Мощность, затрачиваемая на нагнетатель

Контрольные вопросы по теме №6.

1. Какие последствия вызывает неравномерный нагрев деталей двигателя?

2. Чем объясняется увеличение мощности, развиваемой двигателем, при уменьшении нагрева основных его деталей?

3. Какие последствия вызывает переохлаждение двигателя?

4. Как влияет состав топливовоздушной смеси на температурный режим двигателя?

5. Как влияет число оборотов на температурный редким двигателя?

6. Как влияют на температурный режим двигателя наддув, опережение за­жигания и регулировка газораспределения?

7. Назначение оребрения цилиндров.

8. Назначение дефлекторов цилиндров и капота двигателя.

9. Почему для создания потока охлаждающего воздуха применяется осе­вой вентилятор?

10. Объяснить путь воздуха в системе охлаждения.

11. Каким образом осуществляется контроль температурного режима дви­гателя?

12. Какие существуют способы регулирования температурного режима дви­гателя?

13. Как производится управление расходом воздуха через систему охлаж­дения?

14. Как осуществляется привод вентилятора?

15. Назначение и конструкция фрикционной муфты вентилятора.

16. Как производится смазка фрикционной муфты вентилятора?

17. Какие детали входят в управление расходом воздуха через систему охлаждения?

18. Какие агрегаты входят в состав жидкостной системы охлаждения?

19. Как устроен и работает водяной насос?

20. Как осуществляется регулирование жидкостной системы охлаждения?

21. Приведите достоинства и недостатки воздушной и жидкостной систем ожлаждения.

22. Охарактеризуйте процес скоростного наддува.

23. Как производится фильтрацию воздуха поступающего в двигатель? Конструкция фильтров.

24. Какие существуют схемы подвода воздуха к нагнетателю?

25. Как осуществляется охлаждение воздуха после нагнетателя?

26. Приведите основные требования к выхлопным коллекторам.

27. Как устроены выхлопные коллекторы звездообразных моторов?

28. Как устроены выхлопные коллекторы рядных моторов

29. Как располагают коллектора в капоте?

30. Как устроены и работают глушители шума?

ТЕМА 7 НАДДУВ/ТУРБОНАДДУВ

Принципы и назначение наддува и его влияние на параметры двигателя

Общие сведения о нагнетателях

В авиации приводной центробежный нагнетатель одним из первых был применен конструктором А. А. Бессоновым (в 1927 г.). В разработке теории и конструкции нагнетателей большую роль сыграли труды советских ученых Б. С. Стечкина, В. И. Дмитриев­ского, В. И. Поликовского и К. В. Холщевникова.

Нагнетатели поршневых двигателей по способу привода де­лятся на две основные группы:

1) приводные нагнетатели, имеющие механический привод от коленчатого вала двигателя;

2) турбокомпрессоры, приводимые в действие газовой турби­ной, для вращения которой используются выхлопные газы дви­гателя.

По принципу действия нагнетатели обеих групп являются нагнетателями центробежного типа. Такой нагнетатель прост в устройстве и имеет небольшие габаритные размеры.

Установка нагнетателя на авиадвигатель разрешает две задачи:

1) увеличение мощности двигателя по сравнению с той, ко­торую он может развивать, работая с впуском воздуха из атмо­сферы;

2) сохранение мощности, развиваемой двигателем с падением давления окружающей среды, т. е. с подъемом на высоту.

Увеличение мощности двигателя обеспечивается за счет над­дува, создаваемого нагнетателем на впуске двигателя. Надду­вом называется повышение давления воздуха на впуске в дви­гатель до величины, превосходящей атмосферное давление на уровне земли (760 мм рт. ст.). Благодаря этому увеличивается плотность воздуха на впуске и соответственно весовой заряд цилиндров, а следовательно, и мощность, развиваемая двигате­лем. Увеличение мощности двигателя наддувом часто называют форсированием (по мощности) или форсажем дви­гателя.

Давление, создаваемое нагнетателем на впуске двигателя, называется давлением наддува. Давление наддува принято выражать в мм рт. ст. и обозначать через Р_К. Величина давления наддува в современных авиационных двигателях достигает значений Р_К — 1500 ÷ 2000 мм рт. ст., т. е. в 2—3 раза превышает давление атмосферного воздуха на уровне земли. Соответственно с этим и мощность, развиваемая такими двигателями, в 2—3 раза больше той мощности, которую они могли бы развить на уровне земли при питании воздухом непосредственно из атмосферы.

Сохранение мощности двигателя с подъемом на высоту обеспечивается путем поддержания постоянства давления наддува Р_К с падением давления окружающей среды. Каждый нагнетатель в состоянии сохранить создаваемое им давление наддува до вполне определенной высоты, на которую он рассчитан.

Высота, до которой нагнетатель в состоянии поддерживать постоянным заданное давление наддува Р_К, называется расчетной высотой. Эта высота часто называется также высотностью или границей высотности двигателя и обычно обозначается через Н_Р м.

При применении нагнетателей с механическим приводом от коленчатого вала расчетная высота не превышает величины Н_Р = 5000 ÷ 7000 м. Применение комбинированного наддува от нагнетателя с механическим приводом и нагнетателя, приводимого в действие турбиной, работающей от выхлопных газов двигателя, позволяет увеличить высотность до значений Н_Р = 10 000 ÷14 000 м. и более.

В двигателях с карбюратором нагнетатель может устанавливаться после карбюратора и перед карбюратором.

В первом случае (7.1, а) воздух, поступая из атмосферы В цилиндры двигателя, предварительно проходит через карбюратор, а в нагнетатель поступает уже смешанным с топливом.

Во втором случае (рис. 7.1, б) воздух из атмосферы поступает в нагнетатель и затем в карбюратор, где происходит смешение его с топливом.

В звездообразных двигателях нагнетатель обычно устанавливается после карбюратора; в рядных двигателях применяются оба варианта.

Устройство и работа систем наддува / турбонаддува.

Системная терминология.Системы управления.

Приводной центробежный нагнетатель (ПЦН)

Приводной центробежный нагнетатель (рис. 60) состоит из входной улитки или входного патрубка 1, крыльчатки 2, лопа­точного или безлопаточного диффузора 3, сборника или выход­ной улитки 4 и привода 5 крыльчатки.

Входная улитка или входной патрубок 1 служит для подвода воздуха в нагнетатель и закрутки его. Закрутка воздушного по­тока во входной улитке в сторону вращения крыльчатки нагнета­теля делается для того, чтобы воздух входил в крыльчатку без удара о лопатки, т. е. чтобы его скорость относительно лопаток крыльчатки была направлена по касательной к ним. Закрутка воздушного потока перед крыльчаткой в сторону ее вращения уменьшает мощность, затрачиваемую на вращение крыльчатки, и напор, создаваемый крыльчаткой.

В авиационных центробежных нагнетателях улитка не при­меняется. Воздух в таких нагнетателях поступает в крыльчатку в направлении ее оси (осевой вход). Кроме того, в некоторых нагнетателях перед крыльчаткой устанавливается направляю­щий аппарат, представляющий собой ряд лопаток, рас­положенных радиально перед входом в крыльчатку. Лопатки могут вращаться вокруг своих осей. Это так называемые пово­ротные лопатки Стечкина-Поликовского. Они дают возможность изменять закрутку воздуха на входе в крыльчатку нагнетателя во время его работы и тем самым регулировать мощность, затрачи­ваемую на его вращение, и создаваемое им давление. Во вход­ном патрубке 1 устанавливается дроссельная заслонка 6, которой можно регулировать давление наддува и количество воздуха, поступающего в нагнетатель (при наличии поворотных лопаток специальной дроссельной заслонки не требуется).

Рисунок 7.2. Схема приводного центробежного нагнетателя:

а - механизм передачи; б - входная улитка; в - выходная улитка; 1 - входная улитка (входной патрубок); 2- крыльчатка; 3-диффузор;4-выходная улитка (сборник); 5 - привод; 6 - заслонка; 7 -направляющий аппарат

Крыльчатка 2 предназначена для увеличения скорости и давления проходящего через нее воздуха. Для того чтобы обеспе­чить безударное поступление воздуха в крыльчатку как при осе­вом входе, так и при применении поворотных лопаток, входные кромки лопаток загибаются в сторону вращения, образуя по­движной направляющий аппарат 7. Подвижной направляющий аппарат может быть выполнен за одно целое с крыльчаткой или отдельно. В последнем случае он насаживается на ось или втулку крыльчатки.

Крыльчатка вместе с направляющим аппаратом приводится во вращение от коленчатого вала двигателя через шестеренчатую передачу. Число оборотов крыльчатки в современных двигателях может достигать 25000 ÷ 30000 в минуту. Отношение числа оборотов крыльчатки n_кр к числу оборотов коленчатого вала n называется передаточным числом:

Диффузор 3 служит для преобразования кинетической энергии проходящего через него воздуха в потенциальную энергию давления. По своему типу диффузоры делятся на безлопаточные (щелевые) и лопаточные. На рис. 16.7.2 показан лопаточный диффузор.

Сборник или выходная улитка 4 направляет выходящий из диффузора воздух во впускные трубопроводы цилиндров двигателя. Входной патрубок 1, крыльчатка 2, диффузор 3 и выходная улитка 4 составляют гидравлическую часть ПЦН.

Привод 5 представляет собой систему шестерен, при помощи которых вращение от коленчатого вала передается к крыльчатке.

Если привод обеспечивает вращение крыльчатки нагнетателя с одним передаточным числом i, то нагнетатель называется односкоростным, при наличии двух передаточных чисел i₁ и i₂ нагнетатель называется двухскоростным.

Число передач к крыльчатке нагнетателя может быть и больше двух. Такие передачи обычно называются многоскоростными. Кроме того, существуют так называемые бесступенчатые передачи, дающие возможность непрерывно изменять передаточное число в некоторых пределах. К таким передачам относятся передачи, включающие в себя, кроме обычных шестерен, гидромуфты.

Увеличение числа передач к крыльчатке нагнетателя имеет своей основной целью регулирование числа его оборотов и поглощаемой им мощности в зависимости от высоты полета.

Рассмотрим работу приводного центробежного нагнетателя.

На рис. 16.7.3 представлено изменение давления р, температуры Т и скорости с воздуха при движении его через нагнетатель. При вращении крыльчатки на входе в нее создается разрежение, вследствие чего воздух из окружающей среды, имеющей давление Р_Н и температуру Т_Н, начинает поступать в нагнетатель. Размеры входного патрубка выбираются с таким расчетом, чтобы на расчетном режиме скорость воздуха во входном сечении была с₀ = 60 ÷ 80 м/сек. При движении по входному патрубку скорость воздуха несколько возрастает и составляет на входе в крыльчатку (сечение 1) с₁ = 80 ÷ 100 м/сек. За счет увеличения скорости температура Т и давление р₁ на входе в крыльчатку несколько понижаются.

В крыльчатке воздуху сообщается энергия, подводимая от двигателя к валу нагнетателя. Эта энергия затрачивается на сжатие воздуха и увеличение его кинетической энергии. Сжатие воздуха происходит за счет центробежных сил, развивающихся вследствие большой скорости вращения крыльчатки. В результате к выходу из крыльчатки (сечение 2) скорость воздуха повышается до с₂ =300÷400 м/сек, а давление — до величины р₂. Так как при сжатии воздуха повышается и его температура, то температура воздуха на выходе его из крыльчатки Т₂ будет также выше температуры Т₂ на входе в нее. Далее воздух попадает в диффузор, где кинетическая энергия воздуха, приобретенная в крыльчатке, преобразуется в давление. Каналы диффузора, образованные лопатками, постепенно расширяются, что приводит к уменьшению скорости движения воздуха до величины с₃. Давление р₃ и температура Т₃ воздуха при этом возрастают. Из диффузора воздух поступает в выходную улитку 4, где происходит дальнейшее понижение скорости до величины с₄ и повышение давления и температуры воздуха до значений р₄ и Т₄. Скорость воздуха c₄ на выходе из улитки путем подбора проходных сечений делают приблизительно равной скорости с₀ на входе, т. е. с₄ ≈ с₀.

Мощность N_c, затрачиваемая на вращение приводного центробежного нагнетателя, зависит от количества воздуха, протекающего через него в единицу времени, величины создаваемого им давления наддува и расчетной высоты и составляет от 10 до 20% от индикаторной мощности двигателя:

Из этой мощности только часть затрачивается на повышение давления от р_н до р₄, а остальная часть расходуется на механические потери в приводе к нагнетателю (1÷2%), гидравлические потери, вызываемые трением боковых поверхностей крыльчатки в зазоре между ней и корпусом нагнетателя (3÷8%), и потери, связанные с протеканием воздуха через нагнетатель (25÷35%). Гидравлические потери переходят в тепло и вызывают дополнительное повышение температуры сжимаемого воздуха.

Из сборника или выходной улитки воздух по трубопроводам поступает в цилиндры двигателя.

Абсолютное давление р₄ воздуха (смеси), замеренное непосредственно на выходе из нагнетателя, есть давление наддува, обозначенное нами ранее р_к.

Абсолютное давление поступающего в цилиндры воздуха (смеси), замеренное во впускном трубопроводе двигателя перед впускными клапанами, может в случае установки карбюратора после нагнетателя значительно отличаться от р_к. Это давление обозначается через р_а.

Давление наддува p_k зависит от давления воздуха на входе в крыльчатку и степени повышения давления в нагнетателе, определяемой диаметром крыльчатки и числом ее оборотов. Так как давление воздуха на входе в крыльчатку зависит от давления окружающей среды, то отсюда следует, что давление наддува зависит от степени открытия дроссельной заслонки нагнетателя или положения поворотных лопаток и высоты полета (давления окружающей среды).

В приводных центробежных нагнетателях современных двигателей температура в среднем повышается на 70 ÷ 150° С при работе двигателя на номинальном режиме.

Повышение температуры воздуха в нагнетателе (подогрев воздуха) приводит к повышению температурного режима работы двигателя и к уменьшению весового количества поступающего в цилиндр воздуха. Последнее вызывает понижение эффективной мощности двигателя. При сильном подогреве воздуха в нагнетателе необходима установка специального радиатора для охлаждения выходящего из него воздуха.

Мощность, затрачиваемая на вращение крыльчатки нагнетателя, может быть подсчитана по формуле

Где G_сек —секундный расход воздуха через нагнетатель в кг/сек;

L_ад —теоретическая работа, называемая адиабатической работой, которую нужно затратить на сжатие и подачу 1 кг воздуха, в кгм\кг;

η_с —эффективный коэффициент полезного действия нагнетателя.

Из формулы видно, что мощность, затрачиваемая на вращение крыльчатки нагнетателя, растет прямо пропорционально количеству воздуха, проходящего через нагнетатель в единицу времени, и величине работы, расходуемой на сжатие и нагнетание I кг воздуха. Кроме того, мощность, затрачиваемая на нагнетатель, будет тем больше, чем больше в нем гидравлические потери, т. е. чем меньше его к. п. д. η_с.

Так как нагнетатель подает воздух в двигатель, развивающий определенное число оборотов и имеющий определенный рабочий объем цилиндров, то секундный расход воздуха G_сек может быть подсчитан по формуле для часового расхода из выражения

где γ_k —плотность воздуха на впуске при давлении р_к и температуре Т_К на выходе из нагнетателя, в кг\м³.

Отношение давления наддува к давлению на входе в нагнетатель называется степенью повышения давления в нагнетателе:

Адиабатическая работа будет тем больше, чем выше температура воздуха, поступающего в нагнетатель, и чем больше заданная степень повышения давления. Величина адиабатической работы, которая может быть получена от нагнетателя, тем больше, чем больше окружная скорость крыльчатки. В теории нагнетателей доказывается, что величина адиабатической работы, которая может быть получена от нагнетателя, связана с окружной скоростью крыльчатки следующим выражением:

где u₂— окружная скорость крыльчатки в м/сек;

g— ускорение силы тяжести в м/сек²;

η_h—коэффициент полезного действия, характеризующий степень преобразования кинетической энергии на окружности колеса в адиабатическую работу.

Из последней формулы видно, что адиабатическая работа прямо пропорциональна квадрату окружной скорости крыльчатки. Так как для данного нагнетателя диаметр крыльчатки имеет определенный размер, то окружная скорость будет пропорциональна числу оборотов крыльчатки, а адиабатическая работа, очевидно, — квадрату числа оборотов крыльчатки или, при заданном передаточном числе к крыльчатке нагнетателя, — квадрату числа оборотов двигателя, т. е.

где А — постоянный коэффициент.

Из последней формулы следует, что величина работы, подводимой к 1 кг воздуха в крыльчатке нагнетателя, зависит только от числа оборотов крыльчатки. Если число оборотов крыльчатки постоянно, то постоянна и величина адиабатической работы.

Допустим, что крыльчатка данного нагнетателя вращается с постоянным числом оборотов и, следовательно, величина адиабатической работы имеет определенное постоянное значение. При L_ад = const, степень повышения давления в нагнетателе будет изменяться в зависимости от температуры воздуха Т_Н на входе. С повышением температуры степень повышения давления уменьшается, а с понижением Т_Н, наоборот, растет таким образом, что вся правая часть формулы сохраняет постоянную величину, равную L_ад. Это свойство центробежных нагнетателей проявляется при работе двигателя с постоянным числом оборотов на разных высотах, где падение температуры окружающего воздуха с высотой приводят к увеличению степени повышения давления.

В процессе сжатия воздуха в нагнетателе температура его повышается. Разность температур воздуха на выходе и входе в нагнетатель называется подогревом воздуха в нагнетателе.

Подогрев воздуха в нагнетателе прямо пропорционален величине адиабатической работы и тем больше, чем меньше к. п. д. нагнетателя. Так как адиабатическая работа пропорциональна квадрату числа оборотов нагнетателя (или двигателя), то для данного нагнетателя, имеющего к. п. д. определенной величины, подогрев М изменяется также пропорционально квадрату числа оборотов и при постоянном числе оборотов остается постоянным вне зависимости от давления и температуры воздуха на входе в нагнетатель. Для приводных центробежных нагнетателей поршневых двигателей величина подогрева воздуха составляет Δt = 70÷150° С.

Как указывалось выше, из всей работы или мощности, подведенной к валу крыльчатки, только часть преобразуется в работу сжатия, а остальная часть затрачивается на преодоление механических и гидравлических потерь.

Отношение работы, теоретически необходимой для сжатия воздуха до заданного давления, т. е. адиабатической работы L_АД, к полной работе L_ПОЛ, подведенной к валу крыльчатки, называется эффективным к. п. д. нагнетателя η_C.

Для нагнетателей поршневых двигателей величина эффективного к. п. д. составляет η_с = 0,55 ÷ 0,65.

Регулировка давления наддува р_к, создаваемого нагнетателем

Для обеспечения высотности двигателя нагнетатель конструируют с таким расчетом, чтобы он мог при расчетном числе оборотов крыльчатки обеспечить необходимое (заданное) давление наддува Р_К на расчетной высоте. Давление наддува при постоянном числе оборотов крыльчатки зависит от давления окружающей среды и степени повышения давления воздуха в нагнетателе:

Отсюда Р_К = σРн.

Из этих выражений видно, что при уменьшении высоты полета (т. е. при увеличении Р_Н), для того чтобы сохранить Р_К постоянным, степень повышения давления должна быть уменьшена.

При постоянном числе оборотов двигателя, а следовательно, и крыльчатки нагнетателя величина адиабатической работы L_АД остается постоянной. Поэтому степень повышения давления σ будет зависеть только от температуры окружающей среды. С уменьшением высоты полета температура Т_Н возрастает и величина σ соответственно уменьшается. Однако вследствие малого роста температуры Т_Н с уменьшением высоты (6,5° С на 1000 м высоты) степень повышения давления уменьшается очень мало и не может ни в какой мере компенсировать рост давления Р_К окружающей среды.

Поэтому единственным способом сохранения постоянства давления наддува Р_К при полетах на высотах, меньших расчетной, и постоянном числе оборотов двигателя является уменьшение давления воздуха на входе в крыльчатку за счет прикрытия дроссельной заслонки, установленной во входном патрубке нагнетателя.

Регулирование постоянства давления наддува Р_К путем дросселирования воздуха, поступающего в нагнетатель, невыгодно, так как приводит к излишним затратам мощности на вращение крыльчатки нагнетателя.

Действительно, при постоянном давлении на впуске в двигатель, равном Р_К, и постоянном числе оборотов двигателя расход воздуха через двигатель в пределах высот от земли и до расчетной высоты можно считать в первом приближении постоянным. Вместе с тем степень повышения давления σ, необходимая для сжатия воздуха до заданного давления Р_К, непрерывно уменьшается с уменьшением высоты (с увеличением Р_К). С уменьшением величины σ должна уменьшаться и величина работы L_АД, необходимая для сжатия воздуха, а следовательно, и мощность, необходимая для вращения крыльчатки нагнетателя. В действительности же при постоянном числе оборотов нагнетателя величина L_АД остается постоянной, а так как расход воздуха Ссек через двигатель также не меняется, то и мощность, затрачиваемая на вращение крыльчатки нагнетателя, будет оставаться практически постоянной от земли до расчетной высоты. Эта мощность будет равна мощности, необходимой для сжатия и подачи воздуха с давлением Р_К только на расчетной высоте. Для всех же высот, меньших расчетной, мощность, затрачиваемая на вращение нагнетателя, будет излишне большой.

Излишняя затрата мощности достигает наибольшей величины на уровне земли. Чем больше расчетная высота нагнетателя и его расчетное давление наддува Р_К, тем соответственно больше излишние затраты мощности на привод нагнетателя на уровне земли. Эти потери снижают эффективную мощность двигателя у земли и неблагоприятно влияют на летные данные самолета.

Из сказанного выше следует, что значительно более выгодным, с точки зрения затраты мощности на вращение крыльчатки нагнетателя, является сохранение постоянства давления наддува Р_К путем изменения числа оборотов крыльчатки нагнетателя при полном открытии дросселя на входе. В этом случае при снижении самолета от расчетной высоты до земли число оборотов крыльчатки нагнетателя непрерывно уменьшается, в соответствии с чем уменьшается и величина работы, сообщаемой воздуху в крыльчатке, и мощность, затрачиваемая на ее вращение.

Таким образом, наиболее выгодным будет, очевидно, применение такой передачи в приводе к нагнетателю, которая позволяла бы регулировать постоянство давления наддува Р_К за счет плавного изменения передаточного числа. К сожалению, практически осуществить такие передачи полностью еще не удается. Применяемые в ряде двигателей гидромуфты обеспечивают возможность непрерывного изменения числа оборотов в сравнительно узких пределах и, кроме того, требуют дополнительной затраты мощности на свое вращение и специальных устройств для подвода к ним масла и его охлаждения. Ввиду этого на практике обычно применяют шестеренчатый привод к нагнетателю, обеспечивающий возможность получения нескольких передаточных чисел.

На графике рис. 7.4 нанесены числа оборотов n и степени повышения давления σ односкоростного и двухскоростного нагнетателей по сравнению с теми же величинами у нагнетателя, имеющего передачу с бесступенчатым изменением скоростей. Во всех трех случаях нагнетатели сохраняют постоянное давление наддува Р_К до расчетной высоты Н = H_P2.

Работа нагнетателя с бесступенчатым изменением скоростей представлена пунктирными линиями БМА и бма. Линия БМА представляет собой степень повышения давления 5, необходимую для получения на данной высоте заданного значения Р_К. Линия бма представляет собой число оборотов крыльчатки нагнетателя, необходимое для получения степени повышения давления, соответствующей линии БМА. Таким образом, при возможности непрерывного изменения числа оборотов крыльчатки нагнетателя мощность, затрачиваемая на ее вращение, является минимально необходимой для каждой высоты.

В одноокоростном нагнетателе число оборотов сохраняется постоянным для всех высот (линия вла). Соответствующая этому числу оборотов степень повышения давления (линия ВЛА) несколько понижается с уменьшением Высоты вследствие повышения температуры окружающего воздуха. Как видно, только на высоте Н_Р2, на которую рассчитан нагнетатель, число оборотов крыльчатки нагнетателя обеспечивает степень повышения давления, необходимую для получения заданного давления рк при полном открытии дросселя (точка А). На всех высотах, меньших Н_Р2 ,степень повышения давления, создаваемая нагнетателем при постоянном числе оборотов, значительно превосходит величину σ, необходимую для получения постоянного давления Р_К, что видно из сравнения кривых ВЛА и БМА.

Следовательно, постоянное по высоте давление наддува может быть сохранено только путем дросселирования, т. е. понижения давления на входе в нагнетатель. Однако дросселирование снижает давление на входе в нагнетатель, но не степень повышения давления в нагнетателе. Последняя зависит только от числа оборотов и температуры воздуха на входе и остается неизменной вне зависимости от положения дроссельной заслонки. Поэтому на всех высотах, меньших Н_Р2, на нагнетатель будет затрачиваться излишняя мощность.

При двухскоростном нагнетателе, кроме передаточного числа i₂, обеспечивающего получение заданного давления Р_К на расчетной высоте Н_Р2, в привод нагнетателя вводится второе, меньшее передаточное число i₁ (первая скорость), при работе на котором число оборотов крыльчатки нагнетателя получается меньшим и соответственно уменьшается его, расчетная высота до величины H_P1. На графике линия смла представляет собой изменение числа оборотов такого нагнетателя по высоте.

От земли до первой расчетной высоты нагнетатель работает на первой скорости (передача i­₁) с числом оборотов, соответствующим линии см. На высоте H_P1, производится переключение нагнетателя на вторую скорость (передача i₁), при этом число оборотов нагнетателя возрастает (линия мл) и далее остается постоянным (линия ла). Изменение степени повышения давления в нагнетателе с высотой представлено линией СМЛА.

Сравнивая нагнетатель с двухскоростной передачей с односкоростным нагнетателем, мы видим, что первый имеет значительное преимущество, состоящее в том, что на малых высотах, вплоть до Н_Р1,, этот нагнетатель вследствие меньшего числа оборотов имеет меньшую степень повышения давления, а следовательно, требует и меньшей затраты мощности.

Существенным преимуществом двух- и многоскоростных нагнетателей по сравнению с односкоростным является также и то, что с уменьшением числа оборотов уменьшается не только работа, затрачиваемая на вращение крыльчатки нагнетателя, но и подогрев воздуха. Вследствие этого понижается температура воздуха на выходе из нагнетателя и при неизменном давлении наддува увеличивается весовое количество воздуха, поступающего в двигатель, а следовательно, и его мощность.

Таким образом, применение двух- или многоскоростных нагнетателей улучшает работу двигателя на малых высотах за счет уменьшения мощности, затрачиваемой на привод нагнетателя, и меньшего повышения температуры воздуха, поступающего в двигатель.

Уменьшение затраты мощности на вращение нагнетателя на малых высотах может быть достигнуто и на односкоростном нагнетателе при помощи поворотных лопаток Стечкина-Поликовского, установленных перед крыльчаткой. При работе на земле лопатки устанавливаются в положение, при котором они обеспечивают максимальную закрутку воздуха. При этом уменьшается мощность, затрачиваемая на вращение крыльчатки нагнетателя, и одновременно давление на входе, степень повышения давления и подогрев воздуха в нагнетателе. По мере подъема на высоту постоянство давления наддува Р_к обеспечивается поворотом лопаток, благодаря которому уменьшается дросселирование и закрутка воздуха и соответственно увеличивается степень повышения давления.

Регулятор постоянства давления наддува

Для облегчения работы летчика в полете на высотных двигателях устанавливаются автоматические регуляторы постоянства давления наддува (РПД). Назначение РПД состоит в том, чтобы не допускать увеличения наддува сверх установленной для данного двигателя величины, а также поддерживать постоянство наддува при изменении высоты до расчетной.

Одна из схем устройства регулятора постоянного давления приведена на рис. 7.5. РПД состоит из анероидной коробки 1, золотника 5, поршня 3 со штоком, пружины 13 и регулировочного устройства 6. Кроме того, в большинстве регуляторов имеется дополнительное устройство (на схеме не показано), дающее возможность летчику при форсировании двигателя увеличивать наддув сверх номинальной величины.

Анероидная коробка 1 имеет внутри пружину 15 и заполнена нейтральным газом (азотом), имеющим примерно атмосферное давление. Коробка помещена внутри герметически закрытого колпака 7, сообщающегося через канал 2 с полостью сборника нагнетателя. Один конец анероидной коробки жестко соединен со стержнем, ввернутым в колпак, а второй шарнирно соединен с золотником 5.

При деформации коробки золотник перемещается в канале 8, к которому по каналу 9 подводится масло из нагнетающей магистрали. Канал 10 соединяет канал 8 с картером двигателя. Канал 8 каналом 11 сообщается с полостью цилиндра 12, в котором движется поршень 3 со штоком. Шток поршня имеет на конце зубчатую рейку, соединенную с зубчатым сектором 14, сидящим на оси дроссельной заслонки 4 нагнетателя.

Принцип действия РПД следующий.

При расчетном давлении наддува золотник находится в нейтральном положении (рис. 7.5, а), при котором доступ масла в полость цилиндра 12 перекрыт буртиком золотника 5. При этих условиях поршень 3 и заслонка 4 нагнетателя остаются неподвижными в определенном положении.

Если по каким-либо причинам (например, вследствие подъема на высоту) давление, создаваемое нагнетателем, станет меньше расчетного, то анероидная коробка 1 под действием давления заключенного в ней газа и внутренней пружины 15 расширится и переместит золотник из нейтрального положения вниз (рис. 7.5,б). При перемещении золотника откроется доступ масла из нагнетающей магистрали двигателя по каналам 9, 8 и 11 в полость цилиндра 12. Под действием давления масла поршень начнет перемещаться влево, сжимая пружину 13. Это вызовет открытие заслонки нагнетателя и постепенное увеличение давления наддува. С увеличением давления наддува анероидная коробка начнет сжиматься и вновь установит золотник в нейтральное положение, зафиксировав заслонку нагнетателя уже в новом положении при расчетной величине наддува.

Если по каким-либо причинам (например, при снижении самолета с полным газом или при увеличении числа оборотов крыльчатки) давление наддува превысит расчетную величину, то анероидная коробка сожмется на большую величину, чем при расчетном давлении наддува (рис. 7.5, б). При этом золотник 5 переместится из нейтрального положения вверх и сообщит полость цилиндра 12 с каналом 10, отводящим масло в картер. Под действием пружины поршень начнет перемещаться вправо, вытесняя масло в картер и одновременно прикрывая заслонку нагнетателя. При этом давление наддува понизится и анероид, расширяясь, вновь возвратит золотник в нейтральное положение в тот момент, когда давление наддува станет равным расчетному.

Регулировочное устройство 6 дает возможность перемещать анероид 1 вместе с золотником 5 в вертикальном направлении и тем самым регулировать величину давления наддува, при котором золотник устанавливается в нейтральное положение.

Необходимо иметь в виду, что РПД вступает в работу только при таком числе оборотов двигателя, при котором давление наддува при полном открытии заслонки становится больше расчетного. При меньших давлениях наддува РПД открывает заслонку полностью и управление ею осуществляется вручную, для чего РПД снабжается специальным устройством, при помощи которого он выключается на малых оборотах.

Высотность авиационных поршневых двигателей

В двигателях без нагнетателя сохранение номинальной мощности до определенной высоты, т. е. получение высотности, может быть обеспечено только в том случае, если двигатель развивает свою номинальную мощность на уровне земли при неполностью открытой дроссельной заслонке. Для того чтобы высотность двигателя была достаточно большой, степень дросселирования двигателя на земле при работе на номинальной мощности должна быть также значительной.

Нетрудно понять, что было бы нерационально уменьшать путем дросселирования мощность, развиваемую на земле двигателем с впуском из атмосферы, не получая при этом каких-либо выгод по сравнению с двигателем тех же размеров, работающим «а земле при полностью открытой дроссельной заслонке и, следовательно, развивающим большую мощность. Эти выгоды заключаются в уменьшении веса и увеличении экономичности двигателя по сравнению с весом и экономичностью двигателя тех же размеров, могущего работать на земле при полном открытии дроссельной заслонки. Достигается это за счет облегчения веса деталей кривошипно-шатунного механизма, цилиндров и других наиболее нагруженных узлов двигателя (расчет этих деталей на прочность производится по заниженной номинальной мощности), а также за счет увеличения степени сжатия, обеспечивающего получение более высокого к. п. д. и, следовательно, меньшего расхода топлива и большей мощности, снимаемой с единицы объема.

Подобные двигатели были сконструированы и назывались «переразмеренными», так как рабочий объем их цилиндров был избыточно велик для получения номинальной мощности на уровне земли, и «пересжатыми», так как высокая степень сжатия не допускала полного открытия дроссельной заслонки на земле не только из соображений прочности, но и из-за возможности возникновения детонации. Такой «переразмеренный» и «пересжатый» двигатель дросселировался на земле до номинальной мощности, постоянство которой с высотой поддерживалось путем постепенного открытия дроссельной заслонки. С применением нагнетателей «переразмеренные» и «пересжатые» двигатели утратили полностью свое значение и представляют сейчас лишь исторический интерес, как один из этапов развития авиационной техники.

В настоящее время подавляющее большинство авиационных поршневых двигателей имеет установленный на впуске нагнетатель центробежного типа. Установка нагнетателя на впуске выполняет два назначения. Первое состоит в увеличении мощности двигателя за счет наддува, второе — в сохранении заданного давления наддува до некоторой расчетной высоты, т. е. в обеспечении высотности двигателя. Характеристики двигателей с нагнетателями обладают целым рядом особенностей, часть которых была рассмотрена выше в связи с внешней характеристикой двигателя.

Особенно сильно сказываются установка нагнетателя и способ его привода на высотных характеристиках двигателей.