Работа звездообразного двигателя: Как устроен радиальный авиационный двигатель

Содержание

История создания и развития звездообразных дизелей М-500. Часть 1. От авиационных дизелей к судовым

Автор:

Лобанов Николай Валерьевич

Рубрика: История

Опубликовано
в

Молодой учёный

№52 (238) декабрь 2018 г.

Дата публикации: 31.12.2018
2018-12-31

Статья просмотрена:

2327 раз

Скачать электронную версию

Скачать Часть 3 (pdf)

Библиографическое описание:


Лобанов, Н. В. История создания и развития звездообразных дизелей М-500. Часть 1. От авиационных дизелей к судовым / Н. В. Лобанов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 52 (238). — С. 226-227. — URL: https://moluch.ru/archive/238/55271/ (дата обращения: 12.01.2023).



Настоящая статья посвящена истории создания и развития звездообразных судовых дизелей серии М-500.

Ключевые слова: звездообразный дизель, двигатель серии М500, дизельный двигатель

Первый дизельный двигатель был спроектирован и построен Рудольфом Кристианом Карлом Дизелем в 1897 году, в качестве топлива Рудольф дизель использовал угольную крошку, что не в полнее было пригодно для использования в качестве топлива так как крошка оказывало абразивный эффект на стенках цилиндров, что не могло не сказаться на ресурсе двигателя. Однако в 1898 независимо от Рудольфа Дизеля на Путиловском заводе в Санкт-Петербурге инженером Густавом Васильевичем Тринклером был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления», который назвали «Тринклер-мотор». Двигатели с жидким топливом Тринклера оказались более совершенными и перспективными [3].

Уже в 1903 году в Санкт-Петербурге было спущено на воду первое в мире судно-речной танкер «Вандал», на которых в качестве главных двигателей были установлены три 4-тактных нереверсивных дизеля мощностью по 120 л.с. К 1913 г. Из всех существующих тогда в мире 80 дизельных теплоходов 70 принадлежали Российской Империи.

Рис.1. Танкер «Вандал»

В 1920-е годы в мире за границей начинают активно заниматься дизельными двигателями для летательных аппаратов, а с начала 1930-х годов Центральный институт авиамоторостроения (ЦИАМ), а так же ряд конструкторских и научных коллективов получают задание на разработку высокооборотных дизелей, предназначенных в первую очередь для оснащения самолетов дальней авиации [2].

ЦИАМ под руководством А. Д. Чаромского проектирует 12-цилиндровый V-образный дизель АН-1. Конструкция двигателя была удачнее других опытных двигателей. Именно этот двигатель станет основой для разработок новых дизелей под руководством В. М. Яковлева, возглавившего одно из подразделений ЦИАМа [1].

В августе 1941 года семь бомбардировщиков ТБ-7 и три ЕР-2 вылетели бомбить Берлин. Все самолеты ТБ-7 были оснащены двигателями М40Ф и М30. Но в целом роль дизельных двигателей в авиации была незначительна.

Во второй половине 1945 года был представлен новый мощный авиационный дизельный двигатель звездообразной конструкции (кривошипно-шатунный механизм представлял собой семилучевую звезду) с прогнозируемым ресурсом 50 часов, спроектированным в ОКБ авиамоторного завода под руководством В. М. Яковлевым. Опытный образец (М-501) имел массу 3600 кг и развивал мощность 4100 л.с. Уже в 1946 году Правительство СССР постановило создать мощный дизель для бомбардировщика дальнего действия. Эта работа была поручена авиапредприятию МАП-500.

К концу 1940-х годов стало очевидно, что поршневые двигатели стали уступать турбореактивным в авиации. Для достижения самолетом скорости 1000 км/ч необходима взлетная тяга примерно в 7300 кВт (10000 л. с). Поршневой двигатель, с такой мощностью, проигрывал турбореактивным двигателям по массогабаритным показателям. Например, удельная масса поршневых двигателей был 0,55 кг/кВт (0,4 кг/л.с.), в то время как турбореактивный от 0,14–0,4 кг/кВт (0,1–0,3 кг/л.с.). Кроме того, на истребителях ЛА-5 и МИГ-15 с турбореактивными двигателями были достигнуты скорости до 1050 км/ч. А в начале 1950-х годах МИГ- 19 уже разогнался до 1450 км/ч [1].

Меньше чем через год сложной и напряженной работы по созданию двигателя М501 завод МАП-500 был переориентирован на выпуск турбореактивных двигателей.

Все же двигатель М-501 считался перспективным двигателем, к тому же опыт, накопленный В. М. Яковлевым, был большим. Поэтому было выдвинуто предложение по созданию, на базе двигателя М-501, мощного и одновременно легкого двигателя для использования в качестве главного судового на катерах и судах военно-морского флота. Для этого В. М. Яковлев переезжает в Ленинград, продолжил работу над двигателем.

Впрочем, это был не первый опыт по трансформированию из авиационного двигателя в судовой. На базе двигателя АН-1 (12ЧН18/20) конструкции А. Д. Чаромского под руководством В. М. Яковлева была выполнена судовая версия двигателя. Устанавливался на катер «Комсомолец», спроектированным в конструкторском бюро А. Туполева. Двигатель был оснащен реверсивным устройством, приводным центробежным нагнетателем, насосом заборной воды и охлаждаемым выпускным коллектором. Новый двигатель получил обозначение М-50, двигатель развивал мощность 750 кВт при 1700 об/мин, ресурс же составлял 300 часов. Новый двигатель серийно начал выпускать ленинградский завод «Звезда» в 1948 году.

В 1953 году на ленинградском заводе «Звезда» организуется ОКБ-800, который возглавляет Владимир Михайлович Яковлев. Пройдет всего лишь три года и в 1956 году 42-цилиндровый двигатель пройдет трёхсотчасовые ресурсные испытания и успешно пройдет межведомственные испытания. Новый двигатель получил наименования М-503А с максимальной мощностью 2950 кВт при частоте вращения 2200 об/мин [1].

Литература:

1. И. П. Тартаковский, Л. Г. Шульман Судовые звездообразные дизели М500.Диагностика неисправностей. -СПБ: Судостроение,2009–256 с.:ил.

2. Радченко В. А., Паюсов В. И., Закричевский В. П. ОАО «Звезда»-70 лет на службе Отечеству // Двигателестроение -2002.-№ 3.-С.3–10.

3. Наливайко В. С., к.т. н., проф. НУК. Р. Дизель, Г. Тринклер — их роль в развитии двигателестроения Архивная копия от 15 августа 2011 на Wayback Machine.

Основные термины (генерируются автоматически): двигатель, баз двигателя, дизель, дизельный двигатель, качество топлива, кВт, ленинградский завод, Рудольф.

Ключевые слова

дизельный двигатель,

звездообразный дизель,

двигатель серии М500

звездообразный дизель, двигатель серии М500, дизельный двигатель

Похожие статьи

Современные

дизельные двигатели. Топливная система

Топливная система предназначена для питания двигателя автомобиля топливом, а также его хранения и очистки.

Топливная система бензинового и дизельного двигателей имеет, в основном

Поэтому в дизелях Common Rail использование качественного топлива является…

Исследование эффективности использования биотоплива…

Если для бензиновых двигателей использование метанола как добавки к бензину (15 %) не

«При работе на метаноле с воспламенением от запальной порции дизельного топлива

Для нормальной работы двигателя необходимо подавать не менее 10 % запальной дозы топлива.

Направления совершенствования

дизельных двигателей

Однако высокий КПД дизельных двигателей остался, а по экологическим нормам дизель даже начал вырываться

Сегодня немало двигателей соответствует перспективным нормам Евро IV, а вот

Современные СОД могут работать на высоковязких топливах, но по экономичности и. ..

Исследование рабочих процессов судовых

дизелей при…

Система смесеобразования дизельного двигателя обеспечивает: — Распыление топлива. Такой способ является относительно эффективным, но способ получения такого канала литьём в форму, это сложный и дорогостоящий процесс изготовления самой формы, да и проведение…

Влияние режима питания двухтопливного судового главного…

В статье рассматривается вопрос влияния выбора типа топлива для двухтопливного главного судового двигателя метановоза, используемого в прямом (грузовом) и обратном (балластном) рейсах, на экономичность его эксплуатации.

Мощностные и экономические показатели

дизеля при работе на…

В Вятской ГСХА на базе кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов осуществлена разработка дизеля 2Ч 10,5/12,0 для работы на метаноле с использованием двойной системы топливоподачи. В работе приводится анализ полученных результатов.

Подогреватель

дизельного топлива | Статья в журнале…

Пример использования. Систему питания дизельного двигателя дополняют подогревателем топлива, содержащим систему регулирования

Ключевые слова. подогреватель дизельного топлива, температура топлива, электронный блок управления, поддержание температуры…

Исследование эффективных показателей

дизеля Д-245.7 при…

В данной статье рассмотрено исследование эффективных показателей дизеля Д-245.7 при работе на дизельном топливе и природном газе.

На кафедре ДВС Вятской ГСХА в течении ряда лет проводятся исследования по переводу двигателей внутреннего сгорания для работы. ..

Перспективы применения роторно-поршневых

двигателей

Один из первых двигателей, созданных Ванкелем (DKM 54), имел рабочий объем 0,25 л и

С 1976 года волжский автомобильный завод начал серийно выпускать двигатель РПД, который

Широко распространенный способ снижения расхода топлива в поршневых ДВС посредством…

Фильтр-водоотделитель для

дизельных двигателей автомобилей

Фильтр-водоотделитель предназначен для установки в системе питания дизельных двигателей тракторов и автомобилей. Рекомендуется для внедрения на предприятиях и в организациях, эксплуатирующих строительную и сельскохозяйственную технику…

Похожие статьи

Современные

дизельные двигатели. Топливная система

Топливная система предназначена для питания двигателя автомобиля топливом, а также его хранения и очистки.

Топливная система бензинового и дизельного двигателей имеет, в основном

Поэтому в дизелях Common Rail использование качественного топлива является…

Исследование эффективности использования биотоплива…

Если для бензиновых двигателей использование метанола как добавки к бензину (15 %) не

«При работе на метаноле с воспламенением от запальной порции дизельного топлива

Для нормальной работы двигателя необходимо подавать не менее 10 % запальной дозы топлива.

Направления совершенствования

дизельных двигателей

Однако высокий КПД дизельных двигателей остался, а по экологическим нормам дизель даже начал вырываться

Сегодня немало двигателей соответствует перспективным нормам Евро IV, а вот

Современные СОД могут работать на высоковязких топливах, но по экономичности и. ..

Исследование рабочих процессов судовых

дизелей при…

Система смесеобразования дизельного двигателя обеспечивает: — Распыление топлива. Такой способ является относительно эффективным, но способ получения такого канала литьём в форму, это сложный и дорогостоящий процесс изготовления самой формы, да и проведение…

Влияние режима питания двухтопливного судового главного…

В статье рассматривается вопрос влияния выбора типа топлива для двухтопливного главного судового двигателя метановоза, используемого в прямом (грузовом) и обратном (балластном) рейсах, на экономичность его эксплуатации.

Мощностные и экономические показатели

дизеля при работе на…

В Вятской ГСХА на базе кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов осуществлена разработка дизеля 2Ч 10,5/12,0 для работы на метаноле с использованием двойной системы топливоподачи. В работе приводится анализ полученных результатов.

Подогреватель

дизельного топлива | Статья в журнале…

Пример использования. Систему питания дизельного двигателя дополняют подогревателем топлива, содержащим систему регулирования

Ключевые слова. подогреватель дизельного топлива, температура топлива, электронный блок управления, поддержание температуры…

Исследование эффективных показателей

дизеля Д-245.7 при…

В данной статье рассмотрено исследование эффективных показателей дизеля Д-245.7 при работе на дизельном топливе и природном газе.

На кафедре ДВС Вятской ГСХА в течении ряда лет проводятся исследования по переводу двигателей внутреннего сгорания для работы. ..

Перспективы применения роторно-поршневых

двигателей

Один из первых двигателей, созданных Ванкелем (DKM 54), имел рабочий объем 0,25 л и

С 1976 года волжский автомобильный завод начал серийно выпускать двигатель РПД, который

Широко распространенный способ снижения расхода топлива в поршневых ДВС посредством…

Фильтр-водоотделитель для

дизельных двигателей автомобилей

Фильтр-водоотделитель предназначен для установки в системе питания дизельных двигателей тракторов и автомобилей. Рекомендуется для внедрения на предприятиях и в организациях, эксплуатирующих строительную и сельскохозяйственную технику…

Ротативный двигатель. — Российская авиация

Такие двигатели отличались плавностью и равномерностью хода. Зажигание производилось последовательно в каждом цилиндре через один по кругу.
Второй особенностью было хорошее охлаждение. Металлургическая промышленность в те времена была не настолько развита, как сейчас и качество сплавов (в плане термостойкости) было не слишком высоким. Поэтому требовалось хорошее охлаждение.

Скорости полета самолетов были не высокие, поэтому простое охлаждение набегающим потоком стационарного движка было недостаточным. А ротативный двигатель здесь находился в более выгодном положении, потому что сам вращался с достаточной для эффективного охлаждения скоростью и цилиндры хорошо обдувались воздухом. При этом они могли быть как гладкими, так и оребренными. Охлаждение было достаточно эффективным даже при работе двигателя на земле.

Расцвет ротативных двигателей пришелся на первую мировую войну. В то время авиация уже достаточно серьезно участвовала в боевых действиях и воздушные бои не были редкостью. Самолеты и двигатели для них производились всеми крупными участниками войны.

Из двигателестроительных одной из самых известных была французская фирма «Societe des Moteurs Gnome», в свое время занимавшаяся производством двигателей внутреннего сгорания для промышленного производства. В 1900 году она купила лицензию на производство маленького одноцилиндрового стационарного двигателя (мощность 4 л.с.) «Gnome» у немецой фирмы Motorenfabrik Oberursel. Это движок продавался во Франции под французским наименованием «Gnome» и при этом настолько успешно, что наименование это было использовано в названии фирмы — «Societe des Moteurs Gnome».

В Российской Империи двигатель «Gnome» послужил прототипом для двигателей Теодора-Фердинанда (Григорьевича) Калепа. Т.Г.Калеп в начале 1911 года сначала решил приступить к производству на своем заводе двигателей «Gnome», но попытка договориться с фирмой «Societe des Moteurs Gnome» окончилась неудачей, т.к. эта французская фирма поставила условие отдавать ей 2/3 чистого дохода.

Тогда Калеп решил спроектировать на своем заводе новый двигатель. Проект двигателя Калеп разрабатывал совместно с молодым инженером Шухгальтером. Конструкторам удалось значительно усовершенствовать конструкцию двигателя «Gnome» и создать двигатель, более надежный чем «Gnome». Прежде всего был изменен способ крепления цилиндров на картере. У двигателя «Gnome» картер состоял из нескольких частей, соединенных болтами — это весьма увеличивало массу двигателя. Калеп сделал картер всего из двух частей, причем плоскость разъема не совпадала с плоскостью, в которой лежали геометрические оси цилиндров, а была отнесена несколько в сторону. Это существенно упрощало сборку двигателя, т.к. можно было крепить цилиндры, защемляя их между двумя частями картера, причем цилиндры вставлялись в отверстия большей части картера.
Калеп усовершенствовал двигатель «Gnome», увеличив его прочность и в тоже время снизив на 7 кг его массу и уменьшив на 85 шт. число деталей. При этом размеры двигателя Калепа не превышали размеров двигателя «Gnome». 22 ноября 1911 г. Т.Г.Калеп подал заявку за № 50497 на получение патента на авиационный двигатель «внутреннего горения с радиально укрепленными на кривошипной камере вращающимися цилиндрами», которая была удовлетворена и автор получил патент на этот двигатель за № 25057.

Двигатели «Калеп» устанавливались на самолёты «Хиони», «Стеглау» и др. Впоследствии Т.Калеп создал ещё более мощные двигатели мощностью 80 л.с. и 100 л.с., которые устанавливались на лицензионные «Ньюпоры» и другие отечественные истребители и разведчики.
Увы, хоть слава и досталась Ф.Г.Калепу, моторы для российского Воздушного флота делались во Франции — нелегко было небольшому заводу соревноваться в рекламе с солидной иностранной фирмой.

В 1913 году, будучи больным, Теодор Калеп поехал на испытания своего мотора, проводимые в Риге военным ведомством. Мотор сочли хорошим, а 47-летний Калеп через несколько дней умер. Можно сказать, сгорел на работе…

Двигатель «Калеп-60».

Двигатель «Калеп-80» в музее ВВС Монино.

В дальнейшем на базе «Gnome» был разработан ротативный двигатель «Gnome Omega», имевший немалое количество модификаций и устанавливавшийся на самые различные самолеты. Известны так же другие массово производившиеся двигатели этой фирмы. Например, «Gnome 7 Lambda» – семицилиндровый, мощностью 80 л.с. и его продолжение «Gnome 14 Lambda-Lambda» (160 л.с.), двухрядный ротативный двигатель с 14-ю цилиндрами.

Ротативный двигатель «Gnome 7 Omega».

Двигатель «Gnome 7 Omega» на самолете.

Широко известен двигатель «Gnome Monosoupape» (один клапан), начавший выпускаться в 1913 году и считавшийся одним из лучших двигателей в начальный период войны. Этот «лучший двигатель» имел всего один клапан, использовавшийся и для выхлопа и для забора воздуха. Для поступления топлива в цилиндр из картера, в юбке цилиндра был сделан ряд специальных отверстий. Двигатель был безкарбюраторный и из-за упрощенной системы управления был легче и потреблял, к тому же меньше масла.

Двигатель «Gnome Monosoupape» Type N.

Управления у него не было практически никакого. Был только топливный кран, подававший бензин через специальную форсунку (или распылитель) в полый неподвижный вал и далее в картер. Этим краном можно было пытаться обогащать или обеднять топливо-воздушную смесь в очень узком диапазоне, от чего было мало толку.

Подвод топлива в цилиндр двигателя «Gnome Monosoupape». Crank Case — картер, Ports — подводящие отверстия.

Пытались использовать с целью управления изменение фаз газораспределения, но быстро от этого отказались, потому что начали гореть клапана. В итоге движок постоянно работал на максимальных оборотах (как, впрочем и все ротативные двигатели) и управлялся только отключением зажигания (об этом чуть ниже).

Другой известной французской фирмой, производившей ротативный двигатели была фирма «Societe des Moteurs Le Rhone», начавшая свою работу с 1910 года. Одними из самых известных ее двигателей были «Le Rhone 9C» (мощность 80 л.с.) и «Le Rhone 9J» (110 л.с.). Характерной их особенностью было наличие специальных трубопроводов от картера к цилиндрам для подвода топливо-воздушной смеси (немного похоже на входные коллектора современных ДВС).

Двигатель «Le Rhone 9C».

«Le Rhone» и «Gnome» первоначально соперничали, но потом объединились и с 1915 года уже работали совместно под названием «Societe des Moteurs Gnome et Rhone». Двигатель 9J был, в общем-то, уже их совместным продуктом.

Ротативный двигатель «Le Rhone 9J».

Открытый картер двигателя «Le Rhone 9J».

Интересно, что вышеупомянутая германская фирма «Motorenfabrik Oberursel» в 1913 году закупила лицензии на производство теперь уже французских ротативных двигателей «Gnome» (хотя и была родоначальницей этого брэнда, можно сказать) и чуть позже двигателей «Le Rhone». Их она выпускала под своими наименованиями: «Gnome», как «U-серия» и «Le Rhone», как «UR-серия» ( от немецкого слова Umlaufmotor, обозначающего ротативный двигатель).

Например, двигатель «Oberursel U.0» был аналогом французского «Gnome 7 Lambda» и устанавливался первоначально на самолет Fokker E.I., а двигатель «Oberursel U. III» — это копия двухрядного «Gnome 14 Lambda-Lambda».

Германский двухрядный «Oberursel U.III», копия «Gnome 14 Lambda-Lambda».

Вообще фирма «Motorenfabrik Oberursel» всю войну в довольно большом количестве производила двигатели-клоны французских моделей, которые потом ставились на самолеты, являвшиеся противниками французов и их союзников в воздушных боях. Вот такие фокусы жизни…

Истребитель Fokker E.I с двигателем «Oberursel U.0».

Среди других известных двигателестроительных фирм значится также французская фирма «Societe Clerget-Blin et Cie» (интересное для русского уха слово Blin в названии означает фамилию одного из учредителей, промышленника Эжена Блина) со своим известным движком «Clerget 9B».

Двигатель «Clerget 9B».

Двигатель «Clerget 9B» на истребителе Sopwith 1½ «Strutter».

Истребитель Sopwith 1½ «Strutter» с двигателем «Clerget 9B».

Многие двигатели производились в Великобритании по лицензиям. На этих же заводах выпускали английские двигатели разработки «Walter Owen Bentley» (того самого Бентли) «Bentley BR.1» (заменившие «Clerget 9B» на истребителях Sopwith «Camel») и «Bentley BR.2» для истребителей Sopwith 7F.1 «Snipe».

На двигателях «Bentley» в конструкции поршней впервые были применены алюминиевые сплавы. До этого на всех движках цилиндры были чугунные.

Ротативный двигатель «Bentley BR.1».

Ротативный двигатель «Bentley BR.2».

Истребитель Sopwith 7F.1″Snipe» с двигателем «Bentley BR.2».

Теперь вспомним о других особенностях ротативного двигателя, которые, так сказать, плюсов ему не прибавляют (чаще всего как раз наоборот).

Немного об управлении. Современный (стационарный, конечно) поршневой двигатель, неважно рядный он или звездообразный, управляется относительно легко. Карбюратор (либо инжектор) формирует нужный состав топливо-воздушной смеси и с помощью дроссельной заслонки пилот может регулироват подачу ее в цилиндры и, тем самым, менять обороты двигателя. Для этого по сути дела существует ручка (или педаль, как хотите) газа.

У ротативного двигателя все не так просто. Несмотря на разницу конструкций, большинство ротативных двигателей имели на цилиндрах управляемые впускные клапана, через которые и поступала топливо-воздушная смесь. Но вращение цилиндров не позволяло применять обычный карбюратор, который бы поддерживал оптимальное соотношение воздух-топливо за дроссельной заслонкой. Состав смеси, поступающей в цилиндры нужно было корректировать для достижения оптимального соотношения и устойчивой работы двигателя.

Для этого обычно существовал дополнительный воздушный клапан («bloctube») . Пилот устанавливал рычаг газа в нужное положение (чаще всего полностью открывая дроссель) и потом рычагом регулировки подачи воздуха добивался устойчивой работы двигателя на максимальных оборотах, производя так называемую тонкую регулировку. На таких оборотах обычно и проходил полет.

Из-за большой инерционности двигателя (масса цилиндров все же немаленькая), такая регулировка часто делалась «методом тыка», то есть определить нужную величину регулировки можно было только на практике, и эта практика была необходима для уверенного управления. Все зависело от конструкции двигателя и опыта пилота.

Весь полет проходил на максимальной частоте вращения движка и если ее по какой-либо причине надо было снизить, например для посадки, то действия по управлению должны были быть обратного направления. То есть пилоту нужно было прикрыть дроссель и потом опять регулировать подачу воздуха в двигатель.

Но такое «управление» было, как вы понимаете, достаточно громоздким и требующим времени, которое в полете не всегда есть, особенно на посадке. Поэтому гораздо чаще применялся метод отключения зажигания. Чаще всего это делалось через специальное устройство, позволяющее отключать зажигание полностью или в отдельных цилиндрах. То есть цилиндры без зажигания переставали работать и двигатель в целом терял мощность, что и нужно было пилоту.

Этот метод управления широко применялся на практике, но тянул за собой и кучу проблем. Топливо, вместе, кстати, с маслом, несмотря на отключение зажигания, продолжало поступать в двигатель и, не сгорев, благополучно его покидало и затем скапливалось под капотом. Так как движок очень горячий, то опасность серьезного пожара налицо. Тогдашние «легкие этажерки» горели очень легко и быстро.

Пример защитных капотов на (защита от масла двигатель «Gnome 7 Lambda») Sopwith «Tabloid».

Поэтому капоты для двигателей имели внизу вырез примерно на одну треть периметра или на худой конец серьезные дренажные отводы, чтобы вся эта гадость могла быть удалена набегающим потоком. Чаще всего, конечно, она размазывалась по фюзеляжу.

Кроме того свечи в неработающих цилиндрах могли оказаться залитыми и замасленными и повторный запуск поэтому был не гарантирован.

К 1918 году французская двигателестроительная фирма «Societe Clerget-Blin et Cie» (ротативные двигатели «Clerget 9B»), исходя из очевидной опасности использования способа снижения мощности путем отключения зажигания, в руководстве по эксплуатации своих двигателей рекомендовала следующий метод управления.

При необходимости снижения мощности двигателя пилот перекрывает подачу топлива закрытием дросселя (ручкой газа). При этом зажигание не отключается и свечи продолжают «искрить» (предохраняя себя от замасливания). Винт вращается в результате эффекта авторотации и при необходимости запуска топливный клапан просто открывается в то же положение, что и до закрытия. Двигатель запускается…

Однако, по отзывам пилотов, которые в наши дни летают на восстановленных или точных копиях самолетов того времени, все-таки самый удобный режим снижения мощности — это отключение зажигания, несмотря на всю «грязь», которую при этом извергают ротативные двигатели.

Самолеты с такими движками вообще особой чистотой не отличались. Про топливо в отключенных цилиндрах я уже сказал, но ведь было еще и масло. Дело в том, что из-за вращающегося блока цилиндров, возможность откачки топлива из картера была весьма проблематична, поэтому организовать полноценную систему смазки было нельзя.

Схема топливо- и маслопитания ротативного двигателя «Gnome 7 Omega».

Но без смазки никакой механизм работать не будет, поэтому она, конечно, существовала, но в о-о-очень упрощенном виде. Масло подавалось прямо в цилиндры, в топливо-воздушную смесь. На большинстве двигателей для этого существовал небольшой насос, подававший масло через полый (неподвижный, как уже известно) вал по специальным каналам.

В качестве смазывающего масла использовалось касторовое, самое лучшее по тем временам масло (природное растительное) для этих целей. Оно, кроме того не смешивалось с топливом, что улучшало условия смазки. Да и сгорало в цилиндрах оно только частично.

Пример замасливания (темные пятна) двигателя «Gnome 7 Omega» полусгоревшим касторовым маслом.

А удалялось оно оттуда после выполнения своих функций вместе с отработанным газами через выпускной клапан. И расход его при этом был очень даже немаленький. Средний движок, мощностью около 100 л.с. (75 кВт, 5-7 цилиндров) за час работы расходовал более двух галлонов (английских) масла. То есть около 10 литров вылетало «на ветер».

Ну что тут скажешь… Бедные механики. Масло, сгоревшее и несовсем, топливная смесь, оставшаяся после дросселирования движка, сажа… все это оседало на самолете и все это нужно было отмывать. Причем масло это отмывалось очень плохо. Из-за этого на старых снимках самолеты частенько «щеголяют» грязными пятнами на крыле и фюзеляже.

Но и летчики — люди мужественные. Ведь из движка выходила касторка. А это, как известно, очень хорошее слабительное (в аптеках раньше продавалась, не знаю, как сейчас). Конечно, двигатель был закрыт капотом и снизу, как я уже говорил, был вырез для удаления всей грязи. Но ведь кабина открытая и воздушный поток — штука не всегда управляемая. Если чистая касторка попадала на лицо и потом внутрь… Последствия предугадать… наверное было не сложно…

Следующая особенность ротативных двигателей, которую я бы тоже не назвал положительной была связана с управляемостью аэропланов, на которых стояли такие движки. Немалая масса вращающегося блока представляла собой по сути дела большой гироскоп, поэтому гироскопический эффект был неизбежен.

Пока самолет летел прямолинейно, его влияние не было сильно заметно, но стоило начать совершать какие-либо полетные эволюции, как сразу проявлялась гироскопическая прецессия. Из-за этого и вкупе с большим крутящим моментом массивного блока цилиндров при выбранном правом вращении винта самолет очень неохотно поворачивал влево и при этом задирал нос, но зато быстро делал правые развороты с большой тенденцией к опусканию носа. Такой эффект с одной стороны очень мешал (особенно молодым и неопытным пилотам), а с другой был полезен при проведении воздушных боев, в так называемых «собачьих свалках» (dogfights). Это, конечно, для опытных летчиков, которые могли с толком использовать эту особенность.

Очень характерен в этом плане был известный самолет Sopwith F.1 «Camel» Королевских ВВС, считавшийся лучшим истребителем Первой Мировой. На нем стоял ротативный двигатель «Clerget 9B» (как примечание добавлю, что в последствии также ставился и английский «Bentley BR.1» (150 л.с.)). Мощный (130 л.с.), но достаточно капризный двигатель, чувствительный к составу топлива и к маслу. Мог запросто отказать на взлете. Но именно благодаря ему и особенностям компоновки фюзеляжа (рассредоточению полезного оборудования) «Camel» был очень маневренен.

Истребитель Sopwith F.1 «Camel» с двигателем «Clerget 9B».

Маневренность эта, правда, доходила до крайности. В управлении истребитель был необычайно строг и вообще имел кое-какие неприятные особенности. Например, большое желание войти в штопор на малой скорости. Он абсолютно не подходил для обучения молодых пилотов. По некоторой статистике за время войны в боевых действиях на этом аэроплане погибло 415 пилотов, а в летных происшествиях — 385. Цифры красноречивые…

Однако опытные пилоты, хорошо его освоившие, могли извлечь большую пользу из его особенностей и делали это. Интересно, что из-за нежелания истребителя «Camel» быстро разворачиваться влево, многие пилоты предпочитали делать это, так сказать, «через правое плечо». Поворот вправо на 270° получался значительно быстрее, чем влево на 90°.

Основным и достойным противником для Sopwith F.1 «Camel» был немецкий триплан Fokker Dr.I с двигателем «Oberursel UR.II» (полный аналог французского «Le Rhone 9J»). На таком воевал Барон Манфред Альбрехт фон Рихтгофен (Manfred Albrecht Freiherr von Richthofen), знаменитый «Красный барон».

Триплан Fokker Dr.I.

Германский двигатель «Oberursel-UR-2» (копия «Le Rhone 9J»).

За время войны ротативные двигатели достигли своего полного расцвета. При имеющихся запросах армии, несмотря на свои недостатки они очень хорошо подходили для решения, так сказать, триединой задачи «мощность — вес — надежность». Особенно, что касается легких истребителей. Ведь именно на них в подавляющем большинстве такие движки стояли.

Более крупные и тяжелые самолеты продолжали летать, используя традиционные рядные движки.

Однако авиация развивалась бурными темпами. Требовалась все большая мощность двигателей. Для стационарных рядных это достигалось путем увеличения максимального количества оборотов. Возможности совершенствования в этом направлении были. Улучшались системы зажигания и газораспределения, принципы образования топливовоздушной смеси. Применялись все более совершенные материалы.

Это позволило к концу Первой Мировой войны поднять максимальную величину оборотов стационарного двигателя с 1200 до 2000 об/мин.

Однако, для ротационного двигателя этот было невозможно. Организовать правильное смесеобразование было нельзя. Все приходилось делать «на глазок», поэтому расход топлива (как и масла) был, мягко говоря, немаленьким (в том числе, кстати, из-за постоянной работы на больших оборотах).

Какие-либо внешние регулировочные работы на двигателе, пока он находится в запущенном состоянии само собой были невозможны.

Повысить частоту вращения тоже не получалось, потому что сопротивление воздуха быстро вращающемуся блоку цилиндров было достаточно большим. Более того, при увеличении скорости вращения, сопротивление росло еще быстрее. Ведь, как известно, скоростной напор пропорционален квадрату скорости. То есть если скорость просто растет, то сопротивление растет в квадрате (примерно).

При попытках на некоторых моделях двигателей начала войны поднять обороты с 1200 об/мин до 1400 об/мин сопротивление поднималось на 38%. То есть получалось, что возросшая мощность двигателя больше тратилась на преодоление сопротивления, чем на создание полезной тяги воздушного винта.

Немецкой фирмой Siemens AG была сделана попытка обойти эту проблему с другой стороны. Был выполнен 11-цилиндровый двигатель так называемой биротативной схемы (наименование Siemens-Halske Sh.III). В нем блок цилиндров вращался в одну сторону с частотой 900 об/мин., а вал (ранее неподвижный) в другую с той же частотой. Суммарная относительная частота составила 1800 об/мин. Это позволило достичь мощности в 170 л.с.

Биротативный двигатель «Siemens-Halske Sh.III».

Истребитель «Siemens-Schuckert D.IV».

Истребитель «Siemens-Schuckert D.IV» в берлинском авиамузее.

Этот двигатель имел меньшее сопротивление воздуху при вращении и меньший крутящий момент, мешающий управлению. Устанавливался на истребителе «Siemens-Schuckert D.IV» , который по мнению многих специалистов стал одним из лучших маневренных истребителей времен войны. Однако производиться начал поздно и сделан был в небольшом количестве экземпляров. Существующее положение Siemens-Halske Sh.III не поправил и не смог опять поднять ротативные двигатели на должную высоту.

Здесь следует упомянуть о работах русского инженера Анатолия Георгиевича Уфимцева. А.Г.Уфимцев работы по биротативным авиационным двигателям начал ещё в 1909 году. Им был спроектирован четырехцилиндровый биротативный двигатель с воспламенением смеси при высокой степени сжатия в цилиндрах, диаметр которых составлял 90 мм, ход поршня — 120 мм. На это изобретение А.Г.Уфимцев получил патент. Специального станка для замера мощности биротативного двигателя у конструктора не было. По его расчетам мощность двигателя массой 40 кг могла достигать 35-40 л.с. Для запуска двигателя предполагалось использовать сжатый воздух от баллона на борту самолета. В Главном инженерном управлении дали отрицательное заключение на этот проект, считая невозможным запуск двигателя сжатым воздухом (в дальнейшем практика развития авиации подтвердила целесообразность воздушного запуска).

Тем не менее А.Г.Уфимцев не оставил намерения осуществить свою идею. Четырехцилиндровый двигатель с самовоспламенением не удовлетворял автора и в новом проекте была применена электрическая система зажигания топливовоздушной смеси при меньшей степени сжатия.
Получив небольшой кредит от частных лиц, заложив дом и используя все наличные средства, изобретатель построил шестицилиндровый биротативный двигатель. При этом диаметр цилиндра равнялся 80 мм, ход поршня — 110 мм, частота вращения — 1000 об/мин. Масса двигателя — 50 кг, расчетная мощность — 40 л.с. Этот двигатель А.Г.Уфимцев установил на самолете собственной конструкции «Сфероплан-2», который был построен в 1910 году. Во время испытаний самолет не взлетел из-за передней центровки.

Аппарат А.Г.Уфимцева «Сфероплан-II». 1910 г.

В 1912 году А.Г.Уфимцев спроектировал новый шестицилиндровый двухтактный биротативный двигатель с улучшенной продувкой цилиндров. Были устранены недостатки предыдущих двигателей, существенно изменены параметры и конструкция основных узлов, расчетная мощность — в пределах 65-70 л. с. при массе 58 кг. Двигатель был построен на Брянском паровозостроительном заводе и получил наименование АДУ-4. Его испытание, доводка не были завершены, завод отказался от производства этого двигателя. В настоящее время двигатель АДУ-4 экспонируется в музее ВВС.

А.Г.Уфимцев у своего первого биротативного двигателя.

Двигатель АДУ-4 в музее ВВС Монино.

Недостатков у всех видов ротативных двигателей, как видите, хватало. Ко всему прочему могу еще добавить, что движки эти были достаточно дороги. Ведь из-за большой быстро вращающейся массы все детали двигателя должны были быть хорошо отбалансированы и четко подогнаны. Плюс сами материалы были недешевы. Это приводило к тому, что, например, двигатель Monosoupape по ценам 1916 года стоил порядка 4000$ (что в переводе на курс года 2000-го составляет примерно 65000$). Это при том, что в движке-то, вобщем-то, по нынешним понятиям, ничего особенного-то нет.

Ко всему прочему моторесурс всех таких двигателей был невысок (вплоть до 10-ти часов между ремонтами) и менять их приходилось часто, несмотря на высокую стоимость.

Все эти недостатки копились и в конце концов чаша оказалась переполнена. Ротативный двигатель широко использовался и совершенствовался (по мере возможности) вплоть до конца войны. Самолеты с такими движками некоторое время использовались во время гражданской войны в России и иностранной интервенции. Но в целом их популярность быстро пошла на спад.

Совершенствование науки и производства привели к тому, что на сцену уверенно вышел последователь ротативного двигателя — радиальный или звездообразный двигатель с воздушным охлаждением, который не сходит с нее и по сей день, работая, между прочим, в содружестве с рядным поршневым авиационным двигателем с жидкостным охлаждением.

Ротативный двигатель, оставив яркий след в истории авиации, занимает теперь почетное место в музеях и на исторических выставках.

В заключении ролик — запуск восстановленного двигателя «Gnome» 1918 года выпуска:

.

.

Источник:
Сайт «Авиация понятная всем». Юрий Тарасенко. Ротативный двигатель. Чумазый вояка… 
Андрей Бондаренко. Моторы пламенных сердец.
П.Д.Дузь. История воздухоплавания и авиации в России (период до 1914 г.).
Д.Я.Зильманович. Теодор Калеп. 1866-1913.

Как работают радиальные двигатели? – MechStuff

Радиальные двигатели широко использовались во время Второй мировой войны.
Повышение эффективности и мощности было насущной потребностью того времени. Имея много преимуществ перед роторными двигателями, использовавшимися в Первой мировой войне, радиальные двигатели отлично зарекомендовали себя для самолетов.

Радиальные двигатели: —

Радиальные двигатели Двигатели внутреннего сгорания такие же, как расположение цилиндр-поршень, за исключением одного изменения — поршень в цилиндрах расходится (колеблется/возвратно-поступательно) наружу от центрального картера (как ободья шина). Радиальные двигатели также называются «Звездные двигатели» , поскольку они напоминают форму звезды, если смотреть спереди. Радиальная конфигурация очень часто использовалась для авиационных двигателей до появления газотурбинных двигателей.

История :-

Компания C.M. Manly сконструировала 5-цилиндровый радиальный двигатель с водяным охлаждением в 1901 году – преобразование роторного двигателя для аэродромного самолета. Машина оказалась неудачной, но двигатель Мэнли-Бальцера(позже в 1903) указал путь к мощным авиационным двигателям с малым весом.

Запчасти:-

Поршень – Поршень используется для передачи силы расширения газов на механическое вращение коленчатого вала через шатун. Поршень может сделать это, потому что он плотно закреплен внутри цилиндра с помощью поршневых колец, чтобы минимизировать зазор между цилиндром и поршнем!
Коленчатый вал – Коленчатый вал – это деталь, способная преобразовывать возвратно-поступательное движение во вращательное.
Шатун – Шатун передает движение от поршня к коленчатому валу, который действует как плечо рычага.
Впускной и выпускной клапаны – Позволяет подавать свежий воздух с топливом и выводить отработавшую топливно-воздушную смесь из цилиндра.
Шарнирный шатун в сборе – Узел соединяет все шатуны поршней в единую деталь, так как цилиндры компланарны (обсуждается позже).
Свеча зажигания – Свеча зажигания подает электрический ток в камеру сгорания, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь, что приводит к резкому расширению газа.

Работа радиальных двигателей: —

Анимация радиального двигателя, состоящего из 5 цилиндров. Радиальные двигатели

работают так же, как и любые другие четырехтактные двигатели. Они оба имеют схожие детали, но их конструкция и дизайн различны. Каждый цилиндр имеет такт впуска, сжатия, рабочий и выпускной такт.
Если вы рассматриваете приведенный выше двигатель, состоящий из 5 цилиндров, с нумерацией верхней части как 1 и движущейся по часовой стрелке, то порядок работы будет 1-3-5-2-4 и снова 1!
Ничего сложного для понимания, порядок воспламенения и открытия/закрытия клапанов отрегулированы таким образом, что текущий рабочий ход напрямую помогает сжать следующий цилиндр для воспламенения, делая движение более равномерным.

Почему нечетное количество цилиндров?

Для более плавной работы двигателя необходимо обеспечить постоянную мощность. Для производства постоянной мощности используется нечетное количество цилиндров, так что может быть достигнут любой другой порядок работы поршня.
Если бы использовалось четное количество цилиндров, равновременный цикл зажигания был бы невозможен. [Источник]

Как впускной и выпускной клапаны открываются и закрываются в определенное время хода?
В отличие от двигателей, используемых в автомобилях и мотоциклах, оси цилиндров лежат в одной плоскости , поэтому типичный распределительный вал не может использоваться для управления впускными и выпускными клапанами, а один и тот же коленчатый вал не может использоваться для подачи мощности.
Вместо этого поршни соединены с коленчатым валом с помощью узла главного шарнирно-сочлененного стержня .   Я знаю, что это довольно сложно представить, особенно то, о чем мы никогда не слышали, поэтому я включил анимацию 🙂 !

Узел штока, который управляет синхронизацией впускных и выпускных клапанов.

В радиальных двигателях обычно используются тарельчатые клапаны, расположенные над цилиндрами . Эти клапаны приводятся в движение толкателями, которые управляются кулачковой пластиной, которая вращается в направлении, противоположном направлению вращения коленчатого вала.
Кулачок медленно вращается с помощью зубчатого механизма.

Преимущества:-

  • Более плавная работа:- Радиальные двигатели отлично вырабатывают постоянную мощность (вклад каждого поршня), как обсуждалось ранее. Эта консистенция помогает двигателю работать более плавно.
  • Надежнее и проще в обслуживании:- Все благодаря простой конструкции, которая делает его менее уязвимым к повреждениям, а также значительно облегчает работу обслуживающего персонала во время рутинных проверок.
  • Стоимость: — Детали радиальных двигателей, затраты на ремонт и техническое обслуживание невелики. Более дешевый вариант приветствуется с завязанными глазами в дорогой сфере деятельности.

Недостатки :-

  • Сопротивление :- Так как во время полета цилиндры явно подвергаются воздействию воздушного потока, сопротивление значительно возрастает.
  • Видимость :- Пилот может испытывать проблемы с видимостью из-за огромных одиночных двигателей, расположенных в носовой части самолета.
  • Установка :- Обеспечить адекватное охлаждение воздуха при скрытой установке двигателя сложнее.

Газовые турбины ИЛИ широко известные как реактивные двигатели завоевали рынок, поскольку они были гораздо более мощными, эффективными и легкими, чем радиальные двигатели.
Чтобы узнать больше о газовых турбинах/реактивных двигателях, прочитайте одну из моих предыдущих статей, в которой я подробно рассказал о работе реактивные двигатели !
Я также написал статью о типах реактивных двигателей (в ней куча анимаций… попробуйте 😉 )

Как работает радиальный двигатель?