Война моторов. история становления боевой авиации. (часть i)

Конструкция поршневого ДВС

Основные элементы ДВС

Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих основных элементов:

• поршень — возвратно-поступательным движением обеспечивает впуск смеси, ее сжатие, получение энергии и дальнейший вывод отработанных газов;
• поршневые кольца выполняют функцию уплотнителей;
• шатун и коленчатый вал осуществляют преобразование возвратно-поступательного импульса в крутящий момент;
• поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение поршня и шатуна;
• впускной и выпускной клапаны открывают цилиндр для входа смеси (впускной] и выхода отработанных газов (выпускной), герметизируют цилиндр во время сжатия и воспламенения;
• топливная форсунка обеспечивает распыл топлива;
• свеча зажигания создает искру, которая поджигает топливовоздушную смесь;
• блок цилиндров — силовой корпус, объединяющий цилиндры и обеспечивающий их охлаждение.

Сгорание топлива в поршневом двигателе осуществляется в цилиндрах, где поджигается смесь топлива и воздуха, под действием давления получившихся газов происходит поступательное движение поршня. Образовавшаяся при этом тепловая энергия превращается в механическую. Это движение поршня, в свою очередь, преобразуется во вращательное движение коленчатого вала двигателя через шатун, являющийся связующим звеном между цилиндром с поршнем и коленчатым валом.

Коэффициент полезного действия современных поршневых двигателей не превышает 25-30%, то есть большая часть энергии, получаемой при сгорании топлива, превращается в тепло, которое необходимо отводить из двигателя. Эту функцию выполняет система охлаждения.

Схемы двигателей со временем усложнялись, появились моторы 4-, 6-, 8-цилиндровые; рядные и V-образные; с жидкостным охлаждением или воздушным .

Мощность зависела в основном от объёма цилиндров. Но с увеличением объёма цилиндров (или их количества) росла масса двигателя.

Подключение звезда и треугольник — в чем разница

Для работы электрического прибора, двигателя, трансформатора в трехфазной сети необходимо соединить обмотки по определенной схеме. Наиболее распространенными схемами соединения являются треугольник и звезда, хотя могут применяться и другие способы соединения.

Что представляет собой соединение обмоток звездой?

Трехфазный двигатель или трансформатор имеет 3 рабочих, независимых друг от друга обмоток. Каждая обмотка имеет два вывода — начало и конец. Соединение «звезда» подразумевает собой, что все концы трех обмоток соединяются в один узел, часто называемый нулевой точкой.

Отсюда выходит и понятие — нулевая точка.

Начало каждой обмотки соединяются непосредственна с фазами питающей сети. Соответственно начало каждой обмотки соединяется с одной из фаз А, В, С.

Между любыми двумя началами обмоток прилаживается фазное напряжение питающей сети, зачастую 380 или 660 В.

Что представляет собой соединение обмоток в треугольник?

Соединение обмоток в треугольник заключается в соединении конца каждой обмотки с началом следующей. Конец первой обмотки, соединяется с началом второй. Конец второй — с начало третей.

Конец третей обмотки создает электрический контур, поскольку замыкает электрическую цепь.

При таком соединении к каждой обмотки прилаживается линейное напряжение, обычно равное 220 или 380 В.

Такое соединение физически реализуется с помощью металлических перемычек, которые должны быть предусмотрены заводской комплектацией электрического оборудования.

Разница между соединением обмотки в треугольник и звезду

Основная разница заключается в том, что, используя одну питающую сеть, можно достигать разных параметров электрического напряжения и тока в приборе или аппарате. Конечно, данные способы соединения отличаются реализацией, но важна именно физическая составляющая отличия.

Наиболее часто применяется соединение обмоток в звезду, что объясняется щадящим режимом для электрического привода или трансформатора. При соединении обмоток в звезду, ток протекающий по обмоткам имеет меньшие значение нежели при соединении в треугольник. В тот момент, как напряжение больше на величину корня из 1,4.

Применение способа соединения треугольник, зачастую используется в случаях мощных механизмов и больших пусковых нагрузок.

Имея большие показатели тока, протекающего по обмотки, двигатель получает большие показатели ЕДС самоиндукции, что в свою очередь гарантирует больший вращающий момент.

Важно

Имея большие пусковые нагрузки и одновременно используя схему соединения звезда, можно нанести урон двигателю. Это связано с тем, что двигатель имеет меньшие значение тока, что приводит к меньшим показателям величины вращающегося момента.

Момент пуска такого двигателя и выход его на номинальные параметры может быть продолжительным, что может привести к тепловому воздействию тока, которые во время коммутации может превышать номиналы тока в 7-10 раз.

Преимущества соединения обмоток в звезду

Основные преимущества соединения обмоток в звезду заключаются в следующем:

• Понижения мощности оборудования с целью повышения надежности.
• Устойчивый режим работы.
• Для электрического привода такое соединение дает возможность плавного пуска.

Некоторое электрическое оборудование, которое не предназначены для работы на других способах соединения, имеет внутренне соединение концов обмоток. На клеммник выводится лишь три вывода, которые представляют собой начало обмоток. Такое оборудование легче в подключении и может монтироваться в отсутствии грамотных специалистов.

Основными преимуществами соединения обмоток в треугольник являются:

1. Повышения мощности оборудования.
2. Меньшие пусковые токи.
3. Большой вращающийся момент.
4. Увеличенные тяговые свойства.

Оборудование с возможностью переключения типа соединения со звезды на треугольник

Зачастую электрическое оборудование имеет возможность работать как на звезде, так и на треугольнике. Каждый пользователь должен самостоятельно определить необходимость соединения обмоток в звезду или треугольник.

В особо мощных и сложных механизмах, может применяться электрическая схема с комбинированием треугольника и звезды. В таком случае, в момент пуска, обмотки электрического двигателя соединяются в треугольник.

После выхода двигателя на номинальные показатели, с помощью релейно-контакторной схемы треугольник переключается на звезду.

Таким способом достигается максимальная надежность и продуктивность электрической машины, без риска нанести ей урон или вывести её из строя.

Посмотрите так-же интересное видео на эту тему:

Как управлять переключениями электродвигателя

Часто для пуска электрического двигателя большой мощности используется переключение соединения «треугольник» в «звезду», это необходимо для снижения параметров тока при пуске. Иными словами, пуск двигателя происходит в режиме «звезда», а вся работа осуществляется на соединении «треугольник». Для этой цели используется контактор на три фазы.

Необходимо при автоматическом переключении выполнить обязательные условия:

• сделать блокировку контактов от одновременного срабатывания;
• обязательное исполнение работы, с задержкой времени.

Задержка времени необходима для 100%-го отключения соединения «звезда», иначе при включении соединения «треугольник» возникнет между фазами КЗ. Используется реле времени (РВ), которое выполняет задержку переключения на интервал от 50 до 100 миллисекунд.

Какими способами можно сделать задержку времени переключений

Когда применяется схема «звезда и треугольник», надо обязательно выполнять задержку времени включения соединения (Δ), пока не отключится соединение (Y), специалистами отдается предпочтение трем методам:

• с помощью контакта нормально разомкнутого в реле времени, который проводит блокировку схемы «треугольник», когда происходит пуск электродвигателя, а момент переключения контролирует токовое реле (РТ);
• используя таймер в реле времени современного исполнения, который имеет способность переключать режимы с интервалом от 6 до 10 секунд.

Выбор схемы соединения фаз электродвигателя

Для включения асинхронного электродвигателя в сеть его статорная обмотка должна быть соединена звездой или треугольником. Чтобы электродвигатель включить в сеть по схеме “звезда”, нужно все концы фаз (С4, С5, С6) соединить электрически в одну точку, а все начала фаз (C1, С2, С3) присоединить к фазам сети. Правильное соединение концов фаз электродвигателя по схеме “звезда” показано на рис. 1, а.

Для включения электродвигателя по схеме “треугольник” начало первой фазы соединяют с конном второй и начало второй — с концом третьей, а начало третьей — с концом первой. Места соединений обмоток подключают к трем фазам сети. Правильное соединение концов фаз электродвигателя по схеме “треугольник” показано рис. 1, б.

Рис. 1. Схемы включения трехфазного асинхронного электродвигателя в сеть: а – фазы соединены звездой, б – фазы соединены треугольником

Соединение фаз двигателя по схеме “звезда”

Соединение фаз двигателя по схеме “треугольник”

Дли выбора схемы соединения фаз трехфазного асинхронного электродвигателя можно использовать данные таблицы 1.

Таблица 1. Выбор схемы соединения обмоток

Напряжение электрического двигателя, В	Напряжение сети, В
380/220	660/380
380/220	звезда	–
660/380	треугольник	звезда

Из таблицы видно, что при подключении асинхронного двигателя с рабочим напряжением 380/220 В к сети с линейным напряжением 380 В соединять его обмотки можно только звездой! Соединять концы фаз такого электродвигателя по схеме “треугольник” нельзя. Неправильный выбор схемы соединения обмоток электродвигателя может привести к выходу его из строя во время работы.

Вариант соединения обмоток треугольником предусмотрен для подключения двигателей 660/380 В к сети с линейным напряжением 660В и фазным 380 В. В этом случае обмотки двигателя могут соединяться по схеме, как “звезда”, так и “треугольник”.

Такие двигатели могут включаться в сеть при помощи переключателя схем со звезды на треугольник (рис. 2). Это техническое решение позволяет уменьшить пусковой ток трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя большой мощности. При этом сначала обмотки электродвигателя соединяют по схеме “звезда” (при нижнем положении ножей переключателя), потом, когда ротор двигателя наберет номинальную частоту вращения, его обмотки переключают в схему “треугольник” (верхнее положение ножей переключателя).

Рис. 2. Схема включения трехфазного электродвигателя в есть при помощи переключателя фаз со звезды на треугольник

Снижение пускового тока при переключении его обмоток со звезды на треугольник происходит потому, что вместо предназначенной для данного напряжения сети схемы “треугольник” (660В) каждая обмотка двигателя включается на напряжение в √3 раза меньше (380В). При этом потребляемый ток снижается в 3 раза. Снижается также в 3 раза и мощность, развиваемая электродвигателем при пуске.

Но, в связи со всем вышесказанным, такие схемные решения можно использовать только для двигателей с номинальным напряжением 660/380 В и включении их в сеть с таким же напряжением. При попытке включения электродвигателя с номинальным напряжением 380/220 В по такой схеме он выйдет из строя, т.к. его фазы нельзя включать в сеть “треугольником”.

Номинальное напряжение электрического двигателя можно посмотреть на его корпусе, где в в виде металлической пластинки размещается его технический паспорт.

Для изменения направления вращения электродвигателя достаточно поменять местами две любые фазы сети независимо от схемы его включения. Для изменения направления вращения асинхронного электродвигателя применяют электрические аппараты ручного управления (реверсивные рубильники, пакетные переключатели) или аппараты дистанционного управления (реверсивные электромагнитные пускатели). Схема включения трехфазного асинхронного электродвигателя в сеть реверсивным рубильником показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема включения трехфазного электродвигателя в сеть реверсивным рубильником

Модификации мотора М-17. М-34, АМ-35 и АМ-38

А. А. Микулин разрабатывает в ЦИАМе вначале проект модификации мотора М-17, а именно М-34 (АМ-34). Оставив неизменной поршневую группу, Микулин сосредоточился на изменении силовой схемы корпуса. В тени Микулина работает его бывший коллега по конструкторскому бюро в НАМИ В. А. Добрынин, на плечи которого ляжет основная работа по доводке М-34 в Рыбинске. Став в 1936 г. во главе КБ завода № 24, Микулин с коллегами к 1941 г. разрабатывают самый мощный мотор того времени АМ-35 (1350 л.с.), оказавшийся, однако, неудачным (тяжелым) приме­нительно к истре­би­телю. Позже на его основе был создан АМ-38 для штурмовика Ил-2.

Добрынин из-за разногласий с Микулиным уходит из его КБ и в 1939 г. фактически становится главным конструктором КБ-2 при МАИ, в котором начинается разработка мощного (2500 л.с.) 24-цилиндрового мотора водяного охлаждения Х-образной схемы М-250 (по 6 цилиндров в четырех рядах). Эта незаконченная разработка, имевшая драматическую судьбу в связи со вскоре начавшейся войной, сыграет-таки свою роль в истории советского авиамоторостроения. В ее ходе создавалась новая конструкторская школа. А в негласном споре конструкторских школ бывших коллег Микулина и Добрынина в конечном счете победит Добрынин.

Самолетостроение очень быстро развивается (нарастает инновационная волна), и ему нужны все более мощные и надежные двигатели, которых в стране нет. Время является критическим фактором в предвоенной гонке: в том, что война неизбежна (или с Англией, или с Польшей, или с Японией), никто не сомневается. В СССР — состояние враждебного окружения капиталистических государств. Используя мировой экономический кризис и связанную с этим благоприятную конъюнктуру (кроме СССР, заказчиков нет), правительство принимает решение о закупке лицензий и целых заводов за рубежом. В качестве партнеров выбираются уже известные нам французские компании «Гном-Рон» и «Испано-Сюиза» и американская «Райт».

Управление БДПТ

Регулятор оборотов, внешний вид

Для управления бесколлекторным двигателем используется специальный контролер — регулятор скорости вращения вала двигателя постоянного тока. Его задачей является генерация и подача в нужный момент на нужную обмотку необходимого напряжения. В контроллере для приборов с питанием от сети 220 В чаще всего используется инверторная схема, в которой происходит преобразование тока с частотой 50 Гц сначала в постоянный ток, а затем в сигналы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Для подачи питающего напряжения на обмотки статора используются мощные электронные ключи на биполярных транзисторах или других силовых элементах.

Регулировка мощности и числа оборотов двигателя осуществляется изменением скважности импульсов, а, следовательно, и действующим значением напряжения, подаваемого на обмотки статора двигателя

Принципиальная схема регулятора оборотов. К1-К6 — ключи D1-D3 — датчики положения ротора (датчики Холла)

Важным вопросом является своевременное подключение электронных ключей к каждой обмотке. Для обеспечения этого контроллер должен определять положение ротора и его скорость. Для получения такой информации могут быть использованы оптические или магнитные датчики (например, датчики Холла), а также обратные магнитные поля.

Более распространено использование датчиков Холла, которые реагируют на наличие магнитного поля. Датчики размещаются на статоре таким образом, чтобы на них действовало магнитное поле ротора. В некоторых случаях датчики устанавливают в устройствах, которые позволяют изменять положение датчиков и, соответственно, регулировать угол опережения (timing).

Регуляторы оборотов вращения ротора очень чувствительны к силе тока, проходящего через него. Если вы подберете аккумуляторную батарейку с большей выдаваемой силой тока, то регулятор сгорит! Правильно подбирайте сочетания характеристик!

Мотор М-17 (BMW-VI)

Основным авиадвигателем этого времени (1931–1934) в советской авиации стал немецкий лицен­зионный 12-цилиндровый V-образный мотор М-17 (BMW-VI) мощностью 680 л.с., произ­во­див­шийся в Рыбинске на заводе № 26.

  

Этот завод — старейший в российском авиапроме. Он был основан по указу Николая II во время Первой мировой войны (в 1916 г.) в тылу как один из пяти автомобильных заводов (филиал петер­бургского завода «Русский Рено»). А в 1924 г. завод, к тому времени закрытый из-за кризиса, был взят на баланс передачей из автопрома в авиапром и получил обозначение как ГАЗ (Госу­дар­ственный авиационный завод) № 6 (с 1928 г. — № 26).

В 1927 г. в СССР в связи с военной угрозой после разрыва дипотношений с Англией стали концен­трировать оборонную промышленность под единым государственным управлением. Ситуация с производством военного снаряжения в то время была катастрофическая. Так, мощность авиа­ци­он­ных заводов в 1927 г. составляла только 15 % французского авиапрома. В техническом плане отставание было еще больше: ни мощных моторов, ни современных разработок самолетов не было. Появился и мобилизационный план (С-30) на случай войны и на его основе сформированы задания на строительство и оснащение современным импортным оборудованием оборонных заводов. Эти задания и вошли в план Первой пятилетки. Было выделено 56 действующих заводов военно-промышленного комплекса и им присвоены порядковые номера. Заводы стали «номерные», как тогда говорили, в документах же они именовались «кадровыми». Символично, что номер «первый» получил именно авиационный завод (им. Авиахима у метро «Динамо»).

В 1928 г. оборонные заводы были объединены в шесть трестов (типа сегодняшних холдингов), работающих на хозрасчете, т. е. заводы работали уже достаточно экономически эффективно. Координация была возложена на Главное управление военной промышленности (ГУВП) ВСНХ (Высший Совет народного хозяйства). В авиатресте в это время было 11 авиационных заводов. Но тресты просуществовали недолго — в 1932 г. «кадровые» заводы передаются в Нарком­тяжпром, в котором организуется авиационный главк (главное управление), объединяющий 17 заводов.

В 1935 году подвели первые итоги: основные моторные заводы (№ 24 в Москве — 15 тыс. моторов/год; № 19 в Перми — 6 тыс. моторов/год; № 26 в Рыбинске — 10 тыс. моторов/год; № 29 в Запо­рожье — 5 тыс. моторов/год; № 16 в Воронеже — 16 тыс. маломощных моторов М-11 /год; новый завод в Казани № 27 — 6 тыс. моторов/год) модернизированы и построены. В СССР появилась современная авиамоторная промышленность, планировалось к 1939 г. нарастить суммар­ную мощность авиамоторных заводов до 57 тыс. штук в год.

В 1936 г. в связи с расширением объема производства из Наркомтяжпрома выделяют Наркомат оборонной промышленности, а в 1939 г. по той же причине из него Наркомат авиационной промышленности, ставший самым крупным подразделением оборонной промышленности. В него входило 86 заводов, 9 НИИ и КБ, 5 стройтрестов, 7 институтов и 15 техникумов. По объему выпускаемого валового продукта, численности работающих и объему капитального строительства Наркомат авиационной промышленности составлял 30 % всей оборонной промышленности.

Еще в 1927 г., пользуясь только что (1926 г.) подписанным договором с Германией, в Мюнхен на стажировку выезжает группа специалистов завода, а в октябре того же года подписывается договор об оказании технической помощи заводу со стороны Баварских моторных заводов (БМВ), включая покупку лицензии на производство мотора BMW-VI, или, по советской классификации, М-17. Этот мотор производился с небольшими модификациями десять лет — с 1928 по 1938 г. Первые два года мотор собирался в Рыбинске из немецких комплектов деталей, а с 1930 г. — полностью отече­ст­вен­ного производства. Всего было выпущено 8 тыс. моторов. Этот мотор стоял тогда на всех основных типах советских самолетов: поликарповском биплане Р-5, морском ближнем разведчике Григо­ро­вича МБР-2, туполевских бомбардировщиках ТБ-1 и ТБ-3.

Вообще в начале 1930-х гг. старую инженерную школу МВТУ в авиации потеснили более энергич­ные и имевшие связи наверху военные — выпускники ВВИА им. Жуковского. Нельзя сказать, что это дало положительные результаты — фундаментальная подготовка этих двух инже­нер­ных школ сильно отличалась не в пользу военных, а амбиции у последних были большие. Собственно же авиационная инженерная школа только начала создаваться — в 1928 г. от МВТУ отпочковалось ВАМУ (Высшее Аэро-Механическое училище, позже, с 1929 г., ставшее Московским авиационным институтом).

Конструктивные особенности поршневых двигателей

Авиационные поршневые двигатели имеют большое число цилиндров (от 5 до 24), хорошие экономические характеристики, способны работать в перевёрнутом состоянии и обладают большей надёжностью.

Способ охлаждения – воздушное, или жидкостное — определяет конструкцию двигателя.

В двигателях с жидкостным охлаждением цилиндры объединяют по 4-6 штук в блоки (ряды), они имеют общую рубашку, внутри которой циркулирует охлаждающая жидкость. В одном двигателе может быть несколько (2, 4 или 6) блоков, размещаемых вдоль оси двигателя.

В двигателях с воздушным охлаждением цилиндры располагают в плоскости, перпендикулярной оси двигателя, по 5-9 штук; вместе эти цилиндры напоминают звезду. У мощных двигателей могло быть до четырех звёзд (до 20-24 цилиндров). Цилиндры охлаждаются потоком встречного воздуха, для более эффективного охлаждения наружная поверхность корпусов цилиндров делается ребристой.

Помимо звездообразных двигателей, нашли свое применение в авиастроении и оппозитные двигатели[]. Их часто устанавливают на легкие и небольшие самолеты, так как их мощности вполне достаточно для полета на высоких скоростях.

Оппозитный поршневой двигатель П-020

К 1942 году поршневые моторы практически исчерпали свои возможности. Пропеллеры по своей конструкции так же достигли высшей точки эффективности.[] Увеличение числа цилиндров, применение нагнетателей, сложных систем впрыска воды, спирта или химикатов в топливо усложняло конструкцию и давало лишь небольшой эффект.

***

Одним из наиболее удивительных поршневых авиадвигателей, изготовленных во время Второй мировой войны, был американской опытный звездообразный двигатель жидкостного охлаждения «Райт R-2160 Торнадо», в котором 42 цилиндра располагались в семь рядов в шести радиальных блоках. По замыслу конструкторов, «Торнадо», имевший небольшой диаметр, позволял авиаконструкторам разрабатывать фюзеляжи с небольшим поперечным сечением.

Однако «Торнадо» требовалась довольно тяжелая и сложная система радиаторов охлаждающей жидкости, которая сводила на нет любое аэродинамическое преимущество от малого поперечного сечения двигателя.

Котельников В. Р., Хробыстова О. В., Зрелов В. А., Пономарёв В. А. Двигатели боевых самолетов России /Под общ. ред. В. В. Горошникова. — Рыбинск : Медиарост, 2017. -616 с.: илл.

1. Jean Joseph Etienne Lenoir (1822-1900). []
2. В настоящее время — Запорожье. []
3. Лидером в разработке авиационных двигателей с жидкостным охлаждением была Германия []
4. В постройке двигателей с воздушным охлаждением лидером была Франция []
5. Поршневой ДВС, в котором угол между рядами цилиндров составляет 180 градусов, а противостоящие поршни двигаются зеркально по отношению друг к другу и одновременно достигают верхней мёртвой точки. []
6. Пропеллер, или винт проектируется под конкретный двигатель. []

Радиальные двигатели

Раз уж наш блог начал рассказывать про различные типы двигателей, мы не могли не пройти мимо необычных типов ДВС и невероятных машинах, которые на них ездят. Обычный, поршневой двигатель внутреннего сгорания известен всем – коленчатый вал, его двигают от 1 до 16 (редко до 32) поршней, которые перемещаются в цилиндрах вверх-вниз. В цилиндры подается смесь воздуха и топлива (бензина, керосина, ДТ, водорода и проч.). Происходит быстрое сгорание, с большим коэффициэнтом расширения – поршень двигается вниз и толкает коленчатый вал. Двигатели такого типа бывают рядными (L-образными) или не рядными, когда цилиндры стоят под углом друг к другу (V и W- образные). Последний тип – двухэтажный и применяется редко.

Какие же еще есть ДВС? Об одном из них мы хотели бы рассказать в этой статье.