ВЫСОТА-СМЕСЬ-МОЩНОСТЬ
В целях подачи мотору на рапных высотах наивыгоднейшей смеси карбюратор должен регулироваться для разных атмосферных давлений и температур,
Рис. 308. На уровне моря для получения наибольшей мощности мотора количество воздуха должно относиться к количеству горючего примерно, как 13 к 1. Это значит, что мотор должен засосать около 13 кг воздуха (10,61 куб. м), для того чтобы получилось полное сгорание 1 кг бензина или освободилось около 10000 больших калорий тепловой энергии, часть которой, как известно, преобразуется мотором и винтом в полезную работу тяги.
Если тот же мотор попадет на высоту около 2750 м, где плотность воздуха приблизительно на 25% меньше плотности воздуха на уровне моря, то мощность его значительно уменьшится. Объясняется это тем, что 10,61 куб. м воздуха весят на этой высоте только 9,75 кг, что недостаточно для полного сгорания 1 кг бензина. При таких условиях смесь окажется чрезмерно богатой, и несгоревшее горючее будет выбрасываться через выхлопные патрубки.
На высоте 5500 м, где плотность воздуха равна приблизительно половине плотности на уровне моря, мотор будет развивать меньшую мощность, даже если карбюратор будет подавать 1 кг бензина на каждые 10,61 куб. м воздуха.
Рис. 309. Если с увеличением высоты поддерживать соотношение воздуха и бензина 13 к 1, то мощность мотора будет понижаться, но не с такой скоростью, как в случае, указанном на рис. 308, тал как на всех высотах будет полное сгорание. Все же падение мощности будет происходить из-за уменьшения веса смеси. Так как рабочий объем цилиндра одинаков при каждом всасывающем , ходе, то на высоте 5500 .и воздуха, плотность которого составляет лишь половину плотности на уровне моря, будет достаточно для полного сгорания лишь половины топлива, сгорающего на уровне моря, и поэтому мы получим меньшую мощность. На этой высоте при указанных выше условиях мотор потеряет больше 50% своей мощности.
Рис. 310. В данном случае с увеличением высоты мы сохраняем земную плотность воздуха на всасывании двигателя до высоты 5500 м и поддерживаем правильное соотношение в смеси воздуха и топлива; это означает, что на всех высотах, иллюстрирующих данный случай, в мотор все время подается воздух так же, как на уровне моря, и вместо потери мощности наблюдается даже некоторое ее повышение. Здесь на помощь приходит нагнетатель, работа которого весьма проста.
Было предложено и испытано несколько типов нагнетателей, но из них лишь два оказались удачными. Нагнетатель первого типа, приводится в действие выхлопными газами мотора. Он состоит из корпуса и турбины, работающий от выхлопных газов. Этот нагнетатель эффективен при больших расчетных высотах (расчетной называется такая высота, до которой нагнетатель в состоянии поддерживать давление во всасывающем трубопроводе равным давлению на уровне моря).
Нагнетатель второго типа работает непосредственно от коленчатого вала мотора. Мощность, необходимая для приведения этого нагнетателя в действие, равна примерно 25-30% дополнительной
мощности, развиваемой мотором благодаря наддуву. Таким образом, если в таком моторе, как Райт «Циклоп», нагнетатель увеличивает мощность на 180л. с., то около 40 л. с. будет затрачено на приведение в действие самого нагнетателя. Эффективная работа нагнетателя зависит от диаметра крыльчатки si и числа обороток. Большое число оборотов вызывает большее напряжение в подшипниках и в самой крыльчатке. Поэтому крыльчатка на моторе «Циклон» имеет несколько больший диаметр и вращается при меньшим числе оборотов, достигая того же результата с большей надежностью в отношении прочности, чем крыльчатка, которая имеет малый диаметр и вращается с большим числом оборотов.
Рис. 311. Принцип работы нагнетателя одинаков с принципом работы обыкновенного вентилятора. Нагнетатель приводится в действие мотором и работает, как насос, засасывая воздух из атмосферы, сжимал его и нагнетая во всасывающий трубопровод мотора. Чем сильнее воздух сжат, тем больше его плотность и, следовательно, вес 1 куб. м.
Рис. 312. Нагнетатель может устанавливаться либо между карбюратором и цилиндром А, либо так, как показано на рис. 312, В.
Рис. 313. На этом рисунке, изображающем часть мотора Райт «Циклон», показана типичная установка нагнетателя между карбюратором и цилиндрами мотора. Воздух входит через приемник А, обтекает жиклеры карбюратора Стромберг и подсасывает из них топливо, необходимое для образования хорошей горючей смеси, .которую нагнетатель (крыльчатка) захватывает и равномерно распределяет по всем цилиндрам через лопаточный диффузор.
Благодаря тому что нагнетатель действует, как насос, он хорошо смешивает частицы распыленного бензина с воздухом. Расход мощности, необходимой для привода нагнетателя, увеличивается с высотой. При одном и том же диаметре крыльчатки неличина наддува изменяется в зависимости от числа оборотов: чем больше число оборотов, тем больше будет наддув, но вместе с тем приходится затрачивать и большую мощность на привод нагнетателя. Чем выше расчетная высота данного мотора, тем больше должна быть нагнетательная способность нагнетателя. Конечно, отсюда нельзя делать вывод, что мотор, оборудованный более мощным нагнетателем, может дать большую мощность на уровне моря. В этом случае мы должны сознательно поддерживать малую мощность, чтобы предотвратить опасность перегрева вследствие (повышения температуры смеси и возникновения детонации в цилиндрах.
Например, рассматривая рис. 315, мы видим, что тяжелый гидросамолет, который требует большей мощности для отрыва от воды и для которого большие высоты не нужны, имеет нагнетатель с медленно вращающейся крыльчаткой, обеспечивающей малую расчетную высоту, но в то же время значительную мощность на уровне моря. Для нагнетателя мотора транспортного самолета обычно берут среднее передаточное число, что увеличивает его расчетную высоту при несколько меньшей взлетной мощности. На моторе «Циклон» увеличена охлаждающая поверхность цилиндров. Ото усовершенствование дает возможность повышать на короткий промежуток времени взлетную мощность. Для истребителя, который должен работать на больших высотах и не требует большой мощности для взлета, применяется нагнетатель с большим передаточным
числом, увеличивающий расчетную высоту по сравнении) с высотами двух случаев, о которых только что говорилось.
Рис. 314. Нагнетатель разрешил проблему поддержания мощности мотора с высотой и дал также возможность увеличить мощность мотора без значительного увеличения его веса. Чем большее количество бензина мотор сжигает в минуту, тем больше будет его мощность и тем больше калорий (единиц тепла) будет превращено в мощность. Для этого нам потребуется смесь более плотного воздуха с большим количеством горючего. Нагнетатель мотора Райт «Циклон» на уровне моря значительно повышает плотность воздуха во впускном трубопроводе по сравнению с плотностью окружающего воздуха.
Как известно, атмосферное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба. Тот же метод применяется для измерения давления воздуха во всплывающем трубопроводе при нагнетании. При давлении во всасывающем трубопроводе в 1067 мм в моторе
Райт «Циклон G» вес каждых 10,61 куб. м воздуха, всасываемого цилиндрами, вместо того чтобы равняться 13 кг, составляет около 18,2 кг, что достаточно для того, чтобы мотор сжигал 630 г бензина или немного больше (с теплотворной способностью в 10000 больших калорий), в результате чего соответственно увеличивается мощность. Таков один из факторов (вторым является винт с регулируемым в полете шагом), благодаря которому мотор дает мощность в 1000 л. с. при 2200 об/мин, на уровне моря. Эта мощность используется в течение короткого периода времени при взлете самолета и затем должна быть уменьшена во избежание перегрева головок цилиндров.
Если во всасывающем трубопроводе давление уменьшится приблизительно до 900 мм ртутного столба, мощность мотора на уровне моря упадет приблизительно до 810 л. с. при 2100 об/мин. При
сохранении этого давлении по всасывающем трубопроводе на расчетной высоте 1 700 м мощность мотора еще повысится приблизительно на 5%. Сверх этой высоты мощность начнет падать.
Рис. 315. Расчетная высота мотора и, следовательно, как выше указано, передаточное число к нагнетателю определяются назначением мотора.
Рис. 316. Манометр указывает давление воздуха во всасывающем трубопроводе.
Когда мы говорим о мощности всякого мотора, следует понимать, что эта мощность измеряется при стандартных атмосферных условиях, т. е._при температуре воздуха 15 С атмосферном давлении 760 мм ртутного столба. При сравнении стандартные атмосферные условия должны использоваться вроде того, как северный полюс используется при определении направления.
I
Например, если мотор развивает 500 л. с. при стандартных атмосферных условиях, то тот /не мотор с той же регулировкой карбюратора будет развивать меньшую мощность, если температура воздуха будет, например, 25° С или атмосферное давление будет меньше. Ото опить не значит, что мы не можем получить 500 л. с. при указанных условиях; потребуется только большее «напряжение», т. е. подача более плотной горючей смеси в цилиндры при некотором открытии дросселя. Независимо от технических данных мотора, вам полезно иметь ясное представление о зависимости между нагнетателем, составом смеси, температурой и плотностью воздуха.
Рис. 318. Динамический гаситель колебаний (демпфер) Райт. Как и всякое упругое тело, коленчатый вал мотора обладает склонностью вибрировать. Представим себе вал со всеми укрепленными на нем деталями, вложенный в подшипниках и крепко зажатый носком в неподвижной опоре. Приложим к шатунной шейке коленчатого вала нагрузку, перпендикулярную плоскости колена, которая вызовет закрутку вала. Если мгновенно удалить, нагрузку, то вал под влиянием сил упругости начнет вибрировать вокруг собственной оси. Эти вибрации называются крутильными колебаниями, а частота, с которой вал колеблется, будучи предоставлен самому себе, называется частотой собственных (или свободных) колебаний. Частота собственных колебаний вала зависит от упругости материала, конфигурации вала и массы связанных с ним деталей.
Во время работы мотора колено вала вследствие неравномерности крутящего момента испытывает толчки, которые смещают колено относительно носка, соединенного с тяжелым воздушным винтом, обладающим значительной инерцией, закручивают вал и вызывают в нем напряжения, пропорциональные углу закрутки.
Напряжения эти в обычных условиях невелики, но резко возрастают в тот момент, когда частота толчков (зависящая от числа
оборотов коленчатого вала) совпадает с частотой собственных колебаний вала или делается кратной ей. Вал в этом случае, как говорят, «попадает в резонанс». Сравнительно несильные удары, падая на колено вала в периоды, точно соответствующие периоду его крутильных колебаний, усиливают эти колебания и легко могут вызвать поломку вала. Числа оборотов, на которых происходят эти явления, называются критическими.
Как известно, кривошипы коленчатого вала снабжаются контргрузами (противовесами) со стороны, противоположной шатунной шейке. Наличие противовесов ухудшает условия работы колена при крутильных колебаниях.
Представим себе доску с грузом, положенную на край стола (рис. 319). Если нанести по выступающему концу доски сильный удар, то доска сломается, прежде чем. успеет подняться противоположный конец с грузом. Однако можно укрепить противовес таким образом, что он не только не будет ухудшать условия работы колена, но будет противодействовать крутильным колебаниям коленчатого вала. В последней конструкции двигателя Райт противовес подвешен к щеке коленчатого вала на роликах так, что [он может, подобно маятнику, в известных пределах качаться относительно щеки.
Положим, что к шейке вращающегося по часовой стрелке коленчатого вала прикладывается нагрузка, заставляющая колено сместиться по часовой стрелке. Противовес в этот момент откачнется, в силу инерции, в противоположную сторону, т. е. против часовой стрелки. При этом центробежная сила, развиваемая противовесом при вращении, будет противодействовать дальнейшему смещению колена; чем больше будет смещение, тем больше будет сила, возвращающая колено в исходное положение. Таким
109
образом свободно подвешенный противовес гасит колебания вала и предупреждает возникновение высоких напряжений в нем. Его называют динамическим гасителем (демпфером) колебаний коленчатого вала. Динамический гаситель повышает плавность хода мотора и предупреждает поломки коленчатого вала от крутильных колебаний. Цилиндры авиамоторов всегда изготовлялись на стали, по вначале слишком мало внимания обращали на степень ее твердости. В результате цилиндры подвергались значительному износу. Было установлено, что долговечность мотора может быть увеличена и его работа в воздухе будет безопаснее, если стенкам цилиндра придать твердость, превышающую твердость обыкновенной стали. Рабочие поверхности цилиндров мотора Райт, так же как некоторые его детали, обработаны так называемым процессом нитрации. Этот процесс состоит в том, что цилиндры, шестерни и другие детали подвергаются действию аммиака в печи при температуре 540° С в течение 50 часов (10 часов из этого времени используются для постепенного охлаждения частей цилиндра). Поверхности, для которых слишком значительная твердость нежелательна, покрываются перед этой обработкой защитным слоем олова. Нитрированная поверхность становится на 300-400% тверже, чем она была в первоначальном состоянии (рис. 321). Тщательность обработки деталей имеет важное значение для надежности авиационного мотора. Закругление краев фасонных деталей и шлифование нарезок придает им большую прочность. Рис. 322. Все части, входящие в конструкцию авиационного мотора, должны быть самым тщательным образом осмотрены. Так как невооруженным глазом невозможно увидеть все дефекты, особенно в стальных частях, то приходится прибегать к способу электромагнитного исследования. Деталь, подлежащая осмотру, намагничивается в течение 0,5 секунды, как показано в /, затем погружается в ванну //, наполненную реактивами, перечисленными на рисунке. Частицы окиси железа скапливаются около дефектов, отчетливо обрисовывая их контур (А). Затем осматриваемая деталь промывается в ванне /// и размагничивается /V.
Сведения о горючем. Мощность авиационного мотора без нагнетателя при подъеме уменьшается со скоростью, превышающей скорость уменьшения плотности воздуха. Количество горючего, расходуемого мотором на каждую лошадиную силу в 1 час, называется удельным расходом горючего. Мотор с нагнетателем развивает одну и ту же мощность на уровне моря и на расчетной высоте; однако на последней он расходует горючего меньше. Удельный расход горючего увеличивается с увеличением мощности мотора, независимо от высоты.
Рис. 323. Па этом рисунке наглядно показан приближенный расход горючего в зависимости от мощности мотора и высоты полета.
Рис. 324. Для того чтобы уяснить себе способность мотора с нагнетателем поддерживать мощность на более значительных высотах, посмотрите на рисунок. Предположим, что данному самолету требуется мощность в 275 л. с., чтобы лететь на уровне моря со скоростью 240 км/час. Для полета с той же скоростью, но на большей высоте, требуется меньшая мощность. Ото значит, что при той же мощности мотора скорость самолета на больших высотах увеличивается. Почти на всех высотах ниже расчетной увеличение скорости полета влечет за собой еще более значительное увеличение расхода горючего. Так, например, увеличение, скорости полета на 30% (при сохранении всех прочих равных условий) вызовет, по крайней мере, 100%-ное увеличение расхода горючего.
Для каждого данного числа оборотов коленчатого вала и на каждой данной высоте мощность мотора уменьшается примерно
171
пропорционально уменьшению давления во всасывающем трубопроводе, С другой стороны, с увеличением высоты при моторе, работающем с тем же числом оборотов в минуту и с тем же давлением во всасывающем трубопроводе, мощность мотора увеличивается вследствие уменьшения противодавлении при выпуске отработанных газов. Эти условия остаются в силе до расчетной высоты данного мотора.
Наибольший километраж на литр горючего для данного мотора определяется на его расчетной высоте при полете со средней скоростью. Средняя скорость определяется типом самолета.
В противоположность обычному мнению, скорость в полете есть синоним безопасности.
