Двигатель вертолета
Двигатель вертолета служит для вращения несущего винта. Если на вертолете имеется несколько несущих винтов, то они могут приводиться во вращение от одного общего двигателя или каждый от отдельного двигателя, но так, чтобы вращение винтов было строго синхронизировано.
Назначение двигателя на вертолете отличается от назначения двигателя на самолете, автожире, дирижабле, так как в первом случае он вращает несущий винт, посредством которого создает как тягу, так и подъемную силу, в остальных же случаях он вращает тянущий винт, создавая только тягу «ли силу реакции газовой струи (на реактивном самолете), также дающей только тягу.
Если на вертолете установлен поршневой двигатель, то в его конструкции должен быть учтен ряд особенностей, присущих вертолету.
Вертолет может летать при отсутствии поступательной скорости, т. е. висеть неподвижно относительно воздуха. В этом случае отсутствует обдув и охлаждение двигателя, водо-радиатора и маслорадиатора, в результате чего возможен перегрев двигателя и выход его из строя. Поэтому на вертолете целесообразней применять двигатель не водяного, а воздушного охлаждения, так как последний не нуждается в тяжелой и громоздкой системе жидкостного охлаждения, для которой на вертолете потребовались бы очень большие поверхности охлаждения.
Двигатель воздушного охлаждения, обычно устанавливаемый на вертолете в туннеле, должен иметь привод для вентилятора принудительного обдува, который обеспечивает охлаждение двигателя на режиме висения и при горизонтальном полете, когда скорость относительно невелика.
В этом же туннеле устанавливается маслорадиатор. Регулировка температуры двигателя и масла может осуществляться путем изменения величины входного или выходного отверстий туннеля при помощи подвижных заслонок, управляемых из кабины летчика вручную или автоматически.
Авиационный поршневой двигатель обычно имеет номинальное число оборотов порядка 2000 в минуту. Понятно, что полное число оборотов двигателя на винт передавать нельзя, так как при этом концевые скорости лопастей будут настолько велики, что вызовут возникновение скоростного срыва потока. Из этих соображений число М на концах лопастей должно быть не более 0,7—0,8. Кроме того, при больших центробежных силах несущий винт был бы тяжелой конструкции.
Подсчитаем, какова величина максимально допустимых оборотов несущего винта диаметром в 12 м, при которых число М концов лопастей не превышает 0,7 для высоты полета в 5000 м при скорости полета в 180 км/час,
Итак, двигатель для вертолета обязательно должен иметь редуктор с высокой степенью редукции.
На самолете двигатель всегда жестко соединен с винтом. Прочный, малого диаметра цельнометаллический винт легко выдерживает рывки, сопровождающие запуск поршневого двигателя, когда он резко набирает несколько сот оборотов. Винт вертолета, имеющий большой диаметр, далеко разнесенные от оси вращения массы п, следовательно, большой момент инерции, не рассчитан на резкие переменные нагрузки в плоскости вращения; при запуске может произойти повреждение лопастей от пусковых рывков.
Поэтому необходимо, чтобы в момент запуска несущий винт вертолета был отсоединен от двигателя, т. е. двигатель должен запускаться вхолостую, без нагрузки. Обычно это осуществляется введением в конструкцию двигателя фрикционной и кулачковой муфт.
Перед запуском двигателя муфты должны быть выключены, при этом вращение вала двигателя на несущий винт не передается.
Однако без нагрузки двигатель может развить очень большие обороты (дать раскрутку), которые вызовут его разрушение. Поэтому при запуске до включения муфт нельзя полностью открывать дроссельную заслонку карбюратора двигателя и превышать установленное число оборотов.
Когда двигатель уже запущен, необходимо соединить его с несущим винтом посредством фрикционной муфты.
В качестве фрикционной муфты может служить гидравлическая муфта, состоящая из нескольких металлических дисков, покрытых материалом, обладающим высоким коэффициентом трения. Часть дисков соединена с валом редуктора двигателя, а промежуточные диски соединены с приводом главного вала к несущему винту. До тех пор, пока диски не сжаты, они свободно проворачиваются относительно друг друга. Сжатие дисков осуществляется поршнем. Подача масла с высоким давлением под поршень заставляет поршень передвигаться и постепенно сжимать диски. При этом крутящий момент от двигателя передается на винт постепенно, плавно раскручивая винт.
Счетчики оборотов, установленные в кабине, показывают числа оборотов двигателя и винта. Когда обороты двигателя и винта равны, это означает, что диски гидравлической муфты плотно прижаты друг к другу и можно считать, что муфта соединена по типу жесткого сцепления. В этот момент может быть плавно (без рывков) включена кулачковая муфта.
Наконец, для обеспечения возможности самовращения, несущего винта надо, чтобы винт автоматически отключался от двигателя. До тех пор, пока двигатель работает и вращает винт, кулачковая муфта находится в зацеплении. При отказе же двигателя его обороты быстро уменьшаются, но несущий винт некоторое время по инерции продолжает вращение с тем же числом оборотов; в этот момент кулачковая муфта выходит из зацепления.
Несущий винт, отсоединенный от двигателя, может продолжать затем вращение на режиме самовращения.
Полет на режиме самовращения с учебными целями производится при выключенном двигателе или при работающем двигателе, в последнем случае обороты его уменьшаются настолько, чтобы винт (с учетом редукции) делал большее число оборотов, чем коленчатый вал двигателя.
После посадки вертолета обороты двигателя сначала уменьшаются, выключается муфта сцепления, а затем останавливается двигатель. При стоянке вертолета винт всегда должен быть заторможен, иначе он может начать вращаться от порывов ветра.
Мощность двигателя вертолета расходуется на преодоление сопротивления вращения несущего винта, на вращение рулевого винта (6—8%), на вращение вентилятора (4—6%) и на преодоление потерь в трансмиссии (5—7%).
Таким образом, несущий винт использует не всю мощность двигателя, а только часть ее. Использование винтом мощности двигателя учитывается коэффициентом, который показывает, какую часть мощности двигателя использует несущий винт. Чем выше этот коэффициент, тем более совершенна конструкция вертолета. Обычно = 0,8, т. е. винт использует 80 % мощности двигателя:
Мощность поршневого двигателя зависит от весового заряда воздуха, всасываемого в цилиндры, или от плотности окружающего воздуха. В связи с тем, что с поднятием на высоту плотность окружающего воздуха уменьшается, постоянно падает также мощность двигателя. Такой двигатель носит название невысотного. С поднятием на высоту 5000—6000 м мощность такого двигателя уменьшается примерно вдвое.
Для того чтобы до определенной высоты мощность двигателя не только падала, а даже увеличивалась, на магистрали всасывания воздуха в двигатель ставят нагнетатель, повышающий плотность всасываемого воздуха. За счет нагнетателя мощность двигателя до определенной высоты, называемой расчетной, возрастает, а затем падает так же, как у невысотного.
Нагнетатель приводится во вращение от коленчатого зала двигателя. Если в передаче от коленчатого вала к нагнетателю имеются две скорости, причем при включении второй скорости увеличиваются обороты нагнетателя, то с поднятием на высоту можно дважды обеспечивать повышение мощности. Такой двигатель имеет уже две расчетные высоты.
На вертолетах, как правило, устанавливаются двигатели с нагнетателями.
Топливо для самолетов: как и чем заправляют воздушные судна
Каждый день в мире выполняется более 100 тысяч авиарейсов. В год мировая авиация потребляет около 300 млн тонн топлива. Эти цифры прекрасно отражают масштаб и сложность системы авиатопливообеспечения. Системы, от надежной работы которой во многом зависит безопасность миллионов людей, пользующихся авиатранспортом
Чем заправляют самолеты
Топливо для самолетов бывает двух видов. Поршневые двигатели, которыми оборудуются небольшие самолеты и вертолеты, работают на бензине — так же, как и автомобильные моторы. Правда, по составу такое топливо несколько отличается от автомобильного. Газотурбинные двигатели (турбореактивные и турбовинтовые), которыми сегодня оснащены практически все коммерческие воздушные суда, потребляют топливо для реактивных двигателей, которое также называют авиакеросином.
Основная марка авиакеросина, которым в России заправляют почти все пассажирские, транспортные и военные дозвуковые самолеты и большую часть вертолетов — ТС-1 — топливо сернистое. Оно вырабатывается из нефти с высоким содержанием серы.
В Европе основа системы авиатопливообеспечения — керосин Jet A-1. Он считается более экологичным как раз за счет меньшего содержания серы — при его производстве прямогонная керосино-легроиновая фракция полностью проходит процедуру гидроочистки. Российский авиакеросин — это смесь гидроочищеного и неочищенного прямогонного дистиллятов. В целом же это аналоги — более того, отечественный продукт может использоваться при гораздо более низких температурах, чем «Джет». ТС-1 сегодня наравне с Jet A-1 включен в международные документы и руководства по эксплуатации не только самолетов российского производства, но и лайнеров семейств Airbus и Boeing (правда, только выполняющих полеты по России). Но это авиакеросин для гражданской авиации, не предназначенный для сверхзвуковых самолетов.
Основное авиатопливо для сверхзвуковой авиации — РТ. При его производстве с помощью гидроочистки из нефтяного дистиллята удаляются агрессивные, а также нестабильные соединения, содержащие серу, азот и кислород. При этом повышается термическая стабильность топлива, что крайне важно при полетах на сверхзвуковых скоростях, когда за счет трения о воздух нагревается весь корпус самолета, а вместе с ним и топливо в баках.
Разумеется, РТ, обладающее такими характеристиками, можно использовать и в обычных воздушных судах вместо ТС-1. Для самых же скоростных самолетов применяется авиакеросин Т-6, обладающий еще большей термостабильностью и повышенной плотностью.
Что касается авиабензина, то это, по сути, автомобильное моторное топливо, но с улучшенными свойствами, влияющими на надежность работы двигателя. Именно потребность в повышении детонационной стойкости, октанового числа, сортности, обеспечивающих запас динамических характеристик и надежности, заставляет производителей авиабензина добавлять в него тетраэтилсвинец (этилировать). Из-за токсичности эта присадка давно запрещена при производстве автомобильного бензина, но двигатель самолета работает в гораздо более напряженном режиме, а создать неэтилированный авиабензин, не уступающий по характеристикам этилированному, октановое число которого превышает пока не удалось никому.
При этом самым современным и совершенным самолетам и вертолетам с поршневыми двигателями нужен авиабензин с повышенным октановым числом — не меньше 100. Поэтому разработкой экологичных аналогов этилированного авиабензина 100LL (одна из самых востребованных марок в мире) сегодня занимаются ведущие производители и научные центры во всем мире. В том числе подобная программа существует и у «Газпром нефти».
100 тысяч авиарейсов выполняется в мире каждый день
Заправка в крыло
Правильная организация заправки даже одного воздушного судна — процесс сложный и при этом очень ответственный. Инцидентов и катастроф, причиной которых стала некачественно организованная заправка, к сожалению, в истории мировой авиации произошло немало. Достаточно вспомнить аварию 2000 года, когда у Ту-154 авиакомпании «Сибирь», летевшего из Краснодара, при посадке в Новосибирске отказали все три двигателя. Как показало расследование, топливные насосы просто забило частицами эпоксидного покрытия, кустарно нанесенного на внутренние стенки топливозаправщика умельцами одного из краснодарских ремонтных предприятий. Но если в этом случае благодаря профессионализму пилотов обошлось без жертв, то в Иркутске при падении гигантского транспортника Ан-124 на жилые дома в 1997 году погибли 72 человека. Одна из версий причины отказа трех двигателей «Руслана» из четырех — превышение содержания воды в авиационном топливе, которое привело к образованию кристаллов льда, забивших топливные фильтры. Чтобы такого не случалось, весь процесс заправки очень жестко регламентирован, а само топливо проходит несколько проверок качества на пути от нефтеперерабатывающего завода до бака самолета.
Первый этап — выходной контроль на самом НПЗ. Однако качественные характеристики керосина могут измениться при его перевозке в случае несоблюдения всех правил транспортировки. Поэтому при приеме керосина на топливозаправочном комплексе (ТЗК), вне зависимости от того, каким путем оно пришло с завода: по трубе, как в аэропортах московского авиаузла или санкт-петербургском Пулково; железнодорожным или автомобильным транспортом, как это происходит в большинстве воздушных гаваней страны, или, тем более, если керосин проделал долгий путь, включающий и наземные и водные маршруты, как при доставке в отдаленные точки, такие как Чукотка, — обязательно проводится входной контроль. Из каждой партии берутся пробы для лабораторных исследований, а также арбитражная проба, которую сразу опечатывают и хранят на случай возникновения разногласий в оценке качества у разных участников процесса топливообеспечения. Само топливо при закачке в приемные резервуары ТЗК проходит через фильтры с тонкостью фильтрации не более 15 мкм.
Заправляют самолеты двумя способами. В крупных современных аэропортах перрон соединен с ТЗК системой центральной заправки, а на самолетных стоянках установлены топливные гидранты. Из них керосин в баки воздушного судна перекачивается через специальные заправочные агрегаты (ЗА). Однако пока все же более распространен другой способ — с помощью цистерн—топливозаправщиков (ТЗ). В свою очередь в ТЗ керосин наливается на пунктах налива — складских или перронных. В зависимости от размера цистерны топливозаправщик может вместить до 60 тысяч литров керосина.
Перед началом закачки топливо еще раз проверяют, правда, без использования лабораторий. Керосин сливается из резервуаров ТЗ в прозрачную банку, и визуально определяется наличие в нем воды, кристаллов льда или осадка. Также проверяется и наличие воды в баках самолета перед заправкой и после нее. Перед подсоединением рукава топливозаправщика к горловине бака и само воздушное судно, и ТЗ обязательно заземляются. В истории бывали случаи, когда разряды статического электричества воспламеняли топливо и вызывали серьезные пожары. Для обеспечения безопасности людей самолеты практически всегда заправляются до посадки в них пассажиров.
Где хранится керосин
Объем топливных баков самого крупного и вместительного до последнего времени пассажирского лайнера Boeing-747 достигает 241 140 л (у последних модификаций). Это позволяет залить около 200 тонн топлива. Более привычные ближне- и среднемагистральные Boeing-737 и Airbus A-320 могут принять по
В большинстве самолетов топливо размещается в крыльях и баке, расположенном в центральной части самолета. На некоторых моделях еще один бак есть в хвосте или стабилизаторе — для утяжеления задней части самолета и облегчения взлета, а также для регулировки центровки самолета в полете.
Сначала топливо вырабатывается из внутренних отсеков крыла, затем из концевых. Однако непосредственно к двигателям керосин поступает только из одного бака — расходного (как правило, центрального), куда перекачивается изо всех остальных емкостей.
Для того чтобы предотвратить снижение давления при расходе топлива и прекращения его подачи в топливную систему, все баки сообщаются с атмосферой с помощью специальных дренажных баков в концевой части крыла. Попадающий в них забортный воздух замещает объем израсходованного горючего.
Топливо по бакам на современных лайнерах распределяется автоматически с помощью бортового компьютера. Соблюдение баланса крайне важно, так как влияет на центровку самолета, нарушение которой может привести к самым печальным последствиям, вплоть до катастрофы. Контролировать же процесс заправки и скорректировать его в случае необходимости можно со специальной панели, расположенной рядом с местом подсоединения рукава.
Сам оператор топливозаправщика в процессе заправки держит в руке специальный прибор контроля Deadman, кнопку которого необходимо нажимать через определенные промежутки времени. Если этого не происходит, заправка прекращается — система воспринимает пропуск в нажатии как нештатную ситуацию. Как только заданное количество керосина попало в баки, автоматика отключает подачу топлива, и заполняются документы, фиксирующие результаты заправки.
Автоматизация по всем направлениям
Постоянно автоматизируется не только сам процесс того, как заправляют самолеты. Именно в этом направлении развивается и вся система авиатопливообеспечения. Уже сегодня клиенты лидеров мирового рынка в этом сегменте могут в онлайн-режиме заказать заправку своего самолета в любом аэропорту присутствия топливного оператора. Такую схему развивает, например, Air Total International, свою интегрированную облачную систему управления топливозаправкой создает и Air BP, причем делает он это совместно с глобальным центром планирования полетов RocketRoute, в платформу которого интегрируются данные о топливозаправочной сети по всему миру.
В этом же направлении двигается «Газпромнефть-Аэро» в рамках реализации программы «Цифровой ТЗК».
241 тыс. л — объем топливных баков одного из самых крупных и вместительных в настоящее время пассажирских лайнеров Boeing-747
Сам процесс заправки по такой схеме выглядит как кадр из фантастического фильма. К лайнеру на стоянке подъезжает ТЗ, пилот, как на обычной АЗС, платит за топливо пластиковой картой с помощью мобильного терминала, которым оборудован топливозаправщик. Водитель ТЗ с планшета оформляет и распечатывает документы, подтверждающие факт заправки для пилота — уже через 10 минут в офис авиакомпании приходят необходимые финансовые документы, а баки самолета заполняются топливом.
Наличие такой системы, очевидно, повышает конкурентоспособность топливных операторов, так как значительно упрощает и оптимизирует процесс планирования полетов их клиентам — авиакомпаниям.
Зеленый керосин
Еще одно направление развития авиатопливного рынка совпадает с вектором движения рынка автомобильного — это снижение уровня вредных выбросов в атмосферу. Главная технология здесь — создание более чистого топлива, в первую очередь за счет разработки и использования биокомпонентов.
На сегодня процедуру сертификации прошли несколько технологий производства авиационного биотоплива. Биокеросин производят из биомассы с помощью процесса Фишера — Тропша*, из растительного масла, создают горючее для самолетов и на основе этилового спирта. Биокомпоненты в разных пропорциях (максимум 50×50) смешиваются с обычным авиакеросином, что позволяет сократить объем выбросов углекислого газа в атмосферу почти на 50 %. При этом конечный продукт по химическому составу эквивалентен традиционному авиатопливу, и его применение не влияет на эксплуатационные характеристики самолетов.
Одним из первых коммерческие заправки биотопливом начал аэропорт норвежского Осло, а пионером в использовании экологичного керосина стала немецкая Lufthansa. Использование биотоплива одобрено Федеральной авиационной администрацией США (FAA), им уже заправляют свои самолеты в США несколько десятков авиакомпаний.
Но у развития этого направления есть одно но — производство биотоплива пока слишком дорого, поэтому сегодня, во времена низких цен на нефть, оно не может на равных конкурировать с обычным «Джетом», а тем более с ТС-1.
Полезные дополнения
Авиакеросин, как правило, не используется в чистом виде. Для улучшения его характеристик используются различные присадки. Основные из них:
Противодокристаллизационная (ПВК-жидкость): наиболее известная присадка этого типа — жидкость «И-М». При полете на большой высоте топливо охлаждается до очень низких температур (от −30°С до −45°С). В таких условиях вода, содержащаяся в топливе, кристаллизуется, частицы льда могут забить фильтры, и двигатель остановится. Присадки эффективно решают эту проблему.
Антистатическая: увеличивает электропроводность топлива, снижая при этом активность накопления статического электричества в топливной системе и, соответственно, риск возникновения пожара.
Антиокислительная: борется с окислением топлива и отложением смолистых образований в топливной системе и двигателе.
Противоизносная: увеличивает срок эксплуатации механизмов топливной системы.
* Процесс Фишера — Тропша — химическая реакция, происходящая в присутствии катализатора, в которой монооксид углерода (CO) и водород H2 преобразуются в различные жидкие углеводороды. Обычно используются катализаторы, содержащие железо и кобальт. Принципиальное значение этого процесса — производство синтетических углеводородов
Вертолеты
Основные идеи и краткая история
Вертолет, или, иначе, геликоптер, создает подъемную силу за счет вращения винта, в отличие от самолета, у которого подъемная сила создается поступательным движением аппарата.
Воздух обтекает лопасти вращающегося винта вертолета. Поскольку для создания подъемной силы не имеет существенного значения, создается ли движение путем перемещения всего аппарата или перемещением одного крыла относительно воздуха, то и основной принцип появления данной силы неизменен.
Иными словами, лопасть винта вертолета представляет собой аналог крыла самолета, у которого верхняя часть более «выпуклая», чем нижняя — для эффекта Бернулли.
Кроме того, как и крыло самолета, лопасть винта вертолета образует определенный угол атаки с горизонталью. Это делается для того, чтобы сила сопротивления воздуха при движении лопасти давала составляющую, направленную вверх.
Винт, в соответствии с 3-м законом Ньютона, воздействует на воздух с той же силой, с какой воздух действует на винт. Это приводит к движению воздуха. Движение воздуха направлено сверху вниз. Получается, что вертолет как бы висит на воздушных струях.
Вращение винта, в соответствии с законом сохранения момента импульса, создает так называемый «реактивный момент», закручивающий летательный аппарат в противоположную сторону. Для компенсации применяют либо соосную схему с двумя винтами, вращающимися в разные стороны, либо, чаще, используют малый хвостовой «подруливающий» винт, задача которого — создать момент в направлении, противоположном действию реактивного момента. Следует отметить, что реактивный момент свойственен не только вертолетам. В равной степени он возникает и на вращающемся винте у самолета (компенсируется вращением винтов в разные стороны, положением элеронов или рулей высоты).
Когда винт вертолета работает в горизонтальной плоскости, параллельно земле, вертолет может только висеть, поднимаясь выше и ниже (что, кстати, невозможно для самолетов). Чтобы вертолет начал двигаться вперед, ему необходимо изменить угол наклона винта так, чтобы винт толкал аппарат не только вверх, но и вперед.
Идея создания подобного аппарата, взлетающего при помощи винта, была высказана еще Леонардо да Винчи в 1475 году. Неоднократно совершались попытки построить подобный аппарат, в том числе и в России. Так, в 1754 г. М. В. Ломоносовым были проведены экспериментальные работы по определению подъемной силы летательного аппарата с соосными винтами. Однако практическое использование вертолета без мощного двигателя, даже при удачной попытке поднять аппарат в воздух, было невозможно. Вертолет в лучшем случае мог поднять вверх только себя самого.
Первый в истории вертикальный полет состоялся 24 августа (по другим источникам, 29 сентября) 1907 года и продолжался одну минуту. Вертолет, построенный братьями Луи и Жаком Бреге (Louis & Jacques Bréguet) под руководством профессора Шарля Рише (Charles Richet), поднялся в воздух на 50 см.
В России первый вертолетоподобный аппарат, с соосными винтами, создал и довел до стендовых испытаний в 1909–1910 гг. И. И. Сикорский, однако этой машине не хватало подъемной силы.
Вертолет классической схемы (с большим и малым винтами) появился после изобретения Б. Н. Юрьевым в 1911 году автомата перекоса.
Автомат перекоса — устройство, изменяющее угол наклона каждой лопасти несущего винта по мере движения по окружности. Подобное решение позволило в разных секторах, ометаемых винтом, иметь разные подъемные силы. За счет этого плоскость, в которой вращается несущий винт вертолета, переходит из горизонтального положения в наклонное, наклоняя при этом всю машину, то есть плоскость вращения винта образует некоторый угол с горизонтом. За счет этого поворота у «подъемной силы» появляется составляющая, направленная вперед. Автомат перекоса находится на втулке винта и управляется с помощью рукоятки в кабине пилота. С помощью этого устройства вертолет способен совершать поступательное движение.
К сожалению, попытки поднять в воздух первый вертолет Б. Н. Юрьева с несущим винтом диаметром 8 м и подруливающим винтом, вынесенным на хвостовую балку, оказались неудачными из-за недостаточной прочности вала главного винта.
