3.11.1. Силовые установки с поршневыми двигателями

До 50-х годов поршневые двигатели были основным типом силового привода НВ вертолетов. Тогда газотурбинных двигателей (ГТД) для вертолетов еще не было создано, так как они находились в начале своего развития. В дальнейшем по ряду характеристик, в первую очередь по удельной массе, по величине мощности в одном агрегате, ГТД значительно превзошли поршневые.

В настоящее время ПД используются в основном на вертолетах легкой весовой категории Е-1-Л1 и Е-1-Л2, что подтверждается статистическими данными и обусловлено рядом причин:

• отсутствием серийных ГТД относительно малой мощности (надежных ГТД мощностью, меньшей 250 л.с., практически нет);

• относительно небольшой потребной мощностью, передаваемой трансмиссией;

• сравнительно невысокой степенью редукции трансмиссии из-за малого числа оборотов поршневого двигателя, что позволяет применять ременную передачу.

Отличительная особенность этих силовых установок на основе ПД: наличие системы охлаждения с вентилятором, муфты включения и муфты свободного хода, объединенных на некоторых вертолетах в один агрегат, а также трансмиссии с шарнирными и упругими сочленениями валов и редукторов.

В большинстве случаев используются ПД воздушного охлаждения, хотя не снят вопрос применения ПД водяного охлаждения.

Располагаемая мощность двигателя в силовой установке с механической трансмиссией не полностью используется несущим винтом вертолета. Часть мощности двигателя (~5%) расходуется на привод вентилятора, ~3...5% ‒ на преодоление трения в редукторах и трансмиссии. У одновинтового вертолета часть мощности расходуется на привод хвостового винта (7...8% ‑ на режиме висения вертолета, 3...4% ‑ на крейсерской скорости). КПД силовой системы привода одновинтового вертолета с ПД равен ~ 0,82...0,89.

Для обеспечения необходимой скорости вращения НВ общее передаточное число редукторов, понижающих обороты ПД в силовых приводах вертолетов с механической трансмиссией, равно ~7...14.

Для вертолетов с поршневыми двигателями (ПД) желательно иметь многоцилиндровые двигатели, у которых наименьшая степень неравномерности крутящего момента. Это способствует уменьшению крутильных колебаний и вибраций в трансмиссии вертолета.

Если в расчетном случае необходимо рассматривать нагружение при действии крутящего момента от двигателя, то эксплуатационное значение крутящего момента принимается равным

, (3.71)

где ‑ среднее значение крутящего момента двигателя при установленной мощности; ‑ поправочный коэффициент, величина которого зависит от типа установленного на вертолете двигателя (табл. 3.13)

Таблица 3.13

Конструкция двигателя с вертикальным расположением коленчатого вала является весьма желательной, так как она уменьшает массу силовой установки за счет упрощения трансмиссии вертолета. Однако вертикальное расположение коленчатого вала "горизонтального" двигателя сопровождается ухудшением смазки его подшипников, усложнением установки вентилятора охлаждения и привода рулевого винта, обеспечением нормальной центровки и т.д.

Трансмиссия и редукторы вертолета составляют значительную часть общей массы силовой установки. По статистическим данным масса трансмиссии легких вертолетов (  ≤ 2000 кг) составляет 50…120% от массы двигателя (для вертолетов массой более 5000 кг масса трансмиссии примерно равна массе двигателя).

К массе двигателя на вертолетах относят массы всех укрепленных на нем агрегатов, необходимых для его работы, а также массу смазки в картере. Масса системы крепления двигателя (рамы двигателя) берется с учетом амортизаторов подвески двигателя. К системе управления двигателем относят пульт (ручки) управления в кабине летчика и все элементы управления до двигателя. Система охлаждения состоит из вентилятора, капотов, радиатора (при жидкостной системе охлаждения) и исполнительного органа регулирования охлаждения (см. Приложения 6 и 7).

Масса системы смазки силовой установки состоит из массы следующих агрегатов: масляных баков, масляных радиаторов, арматуры, маслопроводов, дренажа, а также массы крепления этих агрегатов к фюзеляжу и массы масла, находящегося в системе смазки.

При предварительном и эскизном проектировании массу частей и агрегатов силовой установки можно выбрать по статистическим данным вертолетов с однотипными двигателями. Для некоторых агрегатов и систем силовой установки можно использовать даже статистические материалы по массе однотипной силовой установки самолета. В силовую установку входит много готовых агрегатов и деталей, массы которых известны. Поэтому массу силовой установки можно вычислить достаточно точно.

Как видно, существенными недостатками силового привода на основе ПД являются: его большая масса, относительная сложность конструкции, высокая стоимость изготовления, большие затраты времени на уход и наземную эксплуатацию (особенно в условиях низких температур окружающей среды). К преимуществу ПД следует отнести небольшой расход топлива.

Установка двух двигателей на вертолет небольшой взлетной массы, имеющий удельную нагрузку на НВ  200 Н/м², нецелесообразна, так как удельная масса и расход топлива у маломощных двигателей выше, чем у двигателя двойной мощности. Кроме того, усложняется конструкция систем силовой установки и возрастает ее стоимость [76].