CC BY
678
2005 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 85
серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов
УДК 656.7.079.66
К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ ЛЕТНОЙ ГОДНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ СВЕРХЛЕГКИХ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
И.В. НИКИТИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
В статье дан анализ основных характеристик и опыта эксплуатации двигателей, используемых для сверхлегких воздушных судов
Требования к двигателям для СВС
К моторным сверхлегким воздушным судам относятся сверхлегкие летательные аппараты с массой конструкции, не превышающей 495 кг и минимальной скоростью полета не более 65 км/ч. В настоящее время для СВС не установлены какие-либо международные стандарты и требования. Деятельность в области сверхлегкой авиации регулируется национальными нормами. Двигатель СВС является важнейшим его агрегатом, прямо влияющим на безопасность полетов, однако до настоящего времени ни в одной стране мира нет отдельных требований для двигателей СВС и не требуется их сертификация до установки на летательный аппарат (ЛА). Если двигатель не имеет сертификата типа, то он сертифицируется в составе СВС. При этом требования к двигателю и силовой установке устанавливаются отдельным разделом национальных требований к летной годности СВС.
Наиболее полно требования к летной годности СВС определены в национальных нормах Великобритании, ФРГ и Франции.
В Британских требованиях к летной годности сверхлегких летательных аппаратов BCAR Section S и европейских требованиях к очень легким самолетам IAR VLA (взлетная масса до 750 кг) значительное место уделено требованиям к составляющим и системам силовой установки, но требований к самому двигателю нет, соответствующий раздел только зарезервирован. Наиболее полно требования к двигателю изложены в требованиях немецкого союза сверхлегкой авиации DULV, действующих в ФРГ.
Основные из этих требований сводятся к следующим:
- двигатель должен работать на номинальной мощности долговечно и без колебания числа оборотов. При этом не должны наблюдаться явления: снижения мощности, перегрева и перегрузки.
- должно быть продемонстрировано доказательство усталостной прочности двигателя не менее 100 часов работы при получении допуска образца (сертификата типа) или не менее 50 часов работы при получении допуска для единичного экземпляра.
С учетом этих требований, можно определять годность двигателя для использования на единичном экземпляре СВС, исходя из его наработки на отказ не менее 50 часов.
Краткий обзор двигателей СВС и их основных характеристик
В отечественной практике для СВС на начальном периоде использовались преимущественно двухтактные двигатели, изготовленные на базе выпускаемых промышленностью мотоциклетных и лодочных моторов, а также моторов для снегоходов. Положительными качествами двухтактных двигателей являются их простота и небольшая масса. Эти факторы, в конечном итоге, и предопределили приоритет применения двухактных двигателей для СВС. Так в люби-
тельском авиастроении в СССР и России в 80-х и начале 90-х годов использовались лодочные двигатели «Привет-22», «Нептун-23», «Вихрь-25», «Вихрь-30», мотоциклетные: Иж-ПС, «Ява». Наибольшую популярность имел мотор от снегохода «Буран» РМЗ-640.
Однако уже в конце 80-х, начале 90-х годов у изготовителей легких поршневых двигателей наблюдается тенденция к созданию специализированных двигателей для сверхлегких ВС. Ведущими изготовителями двигателей для СЛА в настоящее время являются: компания BRP-Rotax GmbH & Co. KG - Австрия и фирма Göbler-Hirth Motoren KG - ФРГ. Компанией BRP-Rotax GmbH & Co. KG выпускается ежегодно около 9500 двигателей для СВС и фирмой Göbler-Hirth Motoren KG - ФРГ около 1000 двигателей для СВС. Существует еще несколько изготовителей, выпускающих специализированные двигатели для СВС, в их числе итальянские фирмы Simonini и Zanzotera, японская HKS, и некоторые другие, но их общий объем выпуска двигателей не превышает 15 % от объема компании BRP-Rotax GmbH & Co. KG.
В табл. 1 представлены основные характеристики моторов компании BRP-Rotax GmbH & Co. KG, а в табл. 2 моторов фирмы Göbler-Hirth Motoren KG, наиболее часто, используемых на СВС.
Таблица 1
Основные характеристики некоторых двигателей для СВС, выпускаемых компанией BRP-Rotax GmbH & ^. KG
Двигатель Число цилиндров Масса, кг Компоновка Рабочий объ- 3 ем, см Мощность, кВт Мощность, л.с. Обороты, об/мин Крутящий момент, Нм Обороты, об/мин Охлаждение
Rotax 914 UL 4 64 боксер 1211 84.5 115 5800 144 4900 СО
Rotax 912 ULS 4 56.6 боксер 1352 73.5 100 5800 128 5100 СО
Rotax 912 UL 4 55.0 боксер 1211 59.6 81 5800 103 4800 СО
Rotax 618 UL 2 30.9 рядный 617 48 73.8 6750 75 6000 ВО
Rotax 582 UL-1V 2 29.1 рядный 580.7 40 53.6 6000 68 5500 ВО
Rotax 582 UL-2V 2 29.1 рядный 580.7 48 65.0 6500 75 6000 ВО
Rotax 503 UL-1V 2 31.4 рядный 496.7 34 45.6 6500 51 5900 ЖО
Rotax 503 UL-2V 2 31.4 рядный 496.7 37 49.6 6500 56 6000 ЖО
Rotax 447 UL-1V 2 26.8 рядный 436.5 29.5 39.6 6500 46 6000 ЖО
Rotax 447 UL-2V 2 26.8 рядный 436.5 31 41.6 6500 47 6000 ЖО
Обозначения:
— СО - смешанное охлаждение воздушным потоком и охлаждающей жидкостью;
— ВВ - принудительное воздушное охлаждение вентилятором;
— ЖО - охлаждение охлаждающей жидкостью.
Зарубежные двигатели начали использоваться на СВС Российского производства с начала 90-х годов. По экспертным оценкам в России находилось и находится в эксплуатации около 1500 моторов выпущенных компанией BRP-Rotax GmbH & Co. KG, около 350 моторов, выпущенных фирмой Göbler-Hirth Motoren KG - ФРГ и примерно 300 моторов других изготовителей. В последнее время достаточно часто практикуется установка автомобильных двигателей, бывших в употреблении. Однако автомобильные моторы имеют существенный недостаток, заключающийся в большом весе.
Таблица 2
Основные характеристики некоторых двигателей для СВС, выпускаемых фирмой Göbler-Hirth Motoren KG
.а П « т а г и в W Число цилиндров г а ,а с с а s Компоновка Рабочий объем, см3 Мощность, кВт Мощность, л.с. Обороты, об/мин Крутящий момент, Нм Обороты, об/мин Охлаждение
F 36 A 1 9,4 210 11 14,9 6000 17,7 5500 ВП
F 33 A 1 12,7 312 18,1 24,6 6000 31,1 4800 ВП
F 33 E 1 13 312 18,1 24,6 6200 29,3 3500 ВП
F 33 B S 1 13 312 20,6 28 6000 32,3 5800 ВП
F 23 AS 2 24 боксер 512 33,1 45 6500 50 6000 ВП
F 23 BS 2 24 боксер 521 33,1 45 6500 49,5 6000 ВП
F 23 ES 2 24 боксер 521 33,1 45 6500 50 6000 ВП
2702 V 2 31 рядный 521 29,4 40 5500 57 4500 ВВ
2703 V 2 31 рядный 521 38,2 52 6500 60 5700 ВВ
2703 V-2 2 31 рядный 521 40,4 55 6200 66 5600 ВВ
3202 V 2 31 рядный 625 40,4 55 5500 71,6 5000 ВВ
3202 E 2 31 рядный 625 40,4 55 5500 71,6 5000 ВВ
3203 V 2 31 рядный 625 47,8 65 6300 74,2 6000 ВВ
3203 E 2 31 рядный 625 47,8 65 6300 74,2 6000 ВВ
H 32 2 31 рядный 625 47,8 65 6400 67,0 6000 ВВ
3503 V 2 36 рядный 625 51.5 70 6500 77,3 6000 ЖО
3503 E 2 36 рядный 625 51.5 70 6500 77,3 6000 ЖО
F 30 K 4 42 боксер 1042 59 80 5500 103 5000 ВВ
F 30 U 4 42 боксер 1042 77 92 6200 120 5700 ВВ
F 30 E 4 42 боксер 1042 68 83 6000 110 5000 ВВ
F 30 ES 4 42 боксер 1042 75 102 6500 116 5500 ВВ
H 30 4 42 боксер 1042 75 102 6500 116 5500 ВВ
3701 E 3 45 рядный 939 59 80 4350 125 4500 ЖО
3701 ES 3 45 рядный 939 74 100 6000 120 5500 ЖО
Обозначения: Е - двигатель с непосредственным впрыском; V - карбюраторная версия;
ВП - непосредственное охлаждение воздушным потоком; ВВ - принудительное воздушное охлаждение вентилятором; ЖО - охлаждение охлаждающей жидкостью; Н - версия для вертолета.
Как правило, в качестве основной характеристики двигателей изготовителями приводится одна из их внешних характеристик - зависимость мощности от оборотов при полностью открытой дроссельной заслонке. На рис. 1 представлены для сравнения внешние характеристики некоторых из указанных выше двигателей
Рис. 1. Сравнение внешних характеристик двигателей, наиболее часто используемых на СВС
Характерные отказы и неисправности двигателей СВС Отказы кривошипно-шатунного механизма
Характерным отказом для двигателя Rotax - 582 является разрушение нижнего шатунного подшипника. Несколько реже этот отказ проявляется на модели Rotax - 503 [ 1 ]. Разрушение подшипника, как правило, начинается с питтинга иголок (точечное отслаивание и выкрашивание твердых частиц поверхности от мягкой основы из-за контактной усталости подшипника, или перегрева подшипника). Осколки иголок вызывают подклинивание подшипника, что приводит к его перегреву. Перегрев подшипника вызывает оплавление сепаратора и упорных шайб. При дальнейшей работе двигателя происходит повышенный износ и разрушение подшипника. Продукты разрушения (частицы иголок, кусочки сепаратора и упорных шайб) вымываются в кривошипную камеру и через перепускные окна попадают в камеру сгорания. Эти частицы образуют на головке цилиндра и днище поршня глубокие забоины. Верхнее компрессионное кольцо из-за деформации днища поршня заклинивает. Частицы, попавшие между поршнем и цилиндром, вызывают глубокие задиры на юбке поршня и гильзе цилиндра. Это приводит к значительному снижению мощности, но двигатель остается работоспособным. Из-за повышенного люфта подшипника при движении поршня в нижнюю мертвую точку шатун начинает ударяться нижней головкой о картер. Дальнейшая работа двигателя приводит, как правило, к разрушению картера (рис. 2 а). Г оловка шатуна сначала растягивается, а потом рвется (рис. 2 б).
Подобный отказ имел место также и у аналогичных модельных рядов двигателей фирмы Göbler-Hirth Motoren KG. Однако в 1998 году фирма несколько изменила конструкцию коленчатого вала и заменила модель подшипника, после чего сведения о подобных отказах с двигателями этой фирмы перестали появляться.
Рис.2. Разрушение картера а) и шатуна б) вследствие разрушения нижнего шатунного
подшипника двигателя Rotax - 582
Тем не менее, для кривошипно-шатунного механизма двигателей фирмы Göbler-Hirth Motoren KG, характерен другой отказ - разрушение хвостовика и шейки коленчатого вала (рис. 3) по причине производственных дефектов. Проведенный анализ подобных отказов на выборке из 56 моторов показал, что наибольшая интенсивность отказов проявляется на начальной стадии при наработке до 100 часов. В дальнейшем их математическое ожидание стремится к постоянной величине, равной 0.15.
Рис. 3. Разрушение шейки коленчатого вала двигателя ИігіЬ Р 30 а) и хвостовика коленчатого вала двигателя ИігїЬ 3203 б)
На основании этого была выдвинута гипотеза о производственном характере дефекта и установлено, что основная причина разрушений заключается в появлении микротрещин в заготовках шейки и хвостовика при незначительных нарушениях температурного режима ковки. После этого на фирме был введен входной контроль заготовок, в результате которого стало браковаться до 20 % заготовок, и появилась надежда, что причины этого отказа удалось ликвидировать.
Отказы цилиндро-поршневой группы
Для деталей цилиндро-поршневой группы двигателей СВС характерны следующие эксплуатационные дефекты:
- износ и разрушение поверхностей верхней кольцевой канавки, кольца и его перемычки;
- оплавление и прогар днища поршня;
- интенсивное отложение нагара на элементах головки поршня (рис. 4 б);
- потеря подвижности колец;
- наволакивание металла и задиры на элементах цилиндро-поршневой группы;
- износ торцевых поверхностей колец и боковых поверхностей юбки;
- разрушение юбки поршня;
- образование трещин в бобышках поршня.
Отказы цилиндро-поршневой группы по своей частоте занимают первое место. Оплавление и прогар поршня (рис. 4 а) является характерным отказом для моторов Rotax - 582, и Rotax -503. У моторов фирмы Göbler-Hirth Motoren KG подобный отказ не наблюдался, это достигается за счет использования при изготовлении поршня специального сплава. Хотя отказы этой группы и являются наиболее частыми, они не характеризуют непосредственно надежность двигателей, так как основная их причины заключается в нарушении эксплуатационных ограничений и условий эксплуатации двигателей.
Рис. 4. Оплавление и прогар поршня а), наволакивание металла и задиры на поршне б).
Отказы топливной системы
Отказы топливной системы чаще всего связаны с обеднением или обогащением топливовоздушной смеси и имеют следующие причины:
- нарушение регулировки карбюратора (одной или нескольких систем);
- повышенное давление топлива;
- «тяжелый» или «легкий» воздушный винт;
- подсос воздуха в топливную систему или впускной патрубок;
- снижение производительности насоса;
- засорение элементов топливной системы.
Эти отказы редко связаны непосредственно с конструктивно-производственными недостатками двигателей. Их причинами могут быть ошибки при проектировании СВС и его силовой установки, а также не соблюдение рекомендаций по эксплуатации двигателя.
Отказы системы зажигания
Наиболее распространенная неисправность системы зажигания — пропуски воспламенения. Учитывая зависимость высоковольтного напряжения от оборотов и напряжения пробоя от зазора между электродами, основными причинами этого может быть:
увеличенный зазор между электродами,
утечка высоковольтного тока (пробои высоковольтной части системы зажигания, отложения и нагар на свечах, повреждения изолятора),
недостаточное напряжение (отказ генератора, датчика, электронного блока).
Сравнительный анализ надежности наиболее часто используемых двигателей СВС
Одной из основных количественных характеристик надежности двигателей СВС является среднее время безотказной работы. На рис.5. приведены данные о среднем времени безотказной работы двигателей, наиболее часто используемых на СВС. Данные получены на основе анализа опыта эксплуатации 170 двигателей фирмы Göbler-Hirth Motoren KG и экспертных оценок. Анализ приведенных данных показывает, что наиболее высокую надежность имеют четырехтактные двигатели модельного ряда Rotax - 914, Rotax - 912. Среди двухтактных двигателей наибольшую наработку на отказ имеет двигатель Rotax - 503. Это объясняется тем, что двигатель Rotax - 503 эксплуатируется дольше всех остальных двухтактных двигателей и имеет наиболее доведенную конструкцию и системы. Двигатели фирмы Göbler-Hirth Motoren KG уступают по среднему времени безотказной работы двигателям компании BRP-Rotax GmbH & Co. KG. Причина этого кроется прежде всего в том, что фирма Göbler-Hirth Motoren KG интенсивно обновляет модельный ряд своих двигателей и внедряет много конструктивных новшеств, что естественно приводит к появлению новых отказов по конструктивно-производственным причинам.
500 Т----------------------------------------------------------------------
Т (час)
450 -----------------------------------------------------------------------
Rotax Rotax Rotax HIRTH HIRTH HIRTH HIRTH HIRTH HIRTH
912 503 582 3701 3501 3203 2703 F33 F30
Рис.5. Сравнение среднего времени безотказной работы двигателей наиболее часто используемых на СВС
Со временем причины этих отказов устраняются, но на общую картину надежности двигателей они оказывают существенное влияние. Наиболее низкий уровень надежности отмечается у четырехцилиндрового двигателя F 30. Этот двигатель имеет наработку на отказ около 50 часов.
Выводы
1. На основе анализа опыта эксплуатации можно оценить положительно летную годность двигателей, характеристики которых представлены в табл. 1 и 2 и считать их годными для использования на СВС.
2. Учитывая, что двигатели СВС имеют невысокую надежность, целесообразно ввести в эксплуатационные ограничения ограничение в выборе маршрута и высоты полета, обеспечивающих безопасное выполнение вынужденной посадки в случае отказа двигателя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петров Д.Н. К^ах-2002// Авиация общего назначения. - Харьков, №2, 2002.
2. Никитин И.В., Корниюк П.В., Бушанский Н.А. "НШТН" - Пять лет в России// Авиация общего назначения. - Харьков, №3, 1999.
3. Никитин И.В., Корниюк П.В., Бушанский Н.А. "Н1ЯТН" - Пять лет в России// Авиация общего назначения. - Харьков, №2, 2000.
TO A QUESTION OF AN ESTIMATION OF THE VALIDITY TO FLIGHTS OF ENGINES OF ULTRALIGHT AIR COURTS
Nikitin I.V.
In article the analysis of the basic characteristics and operating experience of the engines used for ultralight air courts is given
Сведения об авторе
Никитин Игорь Валентинович, 1953 г.р., окончил МИИГА (1979), кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник МГТУ ГА, автор свыше 80 научных работ, область научных интересов -проектирование и конструкция, аэродинамика и динамика полета, методы испытаний, эксплуатация и практическое применение сверхлегких воздушных судов.
