Главная задача авиационного двигателя — оторвать тяжелый аппарат от земной поверхности и заставить его совершать поступательное движение в воздушной среде. Именно двигатель обеспечивает летательный аппарат необходимой для движения энергией. Тепловыми двигателями различных типов оборудуются сегодня все летательные аппараты, за исключением разве что планеров, дельтапланов и парапланов.
Сегодня в этой статье речь пойдет о самолетных и вертолетных двигателях. Мы рассмотрим, в чем они схожи и в чем различаются, и попробуем разобраться, что же лежит в основе этих различий и какими особенностями характеризуются вертолетные и самолетные двигатели.
Поршневые авиадвигатели. На самолетах и вертолетах
Первыми двигателями, установленными на самолетах и вертолетах, были поршневые моторы внутреннего сгорания. Они были установлены на аэропланах-этажерках на нижнем крыле и оснащались толкающим воздушным винтом. Но позже выяснилось, что эффективнее тянуть, и самолеты получили тянущий винт.
С появлением фюзеляжа двигатель переместился в носовую часть крылатой машины и вращал тянущий винт. На многомоторных военных, транспортных и пассажирских самолетах двигатели устанавливались на передних частях крыльев.
Самолет «Гаккель-VII» с поршневым двигателем «Аргус». Фото: интернет-музей российской авиации «Авиару.рф»
Вертолет появился позже самолета, действующие модели были созданы только в конце 1930-х – начале 1940-х годов, в период расцвета поршневых авиационных моторов, перед переходом на реактивную тягу. Установка поршневого двигателя на самолет проста: двигатель, винтовая группа с редуктором для снижения скорости вращения, механизм изменения шага винта.
В самолетах использовались два типа двигателей: рядные с жидкостным охлаждением и радиальные «звезды» с воздушным охлаждением. С вертолетными двигателями ситуация сложнее: жидкостное охлаждение не подходит из-за перегрева при отсутствии поступательной скорости полета, а воздушное охлаждение требует громоздкой системы с большими радиаторами. Кроме того, снижение веса и габаритов силовой установки для вертолета важнее, чем в случае двигателя жидкостного охлаждения. Поэтому рядный двигатель жидкостного охлаждения для вертолетов непригоден.
Легкий вертолет Ка-10 с двигателем АИ-4Г. Фото: интернет-музей российской авиации «Авиару.рф»
Большинство отечественных вертолетов, оснащенных поршневыми двигателями, имели «вертолетные» модификации самолетных моторов. Были и специально разработанные поршневые авиационные двигатели для вертолетов. Так, вертолеты Ка-10 и Ми-1 оснащались специально созданными двигателями АИ-4В и АИ-26 соответственно. Оба эти двигателя — поршневые, с радиальным расположением цилиндров и с воздушным охлаждением.
Особо стоит отметить, что некоторые типы поршневых двигателей ставились и на самолеты, и на вертолеты. Это тоже были моторы воздушного охлаждения с радиальным расположением цилиндров. И, как правило, первоначально двигатель проектировался в варианте самолетного, а уже после выпускалась его модификация для вертолетов.
Разбираемся на примерах
Для понимания рассмотрим буквально два примера. Первый — это двигатель АИ-14 (М-14). Это поршневой, 9-цилиндровый, однорядный, четырехтактный, звездообразный двигатель воздушного охлаждения мощностью 255-420 л.с. Двигатель был разработан и пошел в серийное производство как самолетный в 1950 году. Первым в серии самолетных моторов стал АИ-14Р мощностью 260 л.с. Он устанавливался на самолетах Як-12, Як-18А, Як-18П, Ан-14, PZL-104 «Wilga». Вертолетный вариант «четырнадцатого» был создан в 1952 году, получил обозначение АИ-14 В, устанавливался на вертолеты Ка-15 и Ка-18 и развивал мощность 255 л.с.
Як-12Р с двигателем АИ-14РФ. Фото: интернет-музей российской авиации «Авиару.рф»
По своей общей схеме самолетный и вертолетный двигатели были одинаковы. Но имелись и существенные различия. Первое — это конструкция редуктора у вертолетного варианта. Он имеет угловой редуктор с выводом мощности на вертикальный вал с фрикционной и храповой муфтами включения выводного вала. Второе — это система охлаждения. У АИ-14В охлаждение воздушное от осевого вентилятора, приводимого редуктором через фрикционную муфту. Впоследствии для вертолета Ка-26 был разработан вариант М-14ВФ26. Это был форсированный до 325 л.с. все тот же вертолетный вариант «четырнадцатого», отличающийся установкой несколько измененного конического редуктора и муфтой сцепления, рассчитанных под увеличенную мощность мотора.
Второй двигатель, рассматриваемый нами в качестве примера, — легендарный мотор Аркадия Швецова АШ-82. Это знаменитый советский авиационный мотор, устанавливавшийся в годы войны на ближних бомбардировщиках Су-2, истребителях Ла-5, Ла-5Ф/ФН, Ла-7, фронтовых пикирующих бомбардировщиках Ту-2 и дальних тяжелых бомбовозах Пе-8. После войны он также был достаточно востребован до наступления реактивной эры. С ним поднимались в небо истребители Ла-9, Ла-11 и пассажирские лайнеры Ил-12, Ил-14. Конструктивно АШ-82 представлял собой 14-цилиндровую двухрядную «звезду» — радиальный двигатель воздушного охлаждения, цилиндры которого располагались в два ряда.
Истребитель Ла-5ФН с двигателем АШ-82ФН. фото: интернет-музей российской авиации «Авиару.рф»
В самолетном варианте моторы М-82, М-82Ф и М-82ФН выпускались в двух модификациях: с редуктором с передаточным числом 9:16 для бомбардировщиков, штурмовиков и транспортных самолетов и с редуктором с передаточным числом 11:16 для истребителей. Передаточное число редуктора — это отношение числа оборотов вала винта к числу оборотов коленчатого вала в авиационном поршневом двигателе. После войны ОКБ Аркадия Швецова разработало вертолетный вариант этого двигателя — АШ-82В, который устанавливался на серийные вертолеты Ми-4 и Як-24.
Отметим очень важный момент, насколько различаются условия и режим работы поршневого мотора на самолете и вертолете на примере с двигателем АШ-82. Этот мотор, будучи установленным, скажем, на истребитель Ла-5ФН, раскручивает винт до скорости вращения около 1500 оборотов в минуту. Притом что скорость вращения коленчатого вала составляет 2500 оборотов в минуту на взлетном режиме. Крутящий момент передается от коленвала двигателя через редуктор на воздушный винт.
Вертолет Ми-4АВ с двигателем АШ-82В. Фото: интернет-музей российской авиации «Авиару.рф»
Возьмем вертолет Ми-4. По сути, двигатель с теми же самыми рабочими характеристиками должен раскручивать несущий винт в диапазоне скоростей от 192 до 260 оборотов в минуту. Понятно, что воздушный винт Ла-5ФН и несущий винт вертолета Ми-4 — это абсолютно разные виды воздушных винтов. Вдобавок они и вращаться должны с разными скоростями, причем скорость вращения несущего винта вертолета меньше в 5-8 раз, чем воздушного винта у самолета, а сам он имеет намного больший размах лопастей и, следовательно, весит больше самолетного. Значит, исходя из разных условий и режимов работы, становится понятным, что и редукторы, и сама передаточная трансмиссия для самолета и для вертолета совершенно различны. Более того, редукторно-трансмиссионная система вертолетных двигателей является более сложной, чем винтомоторная группа (ВМГ) самолетных моторов, что обуславливается сложным рабочим диапазоном скоростей несущего винта вертолета.
В качестве вывода отметим основные отличия вертолетного варианта двигателя АШ-82. На «вертолетном» двигателе АШ-82В использован двухступенчатый планетарный главный редуктор Р-5, связанный с мотором посредством вала, на мотор установлен новый насос непосредственного впрыска топлива, также изменена система охлаждения, осевой вентилятор установлен в передней части фюзеляжа вертолета (в данном случае речь идет о Ми-4), и, кроме этого, в вертолетной версии двигателя запуск производится не сжатым воздухом, а электроинерционным стартером комбинированного действия.
Казалось бы, один двигатель, а сколько разительных и принципиальных отличий у его вертолетной модификации от самолетной. Многие агрегаты и механизмы пришлось перепроектировать, изменить или добавить к самому двигателю и его редукторно-трансмиссионной части, чтобы приспособить его для работы на вертолете. Мы рассмотрели поршневые авиадвигатели, но прогресс в авиации неумолимо шел вперед, и на смену им пришли турбореактивные двигатели.
Источник: