close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

К вопросу оценки летной годности двигателей сверхлегких воздушных судов..pdf

код для вставкиСкачать
2005
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
№ 85
серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов
УДК 656.7.079.66
К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ ЛЕТНОЙ ГОДНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ
СВЕРХЛЕГКИХ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
И.В. НИКИТИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
В статье дан анализ основных характеристик и опыта эксплуатации двигателей, используемых для сверхлегких воздушных судов
Требования к двигателям для СВС
К моторным сверхлегким воздушным судам относятся сверхлегкие летательные аппараты с
массой конструкции, не превышающей 495 кг и минимальной скоростью полета не более
65 км/ч. В настоящее время для СВС не установлены какие-либо международные стандарты и
требования. Деятельность в области сверхлегкой авиации регулируется национальными нормами. Двигатель СВС является важнейшим его агрегатом, прямо влияющим на безопасность полетов, однако до настоящего времени ни в одной стране мира нет отдельных требований для
двигателей СВС и не требуется их сертификация до установки на летательный аппарат (ЛА).
Если двигатель не имеет сертификата типа, то он сертифицируется в составе СВС. При этом
требования к двигателю и силовой установке устанавливаются отдельным разделом национальных требований к летной годности СВС.
Наиболее полно требования к летной годности СВС определены в национальных нормах
Великобритании, ФРГ и Франции.
В Британских требованиях к летной годности сверхлегких летательных аппаратов BCAR
Section S и европейских требованиях к очень легким самолетам IAR VLA (взлетная масса до
750 кг) значительное место уделено требованиям к составляющим и системам силовой установки, но требований к самому двигателю нет, соответствующий раздел только зарезервирован.
Наиболее полно требования к двигателю изложены в требованиях немецкого союза сверхлегкой
авиации DULV, действующих в ФРГ.
Основные из этих требований сводятся к следующим:
- двигатель должен работать на номинальной мощности долговечно и без колебания
числа оборотов. При этом не должны наблюдаться явления: снижения мощности, перегрева и
перегрузки.
- должно быть продемонстрировано доказательство усталостной прочности двигателя не
менее 100 часов работы при получении допуска образца (сертификата типа) или не менее 50 часов работы при получении допуска для единичного экземпляра.
С учетом этих требований, можно определять годность двигателя для использования на
единичном экземпляре СВС, исходя из его наработки на отказ не менее 50 часов.
Краткий обзор двигателей СВС и их основных характеристик
В отечественной практике для СВС на начальном периоде использовались преимущественно двухтактные двигатели, изготовленные на базе выпускаемых промышленностью мотоциклетных и лодочных моторов, а также моторов для снегоходов. Положительными качествами
двухтактных двигателей являются их простота и небольшая масса. Эти факторы, в конечном
итоге, и предопределили приоритет применения двухактных двигателей для СВС. Так в люби-
И.В. Никитин
144
тельском авиастроении в СССР и России в 80-х и начале 90-х годов использовались лодочные
двигатели «Привет-22», «Нептун-23», «Вихрь-25», «Вихрь-30», мотоциклетные: Иж-ПС,
«Ява». Наибольшую популярность имел мотор от снегохода «Буран» РМЗ-640.
Однако уже в конце 80-х, начале 90-х годов у изготовителей легких поршневых двигателей
наблюдается тенденция к созданию специализированных двигателей для сверхлегких ВС. Ведущими изготовителями двигателей для СЛА в настоящее время являются: компания BRPRotax GmbH & Co. KG - Австрия и фирма Göbler-Hirth Motoren KG – ФРГ. Компанией BRPRotax GmbH & Co. KG выпускается ежегодно около 9500 двигателей для СВС и фирмой
Göbler-Hirth Motoren KG – ФРГ около 1000 двигателей для СВС. Существует еще несколько
изготовителей, выпускающих специализированные двигатели для СВС, в их числе итальянские
фирмы Simonini и Zanzotera, японская HKS, и некоторые другие, но их общий объем выпуска
двигателей не превышает 15 % от объема компании BRP-Rotax GmbH & Co. KG.
В табл. 1 представлены основные характеристики моторов компании BRP-Rotax GmbH
& Co. KG, а в табл. 2 моторов фирмы Göbler-Hirth Motoren KG, наиболее часто, используемых на СВС.
Таблица 1
Рабочий объем, см3
Мощность,
кВт
Мощность,
л.с.
Обороты,
об/мин
Крутящий
момент, Нм
Обороты,
об/мин
64
56.6
55.0
30.9
29.1
29.1
31.4
31.4
26.8
26.8
боксер
боксер
боксер
рядный
рядный
рядный
рядный
рядный
рядный
рядный
1211
1352
1211
617
580.7
580.7
496.7
496.7
436.5
436.5
84.5
73.5
59.6
48
40
48
34
37
29.5
31
115
100
81
73.8
53.6
65.0
45.6
49.6
39.6
41.6
5800
5800
5800
6750
6000
6500
6500
6500
6500
6500
144
128
103
75
68
75
51
56
46
47
4900
5100
4800
6000
5500
6000
5900
6000
6000
6000
Охлаждение
Компоновка
4
4
4
2
2
2
2
2
2
2
Масса, кг
Rotax 914 UL
Rotax 912 ULS
Rotax 912 UL
Rotax 618 UL
Rotax 582 UL-1V
Rotax 582 UL-2V
Rotax 503 UL-1V
Rotax 503 UL-2V
Rotax 447 UL-1V
Rotax 447 UL-2V
Число
цилиндров
Двигатель
Основные характеристики некоторых двигателей для СВС,
выпускаемых компанией BRP-Rotax GmbH & Co. KG
СО
СО
СО
ВО
ВО
ВО
ЖО
ЖО
ЖО
ЖО
Обозначения:
―
СО – смешанное охлаждение воздушным потоком и охлаждающей жидкостью;
―
ВВ – принудительное воздушное охлаждение вентилятором;
―
ЖО – охлаждение охлаждающей жидкостью.
Зарубежные двигатели начали использоваться на СВС Российского производства с начала
90-х годов. По экспертным оценкам в России находилось и находится в эксплуатации около
1500 моторов выпущенных компанией BRP-Rotax GmbH & Co. KG, около 350 моторов, выпущенных фирмой Göbler-Hirth Motoren KG – ФРГ и примерно 300 моторов других изготовителей. В последнее время достаточно часто практикуется установка автомобильных двигателей,
бывших в употреблении. Однако автомобильные моторы имеют существенный недостаток, заключающийся в большом весе.
К вопросу оценки летной годности двигателей…
145
Таблица 2
боксер
боксер
боксер
рядный
рядный
рядный
рядный
рядный
рядный
рядный
рядный
рядный
рядный
боксер
боксер
боксер
боксер
боксер
рядный
рядный
210
312
312
312
512
521
521
521
521
521
625
625
625
625
625
625
625
1042
1042
1042
1042
1042
939
939
6000
6000
6200
6000
6500
6500
6500
5500
6500
6200
5500
5500
6300
6300
6400
6500
6500
5500
6200
6000
6500
6500
4350
6000
17,7
31,1
29,3
32,3
50
49,5
50
57
60
66
71,6
71,6
74,2
74,2
67,0
77,3
77,3
103
120
110
116
116
125
120
5500
4800
3500
5800
6000
6000
6000
4500
5700
5600
5000
5000
6000
6000
6000
6000
6000
5000
5700
5000
5500
5500
4500
5500
Охлаждение
Обороты,
об/мин
14,9
24,6
24,6
28
45
45
45
40
52
55
55
55
65
65
65
70
70
80
92
83
102
102
80
100
Крутящий
момент, Нм
11
18,1
18,1
20,6
33,1
33,1
33,1
29,4
38,2
40,4
40,4
40,4
47,8
47,8
47,8
51.5
51.5
59
77
68
75
75
59
74
Обороты,
об/мин
Рабочий
объем, см3
Компоновка
Масса, кг
9,4
12,7
13
13
24
24
24
31
31
31
31
31
31
31
31
36
36
42
42
42
42
42
45
45
Мощность,
л.с.
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
4
4
4
4
4
3
3
Мощность,
кВт
F 36 A
F 33 A
F 33 E
F 33 B S
F 23 AS
F 23 BS
F 23 ES
2702 V
2703 V
2703 V-2
3202 V
3202 E
3203 V
3203 E
H 32
3503 V
3503 E
F 30 K
F 30 U
F 30 E
F 30 ES
H 30
3701 E
3701 ES
Число цилиндров
Двигатель
Основные характеристики некоторых двигателей для СВС,
выпускаемых фирмой Göbler-Hirth Motoren KG
ВП
ВП
ВП
ВП
ВП
ВП
ВП
ВВ
ВВ
ВВ
ВВ
ВВ
ВВ
ВВ
ВВ
ЖО
ЖО
ВВ
ВВ
ВВ
ВВ
ВВ
ЖО
ЖО
Обозначения: Е – двигатель с непосредственным впрыском; V – карбюраторная версия;
ВП – непосредственное охлаждение воздушным потоком; ВВ – принудительное воздушное
охлаждение вентилятором; ЖО – охлаждение охлаждающей жидкостью; Н – версия для вертолета.
Как правило, в качестве основной характеристики двигателей изготовителями приводится
одна из их внешних характеристик - зависимость мощности от оборотов при полностью открытой дроссельной заслонке. На рис. 1 представлены для сравнения внешние характеристики некоторых из указанных выше двигателей
И.В. Никитин
146
Сравнение внешних характеристик двигателей
100
Rota x 912S
Rota x 912
90
Rota x 582
Rota x 503
80
HIRTH 3701ES
HIRTH 3701E
HIRTH 3203E
Мощность (л.с.)
70
HIRTH 2703
60
50
40
30
20
10
0
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
Обороты (об/мин)
Рис. 1. Сравнение внешних характеристик двигателей,
наиболее часто используемых на СВС
Характерные отказы и неисправности двигателей СВС
Отказы кривошипно-шатунного механизма
Характерным отказом для двигателя Rotax – 582 является разрушение нижнего шатунного
подшипника. Несколько реже этот отказ проявляется на модели Rotax – 503 [ 1 ]. Разрушение
подшипника, как правило, начинается с питтинга иголок (точечное отслаивание
и выкрашивание твердых частиц поверхности от мягкой основы из-за контактной усталости
подшипника, или перегрева подшипника). Осколки иголок вызывают подклинивание подшипника, что приводит к его перегреву. Перегрев подшипника вызывает оплавление сепаратора и
упорных шайб. При дальнейшей работе двигателя происходит повышенный износ и разрушение подшипника. Продукты разрушения (частицы иголок, кусочки сепаратора и упорных шайб)
вымываются в кривошипную камеру и через перепускные окна попадают в камеру сгорания.
Эти частицы образуют на головке цилиндра и днище поршня глубокие забоины. Верхнее компрессионное кольцо из-за деформации днища поршня заклинивает. Частицы, попавшие между
поршнем и цилиндром, вызывают глубокие задиры на юбке поршня и гильзе цилиндра. Это
приводит к значительному снижению мощности, но двигатель остается работоспособным. Из-за
повышенного люфта подшипника при движении поршня в нижнюю мертвую точку шатун начинает ударяться нижней головкой о картер. Дальнейшая работа двигателя приводит, как правило, к разрушению картера (рис. 2 а). Головка шатуна сначала растягивается, а потом рвется
(рис. 2 б).
Подобный отказ имел место также и у аналогичных модельных рядов двигателей фирмы
Göbler-Hirth Motoren KG. Однако в 1998 году фирма несколько изменила конструкцию коленчатого вала и заменила модель подшипника, после чего сведения о подобных отказах с двигателями этой фирмы перестали появляться.
К вопросу оценки летной годности двигателей…
147
а
б
Рис.2. Разрушение картера а) и шатуна б) вследствие разрушения нижнего шатунного
подшипника двигателя Rotax – 582
Тем не менее, для кривошипно-шатунного механизма двигателей фирмы Göbler-Hirth
Motoren KG, характерен другой отказ – разрушение хвостовика и шейки коленчатого вала
(рис. 3) по причине производственных дефектов. Проведенный анализ подобных отказов на выборке из 56 моторов показал, что наибольшая интенсивность отказов проявляется на начальной
стадии при наработке до 100 часов. В дальнейшем их математическое ожидание стремится к
постоянной величине, равной 0.15.
а
б
Рис. 3. Разрушение шейки коленчатого вала двигателя Hirth F 30 а) и хвостовика коленчатого вала двигателя Hirth 3203 б)
На основании этого была выдвинута гипотеза о производственном характере дефекта и установлено, что основная причина разрушений заключается в появлении микротрещин в заготовках шейки и хвостовика при незначительных нарушениях температурного режима ковки.
После этого на фирме был введен входной контроль заготовок, в результате которого стало
браковаться до 20 % заготовок, и появилась надежда, что причины этого отказа удалось ликвидировать.
Отказы цилиндро-поршневой группы
Для деталей цилиндро-поршневой группы двигателей СВС характерны следующие эксплуатационные дефекты:
- износ и разрушение поверхностей верхней кольцевой канавки, кольца и его перемычки;
И.В. Никитин
148
- оплавление и прогар днища поршня;
- интенсивное отложение нагара на элементах головки поршня (рис. 4 б);
- потеря подвижности колец;
- наволакивание металла и задиры на элементах цилиндро-поршневой группы;
- износ торцевых поверхностей колец и боковых поверхностей юбки;
- разрушение юбки поршня;
- образование трещин в бобышках поршня.
Отказы цилиндро-поршневой группы по своей частоте занимают первое место. Оплавление
и прогар поршня (рис. 4 а) является характерным отказом для моторов Rotax – 582, и Rotax –
503. У моторов фирмы Göbler-Hirth Motoren KG подобный отказ не наблюдался, это достигается за счет использования при изготовлении поршня специального сплава. Хотя отказы этой
группы и являются наиболее частыми, они не характеризуют непосредственно надежность двигателей, так как основная их причины заключается в нарушении эксплуатационных ограничений и условий эксплуатации двигателей.
а
б
Рис. 4. Оплавление и прогар поршня а), наволакивание металла и задиры на поршне б).
Отказы топливной системы
Отказы топливной системы чаще всего связаны с обеднением или обогащением топливовоздушной смеси и имеют следующие причины:
- нарушение регулировки карбюратора (одной или нескольких систем);
- повышенное давление топлива;
- «тяжелый» или «легкий» воздушный винт;
- подсос воздуха в топливную систему или впускной патрубок;
- снижение производительности насоса;
- засорение элементов топливной системы.
Эти отказы редко связаны непосредственно с конструктивно-производственными недостатками двигателей. Их причинами могут быть ошибки при проектировании СВС и его силовой
установки, а также не соблюдение рекомендаций по эксплуатации двигателя.
Отказы системы зажигания
Наиболее распространенная неисправность системы зажигания — пропуски воспламенения. Учитывая зависимость высоковольтного напряжения от оборотов и напряжения пробоя
от зазора между электродами, основными причинами этого может быть:
К вопросу оценки летной годности двигателей…
149
увеличенный зазор между электродами,
утечка высоковольтного тока (пробои высоковольтной части системы зажигания, отложения и нагар на свечах, повреждения изолятора),
недостаточное напряжение (отказ генератора, датчика, электронного блока).
Сравнительный анализ надежности наиболее часто используемых двигателей СВС
Одной из основных количественных характеристик надежности двигателей СВС является
среднее время безотказной работы. На рис.5. приведены данные о среднем времени безотказной работы двигателей, наиболее часто используемых на СВС. Данные получены на основе
анализа опыта эксплуатации 170 двигателей фирмы Göbler-Hirth Motoren KG и экспертных оценок. Анализ приведенных данных показывает, что наиболее высокую надежность имеют четырехтактные двигатели модельного ряда Rotax – 914, Rotax – 912. Среди двухтактных двигателей
наибольшую наработку на отказ имеет двигатель Rotax – 503. Это объясняется тем, что двигатель Rotax – 503 эксплуатируется дольше всех остальных двухтактных двигателей и имеет наиболее доведенную конструкцию и системы. Двигатели фирмы Göbler-Hirth Motoren KG уступают по среднему времени безотказной работы двигателям компании BRP-Rotax GmbH & Co.
KG. Причина этого кроется прежде всего в том, что фирма Göbler-Hirth Motoren KG интенсивно обновляет модельный ряд своих двигателей и внедряет много конструктивных новшеств,
что естественно приводит к появлению новых отказов по конструктивно-производственным
причинам.
500
Т (час)
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Rota x
912
Rota x
503
Rota x
582
HIRTH
3701
HIRTH
3501
HIRTH
3203
HIRTH
2703
HIRTH
F33
HIRTH
F30
Рис.5. Сравнение среднего времени безотказной работы двигателей наиболее часто
используемых на СВС
Со временем причины этих отказов устраняются, но на общую картину надежности двигателей они оказывают существенное влияние. Наиболее низкий уровень надежности отмечается
у четырехцилиндрового двигателя F 30. Этот двигатель имеет наработку на отказ около 50 часов.
И.В. Никитин
150
Выводы
1. На основе анализа опыта эксплуатации можно оценить положительно летную годность
двигателей, характеристики которых представлены в табл. 1 и 2 и считать их годными для использования на СВС.
2. Учитывая, что двигатели СВС имеют невысокую надежность, целесообразно ввести в
эксплуатационные ограничения ограничение в выборе маршрута и высоты полета, обеспечивающих безопасное выполнение вынужденной посадки в случае отказа двигателя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петров Д.Н. Rotax-2002// Авиация общего назначения. - Харьков, №2, 2002.
2. Никитин И.В., Корниюк П.В., Бушанский Н.А. "HIRTH" – Пять лет в России// Авиация общего назначения. - Харьков, №3, 1999.
3. Никитин И.В., Корниюк П.В., Бушанский Н.А. "HIRTH" – Пять лет в России// Авиация общего назначения. - Харьков, №2, 2000.
TO A QUESTION OF AN ESTIMATION OF THE VALIDITY TO FLIGHTS OF ENGINES OF ULTRALIGHT AIR COURTS
Nikitin I.V.
In article the analysis of the basic characteristics and operating experience of the engines used for ultralight air courts
is given
Сведения об авторе
Никитин Игорь Валентинович, 1953 г.р., окончил МИИГА (1979), кандидат технических наук,
ведущий научный сотрудник МГТУ ГА, автор свыше 80 научных работ, область научных интересов проектирование и конструкция, аэродинамика и динамика полета, методы испытаний, эксплуатация и
практическое применение сверхлегких воздушных судов.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
21
Размер файла
907 Кб
Теги
судов, оценки, воздушных, вопрос, двигателей, pdf, сверхлегких, летной, годности
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа