содержание      ..     7      8      9      10     ..

Дельтапланы (Козьмин В. В., Кротов И. В.) - часть 9

Глава 9. ВИНТОМОТОРНАЯ ГРУППА (ВМГ) ДЕЛЬТАПЛАНА
 

Иногда мы наблюдаем удивительные возвращения, но с техническим решением уже на новом уровне. Современные сверхлегкие летательные аппараты (СЛА) по терминологии 30-х годов назывались бы авиетками. Правда, современное понятие СЛА более широкое, чем было заложено в понятие авиетки. Но она, несомненно, входит в понятие СЛА.

Под авиеткой понимался летательный аппарат, занимающий промежуточное положение по мощности двигателя между мотопланером и самолетом (табл. 6).

В 30-е годы любительское строительство авиеток было
достаточно распространено. В этих аппаратах сочетались высокие аэродинамические качества легкого самолета, легкость мотопланера и собственная компактность (малые размеры).

Правда, в те годы существовало мнение, что, вследствие малого запаса мощности, управление подобным летательным аппаратом доступно лишь летчику высокой квалификации, а потому практическое значение авиеток невелико.



Таблица 6

Классификация летательных аппаратов спортивной авиации в зависимости от мощности двигателя

Рис. 58. Первые воздушные винты:
а — проект аппарата с воздушными соосными винтами Леонардо да Винчи (1475 г.); б — аэро динамическая машинка (действующая модель М. В. Ломоносова (1754 г.); в — воздушные винты самолета А. Ф. Можайского

Современные мотодельтапланы и другие СЛА опровергли это утверждение. Проектирование авиеток послужило базой для разработки современ-ных СЛА, особенно их винтомоторная группа (ВМГ). Достижения тех лет используются и сегодня, прежде всего в области проектирования и изго: товления воздушных винтов фиксированного шага (ВФШ).

В настоящее время воздушный винт представляет собой по форме и конструкции сложный механизм.

Геометрические характеристики винта

Над формой и размерами воздушных винтов размышляли еще ученые XVI—XVIII веков (рис. 58), но практическое применение они нашли только в XX столетии (рис. 59).

Воздушные винты применяются на мотопланерах, СЛА самолетах, вертолетах, автожирах, глиссерах, аппаратах на воздушной подушке и аэросанях, то есть на летающих, плавающих и ездящих аппаратах Главной геометрической харак-теристикой винта является егс диаметр D (а следовательно и его радиус R), равный диаметру окружности, описываемой концами лопастей. С диа-метром винта непосредственнс связаны масса винта, сила тяги, потребляемая мощность и габариты.

Условия применения винтг накладывают ограничения на величину его диаметра. Так, например, в случае создания моторного дельтаплана или дру-гого СЛА с двумя винтами концы лопастей должны быть удалены друг от друга не менее чем на 250 мм для ослабления вредного взаимодействия.

Рис. 59. Формы лопастей воздушных винтов в плане: а - разработанные до 1932 г.; б — современные воздушные винты

Число лопастей  воздушных винтов обычно не превышает четырех. Большое число лопастей заметно снижает КПД винта. Кроме того, конструктивное их выполнение сложно, тем более, если лопасть строится поворачивающейся в полете — винт изменяемого шага
(ВИШ).

Профиль лопасти. Профиль — сечение лопасти плоскостью, параллельной оси вращения. Винтовые профили в общем сходны с крыльевыми профилями. В прошлом наиболее часто применялись винтовые профили ВС-2 (ЦАГИ), а также Сlark-4 и серии Ф (ЦАГИ).

Геометрия винтового профиля, как и крыльевого, задается в виде таблиц координат верхней и нижней поверхности, или только верхней, если нижняя поверхность—плоскость (рис.60).

Эффективность работы винта оценивается коэффициентом полезного действия. Для аэродинамических сил тяги — окружного сопротивления (или мощности сопротивления вращению винта) могут быть рассчитаны их безразмерные коэффициенты.

Коэффициенты тяги винта, мощности, потребные на преодоление сил окружного сопротивления, и коэффициент полезного действия винта являются его аэродинамическими характеристиками.

Ширина и толщина лопасти. Величина хорды элементов лопасти (ширина лопасти) и их толщина определяются выражениями:

Форма лопасти в плане. Лопасти в плане имеют самую разнообразную форму. Наиболее распространены лопасти с прямой и с изогнуто осью. Они могут сужаться концу и к комлю, иметь симметричную или несимметричную форму относительно осе Лопасти в плане могут имеет форму, близкую к прямоугольнику, или даже расширяться к концу. Толщина лопасти эти: винтов от конца к комлю меняется в пределах от 2 до 20 % Лопасти выполняются прямо угольными с той целью, чтобы при той же абсолютной толщине элементов их относительную толщину за счет больше: хорды сделать малой. Таки лопасти дают большой КПД работая в кольцах (туннелях) Углы установки элементов лопасти. Плоскость, перпендикулярная к оси винта, называется плоскость его вращения. Хорда каждого элемента лопасти составляет угол с плоскостью вращения винта, называемый углом установки элемента φ (рис. 61) Радиусом сечения r называется расстояние от оси винта до данного сечения.

Отношение абсолютного шага к диаметру винта называется относительным шагом элемента лопасти

Поступь винта. Путь, фактически пройденный всеми элементами лопасти в направлении оси винта за один его оборот, называется абсолютной поступью винта

Отношение абсолютной поступи к диаметру винта называется относительной поступью или, для краткости, просто поступью винта:

Рис. 61. Угол установки элементов лопасти и треугольники скоростей:

Понятием поступи винта широко пользуются в теории воздушного винта и на практике. Она является критерием кине-магического подобия для винтов.

В зависимости от условий полета поступь может быть меньше, равна или больше шага винта. Последние соотношения имеют место на пикировании аппарата. При работе на месте поступь винта равна нулю.

Частота вращения винта. Весьма важной характеристикой является частота вращения винта. На практике винты имеют частоту вращения от 12 до 35 с -1.

Подобие воздушных винтов. Есть воздушные винты, которые себя хорошо зарекомендовали на летательных аппаратах. Но эти винты малы или велики для проектируемого аппарата. Иначе говоря, возникает вопрос о подобии обтекания винта потоком воздуха.

Понятие о подобии винтов аналогично понятию о подобии крыла. Здесь также пользуются понятиями геометрического, кинематического и динамического подобия. Винты считаются геометрически подобными, если любые сходственные линейные размеры их находятся в одинаковом отношении. Явления обтекания винтов потоком газа считаются кинематически подобными, если любые сходственные участки линий тока проходятся частицами газа в пропорциональные отрезки времени. Наконец, явления обтекания винтов потоком газа считаются динамически подобными, если отношение любых физических величин во всех сходственных точках рассматриваемых потоков будет одним и тем же. Естественно, что это отношение для каждой физиче-ской величины будет иметь свою величину. Наличие геометрического и кинематического подобия винтов является непременным условием динамического их подобия.

Условия динамического подобия. Важнейшим критерием динамического подобия по вязкости является число Рейнольдса Re. После ряда преобразований формулы

Отсюда следует, что для соблюдения подобия винтов по вязким свойствам среды необходимо, чтобы произведение частоты вращения на квадрат диаметров существующего винта и рассчитываемого для нового аппарата были равны. Отсюда вывод, если на одном и том же аппарате заменен двигатель и его частота вращения не равна предшествующей, то воздушный винт необходимо менять.

Теперь остается построить многоугольник скоростей для заданных элементов лопасти или же совмещенную эпюру.

КПД винта. Винт является преобразователем энергии, которую он получает от двигателя и передает аппарату. Часть энергии при работе винта теряется. Поэтому естественным является использование понятия КПД винта, под которым понимается отношение полезной мощности, передаваемой винтом для движения аппарата к мощности, потребляемой винтом

Коэффициент полезного дей-ствия винта можно выразить, как произведение отношения коэффициента тяги а к коэффициенту мощности на поступь винта

Современные воздушные винты имеют наибольшее значение КПД примерно 0,82—0,85. В отдельных случаях для весьма тонких винтов он может доходить до 0,87—0,88, а у муску-лолетов за счет большой ометаемой площади и малой частоты вращения до 0,9.

Нормальные характеристики винта. Зависимость коэффициента тяги а, коэффициента мощности, потребляемой винтом, р и коэффициента полезного действия винта т) от поступи К для каждой серии определяется опытным путем. Винты в каждой серии обычно отличаются друг от друга углом установки лопасти на условном радиусе = 0,75 и значительно реже — шагом.

При работе на месте, винт не совершает полезной работы, так как нет перемещения. Поэтому его коэффициент полезного действия  равен нулю, хотя винт создает тягу а>0 и потребляет мощность р>0. Схема сил, действующих на элемент лопасти, и скоростной треугольник для этого случая показан на рис. 61. Такой режим работы винта называется геликоптерным, ибо он для несущего винта геликоптера (вертолета) является наиболее характерным. На этом режиме тяга и сила окружного сопротивления винта положи-
 

Истинные углы атаки элементов меньше кажущихся. В струе винта на этом режиме всегда имеются осевые и окружные индуцированные скорости, которые приводят к положительному скосу потока у элементов лопасти, то есть уменьшают величину истинного угла атаки элементов по сравнению с кажущимся углом атаки, не меняя общей картины обтекания элементов лопасти.

Точкой А обозначен харак-терный режим работы винта, который можно назвать режи-мом нулевой тяги. В этом случае тяга отсутствует, мощность, потребляемая винтом, идет на преодоление силы окружного сопротивления вращению винта, когда она равна полной аэродинамической силе R, действующей на лопасть.

Величина поступи, при которой тяга винта равна нулю, зависит от серии винтов и, главным образом, от угла установки лопасти, то есть от угла установки ее элемента на условном радиусе = 0,75.

Чем больше поступь , при которой тяга равна нулю, тем на большей скорости полета будет иметь место этот режим работы винта.

При дальнейшем увеличении поступи винт будет работать на режиме торможения. Коэффициент тяги а меньше нуля, а коэффициент мощности р больше нуля, следовательно, винт будет потреблять мощность на свое вращение, но давать отрицательную тягу или силу торможения движению аппарата. Этот режим представляет интерес с точки зрения уменьшения пробега после приземления или с точки зрения уменьшения скорости пикирования.

Увеличивая поступь винта, мы приходим к режиму авторотации (точка В на рис. 61). Коэффициент мощности, а следовательно, и мощность, потребляемая винтом, на этом режиме равны нулю.

Винт, вращаясь, не потребляет мощности и создает отрицательную тягу, то есть силу сопротивления полету. На этом режиме полная аэродинамическая сила, действующая на лопасть равна отрицательной тяге .

Дан характерный многоугольник скоростей для элемента лопасти на этом режиме (см. рис. 61).

Величина поступи, на которой имеет место режим авторотации, также сильно зависит от угла установки лопастей.

При еще большем увеличении поступи Я, винт оказывается на режиме ветряка. На этом режиме как коэффициент тяги а, так и коэффициент мощности  оказываются отрицательными. Следовательно, винт в этом случае создает отрицательную тягу и имеет отрицательную мощность, то есть он не потребляет мощность на свое вращение, а отдает ее, совершая некоторую работу. Направление сил, действующих на лопасть винта в этом случае, и характерный многоугольник скоростей для элемента лопасти приведены на рис. 61.

На этом режиме можно использовать энергию встречного потока, а при пикировании завести остановившийся двигатель.

Серийные диаграммы винтов

Под современными сериями воздушных винтов подразумевается совокупность винтов, отличающихся друг от друга углом установки допасти на условном радиусе = 0,75. Это по существу один винт с пово-рачивающейся лопастью. При испытании такой серии винтов для каждого из них получаются нормальные характеристики в виде кривых, дающих зависимость коэффициентов тяги , мощности и полезного действия от поступи винта . При достаточно большом числе углов установки лопастей винта совместный анализ и использование полученных характеристик ввиду большого числа кривых оказывается затруднительным. Поэтому принято строить сводную диаграмму результатов испытания винтовой серии, называемую серийной диаграммой.

Суть такого построения состоит в том, что вместо трех кривых для каждого винта строят лишь одну кривую зависимости коэффициента мощности от поступи p = f(X), на которой производят разметку КПД винта. В результате такого построения для всей серии винтов получается серия кривых p = f(A,), размеченных по КПД винта, каждая из которых относится к вполне определенному углу установки лопастей, о котором и делается соответствующая отметка.

При совмещенном построении таких кривых на одной фигуре через точки одинакового значения КПД винта проводятся кривые «изо КПД».

Серийная диаграмма винтов связывает четыре величины — коэффициент потребляемой винтом мощности р, поступь винта X, его коэффициент полезного действия и угол установки лопасти ср. Серийная диаграмма позволяет по двум за-данным величинам, например, углу установки лопастей ф и поступи винта X, найти коэффициент потребляемой винтом мощности р и КПД винта .

Серийные диаграммы винтов имеют большое распространение. С их помощью решаются задачи подбора винта и построения характеристик силовой установки, под которыми подразумеваются зависимости располагаемой тяги или мощности от скорости полета.

Важными при оценке винтовой серии являются величины наибольшего значения КПД винта, а также поступь и коэффициент потребляемой мощности, которые соответствуют этому коэффициенту полезного действия (точка А, рис. 61).

Возможные максимальные значения КПД винта в широком диапазоне углов установки лопастей (от 15 до 45°) изменяются незначительно.

Подбор винта по серийной диаграмме

В виде примера использования серийных диаграмм винтов рассмотрим самую простую задачу о подборе винта по серийной диаграмме без учета сжимаемости воздуха. Суть такой задачи состоит в определении величины диаметра винта данной серии, при котором на расчетном режиме он будет иметь наибольший КПД.

Величина найденного диаметра винта в соответствии с принятым стандартом для диаметров винтов должна быть округлена до десятых долей метра.

Для решения вопроса о наиболее подходящей серии воздушных винтов под заданные расчетные условия необходимо такой расчет провести по всем интересующим нас сериям и остановиться на той серии и на том диаметре винта, для которых расчетный КПД оказывается наибольшим. Винты каждой серии имеют чертеж. Зная диаметр винта, легко определить все остальные его размеры.

Упрощенный метод подбора винта

Задача проектирования винта состоит обычно в нахождении его формы (для этой цели используют рабочие чертежи). При этом винт должен развивать возможно большую тягу и быть достаточно простым при условии, что он при заданной частоте вращения ns и скорости полета V0 потреблял бы заданную мощность Ne. Проще всего проектировать винты с постоянной осевою скоростью.

Тщательное определение геометрических размеров воздушного винта позволяет полностью использовать мощность двигателя и получить тягу, близкую к максимальной при имеющейся мощности. При этом особую важность имеет правильный выбор диаметра винта, от которого во многом зависит не только КПД движителя, но и уровень шума, зависящий от окружной скорости.

Исследованиями  установлено, что для полной реализации возможностей воздушного винта, например, при мощности 18,5 кВт (25 л. с.) необходимо иметь его диаметр около 2000 мм. Чтобы обеспечить наименьшие энергетические затраты, воздух должен отбрасываться назад струей с наибольшей ометаемой площади.

Уменьшение диаметра винта
до 1000 мм для снижения уровня шума уменьшит площадь, ометаемую винтом, в четыре раза, а это, несмотря на увеличение скорости в струе,, вызовет падение тяги на 37 %. Компенсировать полностью это снижение тяги не удается ни шагом, ни числом лопастей, ни их шириной.

Каждому диапазону эксплуатационных скоростей (при заданной мощности двигателя) соответствует свой оптимальный диаметр винта. С увеличением мощности оптимальный по КПД (при неизменной скорости) диаметр увеличивается. Допустимый шум соответствует максимальной окружной скорости 180 м/с. Определив, исходя из этого условия, нормы и диаметр винта, максимальную частоту вращения (число оборотов), установим передаточное отношение от вала двигателя к валу винта.

Недостатки ВФШ и переход к ВИШ

Винт с жестко закрепленными лопастями, угол установки которых в полете не изменяется, называется винтом фиксированного шага (ВФШ). Основным недостатком такого винта является то, что он работаете достаточно высоким КПД только на одном расчетном режиме. При изменении режима полета, то есть при изменении поступи, КПД винта фиксированного шага сильно изменяется. Есть и другой недостаток у такого винта — он снимает всю мощность двигателя Ne только на одном расчетном режиме. На всех других режимах он берет от двигателя меньшую мощность. В самом деле, если винт подобран на режим Vmax, то при переходе, например, к взлетному режиму углы атаки элементов такого винта растут, вместе с этим увеличиваются
силы окружного сопротивления и момент сопротивления вращению винта.

Как принято говорить, винт становится в этом случае аэродинамически тяжелым и двигатель не в состоянии вращать его с прежними оборотами. Поэтому частота вращения такого винта (значит, и двигателя) на нерасчетных режимах будет уменьшаться. Следовательно, развиваемая двигателем и передаваемая винту мощность будет уменьшаться. Этот же результат будет иметь место, если за расчетный режим будет взята, наоборот, взлетная скорость.

На режиме Vmax углы атаки всех элементов лопасти уменьшаются, в результате чего уменьшаются силы окружного сопротивления и момент сопротивления вращению винта. Как принято говорить, в этом случае винт фиксированного шага оказывается аэродинамически легким и поэтому он начнет увеличивать частоту вращения (пойдет на разгон). Из-за больших динамических нагрузок у двигателя такое увеличение частоты вращения не допускается. Поэтому в случае подбора винта на взлетную скорость при переходе на большие скорости полета приходится двигатель дросселировать, то есть уменьшать развиваемую им мощность. Таким образом, винт фиксируемого шага снимает всю мощность двигателя только на одном расчетном режиме и использует меньшую мощность на всех других режимах.

Можно кратко отметить и другие недостатки ВФШ. Они состоят в том, что характер изменения потребляемой винтом мощности значительно отличается от изменения ее у двигателя. Так, мощность, потребляемая винтом,пропорциональна кубу частоты вращения, а у двигателя (поршневого) пропорциональна частоте вращения в степени меньше единицы; мощность двигателя почти не зависит от скорости полета, а у винта при изменении скорости (поступи) сильно изменяется коэффициент потребляемой мощности р, значит, и сама мощность N; у винта с подъемом на высоту потребляемая мощность уменьшается пропорционально плотности, а у двигателя она падает быстрее.

Все эти обстоятельства затрудняют согласованную работу двигателя и винта, что приводит к значительному снижению КПД и мощности на всех режимах, кроме расчетного.

Преимуществом ВФШ является простота конструкции и относительно малая масса. Этот винт достаточно удовлетворительно работает при сравнительно малой мощности двигателя и малом диапазоне скоростей полета. Поэтому в настоящее время эти винты устанавливаются на моторных дельтапланах с двигателями малой мощности.

Постоянство частоты вращения винта и двигателя повышает надежность и устойчивость работы двигателя вследствие постоянства его тепловых и газодинамических процессов и динамических нагрузок.

С ростом мощности двигателей на мотодельтапланах и соз-дания мускулолетов, где недопустимы потери в мощности, возникла необходимость в переходе к винтам изменяемого шага (ВИШ). На практике принято изменять углы установки лопастей так, чтобы частота вращения оставалась постоянной (ns = const) независимо от изменения скорости и высоты полета. Очень легкий автомат с электронным управлением ВИШ установлен на аппарате «Солар Челленджер». Оптимальный шаг винта зависит от солнечного излучения и параметров окружающей среды.

При постоянстве полной мощности двигателя и частоты вращения у ВИШ-автомата при неизменной высоте полета оказывается постоянным и коэффициент потребляемой винтом мощности (p=const). Поэтому его характеристикой на серийной диаграмме является линия, параллельная оси абсцисс.

Можно представить и такой винт изменяемого шага, у которого КПД менялся бы в зависимости от поступи таким образом, чтобы при любом угле установки лопасти ф он был бы наибольшим (линия О — О). Такой винт называется оптимальным.

У оптимального винта коэффициент потребляемой им мощности зависит от поступи . Из приведенных формул следует, что такой винт должен, помимо переменного угла установки лопастей, иметь еще или переменную частоту вращения, или переменный диаметр. Конструктивные затруднения, связанные с осуществлением переменной редукции от двигателя к винту и переменного диаметра винта изменяемого шага, до настоящего времени не позволили создать оптимальный винт.

Увеличение количества лопастей не только усложняет конструкцию винта, но и снижает его КПД. Причина — в неблагоприятном взаимном влиянии лопастей друг на друга. Идеальный винт с точки зрения аэродинамики должен иметь одну лопасть. Но, с другой стороны, увеличение количества лопастей позволяет несколько уменьшить диаметр винта. Увеличение количества лопастей на ВФШ увеличивает лобовое сопротивление аппарата при планировании с остановленным двигателем.

Планирование дельтаплана с остановленной ВМГ

Планирование на моторном дельтаплане с остановленным винтом может быть как заранее предусмотренным, так и по причине экстремальной ситуации.

Дополнительное сопротивление остановленного винта определяется по обычной аэродинамической формуле:

Соосные винты

Винты с совмещенной осью вращения называются соосными или спаренными. По спаренным винтам проводились достаточно фундаментальные исследования, которые показали,

что наилучшие результаты получаются тогда, когда винты вращаются в разные стороны и имеют одинаковый диаметр, потребляемая ими мощность также одинакова, а углы установки переднего и заднего винта имели бы соотношение:

Спаренные винты по сравнению с одиночным винтом той же мощности двигателя имеют ряд преимуществ: у них меньше диаметр; отсутствуют окружные потери, так как окружная индуцированная скорость у них стремится к нулю;

отсутствует реактивный момент винтов, что обеспечивает действительную симметрию обтекания, что важно, если за ними есть элементы конструкции;

у спаренных винтов суммарный гироскопический момент равен нулю, что упрощает пилотирование аппарата и делает правые и левые маневры одинаковыми.

Эти преимущества предугадал М. В. Ломоносов, построив свою первую летающую модель именно с соосными винтами за 155 лет до установки спаренных винтов на самолет А. Г. Уфимцевым (1909 год). Как любое техническое ре-шение, спаренные винты имеют и недостаток — усложнение kohs струкции, обусловленное появлением более сложного редуктора и валов, расположенных один в другом. Но эти недостатки компенсируются преимуществами системы соосных винтов. Эти преимущества более ощутимы, когда спаренные винты заключены в туннель.

Винты, заключенные в туннель

Расчеты, проведенные с высокой точностью на основании современной теории лопаточных машин были проверены на первых ступенях осевых компрессоров двухконтурных воздушно-реактивных двигателей, а также на самолетах вертикального взлета и посадки с поворотными воздушными винтами в кольцевых каналах. Диаметр каналов был меньше, чем у аналогичных аппаратов с поворотными воздушными винтами, но не заключенными в каналах, выигрыш в тяге составлял 12,5 %. Винты, а точнее ступени осевого компрессора, заключенные в туннель, позволяют повысить производительность движителя без снижения его КПД при увеличении оборотов.

Рис. 69. Расположение тонов изгиба на лопастях винта: а — цельный винт: б — пустотелый винт

Прочность воздушных винтов

Расчет лопастей воздушных винтов на прочность, представляющих собой либо тонкие искривленные пластины, либо более сложные конструкции типа

оболочки из металлических или композиционных материалов, по балочной теории дает недостаточно хорошие результаты. Особенно это относится к саблевидной лопасти.

Металлическая лопасть для СЛА представляет собой тонкостенную искривленную панель. При работе винта может наблюдаться монотонное возрастание частот по мере увеличения оборотов вращения лопасти. Частота колебаний крутильного тона практически не меняется. Узловые линии напряжения расположены под углом относительно хорды для симметричной лопасти (рис. 69, а)

При расчете винта как консольной балки погрешность по изгибным нагрузкам может составлять от 5 до 44 %, поэтому необходимо брать больший запас прочности.

Стеклопластиковая лопасть представляет собой тонкостенную оболочку, пустую или с заполнителем из пенопласта. Внутри лопасти располагается еще одна оболочка или балка (лонжерон). Такая конструкция

применяется на мускулолетах.

Поперечное сечение лопасти образует трехсвязный контур. Стеклопластиковые лопасти рассчитываются как анизотропные пластинки (рис. 69, б).

Формы собственных колебаний саблевидной лопасти настолько сложны, что расчет их как балок не представляется возможным. Погрешность в расчетах по определению собственных частот колебаний по экспериментальным данным иногда достигает 60 %.

Воздушные винты обычной или соосной схемы должны удовлетворять требованиям «Норм прочности воздушных винтов самолетов», предъявляемым к статической прочности, защищенности воздушного винта от флаттера и условиям выносливости.
 

Редукторы

При создании ВМГ наибольшей сложностью является создание надежного редуктора. Цепные и ременные передачи,

изготовленные в кустарных условиях, оказываются ненадежными и имеют низкий КПД, хотя на современных СЛА применяются ременные передачи с передаточным отношением 2—3.

Вынужденная установка винта на Еал двигателя приводит к уменьшению диаметра, а значит, к снижению эффективности движителя.

Большую частоту вращения могут иметь не только двигатели внутреннего сгорания, но и электрические, которые необходимо снабжать понижающим редуктором. Современные пластмассовые шестерни незначительно увеличивают массу ВМГ и всего аппарата, но редуктор, собранный из пластмассовых шестерен, надежен, удобен и бесшумен. Пластмассовые шестерни начали применяться даже в тракторостроении.
Такие зубчатые колеса работают при температурах от — 40 до -J- 100°С. Полимерные звездочки цепных передач работают с окружными усилиями до 2,5 кН. Их изготовляют из полиамидов с стеклонаполни-телем ПА6-210-ДС и ПА6.6-КС (ОСТ 6-11-498-79) литьем под давлением (табл. 8)

По сравнению со стальными масса полимерных звездочек уменьшается в 7 раз, срок службы цепи увеличивается в два раза, шум от цепной передачи снижается на 2—3 дБ(10— 25 %), появляется возможность работы без смазки.

Для напряженных звездочек подшипники качения могут быть заменены полимерными подшипниками скольжения

из самосмазывающихся антифрикционных материалов САМ-3 — САМ-6.

Таблица 8
Параметры полимерных звездочек, разработанных на кафедре прикладной механики Черниговского филиала Киевского политехнического института

Характеристики двигателей

Мощность, необходимая на вращение винта, подводится к нему от двигателя. Полная мощность двигателя зависит от числа оборотов, высоты и скорости полета. Эти зависимости называются характеристиками двигателя.

Сложность процессов, происходящих внутри работающего двигателя, и множество факторов, влияющих на его характеристики, не позволяют получить для них аналитические выражения. Поэтому на практике принято характеристики двигателя представлять графически.

На современных мотодельтапланах применяются преимущественно карбюраторные двигатели внутреннего сгорания, работающие на легких сортах жидкого топлива.

Для определения параметров винта — его тяги и геометрических характеристик — необходимо знание мощности двигателя. Мощность — это величина, показывающая, какое количество работы производит двигатель в единицу времени. Работу двигателей характеризуют индикаторной, эффективной и литровой мощностью.

Индикаторной называется мощность, развиваемая газами в цилиндрах двигателя.

Индикаторная мощность для двухтактных двигателей равна:

Эффективной или действительной называется мощность Ne, которую можно получить на выходе коленчатого вала работающего двигателя. Эффективная мощность двигателя меньше индикаторной, так как часть индикаторной мощности затрачивается на преодоление механических сопротивлений в двигателе. Эта затрата мощности носит название механических потерь.

Механический коэффициент полезного действия показывает, какую долю от полной мощности составляет полезная мощность на валу, то есть отношение эффективной мощности к индикаторной равно механическому КПД. Механический КПД можно увеличить, заменив подшипники скольжения (там, где они стоят) подшипниками качения, использовав соответствующие сорта масел и поддерживая наиболее подходящие их температуры, повысив чистоту обработки трущихся поверхностей. Для современных карбюраторных двигателей механический КПД лежит в пределах от 0,7 до 0,9.

Максимальная эффективная мощность, полученная с одного литра рабочего объема двигателя, называется удельной или литровой мощностью:

Литровая мощность в основном зависит от среднего эффективного давления, числа оборотов, числа рабочих тактов двигателя, степени сжатия, коэффициента наполнения цилиндра горючей смесью и качества смесеобразования. Процесс повышения литровой мощности двигателя называется форсированием, а сам двигатель — форсированным.

При компоновке двигателя, а особенно при его форсировании, следует предусматривать глушители. Это необходимо, во-первых, для защиты окружающей среды от шумовых эффектов. Во-вторых, шум оказывает вредное воздействие на организм человека, особенно на центральную нервную систему, вызывая переутомление и истощение клеток коры головного мозга. В результате длительного воздействия шума, а моторные полеты могут быть длительные, у пилота может нарушиться регулирующее влияние центральной нервной системы на сердечно-сосудистую систему.

Один из путей устранения шума от двигателей внутреннего сгорания — это переход на электрические двигатели.

Высотные характеристики

Современные моторные дельтапланы обычно летают до высоты 3000 м, где Д=0,74205. Следовательно, мощность
уменьшается на 25 %.

Для определения летных характеристик летательного аппарата с ВМГ необходимо построить характеристику его воздушного винта и диаграмму мощности выбранного двигателя.

Мощность двигателя внутреннего сгорания, а они на мо. торных дельтапланах на сегодня являются основными, с высотой изменяется по закону, близкому к прямой линии. Приближенно можно построить высотную характеристику двигателя Nn, считая изменение мощности с высотой пропорциональным плотности окружающего воздуха:
 

Если на диаграмме мощности двигателя от точки нормальной частоты вращения выбранного двигателя отложить вниз полученную величину, а найденную точку соединить с началом координат, то отрезок Ni, представит индикаторную мощность двигателя.

Для получения высотной характеристики значения кривой при Н=0 умножаются на дельта плотности воздуха. Получаются

кривые располагаемых мощностей по высоте.

Пример конструктивного решения и компоновки винтомоторной группы

Примером удачного конструктивного решения и компоновки винтомоторной группы на дельтаплане можно признать ВМГ мотодельтаплана «Космос».

Силовая установка. Базовая модель оснащена двухтактным двухцилиндровым двигателем «Робин 440» японского производства. Рабочий объем цилиндров 440 см3. Масса двигателя вместе с системой питания и электрооборудования 38 кг.

В целях лучшей компоновки силовой установки двигатель установлен вниз головками цилиндров. Это позволило более рационально выполнить его крепление и «поднять» воздушный винт над землей для защиты его от попадания в плоскость винта посторонних предметов при взлете, посадке и рулении.

Опыт эксплуатации показал высокую эффективность воздушного принудительного охлаждения двигателя в самом широком диапазоне температур.

Электрооборудование включает магдино с блоком электронного зажигания, электрический стартер, расположенный в приливе картера с правой стороны, две стартерные кислотные аккумуляторные батареи и замок зажигания авто-
 

мобильного типа. Напряжение в электросети 12 В.

Магдино обеспечивает только зажигание. Аккумуляторные батареи не подзаряжаются от работающего двигателя, их зарядка производится стационарно, от наземного источника.

Слабым местом системы зажигания являются свечи. Из-за нижнего расположения цилиндров их очень часто заливает во время продолжительной стоянки на земле. После слива топливного конденсата из головок цилиндров двигатель отлично запускается как электростартером, так и механическим стартером.

Механический стартер размещен в блоке с вентилятором охлаждения. По конструкции он мало отличается от аналогичного стартерного устройства отечественного двигателя РТЗ-640, установленного на снегоходе «Буран».

Стартерный шнур выведен через два блока в удобное для пилота место — на вертикальную балку чуть выше головы. Благодаря этим блокам значительно снижено усилие,.прилагаемое пилотом при запуске двигателя.

Запуск двигателя с успехом выполняется даже в воздухе.

Система питания двигателя включает пластиковый топливный бак цилиндрической формы емкостью 11 л, изготовленный из прозрачного материала, что обеспечивает удобный контроль уровня топлива. Бак размещен на моторной раме и крепится к ней резиновым шнуром.

Двигатель оснащен двумя карбюраторами с горизонталь-ной осью поплавков. Карбюраторы крепятся к двигателю посредством резиновых фланцев-амортизаторов, частично гасящих вибрацию. Кроме того, резиновые фланцы играют роль термоизоляторов. Это повышает качество топливной смеси, способствует сохранению мощности двигателя по мере его прогрева.

Хотя уровень топлива обеспечивает подачу его в карбюраторы самотеком, на двигателе установлен топливный насос мембранного типа. Для повышения надежности работы системы питания, в магистраль на участке топливный бак — насос установлен топливный фильтр неразборной конструкции, который по мере необходимости заменяется новым, имеющим пластмассовый прозрачный корпус для контроля его загрязнения.

Серийный «Космос» комплектуется одним топливным баком, который при полной заправке обеспечивает полет продолжительностью до 1 ч, в некоторых случаях этого недостаточно. Поэтому предусмотрена установка двух дополнительных баков, которые располагаются под сиденьем пилота. Подача топлива из них производится штатным насосом. В таком варианте «Космос» имеет запас топлива на 3 ч полета.

Поскольку степень сжатия в цилиндрах составляет 8,6, то применяется высокооктановый тип бензина. «Робин» одинаково хорошо работает на отече-ственном АИ-93 и авиационном Б-91. Бензин применяете; в смеси с маслом МС-20 в соотношении 1 :35. Это достигнуто благодаря конструкции коленчатого вала — шатун имеет игольчатые подшипники в нижней головке.


Система выпуска. Первое что бросается в глаза при взгляде на силовую установку «Космоса», это внушительные размеры выпускной системы. В сравнении с компактны» двигателем она кажется громоздкой. Но достаточно запустить двигатель, чтобы убедиться в высокой эффективности глушителя. Сам глушитель имеет небольшие размеры, гораздо больше него резонатор. Благодаря резонатору двигатель при частоте вращения, превышающей 80 % от максимальной получает прибавку мощности до 20 % и дает на этом режиме существенную экономию топлива.

Резонатор, несмотря на раз-; меры, имеет небольшую Maccy, поскольку выполнен из тонкостенной стали.

Вся выпускная система смонтирована на резиновых амортизационных блоках.

* Сведения о конструкции и методике расчета резонаторов см. в книге И. М. Григорьева «Мотоцикл без секретов» (М.: ДОСААФ, 1973).

Для облегчения холодного запуска двигателя, особенно при низких температурах воздуха, с левой стороны сиденья установлен топливный обогатитель. Как показала практика эксплуатации «Космоса» в зимних условиях, двигатель отлично запускался с первой — третьей попытки при обогаще-нии смеси даже при температуре — 25 °С. В подавляющем большинстве случаев пилоты пользуются механическим запуском, поскольку «Робин» отличается отличным запуском. Стартерные батареи, масса которых 6 кг, при этом снимают. Поэтому серийные «Космосы» по желанию заказчика могут поставляться только с механическим стартером.

Система управления двигателем. Управление заслонками карбюраторов выведено на рычаг, расположенный под правой ногой пилота на вилке носового колеса. Ножная педаль «газа» обеспечивает оперативное управление оборотами двигателя на режимах взлета, посадки, в маневренном полете, то есть когда требуется постоянное изменение тяги.

Помимо ножной педали «газа» (автомобильное управление) предусмотрено ручное (самолетное) управление. Сектор ручного «газа», расположен-ный слева от пилота (на «корзине» сиденья), обеспечивает фиксацию в любом положении за счет фрикционного механизма. Это создает дополнительные удобства в длительном полете на постоянном режиме. Кроме того, на ручной «газ» возложена еще одна важная функция, во многом способствующая безопасности, — он позволяет инструктору, сидящему сзади, увеличивать частоту вращения двигателя независимо от положения педали ножного управления «газом».

В первых сериях ручной сектор «газа» снабжался встроенным тумблером аварийной остановки двигателя. Однако в скором времени от него пришлось отказаться из-за частых слу% чаев непреднамеренного выключения двигателя в воздухе — сидящий на заднем сиденье пилот постоянно касался коленом тумблера и нередко выключал его таким образом.

содержание      ..     7      8      9      10     ..