Авиадвигатели. Новые горизонты.

Наш коллектив занимается разработкой новых летательных аппаратов с 2007 года. Каждый новый проект авиадвигатели предъявлял к силовой установке новые и все более сложные требования, чтобы добиться исключительных характеристик создаваемой авиатехники.

В итоге у нас сформировалась уверенность в том, что выполнение поставленных задач может быть осуществлено только в случае создания собственной лаборатории авиадвигателей.

Необходимость в ней возникла уже на первых этапах проектирования летательных аппаратов. Ведь даже приобретенный у сторонней компании двигатель нуждается в подтверждении своих характеристик, настройке и обкатке.

Тем более что для проектирования нового летательного аппарата порой необходимо знать дополнительные характеристики, которые не всегда указаны в паспорте даже сертифицированного двигателя.

Подтверждение и снятие дроссельных характеристик Lycoming 10-390, а также его переориентация в вертикальное положение и стало первой задачей лаборатории.

А необходимость перевода двигателя на автомобильный бензин из-за высокой стоимости, большого количества вредных выбросов и малой доступности авиационного топлива стала следующей задачей и самым важным этапом создания силовой установки вертолета Scout.

Современное оснащение и возможности лаборатории

Лаборатория авиационных двигателей находится в новом корпусе компании «Горизонт 12» в отдельном помещении, специально разделенном на две части для повышения безопасности испытаний.

Она состоит из рабочих зон: измерительной, сборочной, конструкторской, операторской, испытательной, слесарной и складской. Все зоны оснащены специальным оборудованием.

Авиадвигатели

Операторская и испытательная зоны разделены между собой противопожарной шумоизолированной стеной с бронированным окном и дверями. Лаборатория оснащена испытательным стендом компании Taylor Dynamometer с гидротормозом DH22 максимальной мощностью 550 л.с. при 5500 об/мин. и программным обеспечением DynPro.

Новое оборудование и современные программы DynPro позволили автоматизировать процесс типовых испытаний, имитировать реальные эксплуатационные режимы с изменением нагрузки, а также обкатывать двигатели.

Все данные с датчиков температуры, давления, влажности, тензодатчика крутящего момента, датчика частоты и расходомера топлива сводятся в Sensor Box, откуда преобразованный сигнал подается в компьютер, расположенный в операторской зоне.

В свою очередь с помощью компьютера осуществляется управление дроссельной заслонкой двигателя и электропневмоклапаном гидротормоза. При испытаниях обязательно используется дополнительное оборудование, такое как пятикомпонентный газоанализатор с лямбда-зондом для контроля вредных выбросов и состава топливовоздушной смеси, а также электронный осциллограф для регистрации жесткости процесса сгорания и детонации.

Испытательный стенд также оснащен пусковым электродвигателем мощностью 4 кВт, вентилятором обдува масляного поддона и воздушным компрессором для работы пневмооборудования.

В испытательной зоне расположены автоматизированная система оборотного водоснабжения с многостадийной фильтрацией воды, которая питает гидротормоз, а также теплообменники для охлаждения масла и топлива.

В этой зоне организованы также приточно-вытяжная система для вентиляции помещения и турбинный энергосберегающий вентилятор высокой производительности, подающий наружный воздух для охлаждения двигателя.

Отдельного внимания заслуживает система отвода отработавших газов, расположенная снаружи здания и отбирающая газы из специальной ямы, в которую они попадают от двигателя на стенде по трубопроводу, вмонтированному в стену здания. Все эти сложные системы были специально спроектированы для выполнения поставленных задач.

Авиадвигатели в лаборатории

В лаборатории можно не только испытывать двигатели, но и проводить исследовательские и доводочные работы как двигателя в целом, так и его отдельных агрегатов и деталей.

Возможности лаборатории позволяют снимать различные скоростные, нагрузочные, дроссельные и прочие характеристики двигателя. Здесь можно также оптимизировать рабочий процесс, повышая мощность и экономичность двигателя, создавать эффективные системы впуска и выпуска, а также глушители шума, обеспечивающие минимальное сопротивление потоку.

Новая лаборатория позволяет проектировать нестандартные топливные и масляные системы, осуществлять установку и настройку электронной системы управления двигателем. Возможна также настройка систем двигателя, а также обслуживание, ремонт и балансировка вращающихся деталей поршневых авиадвигателей.

В оснащение нашей лабораторной базы входит и такое вспомогательное оборудование, как дифференциальный манометр, зарядная станция, устройство для проверки свечей зажигания под давлением. Пескоструйный аппарат для очистки свечей зажигания, компрессометры, устройство для проверки и очистки электромагнитных форсунок, стробоскоп, электронный осциллограф, преобразователи и адаптеры для соединения блоков управления с компьютером.

В свою очередь, в сборочной и измерительной зоне расположена стойка для сборки и обслуживания двигателя. Здесь применяется специальный инструмент для работы с авиадвигателями, ручной пресс, балансировочный станок, весовые устройства, высокоточный измерительный инструмент, электроизмерительные приборы.

Конечно же, для выполнения слесарных работ в соответствующей зоне, кроме ручного и слесарного инструмента, тисков и заточного станка, установлены сверлильный и небольшой токарный станки.

Лаборатория также занимается проведением металлографического контроля выпускаемой продукции с целью определения ее соответствия действующим международным и отечественным стандартам. В лаборатории проводят контрольные макро- и микроструктурные анализы заготовок и готовых деталей.

Авиадвигатели

Оборудование для металлографического анализа включает в себя измерение твердости методом Роквелла и Бринелля, все этапы подготовки микро- и макрошлифа, термообработка исследуемого металла, исследование материала на металлографическом микроскопе с максимальным увеличением 1600 раз.

Мы наладили взаимодействие с различными предприятиями и научно-исследовательскими институтами, что позволяет нам наносить износостойкое корундовое покрытие на алюминиевые детали двигателя.

Разрабатывать и производить как уникальные, так и стандартные датчики температуры, давления и уровня, разрабатывать и изготавливать на специальном оборудовании впускные и выпускные системы, алюминиевые и композитные баки, выполнять масло- и топливопроводы необходимой конфигурации, используя зарубежную арматуру.

Опыт исследований и испытаний Авиадвигатели

В лаборатории уже проведены работы по переориентации двигателя из горизонтальной плоскости в вертикальную на вертолете Scout. Мы столкнулись с рядом проблем. Во-первых, система смазки с мокрым картером не рассчитана на работу двигателя в вертикальном положении, во-вторых, необходимо было изменить систему впуска и охлаждения.

Приемлемым оказался переход на систему смазки с «сухим» картером. В этом случае все масло стекает не в картер двигателя, а в масляный бак. Такое решение позволило снизить рабочую температуру масла и применить компактный масляный радиатор.

Из двигателя в масляный бак масло сливается по четырем магистралям — с задней и клапанных крышек. В дальнейшем мы планируем установить оребренные клапанные крышки для лучшего отвода тепла и уменьшения вибраций цилиндров.

Модернизации подвергся и впускной ресивер. В базовом варианте он объединен с масляным поддоном. Благодаря модернизации уменьшилась высота двигателя, удалось снизить массу системы впуска. Система охлаждения — принудительная от осевого вентилятора, установленного на маховике. Система суфлирования двигателя и бака объединена с маслозаливной горловиной, а забор масла осуществлен через специальную заборную арматуру.
В лаборатории был проведен ряд стендовых испытаний двигателя в горизонтальном положении, по результатам которых были внесены необходимые изменения в конструкцию двигателя. В свою очередь, для достижения наилучших пусковых качеств двигателя применена система запуска 12/24 В, которая широко распространена в военной технике.

Это решение вместе заменой механического насоса дублированными электробензонасосами, свечами зажигания с иридиевой напайкой, организацией питания блока управления от аккумуляторной батареи. Также тонкой настройкой режима запуска, позволило добиться комфортных пусковых качеств двигателя даже при чрезмерно разряженных аккумуляторах и отрицательных температурах окружающей среды.

Все конструктивные решения протестированы на двигателе 10-390, который был установлен на специально спроектированный вертикальный стенд с воздушным винтом изменяемого шага и дистанционным управлением.

Авиадвигатели на стенде

Этот стенд со специальной защитой позволил нам решить целый ряд эксплуатационных проблем с системой смазки и электрической системой 12/24 В, что дало возможность сократить объем испытаний двигателя в составе вертолета.

В свою очередь требования,предъявляемые к эксплуатационным характеристикам вертолета Scout по мощности, высотности, загрязнению окружающей среды и неприхотливости к топливу подтолкнули нас к выполнению второго этапа работ по переводу двигателя на широко распространенный автомобильный бензин.

Дело в том, что рекомендуемый авиационный бензин для большинства поршневых авиадвигателей этилированный, а его стоимость превосходит автомобильный бензин практически в два раза при гораздо меньшей доступности на территории Украины.

При переводе авиадвигателя на автомобильный бензин даже самого высокого качества возникают следующие препятствия:

• повышенная испаряемость автомобильных бензинов;
• падение октанового числа бензина при его длительном хранении;
• необходимость использования более низких степеней сжатия в камерах сгорания;
• необходимость применения менее оптимального угла опережения зажигания;
• ограничение эксплуатации авиадвигателя в жарких климатических условиях;
• более интенсивное загрязнение элементов камеры сгорания и свечей зажигания;
• снижение максимальной мощности и повышение расхода топлива.

Преодоление этих препятствий оказалось возможным благодаря испытаниям в нашей лаборатории. Была поставлена задача перехода на автомобильный бензин марки АИ95 или АИ95+ при сохранении максимальной мощности двигателя на уровне 210 л.с. И обеспечения возможности его длительной работы на режимах максимальной мощности без перегревов и повреждения поршневой группы,клапанов и свечей зажигания.

Из-за переделки целого ряда узлов двигателя, во-первых, под вертикальную установку двигателя в вертолете, а, во-вторых, из-за мер, направленных на перевод двигателя на автомобильный бензин. Нам проще собирать двигатель из КИТ-набора, комплектацию которого мы сами определяем.

Главная

Авиадвигатели ЮХ-370

Выбор был остановлен на двигателе ЮХ-370 компании ECI TITAN мощностью 195 л.с. при 2700 об/мин и степени сжатия 9.0:1 по целому ряду причин:

• меньший диаметр цилиндра (130 мм против 135 мм) при увеличенном ходе поршня 114,3 мм против 111 мм;
• возможность установки поршней, которые обеспечивают более низкую степень сжатия: 8,0 :1 против 8,9 :1 у двигателя 10-390;
• отсутствие лишних приливов на картере под установку механического гувернера;
• меньшая на 12 кг масса двигателя при одинаковой комплектации с 10-390.

Из-за необходимости форсирования максимальной мощности до 210 л.с. нового двигателя ЮХ-370 был принят целый ряд кардинальных мер по доводке двигателя. Таких, как установка механического нагнетателя и создание комплексной дублированной электронной системы управления двигателем.

Преимуществами механического нагнетателя перед турбокомпрессором являются отсутствие турбопаузы, опасных режимов помпажа, более низких температур в конце такта сжатия и, как следствие, невысокие требования к октановому числу бензина.

В свою очередь, механический нагнетатель отбирает часть мощности двигателя на свой привод, его масса больше, а производительность ограничена частотой вращения. Однако, снизив степень сжатия до 7,3:1 и повысив давление наддува до 0,4 бара, мы получили возможность обеспечить максимальную мощность двигателя на уровне 210 л.с. на автомобильном бензине АИ95+.

Мы применили компактный высокоэффективный механический нагнетатель компании OGURA с тефлоновым покрытием роторов. Привод нагнетателя осуществлен двусторонним зубчатым ремнем от коленчатого вала двигателя.

Для его крепления к двигателю разработан специальный кронштейн, который объединен с масляным поддоном нагнетателя. Глушитель шума впуска набран из пластин с прорезями специальной формы, а воздух, сбрасываемый регулятором давления, возвращается на впуск нагнетателя.

Авиадвигатели и шум

При этом дроссельный узел был установлен на стороне давления, а механический регулятор давления поддерживает постоянное давление воздуха. Перед дроссельным узлом вплоть до высоты 2500 м, тем самым обеспечивая двигателю высотность.

В результате форсирования двигателя наддувом с одновременным понижением степени сжатия существенно возросла тепловая нагрузка на детали двигателя. По этой причине в картер двигателя были установлены масляные форсунки для охлаждения днища поршня, а головка поршня и кольцевой пояс покрыты специальным корундовым покрытием. Которое выступает в качестве теплового барьера, снижая температуру всего поршня.

Клапанные крышки заменены сдвоенными с дополнительным оребрением и каналом для перелива масла в вертикальном положении двигателя. А маслорадиатор мы поменяли на большую модель.
Снизить степень сжатия двигателя ниже 8,0:1 оказалось возможным за счет установки предкамер в головку цилиндров.

Такое решение позволило снизить тепловую нагрузку на свечи зажигания. И несколько понизить требования к октановому числу бензина. За счет объемного воспламенения топливовоздушной смеси в основной камере сгорания.

Для эффективной работы двигателя с наддувом на различных режимах и независимо от погодных условий и высоты была создана комплексная дублированная электронная система управления двигателем. Система FADEC.

Необходимо отметить, что в основном такие системы ориентированы на «большую» авиацию. Поэтому после длительного поиска было принято решение разработать свою дублированную систему управления двигателем. На базе ECU SRA-E итальянской компании Magneti Marelli Motorsport.

Этот блок позволил реализовать систему распределенного впрыска топлива, систему зажигания с двумя свечами на цилиндр. Исключил появление детонационного сгорания топливовоздушной смеси благодаря обратной связи по датчикам детонации, лямбда-зонду, температуре головок цилиндров и воздуха на впуске.