Letecké motory I

Letecké pístové motory I Letecké pístové motory I © 2024 by Josef Hranický is licensed under CC BY 4.0 2. Dělení a historie pístových motorů Letecké motory I ÚVOD •Tepelný stroj •Na principu 1. termodynamický zákon (Zákon zachování energie) •Respektuje 2. termodynamický zákon (neexistence Perpetuum Mobile) •Dva druhy: •Tepelný motor •Chladící stroje (tepelná čerpadla) •Funkce tepelného motoru je popsána Carnotovým cyklem •U pístových motorů (čtyřdobých) je se vyžívá Ottův cyklus 3 4 5 7 8 9 1 6 2 sací ventil výfukový ventil válec píst ojnice kliková hřídel vačková hřídel pístní kroužky zapalovací svíčka Dělení Druh paliva Lehké palivo (zážehové – letecký benzin) Těžké palivo (vznětové – diesel) Pracovní oběh Čtyřdobé Dvoudobé Počet válců Způsob chlazení Vzduchem chlazené Kapalinou chlazené Změna výkonu se změnou výšky Výškové (přeplňované) Nevýškové Podle výkonu Malého Středního Velkého Dělení •Uspořádání válců •Řadové •Jednořadé •Invertní •Dvouřadé V •Dvouřadé invertní •Dvouřadé protilehlé (boxer) •Třířadé W •Čtyřřadé H nebo X •Hvězdicové •Pevné •Jednořadé •Víceřadé •Rotační Pohonná jednotka TAH 1913 Ghone Monosoupape •9 válcový rotační motor •Jednoventilový motor – výfukový ventil •Sací ventil v pístu •Dodávka směsi paliva a vzduchu přes klikovou hřídel •75 kW (100 hp) 1911 Curtiss Model D •První vzlet z lodi •V osmilávec •Vodou chlazený •30 kW (40 hp) •80 km/h 1915 Curtiss OX 5 •Řadový V 8 •1. americký sériově vyráběný motor •Vodou chlazený •67 kw (90hp) •Ztrátové mazání (2 l/h) •Curtiss Jenny JH-4 1. Světová válka Řadové Hvězdicové rotační •Velký výkon •Složité chlazení •Velká hmotnost (setrvačníky) •Lepší aerodynamika letadla •Liberty •12 válců •312 kW (420 HP) •182 km∙h-1 (Airco D.H.9) •Nedostatečný výkon •Do 110 kW (gyroskopický m.) •Snadné chlazení •Nízká hmotnost •Zhoršení aerodynamiky letadla •https://www.youtube.com/w atch?v=0jHRuEkvO8E •Clerget •9 válců •97 kW (130 HP) •182 km∙h-1 (Camel) Caproni Ca.60 Sopwith Camel Airco D.H.9 2. světová válka •Rolls-Royce Merlin •Řadový dvanáctiválec V o výkonu 1096 kW (1400 HP) •Spifire Supermarine, Hurikane, De Havilland Mosquito, ... •Pratt & Whitney R-4360 •Čtyřhvězdivový motor s 28 válci, o výkonu 3200 kW (4300 HP) •B – 50, H-4 Hercules •Daimler-Benz DB 601 •Řadový invertní dvanáctiválec V o výkonu 865 kW (1160 HP) •Me – 109, He - 177 •Mikulin AM-38 •Řadový dvanáctiválec V o výkonu 1270 kW (1700 HP) •Il – 2, Il - 10 Hawker Hurricane Supermarine Spitfire Messerschmitt Bf 109 Heinkel He 177 Rolls-Royce Merlin Daimler-Benz DB 601 Iljušin Il-10 Iljušin Il-2 Boeing B-50 Superfortress Hughes H-4 Hercules Mikulin AM-38 Pratt & Whitney R-4360 Výpočet tahu pohonné jednoty Letecké motory I 2. Newtonův pohybový zákon (zákon síly) 𝐹 = 𝑚 ∙ 𝑎 𝐹 = 𝑚 ∙ ∆𝑐 ∆𝑡 𝑭 ∙ ∆𝒕 = 𝑚 ∙ ∆𝑐 = 𝒎 ∙ 𝒄𝟐− 𝒄𝟏 Veličina Význam 𝐹 Působící síla 𝑚 Hmotnost tělesa 𝑎 Zrychlení 𝑡 Čas ( ∆𝑡 – změna času) 𝑐 Rychlost ( ∆𝑐 – změna rychlosti) 𝐻 Hybnost tělesa Impuls síly Změna hybnosti tělesa Hybnost tělesa 𝑯 = 𝒎 ∙ 𝒄 Úloha č. 4 •Určete rychlost letu letounu, víte-li, že tah propulsní jednotky (vrtule) je 𝑅 = 8 𝑘𝑁. Poloměr kontrolního průřezu před vrtulí je 𝑟1=120 𝑐𝑚. Proud vzduchu je vrtulí urychlen na 200 𝑘𝑚 ∙ ℎ−1. Tato rychlost byla naměřena v kontrolním průřezu s poloměrem 𝑟2=100 𝑐𝑚. PRACOVNÍ CYKLUS – ČTYŘDOBÝ ZÁŽEHOVÝ MOTOR Letecké motory I. Izobarický děj -Nemění se tlak termodynamické soustavy 𝑝 = 𝑉 𝑇= 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑛í Izotermický děj -Nemění se teplota termodynamické soustavy 𝑇 = 𝑝 ∙ 𝑉 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑛í Izochorický děj -Nemění se objem termodynamické soustavy 𝑉 = 𝑝 𝑇= 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑛í Adiabatický děj -Nedochází k tepelné výměně mezi termodynamickou soustavou a okolím 𝑝 ∙ 𝑉𝑘= 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑛í -𝑘–Poissonova konstanta Polytropický děj -Popisuje reálné termodynamické děje přesněji než klasické výše uvedené procesy -Mění se všechny stavové veličiny 𝑝 ∙ 𝑉𝑛= 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑛í -𝑛 − 𝑝𝑜𝑙𝑦𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑐𝑘ý 𝑘𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡 𝑛 = 0 → 𝑝 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡ě (izobarický děj) 𝑛 = 1 → 𝑝𝑉 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡ě 𝑖𝑧𝑜𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑘ý 𝑑ě𝑗 𝑛 = 𝑘 → 𝑝𝑉𝑘= 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡ě (𝑎𝑑𝑖𝑎𝑏𝑎𝑡𝑖𝑐𝑘ý 𝑑ě𝑗) 𝑛 = ∞ → 𝑉 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡ě (𝑖𝑧𝑜𝑐ℎ𝑜𝑟𝑖𝑐𝑘ý 𝑑ě𝑗) Základní pojmy -Horní úvrať -Dolní úvrať -Zdvihový objem -Kompresní objem -Předstih -Propláchnutí p [𝑀𝑃𝑎] V [𝑐𝑚3] 0,1 Základní barometrický tlak vzduchu p=101,325 kPa p [𝑀𝑃𝑎] V [𝑐𝑚3] 0,1 DÚHÚ 𝑉 𝑧 − 𝑧𝑑𝑣𝑖ℎ𝑜𝑣ý 𝑜𝑏𝑗𝑒𝑚 𝑣á𝑙𝑐𝑒 𝑉𝑘 − 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑛í 𝑜𝑏𝑗𝑒𝑚 𝑣á𝑙𝑐𝑒 KLIKOVÝ MECHANISMUS – SILOVÉ PŮSOBENÍ Letecké motory I FUNKCE Zajišťuje přeměnu přímočarého vratného pohybu pístu na rotační pohyb klikové hřídele KINEMATIKA KLIKOVÉHO MECHANISMU 𝑅 − 𝑑é𝑙𝑘𝑎 𝑟𝑎𝑚𝑒𝑛𝑒 𝑘𝑙𝑖𝑘𝑦 𝐿 − 𝑑é𝑙𝑘𝑎 𝑜𝑗𝑛𝑖𝑐𝑒 𝑠 − 𝑑𝑟áℎ𝑎 𝑝í𝑠𝑡𝑢 𝛼 − úℎ𝑒𝑙 𝑜𝑡𝑜č𝑒𝑛í 𝑘𝑙𝑖𝑘𝑜𝑣é ℎří𝑑𝑒𝑙𝑒 𝛽 − úℎ𝑒𝑙 𝑜𝑑𝑘𝑙𝑜𝑛𝑢 𝑜𝑗𝑛𝑖𝑐𝑒 •Dráha pístu •Rychlost pístu •Zrychlení Předpoklad: •Goniometrie •Trigonometrie KINEMATIKA KLIKOVÉHO MECHANISMU •Optimalizace spalovacího procesu •Návrh komponent motoru •Vyvážení a snížení vibrací •Účinnost a výkon motoru •Diagnostika a údržba DRÁHA PÍSTU 𝑅 − 𝑑é𝑙𝑘𝑎 𝑟𝑎𝑚𝑒𝑛𝑒 𝑘𝑙𝑖𝑘𝑦 𝐿 − 𝑑é𝑙𝑘𝑎 𝑜𝑗𝑛𝑖𝑐𝑒 𝑠 − 𝑑𝑟áℎ𝑎 𝑝í𝑠𝑡𝑢 𝛼 − úℎ𝑒𝑙 𝑜𝑡𝑜č𝑒𝑛í 𝑘𝑙𝑖𝑘𝑜𝑣é ℎří𝑑𝑒𝑙𝑒 𝛽 − úℎ𝑒𝑙 𝑜𝑑𝑘𝑙𝑜𝑛𝑢 𝑜𝑗𝑛𝑖𝑐𝑒 𝑠 = 𝐿 + 𝑅 − 𝐿 ∙ cos 𝛽 + 𝑅 ∙ cos 𝛼 RYCHLOST PÍSTU 𝑅 − 𝑑é𝑙𝑘𝑎 𝑟𝑎𝑚𝑒𝑛𝑒 𝑘𝑙𝑖𝑘𝑦 𝐿 − 𝑑é𝑙𝑘𝑎 𝑜𝑗𝑛𝑖𝑐𝑒 𝑠 − 𝑑𝑟áℎ𝑎 𝑝í𝑠𝑡𝑢 𝛼 − úℎ𝑒𝑙 𝑜𝑡𝑜č𝑒𝑛í 𝑘𝑙𝑖𝑘𝑜𝑣é ℎří𝑑𝑒𝑙𝑒 𝛽 − úℎ𝑒𝑙 𝑜𝑑𝑘𝑙𝑜𝑛𝑢 𝑜𝑗𝑛𝑖𝑐𝑒 𝜔 − úℎ𝑙𝑜𝑣á 𝑟𝑦𝑐ℎ𝑙𝑜𝑠𝑡 𝑜𝑡áč𝑒𝑛í 𝑘𝑙. ℎ. 𝑐 = 𝑅 ∙ 𝜔 ∙ sin 𝛼 + 1 2∙𝑅 𝐿∙ sin 2𝛼 ZRYCHLENÍ PÍSTU 𝑅 − 𝑑é𝑙𝑘𝑎 𝑟𝑎𝑚𝑒𝑛𝑒 𝑘𝑙𝑖𝑘𝑦 𝐿 − 𝑑é𝑙𝑘𝑎 𝑜𝑗𝑛𝑖𝑐𝑒 𝑠 − 𝑑𝑟áℎ𝑎 𝑝í𝑠𝑡𝑢 𝛼 − úℎ𝑒𝑙 𝑜𝑡𝑜č𝑒𝑛í 𝑘𝑙𝑖𝑘𝑜𝑣é ℎří𝑑𝑒𝑙𝑒 𝛽 − úℎ𝑒𝑙 𝑜𝑑𝑘𝑙𝑜𝑛𝑢 𝑜𝑗𝑛𝑖𝑐𝑒 𝑎 = 𝑅 ∙ 𝜔2cos 𝛼 + 𝑅 𝐿∙cos 2𝛼 SÍLY PŮSOBÍCÍ V KLIKOVÉM MECHANISMU •Setrvačné síly pohyblivých částí mechanismu •Síla způsobené tlakem plynů na píst SETRVAČNÉ SÍLY POHYBLIVÝCH ČÁSTÍ MECHANISMU •Setrvačné síly od součástí, pohybujících se přímočaře •Píst, pístní čep a část ojnice •Setrvačné síly od součástí rotujících spolu s klikou •Klika a část ojnice SÍLY PŮSOBÍCÍ V OSE OJNICE A NA STĚNU VÁLCE •Celkovou sílu 𝐹 𝜀 lze rozložit na dvě složky •Složka K (kliková) •Působí v ose ojnice (směrem do klikového čepu) •Její působení se přenáší na klikový čep 𝐾 = 𝐹 𝜀 cos 𝛽 SÍLY PŮSOBÍCÍ NA KLIKOVÝ ČEP •Výslednou sílu K lze rozložit na 2 složky •Složka normálová Z •Složka tangenciální T •Vyvozuje kroutící moment 𝑀𝑘 𝑍 = 𝐾 ∙ cos 𝛼 + 𝛽 𝑇 = 𝐾 ∙ sin 𝛼 + 𝛽 𝑀𝑘= 𝑇 ∙ 𝑅 𝑅 − 𝑑é𝑙𝑘𝑎 𝑟𝑎𝑚𝑒𝑛𝑒 𝑘𝑙𝑖𝑘𝑦 •Působí-li na jeden klikový čep síly z více válců, pak se jejich tangenciální a normálové složky vektorově sčítají (v závislosti na úhlu mezi klikami) SÍLY PŮSOBÍCÍ NA KLIKU HŘÍDELE NĚKOLIKAVÁLCOVÉHO MOTORU VY VAŽOVÁNÍ MOTORŮ •Síly působící v motoru jsou dvojího typu: •Vnitřní síly •Způsobené tlakem rozpínajících se spalin a třením •Tyto síly jsou vyváženy reakcemi uvnitř motoru •Síly se nepřenášení na uložení motoru •Vnější síly •Odpor vzduchu proti otáčení vrtule, setrvačné síly od pohyblivých částí motoru, tíha motoru •Zatěžují lože motoru •Jsou-li tyto síly proměnlivé, tak mohou způsobovat vibrace – dynamická nevyváženost •Způsobují poruchy motoru a mohou působit také na konstrukci letadla •Dynamické vyvažování by mělo mít za cíl vzájemné vyrovnání vnějších sil •Hlavním zdrojem nevyváženosti jsou síly setrvačné. Vyvážení se provádí: •Vhodným uspořádáním klikové hřídele •Použitím protizávaží (setrvačné síly závaží vyrovnávají setrvačné síly motoru) ČÍSLOVÁNÍ VÁLCŮ •Číslování válců motoru je dle normy realizováno ze strany, kde je umístěn rozvodový mechanismus (opačné strana, než se odebírá výkon) •U víceřadých motorů se číslování začíná z levé strany 21 POŘADÍ ZAPALOVÁNÍ •Pořadí zapalování a správné načasování zapálení směsi hraje významnou roli při fungování motoru (nejčastěji způsobeno problémem v zapalovací soustavě) •Správné pořadí a načasování ovlivňuje plynulost chodu a maximalizaci výkonu motoru •Správné pořadí a načasování zajistí rovnoměrné rozložení silového působení (snížení opotřebení jednotlivých součástí – hlavně klikové hřídele) •Správné načasování zapálení směsi má vliv na účinnost spalovacího procesu (produkce emisí) •Nesprávné pořadí a načasování zapálení může mít za následek: •Snížení výkonu •Zvýšená produkce emisí •Nerovnoměrné silové působení – vznik vibrací •Zvýšené opotřebení součástí •Zvýšení spotřeby paliva PŘÍKLAD Č. 1 Ze vzorce pro výpočet dráhy pístu odvoďte výpočet pro určení zdvihu pístu. Pratt & Whitney R-4360 Lycoming XR - 7755 Konstrukce Napojení na klikovou skříň Pístní čep •Spojuje píst s ojnicí •Uložení v okách pístu a ojnice •Pevně v pístu a volně v ojnici •Volně v pístu a pevně v ojnici •Volně v pístu a volně v ojnici – nutné jištění pojistnými kroužky proti axiálnímu pohybu •Přenáší tlakovou sílu od plynů a setrvačné síly na ojnici •Vyrábí se normalizované •Často duté •Cementační nebo nitridační ocel •Nejčastěji obráběné z tyčového materiálu Pístní kroužky -těsnící •Slouží k utěsnění pracovního prostoru válce •Jedná se o pružící kroužky v jednom místě přerušeny zámkem •Válcové •Zkosené •Lichoběžníkové •Průměr kroužku je před vložením větší než vrtání válce •Po vložení do drážky je vlastní pružností přitlačován ke stěně válce •Přes zámek pronikají plyny -rozmisťování zámků rovnoměrně po obvodu •Kolmé •Šikmé •Přesazené •Nebrání průchodu oleje (částečně jej přečerpávají) •Vyrábějí se z jednozrnné šedé litiny Pístní kroužky -stírací •Na stěnu válce přiléhají menší plochou než kroužky těsnící •Drážka kroužku je propojena s vnitřním prostorem pístu •Tyto propojovací otvory slouží k odvodu oleje zpět do klikové skříně Chladící systémy Letecké motory I Teplo •Vznik: •Sdílení tepla od spalin •Tření •Odvod: •Vzduch •Chladící kapalina •Olej •Dopady přehřívání: •Degradace materiálu (snížení pevnosti) •Tepelné deformace •Zničení klíčových komponent (ventily, hlavy,…) Tepelná účinnost: 25 - 35 % Kapalina - úvod •Princip: •Kapalina absorbuje teplo od stěn válců a odvádí jej k radiátoru, kde se ochladí •Regulace průtoku kapaliny pomocí čerpadel a termostatů •Radiátor je navržen tak, aby maximalizoval kontaktní plochu s proudícím vzduchem •Umístění radiátoru (pod trupem, na křídle) minimalizuje aerodynamický odpor •Konstrukční prvky: •Chladící kapalina •Radiátor •Čerpadlo •Termostat •Rozvody Kapalina - konstrukce •Chladicí kapalina •Glykol – odolný vůči mrazu a korozi, špatný přenos tepla •Voda – výborný přenos tepla, snadno mrzne a vznik koroze •50:50 (do -37°C), 60:40 (do -45°C), 70:30 (do -55°C) •Přísad – antikorozní, antifreez, antioxidační, stabilizátory pěny, přísady proti usazování, biocidy, UV barviva •Radiátor •Konstrukce z mědi nebo hliníku – dobrá telpená vodivist •Žebrované povrchy zvětšují plochu pro efektivní odvádění tepla. •Umístění: pod trupem, na křídle nebo na boku motoru (minimalizace aerodynamického odporu). Vzduch Výhody •Nízká hmotnost •Jednoduchost systému •Nižší náklady na údržbu Nevýhody •Závislost na rychlosti proudění vzduchu •Méně efektivní při nízkých rychlostech nebo na zemi Kapalina Výhody •Rovnoměrnější chlazení všech částí motoru •Lepší výkon motoru při vysokých zatíženích Nevýhody •Vyšší hmotnost •Složitější konstrukce •Náročnější údržba •Riziko úniku chladicí kapaliny Přehřátí •Písty •Tepelná roztažnost •Písty jsou často vyrobeny z hliníkových slitin, které mají vysokou tepelnou roztažnost •Zvýšené tření, riziko zadření •Termická únava •Opakované vystavení vysokým teplotám způsobuje vznik mikrotrhlin, které mohou postupně vést ke strukturálnímu poškození nebo prasknutí pístu •Tavení povrchu •Extrémní teploty mohou způsobit lokální tavení materiálu pístu, zejména na okrajích nebo v oblasti koruny pístu, kde je teplota nejvyšší Přehřátí •Válce •Teplotní roztažnost •Přehřívání může vést k nerovnoměrnému roztažení stěn válce, což může způsobit ztrátu kruhovitého tvaru •Ovlivnění těsnosti •Riziko zvýšeného tření a zadření •Termická únava •Při vysokých teplotách může docházet ke změnám ve struktuře materiálu válce, což snižuje jeho odolnost vůči opotřebení •Ztráta mazacího filmu Přehřátí •Hlava válce •Tepelná roztažnost a termická únava •Při opakovaném zahřívání a chladnutí může dojít k tepelnému pnutí, které vede k prasklinám v hlavě válce, zejména kolem výfukových ventilů •Ventily a jejich sedla jsou vystaveny vysokým teplotám, což může způsobit deformaci, netěsnost nebo dokonce odlomení částí ventilu •Ložiska •Vysoká teplota •Degradace oleje – snížená mazací schopnost •Zvyšování teploty vlivem zvýšeného tření – tvarová a struktůrová degradace ložisek Avia M-337