иначе он может начать вращаться от порывов ветра.
Двигатель вертолета
Мощность двигателя вертолета расходуется на преодоление сопротивления вращения несущего винта, на вращение рулевого винта (6—8%), на вращение вентилятора (4—6%) и на преодоление потерь в трансмиссии (5—7%).
Таким образом, несущий винт использует не всю мощность двигателя, а только часть ее. Использование винтом мощности двигателя учитывается коэффициентом, который показывает, какую часть мощности двигателя использует несущий винт.
Чем выше этот коэффициент, тем более совершенна конструкция вертолета. Обычно = 0,8, т. е. винт использует 80 % мощности двигателя:
Мощность поршневого двигателя зависит от весового заряда воздуха, всасываемого в цилиндры, или от плотности окружающего воздуха. В связи с тем, что с поднятием на высоту плотность окружающего воздуха уменьшается, постоянно падает также мощность двигателя. Такой двигатель носит название невысотного. С поднятием на высоту 5000—6000 м мощность такого двигателя уменьшается примерно вдвое.
Для того чтобы до определенной высоты мощность двигателя не только падала, а даже увеличивалась, на магистрали всасывания воздуха в двигатель ставят нагнетатель, повышающий плотность всасываемого воздуха. За счет нагнетателя мощность двигателя до определенной высоты, называемой расчетной, возрастает, а затем падает так же, как у невысотного.
Нагнетатель приводится во вращение от коленчатого зала двигателя. Если в передаче от коленчатого вала к нагнетателю имеются две скорости, причем при включении второй скорости увеличиваются обороты нагнетателя, то с поднятием на высоту можно дважды обеспечивать повышение мощности.
Такой двигатель имеет уже две расчетные высоты.
На вертолетах, как правило, устанавливаются двигатели с нагнетателями.
Агрегаты техники
Двигатель для вертолета Ми-38 испытали забросом птицы и льда
Перспективный турбовальный двигатель ТВ7-117В для многоцелевого вертолета Ми-38 прошел испытания на защищенность от внешнего воздействия. Согласно сообщению петербургской компании «ОДК-Климов», разработавшей двигатель, силовую установку испытали забросом птиц, града и воды. Все проверки двигатель прошел успешно.
Испытания новых двигателей на надежность — один из важнейших этапов в программе разработки любых силовых установок. Во время этого этапа разработчики проверяют, насколько надежно двигатель может работать как в предусмотренных для него условиях, так и в экстремальных.
Во время этого этапа силовые установки обычно испытывают запусками и работой в условиях жары и холода, повышенной влажности, дождя, снега, града, при частичном отказе оборудования, при попадании в двигатель птицы.
Такие испытания каждый производитель начинает по разному, но, как правило, в них принимают участие сразу несколько силовых установок. Это позволяет существенно сэкономить время.
Во время проверки силовой установки на попадание льда обычно используется специальная установка-льдогенератор. Ее монтируют перед работающим двигателем, и установка начинает последовательно вырабатывать и выбрасывать снег и град различной величины. Испытания считаются пройденными если двигатель лишь незначительное падение мощности.
Во время испытаний забросом птиц в двигатель с помощью специального устройства выстреливают птичьи тушки разных размеров. Такая проверка необходима, поскольку самолеты и вертолеты нередко сталкиваются с птицами, и разработчики должны быть уверены, что такие столкновения относительно безопасны для летательных аппаратов.
Испытания ТВ7-117В проводились на стенде Центрального института авиационного моторостроения имени Баранова в конце января текущего года. Силовая установка прошла проверки попаданием крупного льда под углом 27 градусов к оси со скоростью 83 метра в секунду.
Обстрел двигателя производился градом с диаметром 25 и 50 миллиметров (масса градин 8 и 59 граммов соответственно).
В двигатель в область защитного экрана также выстрелили птичьей тушкой массой 1,85 килограмма на скорости 83 метра в секунду. Защитное устройство получило видимые сильные деформации экрана и защитной сетки, однако уберегло двигатель от повреждений. Испытания признаны успешными. Теперь ТВ7-117В предстоит проверка попаданием мелкого града. Это будет последний по программе испытаний силовой установки.
ТВ7-117В разработан на базе самолетного турбовинтового двигателя ТВ7-117С, предназначенных для установки на военно-транспортные самолеты Ил-112В и пассажирские Ил-114. Силовая установка способна развивать мощность 2,8 тысячи лошадиных сил во взлетном режиме. Двигатель оснащен электронной системой автоматического управления и контроля с полной ответственностью.
В декабре прошлого года — январе текущего средний многоцелевой вертолет Ми-38 с установленными на него двигателями ТВ7-117В успешно прошел испытания сильными морозами.
Проверки проводились в аэропорту Мирный в Якутии. В частности, разработчики проверили запуск двигателей Ми-38 при температуре воздуха минус 40 градусов Цельсия без предварительного прогрева.
В общей сложности почти за месяц испытаний вертолет выполнил 49 полетов. Разработчики проверили работоспособность узлов и агрегатов машины, а также функционирование бортовых систем, включая и после «вымораживания» Ми-38. По итогам проверок планируется доработать внешнюю маслосистему двигателей, а также систему кондиционирования воздуха в кабине пилотов.
Василий Сычёв
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Как работают вертолетные двигатели? Ваш полный путеводитель — учитель-пилот
Нет сомнений, что вертолеты — это невероятный образец инженерной мысли, но без двигателей они были бы бесполезны. Наличие легкого, мощного, экономичного и надежного двигателя имеет первостепенное значение для его успешной работы на вертолете.
Вертолетные двигатели могут быть как поршневыми, так и газотурбинными турбовальными.
Воздух всасывается, сжимается, смешивается с топливом, воспламеняется, затем быстрое расширение газа используется для вращения приводного вала, который подается на главную трансмиссию. Двигатели работают на бензине (Avgas) или керосине (Jet A1).
Размер вертолета определяет тип двигателя и количество используемых двигателей. У каждого типа двигателей есть свои плюсы и минусы, но оба типа тщательно спроектированы и тщательно протестированы, чтобы гарантировать, что они соответствуют самым высоким стандартам качества. Если бы они этого не сделали, я бы ни за что не привязал свою задницу к одному из них!
Давайте взглянем на эти различные типы силовых установок для вертолетов…
Типы вертолетных двигателей
Как было кратко упомянуто, существует два типа вертолетных двигателей:
- Поршневой или поршневой двигатель
- Газотурбинный турбовальный двигатель
В этой статье будет рассмотрен каждый тип двигателя, принцип его работы, компоненты, обеспечивающие его работу, и то, как он приводит в движение вертолет.
Поршневые вертолетные двигатели:
Cabri от Guimbal — популярный тренировочный вертолет с поршневым двигателем. 1135 кг). До развития газотурбинных технологий поршневые двигатели использовались в более крупных вертолетах, таких как ранняя модель Westland Whirlwind HAR.5 19-го века.50-е годы.
Современные вертолетные поршневые двигатели обычно имеют 4 или 6 цилиндров, горизонтально-оппозитные конструкции, работающие на авиационном бензине, более известном как Avgas. Они невероятно надежны, но тяжелы по сравнению с мощностью, которую они создают. По этой причине они ограничены вертолетами меньшего размера.
Как работают поршневые вертолетные двигатели?
Поршневой двигатель вертолета очень похож на двигатель вашего автомобиля. Воздух всасывается в двигатель через карбюратор или воздухозаборник для моделей с впрыском топлива. Этот тип двигателя представляет собой 4-тактный двигатель, который имеет 4 ступени работы.
После запуска двигателя:
- Впускная ступень — Когда каждый поршень в соответствующем цилиндре опускается коленчатым валом, клапан (впускной клапан) в верхней части цилиндра открывается, и воздух всасывается в цилиндр вместе с распыляемым топливом — оба измеряются для обеспечения оптимального соотношения топлива и воздуха.
- Ступень сжатия – Как только поршень достигает дна цилиндра, он начинает подниматься вверх по цилиндру. В этот момент впускной клапан закрывается и герметизирует цилиндр. Это приводит к тому, что топливно-воздушная смесь становится все более сжатой по мере подъема поршня.
- Силовой агрегат — Как только поршень достигает верхней точки своего хода, срабатывает свеча зажигания и воспламеняет взрывоопасную топливно-воздушную смесь. Это заставляет газ быстро расширяться и резко увеличивать его давление, заставляя поршень возвращаться в цилиндр.
- Ступень выпуска — Поршень достигает дна, и инерция, и другие цилиндры работают, заставляют коленчатый вал продолжать вращаться, и поршень начинает подниматься вверх по цилиндру. В этот момент открывается другой клапан (выпускной клапан), позволяющий отработанному газу выйти из цилиндра. Когда поршень достигает верхней точки своего хода, выпускной клапан закрывается, и цилиндр готов к следующему циклу.
Анимация Автор Zephyris
Анимация, которую вы видите, это всего лишь один из 4 или 6 цилиндров, составляющих типичный вертолетный двигатель. Другое отличие состоит в том, что цилиндры расположены горизонтально, а коленчатый вал проходит через середину блока цилиндров. Это позволяет двигателю быть компактным и легко охлаждаемым, поскольку конструктору вертолета легче поместить верхние части цилиндров в воздушный поток.
Деталь двигателя Robinson R22 – Источник: Hengist
На этом изображении вы можете видеть две правые крышки цилиндров (квадраты бронзового цвета) этого двигателя Lycoming O-360 мощностью 180 л.с., мощность которого снижена до 145 л.с. Чтобы создать достаточный поток охлаждающего воздуха, Фрэнк Робинсон (первоначальный конструктор этого вертолета) создал этот кожух вентилятора, который втягивает воздух из большого круглого воздухозаборника, проходит через вентилятор с короткозамкнутым ротором с приводом от двигателя, а затем дует через цилиндры в Держите их в прохладе, особенно когда вертолет зависает и нет потока воздуха от прямого полета.
Коленчатый вал от четырех поршней затем соединяется с системой привода вертолета.
Как поршневой двигатель вертолета приводит в движение трансмиссию?
После запуска двигателя его карданный вал сразу начинает вращаться. Основная проблема здесь заключается в том, что заставить систему несущего винта вращаться сразу после запуска двигателя было бы слишком большим сопротивлением двигателю, и он не запустился бы.
Итак, чтобы двигатель мог легко запуститься, главный привод вертолета отключается от двигателя до тех пор, пока пилот не активирует систему включения привода.
Основным способом соединения поршневого вертолета с системой привода вертолета является ременная передача.
Шкив с желобками соединен с двигателем, а второй шкив с желобками соединен с первичным карданным валом коробки передач.
Когда вертолет стартует, клиновые ремни ослаблены, что позволяет шкиву двигателя вращаться, не приводя в движение клиновые ремни.
Трансмиссия и сцепление Robinson R22 — Источник: ATSB
После запуска двигателя пилот активирует систему «Drive-Engagement» с помощью переключателя на приборной панели. На поршневых вертолетах есть несколько различных систем натяжения ремня, но все они выполняют одну и ту же работу.
Затем система начнет натягивать клиновые ремни, либо активируя двигатель и редуктор для отталкивания двух шкивов друг от друга, тем самым натягивая клиновые ремни, либо с помощью электрического линейного привода, который перемещает натяжной шкив и натягивает клиновые ремни.
Натяжение промежуточного шкива на вертолете Schweizer 269
После активации система остается заблокированной, чтобы поддерживать правильное натяжение ремней. Некоторые системы, например, на вертолетах Robinson, контролируют натяжение ремня и автоматически регулируют шкивы в полете для поддержания надлежащего натяжения.
После того, как пилот приземлится в конце полета, он отключит систему натяжения с помощью переключателя, и двигатель снимет натяжение с клиновых ремней, что позволит выключить двигатель, пока основной ротор все еще раскручивается.
Компоненты поршневого вертолетного двигателя
Многие поршневые двигатели, используемые в современных вертолетах, очень похожи по конструкции. Они бывают либо карбюраторными, либо топливными, в зависимости от модели вертолета.
Вот основные компоненты типичного поршневого двигателя вертолета:
Блок двигателя
Состоит из 4 или 6 цилиндров, в зависимости от модели, установленных под углом 180° друг к другу, известных как «горизонтально противоположные».
На изображении, которое вы видите, изображен поршневой авиационный двигатель Lycoming O-360. Этот установлен на самолете Piper PA-28, но он такой же, как и на вертолетах серии Robinson R22 Beta II. Это изображение дает отличный вид на его расположение.
Авиационный двигатель Lycoming серии O-360
Коленчатый вал проходит через середину блока цилиндров, так же как и распределительные валы, приводящие в действие впускные и выпускные клапаны. Вместо места соединения винта с валом в вертолетах соединяется клиновидный шкив. Две трубки, идущие к каждому цилиндру, представляют собой толкатели, которые открывают и закрывают впускные и выпускные клапаны, а ребра, которые вы видите на концах цилиндров, предназначены для предоставления каждому цилиндру максимальной площади поверхности для охлаждения.
Стартер
Делает именно то, на что похоже. Когда пилот поворачивает ключ зажигания в положение «Пуск» или нажимает кнопку «Пуск», двигатель стартера выдвигает зубчатую шестерню и начинает ее вращение с очень высоким крутящим моментом.
На изображении выше вы можете видеть зубья, окружающие край большого маховика. Именно с этими зубцами сцепляется стартер, и они проворачивают двигатель. Стартер скрыт от глаз в дальней правой части двигателя.
После запуска двигателя пилот отпускает кнопку или ключ, и стартер отводит свою шестерню от маховика и прекращает вращение. Стартер больше не требуется до конца полета.
Генератор
Генератор приводится в движение небольшим клиновым ремнем от основного коленчатого вала. Генератор можно увидеть слева внизу от пропеллера на фотографии выше. Работа генератора переменного тока заключается в выработке электроэнергии постоянного тока, как только коленчатый вал двигателя начинает вращаться.
Электроэнергия, которую он вырабатывает, используется для питания всех фонарей самолета, радиоприемников, GPS, приборов и любых электрических систем, таких как система включения привода, также называемая «муфтой».
Вторая задача генератора — заряжать аккумулятор. После каждого запуска двигателя напряжение аккумуляторной батареи снижается. Чтобы аккумулятор не разряжался со временем и чтобы вертолет можно было каждый раз запускать, генератор заряжает аккумулятор во время полета.
Магнето
Магнето — это электрическое устройство с приводом от двигателя, используемое для подачи энергии на свечи зажигания, чтобы заставить их искриться. На двигателе вертолета два магнето, и каждое работает независимо от другого.
В каждом цилиндре две свечи зажигания. Одно магнето подает энергию на одну свечу зажигания в каждом цилиндре, а второе магнето подает энергию на другую свечу зажигания в цилиндрах. Думайте об этом как о наборе верхних свечей зажигания и наборе нижних свечей зажигания. Одно магнето питает верхние заглушки, другое — нижние заглушки.
Lycoming 6 Cylinder Aircraft Engine – Оригинальный источник: Triple-Green
Наличие двух независимых систем обеспечивает резервирование. Если одна из них выйдет из строя, другая система сможет поддерживать работу двигателя, хотя и не так эффективно, но достаточно, чтобы вернуть вертолет домой с немного сниженной мощностью.
Преимущество магнето в том, что пока двигатель вращается, они производят энергию искры.
Они не требуют какого-либо другого внешнего воздействия, что делает их отличными устройствами, поскольку они будут продолжать работать, даже если в самолете произойдет полный электрический отказ.
Обогрев карбюратора
В безнаддувных вертолетных двигателях используется карбюратор для смешивания топлива и воздуха в правильном соотношении перед тем, как они попадут в цилиндры для сгорания. Когда вертолету требуется больше мощности, дроссельная заслонка карбюратора открывается, и всасывание от такта впуска цилиндров всасывает больше воздуха, таким образом, эффект Вентури на топливопроводе также втягивает больше топлива.
Больше воздуха и топлива = больше взрыва = больше мощности
Когда воздух проходит через карбюратор, он естественным образом охлаждается в рамках процесса Вентури и может охлаждаться на целых 20°C. Проблема с самолетами в том, что когда они набирают высоту, температура окружающего воздуха становится ниже. Как только самолет начинает поглощать холод, в карбюраторе может начать образовываться влажный воздушный лед.
Оставленный строиться, лед начнет закрывать щель, используемую для заглатывания воздуха, лишать двигатель воздуха и выключать его — нехорошо!
Деталь нагрева карбюратора Robinson R22 — Оригинальный источник: Hengist
Чтобы преодолеть это, простой совок собирает горячий воздух вокруг выхлопной трубы двигателя и направляет его к воздухозаборнику карбюратора. Это увеличивает температуру воздуха, поступающего в карбюратор, и может либо предотвратить образование льда, либо помочь растопить лед.
Система обогрева карбюратора контролируется пилотом по датчику температуры. Желтая дуга указывает, когда температура оптимальна для обледенения карбюратора.
Система активируется нажатием рычага в кабине, чтобы направить теплый воздух в карбюратор.
Воздушная система обогрева карбюратора используется перед любым изменением мощности, так как более теплый воздух, поступающий в двигатель, снижает мощность, которую он производит.
За 1 минуту – 30 секунд до снижения мощности, руководство по летной эксплуатации рекомендует активировать систему, чтобы растопить любой лед до того, как дроссельная заслонка начнет закрываться, когда пилот уменьшит мощность.
При наличии льда зазор между дроссельной заслонкой и стенкой карбюратора может быть полностью перекрыт при закрытии клапана — это приведет к остановке двигателя.
Простая система, которая хорошо работает при правильном использовании пилотом. Многие пилоты погибли из-за обледенения карбюратора, когда они забыли активировать систему перед снижением мощности, и их двигатель заглох из-за недостатка воздуха.
Система впрыска топлива
Для увеличения мощности двигателя многие вертолетные двигатели оснащаются системой впрыска топлива, а не карбюраторной системой. Одним из основных преимуществ системы впрыска топлива является то, что она помогает устранить любые проблемы с обледенением карбюратора, потому что карбюратора нет!
Впрыск топлива — это именно то, на что это похоже.
Это система, которая впрыскивает топливо непосредственно в каждый цилиндр. Топливо дозируется и впрыскивается в нужное время в 4-тактном цикле через топливную форсунку, которая распыляет топливо по мере его подачи.
Система использует топливный насос для повышения давления топлива, поступающего из бака. Затем он проходит через клапан, который также связан с впускным клапаном, поэтому, когда пилоту требуется больше мощности, он открывает как впускной, так и топливный клапаны, чтобы позволить большему количеству воздуха и топлива пройти в двигатель.
Затем топливо направляется в распределительный блок, который направляет его в нужный цилиндр в нужное время. Воздух по-прежнему поступает в каждый цилиндр через впускной клапан. Вместо того, чтобы смешивать воздух и топливо в карбюраторе, смесь теперь смешивается непосредственно в цилиндре.
Поскольку топливо измеряется и дозируется, повышенная производительность и эффективность могут быть достигнуты с помощью электронных систем для контроля и управления подачей топлива в каждый цилиндр.
Газотурбинные вертолетные двигатели
Леонардо AW101 имеет 3 газотурбинных двигателя – Источник: Марк Харкин
Газотурбинный двигатель – это двигатель вертолета. Легкая, компактная конструкция и высокая выходная мощность делают их идеальными для установки на вертолете. Но они недешевы! Даже самые маленькие начинаются с той же цены, что и целый вертолет с поршневым двигателем!
Тип газотурбинного двигателя, используемого в вертолетах, называется «турбовальной» газовой турбиной, и это означает, что он использует мощность двигателя, а затем передает эту мощность на приводной вал, который вертолет затем может использовать для привода системы трансмиссии.
Вертолеты могут иметь 1, 2 или даже 3 газотурбинных двигателя в зависимости от их веса и конструкции. Давайте посмотрим…
Как работают газотурбинные вертолетные двигатели?
В вертолетах используются два типа газотурбинных двигателей.
1. Первая серия — это серия Allison, в которой используется конструкция с обратным воздушным потоком:
Воздух втягивается спереди, направляется в заднюю часть двигателя, затем проходит через середину двигателя, а затем выбрасывается из вершина.
Этот тип двигателя очень распространен на вертолетах Bell.
Bell 206 Jet Ranger с двигателем с обратным потоком – Источник: James
2. Второй тип газовой турбины представляет собой прямоточный воздушный поток и используется более широко:
Воздух поступает через впускное отверстие и движется непосредственно через двигатель перед выходом сзади.
Leonardo AW189 имеет двигатели сквозного типа – Источник: Адриан Пингстоун
Оба двигателя используют один и тот же принцип работы, но отличаются физическим расположением их компонентов.
Газотурбинные двигатели работают, втягивая воздух в переднюю часть двигателя с помощью компрессора. Большинство турбовальных вертолетных двигателей имеют двухступенчатый компрессор. Это сжимает воздух, нагревает его и увеличивает его скорость.
Затем сжатый воздух направляется в камеру сгорания, где он смешивается с распыленным топливом для реактивных двигателей и воспламеняется. Как только двигатель работает, огненный шар обеспечивает самоподдержание двигателя, обеспечивая поступление топлива.
Газ быстро расширяется и проталкивается через турбину(и) газогенератора. Они вращаются в потоке воздуха и подключаются к компрессору в передней части двигателя. Это заставляет компрессор вращаться, чтобы подавать больше воздуха, чтобы двигатель работал.
После прохождения через турбину газогенератора газы проходят через силовую турбину/турбины. Силовые турбины не связаны ни с чем в двигателе, кроме коробки передач, которая питает приводной вал, который используется для привода трансмиссии вертолета. Вот где запрягается сила.
После прохождения через силовую турбину(ы) газ выходит из выхлопной трубы вертолета.
Турбовальный двигатель Arriel 1D1 от Airbus AS350 Astar
При постоянном добавлении топлива двигатель питается сам и продолжает работать в бесконечном цикле. Если требуется больше мощности, добавляется больше топлива, что приводит к более сильному взрыву, который быстрее вращает турбину газогенератора, которая быстрее вращает компрессор, втягивая больше воздуха для смешивания с увеличенным количеством топлива.
Больше воздуха и топлива = больше взрыва = больше мощности
Как газотурбинный двигатель вертолета приводит в движение трансмиссию?
В зависимости от конструкции двигателя будет зависеть способ использования мощности двигателя. В некоторых турбовальных двигателях силовая турбина соединена с коробкой передач, которая приводит в движение приводной вал, или некоторые могут выводить приводной вал из передней или задней части центральной линии двигателя, который затем можно вставить в коробку передач, установленную на двигатель.
На приведенной ниже схеме силовая турбина соединяется с редуктором сразу за силовой турбиной. Доступ к приводу (оранжевый) возможен как спереди, так и сзади этого двигателя.
На приведенной ниже схеме силовые турбины направляют карданный вал через центр двигателя, а редуктор расположен в передней части двигателя. Доступ к приводу (оранжевый) возможен только спереди двигателя:
После доступа к приводу двигателя остается только установить приводной вал между двигателем и главной трансмиссией вертолета.
Когда используются два двигателя, они устанавливаются рядом, и каждый карданный вал входит в любую сторону главной передачи.
В отличие от вертолетов с поршневым двигателем, вертолеты с газотурбинным двигателем не нуждаются в системе сцепления для отделения двигателя от трансмиссии. Газовые турбины позволяют двигателю запускаться и начинать вращение без вращения системы несущего винта, поскольку силовые турбины известны как свободные турбины.
Несмотря на то, что остальные компоненты двигателя вращаются, силовая турбина (турбины) соединена только напрямую с главной трансмиссией и будет вращаться только тогда, когда поток газа через них станет достаточно мощным, чтобы преодолеть сопротивление трансмиссии. При первом запуске двигателя поток газа через силовую турбину (турбины) имеет небольшой объем, воздух просто проходит через лопатки силовой турбины, не воздействуя на них.
По мере увеличения оборотов двигателя во время запуска увеличивается объем воздуха, проходящего через силовую турбину, и примерно при 25% скорости вращения двигателя поток газа будет достаточно сильным, чтобы начать вращение силовой турбины, которая затем приводит в движение трансмиссию, который, в свою очередь, приводит в движение основной и хвостовой винты.
Компоненты газотурбинного вертолетного двигателя
Хотя газотурбинные двигатели выглядят сложными, их работа довольно проста. Компоненты, из которых состоит газотурбинный двигатель, спроектированы с очень жесткими допусками, чтобы выдерживать огромные скорости и температуры, при которых работают эти машины.
Для этого объяснения мы рассмотрим двигатель Arriel 1D1, который приводит в действие AS350 B2 Astar. Это тот, на котором я сейчас летаю, и у меня есть много фотографий, которые помогут объяснить. Начнем с передней части двигателя и пройдем дальше:
Компрессоры
Большинство газотурбинных вертолетных двигателей состоят из пары компрессоров в самой передней части двигателя. Первый компрессор осевой компрессор. Работа этого компрессора заключается в том, чтобы всасывать воздух и увеличивать его давление и скорость. Он также сглаживает воздушный поток, готовый к его входу во второй компрессор — центробежный компрессор.
Затем центробежный компрессор снова увеличивает давление воздуха и повышает его температуру, прежде чем он попадет в камеру сгорания.
Оба компрессора смонтированы на одном валу и вращаются вместе как единое целое. Их скорость контролируется турбиной газогенератора (подробнее об этом позже).
Выпускной клапан
Выпускной клапан расположен в верхней части двигателя между осевым и центробежным компрессорами.
Компрессоры двигателя рассчитаны на работу с максимальной эффективностью при высоких оборотах. Во время пуска и настройки низкой мощности воздух, проходящий через компрессоры, очень медленный и может вызвать аэродинамическую остановку лопастей ротора компрессора.
Для предотвращения остановки выпускной клапан удерживается в открытом положении пружиной, чтобы разгрузить компрессор при запуске двигателя, ускорении и режимах малой мощности. Благодаря этому компрессор ощущает меньше ограничений и работает более эффективно. По мере увеличения оборотов двигателя клапан закрывается за счет давления воздуха, создаваемого двигателем. Это полностью автоматическая система, и она работает очень хорошо.
Камера сгорания
После подготовки воздуха компрессорами он поступает в камеру сгорания, где из двух топливных форсунок дозируется распыленное реактивное топливо.
При запуске двигателя топливно-воздушная смесь воспламеняется двумя свечами зажигания. Как только двигатель достигает примерно 45% своих рабочих оборотов в минуту, огненный шар в камере сгорания становится самоподдерживающимся. В этот момент свечи зажигания выключаются до конца полета. При условии, что топливо продолжает поступать в камеру сгорания, огненный шар будет гореть.
При воспламенении топливно-воздушной смеси ее объем быстро увеличивается, и единственный путь для ее выхода — к задней части двигателя.
Блок управления подачей топлива
Блок управления подачей топлива находится в передней нижней части двигателя и приводится в действие дополнительной коробкой передач двигателей. Топливо поступает в блок управления от подпорных насосов, расположенных в топливном баке вертолета.
Блок управления подачей топлива сам по себе является сложным сердцем двигателя, но я постараюсь сделать его простым для понимания!
Блок управления подачей топлива работает по двум требованиям:
- Рычаг управления подачей топлива (верхняя тяга) – используется для запуска и разгона двигателя до полетных оборотов. При достижении оборотов в минуту рычаг остается в этом положении до конца полета.
- Коллектив — это то, что пилот использует для набора высоты и спуска с вертолета. По мере увеличения шага лопастей лопасти несущего винта создают большее сопротивление. Чтобы основной ротор вращался с оптимальной скоростью вращения 390 об/мин, требуется больше мощности. Общий рычаг соединен с органами управления полетом и блоком управления подачей топлива (нижняя тяга), чтобы запрашивать больше топлива для большей мощности и меньше топлива для меньшей мощности.
По мере дозирования топливо подается под давлением к двум топливным форсункам, установленным по бокам камеры сгорания.
Газогенератор
Турбина или турбины газогенератора, в зависимости от модели двигателя, устанавливаются непосредственно после камеры сгорания. Когда быстро расширяющийся газ пытается выйти из двигателя, он проходит через лопатки этой турбины.
Когда воздух проходит через турбину, он вращает ее. Работа газогенератора заключается в подаче в двигатель необходимого количества воздуха, чтобы соответствовать количеству топлива, запрошенному и подаваемому блоком управления подачей топлива.
Турбина(ы) газогенератора также установлена на том же валу, что и два компрессора, так что по мере того, как добавляется больше топлива и увеличивается удар, больше воздуха проходит через газогенератор, вращая его быстрее, таким образом, компрессоры быстрее всосать больше воздуха. Это то, что делает двигатель самоподдерживающимся и представляет собой постоянный цикл, а не 4-ступенчатый цикл поршневого двигателя.
Силовая турбина
Здесь мощность двигателя используется для привода главной трансмиссии вертолета.
Силовая турбина не связана с компонентами двигателя перед ней. Это так называемая «свободная турбина». Так же, как принцип работы газогенератора, он использует поток воздуха, пробивающийся через него, чтобы вращать его. Некоторые газотурбинные двигатели могут иметь только одну силовую турбину, в то время как двигатели других конструкций могут иметь несколько турбин.
При низких оборотах двигателя расхода газа недостаточно для вращения силовой турбины. Это позволяет двигателю свободно запускаться без включения главной передачи, соединенной с двигателем. Когда поток воздуха достигает примерно 25% от его рабочих оборотов в минуту, потока воздуха через силовую турбину достаточно, чтобы преодолеть трение и сопротивление лопастей трансмиссии и несущего винта, и он начинает вращаться.
Когда силовая турбина начинает вращаться, она соединяется с валом, который входит в редуктор. Затем газ выходит из двигателя и выбрасывается в атмосферу.
Редуктор
Основная задача редуктора заключена в его названии.
Число оборотов силовой турбины составляет около 46 000 об / мин, и его необходимо значительно снизить, чтобы создать 732 л.с., передаваемых на главную трансмиссию.
Поскольку редуктор изменяет частоту вращения выходного вала двигателя, он соединяется с главным выходным валом двигателя при более приличных оборотах 6000!
Главный выходной вал этого двигателя проходит под остальной частью двигателя, где он также проходит через дополнительный редуктор, установленный между двумя компрессорами. Как только он покидает переднюю часть вспомогательного редуктора, он соединяется с главной трансмиссией через гибкий карданный вал, установленный внутри «тормозной трубки», что позволяет двигателю и трансмиссии двигаться и вибрировать как единое целое.
Вспомогательный редуктор
Вспомогательный редуктор приводится от вала между двумя компрессорами. Его работа заключается в том, чтобы запускать все вспомогательное оборудование, необходимое для поддержания работы двигателя.
Масляный насос, блок управления подачей топлива и стартер/генератор — это лишь некоторые из типичных устройств, устанавливаемых и приводимых в действие дополнительной коробкой передач.
Если вы предпочитаете более наглядное представление о том, как работает этот двигатель, посмотрите видео, которое я создал для вас:
Закончить
Независимо от размера, стоимости и сложности вертолетного двигателя, его назначение для обеспечения надежного питания, чтобы вертолет оставался работоспособным и безопасным.
Вертолетные двигатели с поршневым двигателем отлично подходят для небольших вертолетов, а поскольку они дешевле при покупке и эксплуатации, они идеально подходят для учебных вертолетов или частных владельцев.
Как только вертолеты становятся больше, мощность, необходимая для их управления, резко возрастает.
Это когда в дело вступает высокая удельная мощность газотурбинного двигателя, но по цене.
Полетев на обоих типах двигателей, я могу сказать вам, что, когда двигатель обеспечивает большую дополнительную мощность, то то, что вы можете делать, а также высоты и скорости, которых вы можете достичь на вертолете, действительно делают полеты невероятными.
Поршень или турбина, выбор действительно зависит от вертолета, в который он входит.
Дополнительная литература
Если эта статья показалась вам интересной и вы хотели бы продолжить чтение, я настоятельно рекомендую следующие статьи из моего блога:
- Отказы вертолетных двигателей – правильное объяснение пилота!
- Есть ли у вертолетов автопилоты? Зависит от того, есть ли у вас $$$!
- Из чего сделана лопасть вертолета? Раньше это было дерево!
- Как поворачивают вертолеты? Легко, но сложно!
7 Различные типы вертолетных двигателей
Вертолеты используют горизонтально вращающиеся винты для создания подъемной силы и тяги, что позволяет им летать вертикально и зависать.
Для вращения роторов требуется мощность, которая исходит от двигателя. Хотя турбовальные двигатели являются наиболее распространенным типом двигателя, легкие вертолеты могут иметь поршневой двигатель.
Содержание
- 1. Поршневые двигатели
- 2. Турбинные двигатели
- 3. Рядные двигатели
- 4. Роторные двигатели
- 5. Двигатели с оппозитными поршнями0018
- 6. Радиальные двигатели
- 7. Электрические двигатели
Самые ранние конструкции вертолетов основывались на резиновых лентах или шпинделях для выработки энергии. Прорыв произошел с появлением двигателя внутреннего сгорания, который обеспечивал достаточную мощность, чтобы поднимать вертолеты в воздух.
Первые вертолеты с двигателями были изготовлены по индивидуальному заказу или роторными двигателями. Автомобильные двигатели и радиальные двигатели также появились на ранних вертолетах. Однако эти конструкции не были практичными, поскольку двигатели все еще не обеспечивали достаточной подъемной силы для продолжительного полета.
Вертолеты также полагались на отдельные двигатели для несущего винта и рулевого винта, вплоть до создания Игорем Сикорским VS-300 в 1939 году. Сикорский использовал один четырехцилиндровый двигатель мощностью 75 л.с. для питания обеих несущих систем.
Использование четырехцилиндровых поршневых двигателей стало стандартом для вертолетов вплоть до выпуска турбовального двигателя в конце 1950-х гг. Новые двигатели были легче, надежнее и могли обеспечивать устойчивую высокую мощность.
В последующие десятилетия вертолетные двигатели были доработаны и улучшены для достижения максимальной производительности. Большие вертолеты теперь используют два или три турбовальных двигателя, средние вертолеты могут использовать один турбовальный двигатель, а легкие вертолеты общего назначения, как правило, по-прежнему работают на поршневых двигателях.
Итак, давайте рассмотрим все типы двигателей, использовавшихся в вертолетах на протяжении многих лет.
1. Поршневые двигатели
Авиационный двигатель Nickshu Franklin O-335/6AC. Двигатель первого вертолета Sikorsky VS-300.
Поршневой двигатель содержит ряд поршней, которые перемещаются вверх и вниз, вращая коленчатый вал. Наиболее распространенной конфигурацией поршневого двигателя является четырехтактный двигатель, который включает четыре такта для выработки мощности. Четыре цикла включают впуск, сжатие, сгорание и выпуск.
Поршневые двигатели в основном используются в небольших вертолетах, так как вес двигателя делает его менее эффективным для более тяжелых вертолетов. Поршневые двигатели обычно классифицируются в зависимости от расположения цилиндров, например, рядные, радиальные, оппозитные и роторные. Двигатель также может иметь воздушное или жидкостное охлаждение.
Большинство людей считают Sikorsky VS-300 первым в мире вертолетом. В нем использовался поршневой двигатель с противоположной конфигурацией цилиндров.
Однако Focke-Wulf Fw 51 впервые поднялся в воздух тремя годами ранее и имел радиальный двигатель.
2. Турбинные двигатели
В 1951 году компания Kaman Aircraft выпустила первый вертолет с турбовальным двигателем. Турбовальный двигатель — это тип газотурбинного двигателя, предназначенный для выработки мощности на валу. Сжатый воздух смешивается с топливом в камере сгорания. Затем топливно-воздушная смесь воспламеняется и расширяется, приводя в движение колеса турбины и вращая роторную систему.
Турбинные двигатели произвели революцию в авиационной промышленности в 1940-х и 1950-х годах. По сравнению с поршневыми двигателями газотурбинные двигатели могли производить большую мощность, что было самым большим ограничением первых вертолетов с поршневыми двигателями.
Сегодня на большинстве вертолетов используются турбовальные двигатели, за исключением легких вертолетов общего назначения.
В турбовальных двигателях используются те же принципы, что и в поршневых двигателях. Двигатель имеет воздухозаборник, компрессор и камеру сгорания. Однако вместо поршней мощность передается на турбину. Турбина приводит в действие трансмиссию, которая передает вращение от вала к роторным системам.
3. Рядные двигатели
Hunini Bell 47G с рядным двигателем Lycoming
Первые поршневые двигатели, использовавшиеся в вертолетах и других самолетах, имели рядную конфигурацию. Цилиндры располагались в ряд (в ряд).
Рядная конструкция делала двигатели более узкими, но ограничивала поток воздуха для охлаждения двигателя, часто требуя жидкостного охлаждения. Добавление жидкостного охлаждения сделало рядные двигатели тяжелее, что снизило их эффективность.
Рядные поршневые двигатели обычно использовались в автомобилях и выпускаются в различных конфигурациях, включая V-образную, Н-образную и W-образную форму.
На заре авиации инженеры начали устанавливать рядные автомобильные двигатели на вертолеты.
4. Роторные двигатели
Санджай Ачарья Ванкель RC2 60 Роторный двигатель
Роторно-поршневые двигатели были представлены во время Первой мировой войны. Вместо того, чтобы располагать цилиндры в ряд, как в рядном двигателе, цилиндры располагались вокруг центрального коленчатого вала. Роторные двигатели работали более плавно и обеспечивали улучшенное охлаждение по сравнению с более ранними двигателями.
Как роторные, так и радиальные двигатели имеют радиальную конструкцию. Однако роторные двигатели имеют неподвижный коленчатый вал и вращающийся блок цилиндров, тогда как радиальные двигатели имеют вращающийся коленчатый вал и неподвижные блоки цилиндров.
Роторные двигатели изначально разрабатывались для самолетов, но появились в некоторых из первых прототипов вертолетов. Двигатели располагались вертикально для вращения несущей системы.
5. Двигатели с оппозитными поршнями
MichaelFrey Simpsons Сбалансированный двухтактный двигатель
Горизонтально оппозитные двигатели имеют два ряда цилиндров на противоположных сторонах коленчатого вала. Цилиндры часто располагают в горизонтальном положении. Это обеспечивает лучшее воздушное охлаждение и более низкий центр масс.
Горизонтально-оппозитные двигатели также называются плоскими двигателями, оппозитными двигателями или блочными двигателями, поскольку конструкция обеспечивает более низкий профиль по сравнению с другими двигателями.
Sikorsky VS-300 использовал горизонтально-оппозитный двигатель, как и многие ранние вертолеты 1940-х годов.
6. Радиальные двигатели
airventure.de Двигатель Sikorsky S-58
Радиально-поршневые двигатели имеют один или несколько рядов цилиндров, отходящих от центрального коленчатого вала.
По сравнению с ранними рядными и роторными двигателями радиальный двигатель был меньше и эффективнее, с большим отношением мощности к весу. Однако чаще всего они появлялись на грузовых самолетах и штурмовиках.
Из-за эффективности радиальных двигателей они использовались во многих самолетах, пока их не заменили газотурбинными двигателями. Bristol 171 Sycamore и Sikorsky S-55 — пара редких вертолетов с радиальным двигателем.
Bristol 171 был произведен в Великобритании в 1947 году. Он был оснащен девятицилиндровым радиальным двигателем, который обычно использовался на самолетах с неподвижным крылом. S-55 был транспортным вертолетом, использовавшимся вооруженными силами США в 1950-х годах.
7. Электрические двигатели
Электрические двигатели обычно не используются для вертолетов.