Кафедра: «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей».

Кафедра: «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей».

Тема № 2.

Основные параметры и характеристики авиационных поршневых двигателей. Общие сведения о двигателе АШ-62ИР

 

 

Учебное пособие.

(Компьютерный вариант)

 

Составил: Сошин В.М.

Пособие предназначено для студентов 1-го курса специальности 130300, изучающих конструкцию двигателя АШ-62ИР по дисциплине «Авиационная техника».

 

 

Размер файла: 1280 кб.

Файл помещен в компьютере «Server» ауд. 113-5

Имя файла: E:\ ПОСОБИЯ \ АШ-62 \ ТЕМА2 \ тема2.doc

Дата составления: 25 октября 2004г.

Дата внесения изменений: 25 октября 2004г.

 

Допущено для использования

в учебном процессе.

Протокол заседания кафедры «ЭЛАиД»

№ ______ от «___» ___________ 2004 г.

 

Самара 2004 г.

ИНДИКАТОРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЯ

Индикаторная мощность

Индикаторной мощностью называется мощность, развиваемая газами внутри цилиндра двигателя и передаваемая поршню за такты сжатия и расширения. Обозначается она n_i. Так как мощность представляет собой работу, совершенную в единицу времени (в 1 секунду), то для того чтобы подсчитать мощность, следует умножить индикаторную работу за один цикл Li на число циклов в одну секунду.

У четырехтактного двигателя рабочий цикл завершается за два оборота коленчатого вала, и, следовательно, если двигатель делает n оборотов в минуту, то число циклов в секунду будет равно . Отсюда мощность, развиваемая в одном цилиндре, будет равна .

Для получения индикаторной мощности всего двигателя следует умножить мощность, развиваемую в одном цилиндре, на число i цилиндров:

Так как, индикаторная работа одного цилиндра равна то можем записать:

.

Для определения индикаторной мощности в лошадиных силах, применив переводные коэффициенты, получим:

Где: р_i— среднее индикаторное давление в кгс/см²;

V_h— рабочий объем цилиндра в дм³.

N— частота вращения коленвала двигателя в об/мин.

Для существующих двигателей с наддувом среднее индикаторное давление (р_i) равно 15¸25 кгс/см², у двигателя АШ-62ИР величина р_i достигает 16¸17 кгс/см². Максимальная индикаторная мощность двигателя АШ-62ИР составляет 1200 л.с.

1.2. Индикаторный расход топлива

Для оценки экономичности двигателя применяют параметр, который называется «часовой расход топлива». Этот параметр показывает, сколько топлива израсходовал двигатель за час работы. (С_h, кг/ч). Чем меньше часовой расход топлива у двигателя данной мощности, тем экономичнее работает двигатель. Чтобы сравнивать между собой экономичность двигателей разной мощности, определяют количество топлива, расходуемого двигателем на единицу мощности в час. Количество топлива, расходуемого двигателем на единицу мощности (одну лошадиную силу) в час называется удельным расходом топлива. Удельный расход топлива, отнесенный к индикаторной мощности, называется индикаторным удельным расходом топлива или, сокращенно, индикаторным расходом. Индикаторный расход обозначается С_i и имеет размерность кг/л. С. ч. Или г/л. С. ч.

Таким образом, если двигатель имеет часовой расход топлива С_h и развивает индикаторную мощность N_i, то его индикаторный удельный расход топлива будет равен

Величина индикаторного удельного расхода топлива для авиационных двигателей лежит примерно в пределах 0,170—0,210 кг/л. С. ч. Из всего тепла, внесенного в двигатель с топливом, только часть превращается в индикаторную работу. Чем большая доля внесенного тепла обращается в работу, тем выше экономичность двигателя.

 

Индикаторный к.п.д.

Степень использования тепла, внесенного в двигатель топливом, для получения индикаторной работы определяется по индикаторному к. п. д.

Индикаторным к.п.д. двигателя называется отношение тепла, обращенного в индикаторную работу, к теплу, внесенному в двигатель топливом. Индикаторный к. п. д. обозначается h_i и выражается в процентах или долях.

Таким образом, если в двигатель было внесено тепло Q и за счет этого тепла получена индикаторная работа Li, то его индикаторный к.п.д. будет равен

Индикаторный к.п.д. h_i, можно выразить через индикаторный удельный расход топлива Ci и рабочую теплотворность топлива H_u

Действительно, количество тепла, внесенного топливом в двигатель в течение часа, равняется

При этом индикаторная работа может быть определена по формуле

,

где t— время в секундах, за которое была произведена индикаторная работа L_i. В нашем случае рассматривается интервал времени равный 1 час (3600 сек).

С учетом сказанного можно записать:

Если мы определили при испытания двигателя его индикаторную мощность N_i, часовой расход топлива С_h и индикаторный расход топлива С_i, и знаем теплотворность топлива H_u то из последнего уравнения можем найти индикаторный к.п.д. двигателя и, следовательно, установить степень использования тепла, внесенного в двигатель топливом. Этим уравнением пользуются в тех случаях, когда по величине индикаторного к.п.д., найденного расчетным путем, требуется оценить величину индикаторного удельного расхода топлива.

Из уравнений видно, что индикаторный к.п.д. h_i и индикаторный удельный расход топлива С_i, обратно пропорциональны друг другу, т. Е. чем больше h_i, тем меньше С_i и наоборот. Второй вывод, который мы можем сделать, заключается в том, что если индикаторный к.п.д. двигателя не меняется, то при работе на разных топливах индикаторный удельный расход топлива изменяется обратно пропорционально его теплотворности H_u. Так, например, при переводе двигателя с работы на бензине (H_u = 10 500 ккал/кг) на бензол ( H_u= 9600 ккал/кг) или на этиловый спирт (H_u = 6700 ккал/кг)удельный расход топлива возрастет соответственно в ~ 1,10 и ~ 1,57 раза.

Индикаторный к.п.д. является величиной, определяющей собой основное свойство рабочего процесса двигателя — степень использования тепла, внесенного топливом. Поэтому необходимо несколько подробнее рассмотреть, какой может быть величина h_i, а также от чего зависит h_i .

Прежде всего, отметим, что индикаторный к. п. д. практически не зависит от рода топлива, на котором работает двигатель. Объясняется это тем, что какова бы ни была теплотворность топлива, количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 кг топливовоздушной смеси, практически одинаково для всех топлив. Поэтому на каком бы топливе ни работал двигатель, если коэффициент избытка воздуха a остается постоянным, то Постоянными остаются давления и температуры рабочего процесса цикла, а следовательно, и получаемая работа и индикаторный к.п.д.

Основными величинами, от которых зависит индикаторный к.п.д., являются степень сжатия e двигателя И. коэффициент избытка a.

С увеличением степени сжатия двигателя возрастает как работа, затрачиваемая на сжатие, так и работа, получаемая от расширения газов. При этом работа расширений возрастает на большую величину. Поэтому индикаторная работа Li, представляющая собой разность работ расширения и сжатия, с увеличением степени сжатия увеличивается. Зависимость h_i(e) представлена графиком на рисунке 1. Из графика видно, что с увеличением степени сжатия индикаторный к. п.д. сначала возрастает очень резко, а затем рост его постепенно замедляется. Так, например, при увеличении степени сжатия на две единицы, от 3,0 до 5,0, h_i возрастает от 0,220 до 0,300, т. Е. примерно на 38%, а при дальнейшем увеличении на две единицы, от 5,0 до 7,0, увеличивается от 0,300 до 0,360, т. Е. всего на 20%.

Для авиационных двигателей, степень сжатия которых лежит в пределах e =5,0¸7,5, индикаторный к.п.д. при a=1,0 изменяется в пределах h_i=0,30¸0,37. Это значит, что в этих двигателях при теоретическом составе смеси (a = 1,0) в индикаторную работу может быть обращено от 30 до 37% от тепла, внесенного топливом.

Второй величиной, влияющей на индикаторный к.п.д., является коэффициент избытка воздуха a, на котором работает двигатель. Если обогащать смесь, на которой работает двигатель, т. Е. увеличивать количество топлива, поступающего в двигатель, то соответственно будет увеличиваться и количество вносимого им тепла. Вместе с тем поступающее в двигатель топливо ввиду недостатка воздуха не сможет сгорать полностью и часть заключенной в нем химической энергии не перейдет в тепло и останется неиспользованной. Неполнота сгорания топлива, вызванная недостатком воздуха, называется химической неполнотой сгорания. По мере обогащения смеси химическая неполнота сгорания топлива увеличивается, при этом общее количество выделившегося тепла уменьшается незначительно вследствие общего увеличения количества топлива.

Рис.1. Зависимость индикаторного к.п.д. (h_i ) от степени сжатия (e)

 

Благодаря этому, а также вследствие того, что с обогащением смеси увеличивается скорость сгорания, индикаторная работа Li, почти не изменяется. Таким образом, мы видим, что по мере обогащения смеси, с одной стороны, непрерывно увеличивается количество тепла, внесенного в двигатель топливом, а с другой, почти не меняется величина развиваемой двигателем индикаторной работы. Отсюда следует, что индикаторный к.п.д. с обогащением смеси должен уменьшаться.

При обеднений смеси индикаторный к.п.д. сначала несколько возрастает. Однако уже при значениях a=1,05¸1,15 он достигает наибольшего значения и затем резко падает. Объясняется то тем, что при дальнейшем обеднении смеси резко снижается скорость ее сгорания, что приводит сначала к уменьшению индикаторной работы, а затем к пропускам в зажигании и неустойчивой работе двигателя.

Зависимость индикаторного к.п.д. от коэффициента избытка воздуха для всех двигателей легкого топлива с принудительным зажиганием практически одинакова и на основании опытных данных может быть представлена графиком, приведенным на рис.2.

На этом же графике пунктирной линией показано процентное изменение среднего индикаторного давления двигателя p_i в зависимости от коэффициента избытка воздуха. Точно так же будет изменяться и индикаторная мощность, развиваемая двигателем при постоянном числе оборотов.

Рис. 2. Процентное изменение h_i и p_i, в зависимости от a

 

Тепловой баланс двигателя

Как уже было сказано, из всего тепла, внесенного топливом в двигатель, только часть обращается в индикаторную работу. Часть тепла не выделяется из топлива вследствие неполноты сгорания, часть отдается стенкам цилиндра, а часть уносится в атмосферу с отработавшими газами. Распределение тепла, внесенного топливом, на индикаторную работу и по отдельным потерям принято называть индикаторным тепловым балансом двигателя. Если принять, что тепло, внесенное топливом, составляет 100%, то распределение тепла для двигателя АШ-62ИР будет примерно следующим:

25¸38% тепла обращается в индикаторную работу;

15¸25% тепла теряется вследствие неполноты сгорания;

10¸15% тепла отдается стенкам цилиндра и в охлаждающую среду (воздух, масло);

35¸45% тепла уносится с отработавшими газами.

Потери тепла сильно зависят от коэффициента избытка воздуха a и степени сжатия e. Как видно из графика на рис. 29, при обеднении смеси резко увеличивается доля тепла, обращенного в индикаторную работу, а также снижаются потери тепла за счет неполноты сгорания. При увеличении степени сжатия e индикаторная работа увеличивается, а количество тепла, уносимого с отработавшими газами, соответственно уменьшается. Например, при увеличении степени сжатия от е e= 6,0 до e= 7,0 и коэффициенте избытка воздуха a=1,0 тепло, обращенное в индикаторную работу, увеличится от 33 до 36%, а тепло, унесенное с отработавшими газами, снизится соответственно с 50 до 47%.

Из графиков на рисунке 29 следует, что максимальное индикаторное давление, а следовательно, и мощность двигателя достигается при a=0,85¸0,9, максимальный индикаторный к.п.д., а следовательно, минимальные потери — при a=1,05¸1,1. Поэтому для получения наибольшей мощности двигателя, например, при взлете самолета, топливовоздушную смесь необходимо обогатить (a£0,85¸0,9), при полете на максимальную дальность — обеднить (a£1,05¸1,1)*.

 

Эффективная мощность

Эффективной мощностью двигателя называется мощность, передаваемая от коленчатого вала двигателя воздушному винту, обозначается она Ne.

Эффективная мощность двигателя без нагнетателя равна разности между индикаторной мощностью Ni и мощностью механических потерь N_М т. Е.

Эффективная мощность двигателя с нагнетателем равна разности между индикаторной мощностью, мощностью механических потерь N_М и мощностью, затрачиваемой на привод нагнетателя N_Н, т. Е.

Максимальная эффективная мощность двигателя АШ-62ИР составляет 1000 л.с.

Так же как и индикаторная мощность (см. п.1.1), эффективная мощность может быть выражена через рабочий объем двигателя, частоту вращения коленвала и некоторое условное постоянное давление р_е:

где р_е—среднее эффективное давление в кгс/см².

Величина среднего эффективного давления характеризует напряженность работы двигателя и составляет для двигателей без нагнетателя р_е=9¸11 кг/см², для двигателей с нагнетателем р_е=12¸20 кг/см².

Винтовая характеристика

Винтовой характеристикой называется зависимость эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива от числа оборотов при работе двигателя с винтом фиксированного шага.

При снятии винтовой характеристики число оборотов изменяется путем изменения количества подачи топлива при различных положениях дроссельной заслонки. Обычно для двигателя дается одна винтовая характеристика, соответствующая его работе с винтом, установленным на самый малый шаг. С таким винтом двигатель развивает взлетную мощность и частоту вращения коленвала при полностью открытой дроссельной заслонке.

Винтовая характеристика двигателя АШ-62ИР дана на рис.4. Как видно из рисунка, с увеличением частоты вращения эффективная мощность двигателя непрерывно повышается, а удельный расход топлива сначала снижается, а затем также повышается.

Рис.4. Винтовая характеристика двигателя АШ-62ИР

 

Эффективная мощность двигателя при любой установившейся частоте вращения равна мощности, потребляемой винтом на свое вращение. Если этого равенства не будет, то частота вращения коленвала двигателя будет увеличиваться или уменьшаться. Мощность, потребляемая данным винтом, изменяется прямо пропорционально кубу частоты его вращения. Следовательно, и эффективная мощность двигателя по винтовой характеристике изменяется по тому же закону.

Характер изменения эффективного удельного расхода топлива по винтовой характеристике определяется характером изменения hi, и hм от частоты вращения. Изменение hi в основном зависит от изменения качества смеси (a) при изменении частоты вращения, т. Е. от регулировки карбюратора (см. приложение 2). Значительное обогащение смеси на малом газе и взлетном режиме приводит к уменьшению hiи к соответствующему увеличению эффективного удельного расхода топлива. Более бедные смеси на крейсерских числах оборотов приводят к повышению hi и снижению Се.

С увеличением числа оборотов hм непрерывно увеличивается, что приводит к снижению Се. Рост hм объясняется тем, что с увеличением частоты вращения эффективная мощность по винтовой характеристике и мощность нагнетателя растут пропорционально кубу частоты вращения, а мощность механических потерь — пропорционально квадрату частоты вращения, т. Е. более медленно. Следовательно, индикаторная мощность (Ni=Nе+Nм+Nн) растет медленнее, чем Ne, и поэтому hм возрастает. Совместное влияние hi и определяет общий характер изменения Се, по винтовой характеристике, причем решающее влияние оказывает hi, т. Е. регулировка карбюратора — фактор сугубо эксплуатационный.

 

4.4. Высотные характеристики

Высотной характеристикой называется зависимость эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива от высоты полета при постоянной частоте вращения коленвала, качестве смеси и давлении наддува, равном номинальному.

Номинальное давление наддува поддерживается постоянным до такой высоты, на которой оно достигается при полностью открытых дроссельных заслонках и номинальной частоте вращения. Эта высота называется расчетной.

Как видно из рис. 5, эффективная мощность двигателя АШ-62ИР увеличивается с подъемом до расчетной высоты (на 20 л. С.), а затем уменьшается. Эффективный удельный расход топлива, наоборот, с подъемом до расчетной высоты снижается, а затем возрастает.

Увеличение мощности с подъемом до расчетной высоты обусловливают следующие факторы:

— уменьшение наружной температуры (а следовательно, и температуры смеси за нагнетателем; при постоянном р_к приводит к увеличению удельного веся смеси поступающей в цилиндры, и ее весового заряда;

— уменьшение противодавления на выхлопе с подъемом на высоту способствует лучшей очистке цилиндров от остаточных газов, что также приводит к увеличению весового заряда смеси;

— понижение давления в картере приводит к снижению затрат мощности на выполнение насосных ходов, так как с увеличением высоты возрастает положительная работа в такте впуска.

На высоте, превышающей расчетную, мощность двигателя снижается, как и у невысотного двигателя, в результате уменьшения плотности воздуха. При этом мощность уменьшается интенсивнее, чем плотность воздуха.

 

Рис. 5. Высотная характеристика двигателя АШ-62ИР

 

Характер изменения эффективного удельного расхода топлива Се в зависимости от высоты полета определяется исключительно изменением h_м с высотой. При этом величина h_м определяется соотношением только индикаторной мощности и мощности механических потерь, так как мощность, потребляемая нагнетателем N_Н, на всех высотах изменяется пропорционально Ni и на механический к.п.д. влияния не оказывает.

До расчетной высоты индикаторная мощность Ni увеличивается, а мощность механических потерь N_М уменьшается за счет указанных выше факторов. Следовательно с подъемом до расчетной высоты увеличивается, а Се уменьшается.

На высотах больше расчетной индикаторная мощность уменьшается интенсивнее, чем мощность механических потерь, в результате чего Nе, уменьшается, а Се возрастает.

Высотная характеристика обычно дается не только для номинальных, но и для других частот вращения. Серия таких высотных характеристик мощности двигателя АШ-62ИР дана на рис. 6. Пользуясь этим графиком, можно определить высоты, на которых возможно получить требуемую крейсерскую мощность при различных числах оборотов.

Рис.6. Серия высотных характеристик мощности двигателя АШ-62ИР

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Лабазин П.С. Авиационный двигатель АШ-62ИР. М.; Транспорт, 1972.

2. Углов Б.А.. Авиационный двигатель АШ-62ИР. Самара; СГАУ, 1992.

3. Двигатель АШ-62ИР. Техническое описание. М.; Воениздат, 1962.

4. Рыбальчик В.С. и др. Теория поршневых авиационных двигателей. М., Воениздат 1955.

5. Теория двигателей внутреннего сгорания. Под ред. Дьяченко Р.Х. Машиностроение 1974.

6. Аверкиев В.А. и др. Летная эксплуатация самолета Ан-2. М., Машиностроение 1984.

7. Инструкция по эксплуатации и техническому обслуживанию самолета Ан-2. Под ред. Р.Легенцкого. ПНР, 1975.

 

Приложение 1.

Геометрические характеристики воздушного винта

Основным рабочим элементом воздушного винта является лопасть. Винт может иметь от двух до восьми лопастей. Лопасти крепятся к втулке воздушного вина (рис.9).

 

Рис.9. Воздушный винт.

 

У воздушных винтов выделяют следующие геометрические характеристики:

— диаметр винта D— диаметр окружности, описываемой концами лопасти. У самолетных винтов диаметр составляет2…6 м. При необходимости вместо диаметра в/винта используют его радиус R=D/2 (рис.9);

— сечение лопасти на некотором расстоянии г от оси — это сечение цилиндрической поверхностью, продольная ось которой совпадает с осью винта (рис.9). Положение сечения лопасти определяется относительным радиусом ;

— плоскость вращения — плоскость перпендикулярная оси вращения винта и проходящая через середину хорды профиля (рис. 10);

— ширина лопасти b— длина хорды сечения лопасти (рис.10), по длине лопасти ширина может изменяться;

— угол установки сечения лопасти j — угол, образованный хордой сечения с плоскостью вращения (рис.10).

 

Рис.10.Определение ширины и угла установки сечения лопасти воздушного винта

 

У существующих в/винтов углы установки в различных сечениях по длине лопасти не одинаковы, т.е. лопасти в/винта имеют геометрическую крутку. Поэтому для оценки угла установки лопасти в целом на ней выбирается определенное сечение и угол установки этого сечения называется углом установки всей лопасти. Для большинства винтов такое сечение расположено на расстоянии от оси вращения винта и называется контрольным.

— шаг винта Н — расстояние, которое пройдет контрольное сечение в/винта в осевом направлении за один оборот, ввинчиваясь в воздух как в твердую среду (как болт в гайку) (рис.11).

 

Рис.11. Движение контрольного сечения в/винта при его ввинчивании в

воздух как в твердую среду. Н- шаг в/винта

 

 

Нетрудно заметить, что шаг в/винта может быть определен из формулы:

Где: j_к – угол установки лопастей в/винта (угол установки контрольных сечений лопастей в/винта).

Поэтому величины шага винта и угла установки его лопастей взаимосвязаны: чем больше угол установки лопастей, тем больше шаг в/винта и наоборот.

Угол установки влияет на сопротивление вращения в/винта. Чем больше j_к, тем больше сопротивление вращения. Следовательно, минимальному углу установки будет соответствовать минимальный шаг винта и минимальное сопротивление вращения и наоборот.

Если при неизменном положении дроссельной заслонки изменять угол j_к, то будет изменяться сопротивление вращению в/винта и следовательно, частота вращения коленвала.

Приложение 2.

Кафедра: «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей».

Тема № 2.