CC BY
89
Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета №5(47), часть 3, 2014 УДК 621.431.75
АКТУАЛЬНОСТЬ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ РОТОРНО - ПОРШНЕВОЙ ТЕМАТИКИ
© 2014 В В. Окорочков1, В.М. Окорочкова2, В.В. Шафранов3
Открытое акционерное общество «Кузнецов», г. Самара Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет) 3Открытое акционерное общество «АвтоВАЗ», г. Тольятти
Рассмотрены вопросы развития тематики роторно-поршневых двигателей и их применения в лёг-комоторной авиации, дистанционно пилотируемых летательных аппаратах (ДПЛА) и для привода генераторов, насосов, компрессоров и т.д. при наземном использовании за рубежом и в России. Приведена разработка проекта мощностного ряда двигателей в диапазоне 8...200 л.с. с использованием материальной части трёх типоразмеров.
Роторно-поршневые двигатели, модуль, ротор, статор, системы охлаждения и зажигания, легкомоторная авиация, ДПЛА, генератор, компрессор.
Практически полное отсутствие про- ласти дистанционно пилотируемых лета-
изводства отечественных авиационных тельных аппаратах военного назначения, поршневых двигателей (ПД) в нашей где по определению, должны использо-
стране в настоящее время является одним ваться отечественные комплектующие. В из серьёзных факторов, сдерживающих табл. 1 представлен неполный перечень
развитие малой авиации и, в частности, отечественных ДПЛА, использующих
беспилотных летательных аппаратов поршневые двигатели. Ни на одном из ЛА
(ЛА). Особо остро это ощущается в об- нет двигателя, производимого в России.
Таблица 1 - Перечень отечественных ДПЛА с ПД
№№ п/п Фирма ДПЛА Взлётная масса, кг Мощность двигателя, л.с.
КА-37 250 2x33
1. ОАО «Камов» КА-137 280 65
КА-135 300 80
2. НПЦ « АнтиГрад-Авиа» Нарт 1100 2x90
3. ОКБ «Сокол» Данем Дань-Барук» 450 500 100 100
4. ОАО «Кулон» Пчела Пчела- 1Т» 100 140 20 32
5 ОАО «Иркут» Иркут-200 Иркут-850 180 860 60 100
6. ОАО «Луч» Типчак 50 15
7. ОАО «Транзас» Дозор-2 Дозор-3 Дозор-4 Дозор-600 38 500 85 600 5,5 100 12 80
8. ОАО «Эникс» Е 08Д «Берта» М850 «Астра» Элерон-10 Д 150 130 12 40 40 5
9. ОАО «Туполев» Проект 1000 160
10. ООО «га1аАего» 421-02х 421-09 90 70 38 (AR-731) 20
11. НПЦ « Вега» Аист 600 2x60
12. НПЦ «СА Лавочкин» Калибри 380 75
Для Д11ЛА необходимы двигатели с высокими требованиями по удельным параметрам: массе, габаритам, экономичности и надёжности. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают роторно -поршневые двигатели (РПД), в виду меньшего, чем у традиционных ПД количества деталей (рис.1), отсутствия возвратно - поступательного движения подвижных частей, меньшего отношения массы и габаритов к мощности, меньшего уровня вибрации и шума, высокой равномерности крутящего момента и простоте конструкции. К положительным качествам РПД относится многотопливность и возможность обеспечения работоспособности на авиационном керосине и дизтоп-ливе.
Рис. 1. Сравнение количества деталей (модулей) четырёхтактного четырёхцилиндрового двигателя и двухсекционного РПД одинаковой мощности
РПД, обладая простотой конструкции 2-х тактного двигателя (отсутствуют клапаны, распределительный вал с приводом и т.д.), работает по 4-х тактному циклу и имеет лучшую экономичность во
всем диапазоне мощности, а с уровня мощности ~30 л.с. и лучшие массо-габаритные параметры. В табл. 2 представлены данные авиационных двигателей для ДПЛА: 2-х тактного П - 032 с параметрами, соответствующими мировому уровню, и РПД AR-731, производства английской фирмы UAV. Сравнение параметров показывает существенное преимущество РПД по всем позициям.
За рубежом и в России разработаны и опубликованы теоретические вопросы проектирования РПД, позволяющие получать необходимые параметры двигателей. [1, 2]. Решены технологические проблемы изготовления специфических для РПД деталей. РПД серийно производятся рядом зарубежных фирм (табл. 3). Фирма «Freedom motors» (США) производит широкий ряд РПД мощностью от 2,5 до 270 л.с. для авиации и наземного применения (бензогенераторы, компрессоры, водопомпы, колёсный и водный транспорт и т.д.) [3]. Английская фирма «UAV» выпускает РПД для ДПЛА ряда стран (более 30 ДПЛА) в диапазоне мощностей 38... 120 л.с. [3]. Японская фирма «Mazda» производит РПД автомобильного и авиационного применения в диапазоне мощностей 230...690 л.с. с литровой мощностью до 265 л.с./л. с удельным расходом -205...220 г/л.с.ч. (рис. 2).
Рис. 2. Параметры 4-х секционного РПД с ТН фирмы «Mazda»
Таблица 3 - Перечень стран (фирм), производящих РПД
Таблица 2 - Сравнение параметров двигателей с воздушным охлаждением: двухтактного ПД П-032М и РПД АЯ-731___
ПД П - 032М РПД AR-731 Преимущество РПД
Топливо 2х -тактная смесь 2х - тактная смесь
Рабочий объём, см3 444 208 < в 2,15 раз
Мощность, л.с. 32 38 > в 1,2 раз
Удельный расход топлива, г/л.с.ч. 0,35 0,24 < в 1,46 раз
Литровая мощность, л.с./л. 72 182 > в 2,5 раз
Частота вращения, об/мин 6800 7500 > в 1,1 раз
Масса, кг 12,5 9,9 < в 1,26 раз
Страна Фирма Двигатель
Англия UAV Cubewano Rotron AR-731, AR-741, AR-801, AR-682 Sonic 20,-25,-35 (W=l,5; -5,5; -11 л.с) 22 л.с. n= 7600см3 V=220 cm3
Германия Woelfle Engineerinq G mbH WST AUDI MWE Weslley Mahler Wankel Rotary G mbH Aikro XR 50 56л.с. да=17кг n= 11000 об/мин V= 294см3 Audi -AI 2x2x407 n=6000 об/мин N= 160 л.с
Швейцария Mistral G-360T3, G-300, G-200, G-230TS
Австрия Austro engine AE-50, AE-75
США Freedom motors 2,5.... 270 л.с. (1,2,3,4,6 секционный)
Канада WST, OMC, LML
Япония Mazda Nitto 12A, 13B, - 230 л.с./8200 20ER -Зл.с./ЮОО, 20EP- 1,8 л.с./ЮООО 20EN-3ac./18000
Южная Корея WST LML
Китай Chery F=800cm3 Для гибридной СУ авто
Индия Nishant Ж=55л.с. п= 8100 об/мин М=30кг F=324cm3 71x11,6x0,5x75,2
Италия
Нидерланды LML, WST
В России РПД мощностью 40...45 л. с. производились во ВНИИМОТОР-ПРОМе (г. Серпухов) для тяжёлых мотоциклов. СКБ РПД «АвтоВАЗ» разработаны и производились РПД автомобильного и авиационного назначения в диапазоне мощностей 40...300 л.с. (~30 типов двигателей) (рис. 3). Наработка лидерных автодвигателей составляла 3000 ч.
Следует отметить, что особенности конструкции и рабочего процесса РПД
определяют характеристику двигателя, неблагоприятную для использования его на автомобиле в городских условиях, т.к. на частичных углах открытия дросселя (меньше 50%) РПД уступают традиционным ПД в экономичности. При использовании РПД в авиации, лодочных моторах и других изделиях, работающих преимущественно в верхнем диапазоне открытия дросселя, этот недостаток минимизируется.
ВЛЗ-416 ВА*-426
□ инитмн типичного «сшэнлаи
Обоздоднне Рабочий Взлетная С>-хая Высота, Ширина, Дтна.
дм1 мощность,^ С масса, кг мм мм мм
1КАТ-41 А 2x0 64 ш 125 600 600 8151
ЕАЭ-4Ш 2x0,654 180 ¡25 600 600 835
ВЛЗ-4!62* 2*0,654 200 125 600 600 835
ШАЗ-426 1Ю N5 М " ф 10501
3 к0 654 240 145 600 до 1050
ВлЗ-4262 3x0.654 270 145 600 600 1050
ВАЗ-426Я* 3x0,654 300 145 600 600 ¡050
Удельный раскол топлива на крейсерском режиме - 205г/л.с.ч.
Направление вращения вала пита - правое.
Редуктор - одноступенчатый с цнлнпдрпческими шестернями.
Оборот ы ииш а - 1900.. .2 ЙООмин-1 (пи требованию такаэ чнка).
Снегам охлаждения - жидкостная, закрытая.
Система смазки - мш5инированкаяг с «мокрым» картером.
Топливо - аьт омобклъпый бенитн с 04 не ниже 90.
Масло ■ автомобильное масла класса ЬС
Рис. 3. Авиационные РПДАвтоВаза
Небольшая серийность авиационных двигателей не позволяет обеспечить высокую рентабельность их выпуска и, следовательно, заинтересованность предприятий осваивать производство. Выходом из этой ситуации является двойное применение материальной части авиационных РПД как двигателя для подвесных лодочных моторов (ПЛМ), компрессоров и приводов электрогенераторов, насосов и т.д.
Одним из перспективных направлений развития роторно-поршневой тематики может быть компрессоростроение. Компрессорная тематика является серьёзным самостоятельным направлением развития технологии роторно - поршневой техники, не менее значимой и высокотехнологичной в своей области, чем РПД в двигателестроении [4].
Оценка роли компрессоростроения в экономике развитых стран, а также изучение ситуации на компрессорном рынке в
России по номенклатуре и качеству представленного на нём оборудования показывает, что успешное решение компрессорной проблемы послужит укреплению технологического, энергетического и оборонного потенциала страны. Целесообразность развития этой темы обусловлена высоким уровнем рентабельности компрессорного оборудования высокого класса, характеризуемым удельными показателями его цены (табл. 4).
Высокие удельные параметры роторно - поршневых компрессоров (РПК) обусловлены не только способностью этой схемы работать на высоких частотах вращения в виду отсутствия возвратно -поступательного движения, но и возможностью в одной секции организовать две рабочие ветви нагнетания воздуха. Габаритные размеры и масса обычного поршневого компрессора и РПК приведены на рис. 4.
Таблица 4 - Количественные и стоимостные характеристики компрессорного оборудования в России
Классы компрессоров по качеству сжатого воздуха
Промышленный Индустриальный Медицинский
Объём продаж, шт/год Более миллиона Тысячи Сотни
Доля изделий импортного производства, % >95 >99 100
Цена 1 кг товарной продукции, руб/шт 350...500 600... 1000 20000... 30000
Цена 1 кВт мощности, руб/кВт 5000... 10000 25000... 35000 50000... 100000
Видно, что РПК вчетверо компактней и легче традиционного ПК. По ряду важнейших свойств компрессоры других схем уступают РПК:
- по степени повышения давления ~ вдвое;
- по объёмной эффективности (отношение подачи к рабочему объёму) ~ в полтора раза;
- по скважности (отношение времени непрерывной работы при полной нагрузке к общему времени эксплуатации)- в полтора раза;
- по равномерности подачи, удельному энергопотреблению, загрязнению воздуха маслом, долговечности и себестоимости.
Сравнение параметров компрессоров различных типов приведены в табл.5. Как видно из приведённых данных, РПК имеет существенное преимущество по всем позициям.
Пример использования РПК в составе автомобильного кондиционера показан на рис. 5. Компрессоры широко используются не только в промышленных предприятиях, но и в транспортных средствах:
Таблица 5 - Сравнение параметров компрессоров различных типов (с давлением 0,7 МПа)
Параметры компрессора Винтовой Поршневой РПК
Масса (кг)
-компрессорные головки 120 565 35
-компрессорные установки 600 1800 200
Габаритный объём, м3 0,70 2,6 0,35
Ресурс (2х103) 20 8 20
Производительность, \rV\i 120 225 300
Энергопотребление, Дж/л 560 315 295
Цена, тыс. руб. 270 111 100
Себестоимость 1000 м3 газа с производительностью 300 м3/м, руб 432 445 116
в системах кондиционирования воздуха, пневмотормозов и др. Это обуславливает их большую серийность при изготовлении, что способствует снижению себестоимости.
Рис. 4. Габаритные размеры и масса поршневой и роторно - поршневой воздушных компрессорных головок
Рис. 5. Роторно - поршневой компрессор автомобильного кондиционера
Для удовлетворения потребностей Таблица 6 - Мощностной ряд РПД малой и беспилотной авиации в ОАО «Кузнецов» разработан ряд РПД разной размерности в диапазоне мощностей 8...200 л.с. [5,6]. Размерность РПД определяется объёмом рабочей камеры, который зависит от четырёх характерных параметров:
а - производящего радиуса; е - эксцентриситета; к - эквидистанты;
Н - ширины секции или высоты ротора. Величины этих характерных параметров связаны оптимальными соотношениями и не могут выбираться произвольно друг от друга. [5].
С учётом стандартного ряда подшипников выбраны три размерности РПД,
на основе которых разработаны проекты Л/Г „ г
5 Мощностной ряд может быть рас-ряда двигателеи в одно- и двухсекцион-
г ^ ширен увеличением числа секции и уста-
ном исполнении при различных частотах „ г „
, _ „г новкои турбонагнетателя. Двигатели
вращения (табл. 6). 0
г мощностью 8...24 л.с. имеют воздушное
охлаждение статора от набегающего по-
Типоразмер Кол-во секций Частота вращения об/мин Мощ НОСТЬ, Л.С.
I 1 7000 8
52x8x0,5x35 1 10000 12
Г =76 см3 1 15000 18
2 7000 16
2 10000 24
II 1 5200 30
80x12x1x68 1 6500 40
Г-З45см3 1 8500 50
2 5200 60
2 6500 80
2 8500 100
III 1 6500 70
100x14x2x80 2 6500 140
Г-594см3 2 7500 180
2 9000 200
тока при полёте ЛА или от встроенного вентилятора при использовании РПД в качестве привода электрогенераторов, насосов и т.д., а охлаждение внутренней полости (ротора, подшипников) - свежим топливным зарядом. Для двигателей большей мощности охлаждение статора -жидкостное, а внутренней полости - свежим воздухом с добавлением дозированной подачи масла (~1... 1,5%).
Таблица 7 - Параметры РПД-100
Прокачка воздуха выполняется вентилятором на входе и отсосом на выходе эжектором, работающем на выпускных газах. В табл. 7 приведены параметры двухсекционного РПД - 100 с объёмом секции 345см в атмосферном исполнении, а на рис. 6 - продольный разрез эскизного проекта силовой установки с РПД-100 с редуктором и встроенным генератором. Вид основных деталей двигателей мощностью 8 и 100 л.с. приведён на рис. 7.
Наименование параметра Значение параметра Примечание
Мощность, кВт/л.с. - эффективная взлётная -действительная, с учётом отборов на генератор, глушитель, вентилятор, помпу 73,5 (100) 81,9 (117)
Частота вращения вала двигателя, об/мин 8500
Удельный расход топлива на крейсерском режиме, кг/кВтч (кг/л.с.ч) 0,3/0,22
Редуктор Шестерёнчатый, двухступенчатый
Передаточное отношение редуктора 3,739
Частота вращения вала винта 2270 Воздушный винт - толкающий
Мощность генератора, кВт 5,0 Встроенный, расположен на валу двигателя
Система топливо питания Распределённый впрыск низкого давления По две форсунки на каждую секцию
Система зажигания Электронная, дублированная питанием 27 В Без высоковольтных проводов
Габаритные размеры (мм): длина х ширина х высота 630 х 400 х 400
Сухая масса, кг 50 С генератором, редуктором, выпускной системой, без радиатора
Рис. 6. Продольный разрез двухсекционного РПД - 100
Рис. 7. Основные детали модулей двигателей РПД-8 и РПД-100
С целью увеличения серийности и рентабельности производства целесообразно использовать спроектированные двигатели в подвесных лодочных моторах. Замена двухтактного двигателя «Вихрь - 30» на РПД с сохранением дейдвуда и подвески позволит существенно улучшить потребительские свойства ПЛМ: снизить уровень вибрации и шума,
уменьшить удельные расходы бензина и масла в 1,5 раза с одновременным увеличением мощности в 1,5 раза [7]. Сравнение модулей РПД - 45 и «Вихрь - 30» приведено на рис. 8. В виду меньших размеров при большей мощности РПД помещается в существующий поддон и под капот ПЛМ «Вихрь - 30».
Рис.8. Сравнение модулей РПД- 45 и Вихрь - 30
Таким образом, тематика РПД, как приоритетное направление развития ПД, открывает широкие возможности и позволяет:
-разрабатывать лёгкие и компактные авиационные двигатели необходимой мощности с учётом изложенных предложений до 200 л.с. в атмосферном исполнении и до 300 л.с. с турбонаддувом; - обеспечить низкую себестоимость двигателя ввиду простоты конструкции, ограниченного количества деталей, малой
металлоёмкости и трудоёмкости изготовления;
- обеспечить востребованность и устойчивый спрос на изделия с РПД благодаря высоким потребительским свойствам, удельным параметрам, надёжности и ресурсу двигателей;
- обеспечить высокую серийность и рентабельность производства за счёт высокого уровня унификации и двойного применения матчасти (авиадвигатели, ПЛМ, привод генераторов и насосов, компрессоры).
Библиографический список
1. Бениович B.C., Апазиди Г.Д., Бойко A.M. Ротопоршневые двигатели. М.: Машиностроение, 1968. 151 с.
2. Kenichi Yamamoto. Rotary Engine. Published by SankaidoCO.Ltd, Tokyo-Japan, 1981. 67 p.
3. Кочеров Е.П., Кононов В.А., Око-рочков В.В., Окорочкова В.М., Иванова К.П. К вопросу о развитии тематики ро-торно-поршневых двигателей за рубежом и России // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2011. № 3(27), ч. 4. С. 207-214.
4. Лебедев Н.В. Позиционирование конструкции роторно-поршневого компрессора на стадии разработки // Ком-
Информация
Окорочков Владислав Владимирович, начальник отдела поршневых двигателей ОКБ ОАО «Кузнецов», г. Самара. E-mail: vv_okor@mail.ru. Область научных интересов: двигателестроение.
Окорочкова Валентина Михайловна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теория двигателей летательных аппаратов», Самарский государственный аэрокосмический университет
прессорная техника и пневматика. 2005. № 6. С. 34-38.
5. Технический отчёт № TO-166-к-2010. Определение основных параметров РПД для мотогенератора мощностью 3кВт. Самара: ОАО «СКБМ», 2010. 34 с.
6. Технический отчёт № Т0-73-к-2011. Авиационный поршневой двигатель РПД -160. Самара: ОАО «Кузнецов», 2011. 57
7. Технический отчёт № ТО-176-94ПЛМ. Результаты отработки подвесного лодочного мотора с роторно-порш-невым двигателем мощностью 40 л.с. Самара: ОАО «СКБМ», 1994. 23 с.
об авторах
имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: nauka@ssau.ru. Область научных интересов: двигателестроение.
Шафранов Виктор Всеволдович, специалист по роторно - поршневым компрессорам СКБ РПД «АвтоВАЗ», г. Тольятти. E-mail: victor. shafranov@ yandex, ru. Область научных интересов: двигателестроение.
SIGNIFICANCE AND DIRECTIONS OF DEVELOPMENT OF ROTARY PISTON AREA OF RESEARCH
© 2014 V.V. Okorochkov1, V.M. Okorochkova2, V.V. Shafranov3
^pen Joint-Stock Company "KUZNETSOV", Samara, Russian Federation 2Samara State Aerospace University, Samara, Russian Federation 3Open Joint-Stock Company «AutoVAZ», Toljatty, Russian Federation
The development of small and unmanned aircraft in Russia is hampered by the lack of production of domestic aircraft engines in the power range up to 200 hp. The main requirement for the aircraft engine is minimal ratio of mass and overall dimensions to output. In a greater degree that is matched by the engines of rotor piston layout. The intensive work on rotor piston engines is carried out abroad by companies of many countries: Britain (UAV), USA (Freedom Motors), Austria (Austro engine) etc. In Russia, at SKBM the works on rotor piston engines were conducted for outboard motor application in cooperation with Rotor Piston Engines Design Bureau of AVTOVAZ. For the satisfaction of needs for small and unmanned aircraft a project of creation of rotor piston engines in the power range of 8-200 hp. was developed.
Rotor, stator, module; cooling, ignition, fuel supply systems, compressor.
References
1. Beniovitch V.S., Apazidi G.D., Boiko A.M. Rotoporshnevye dvigateli [Rotary piston engines], Moscow: Mashinostoyeniye Publ., 1968. 151 p.
2. Kenichi Yamamoto. Rotary Engine. Pub lished by SankaidoCO.Ltd, Tokyo, Japan, 1981. 67 p.
3. Kocherov E.P., Kononov V.A., Oko-rochkov V.V., Ivanova K.P., Okorochkova V.M. Issues of evolution of rotor piston engines subject abroad and in Russia // Vestnik of the Samara State Aerospace University. 2011. No. 3(27), part 4. P. 207-214. (In Russ.)
4. Lebedev N.V. Positioning of dising of rotary piston compressors under development // Compressors and Pneumatics. 2005. No. 6. P. 34-38. (In Russ.)
About the
Okorochkov Vladislav Vladimiro-vich, Head of rotary piston engine department of Engineering Center, Open Joint-Stock Company "KUZNETSOV". E-mail: vv_okor@mail.ru. Area of Research: engine building.
Okorochkova Valentina Mikhailov-
na, Candidate of Science (Engineering), associate professor of Department of aircraft
5. Technical report No. T0-166-k-2010. Opredelenie osnovnykh parametrov RPD dlya motogeneratora moshchnost'yu 3kVt [Determination of rotary piston engine main parameters for 3kW motogenerator]. Samara: JSC SKBM, 2010. 34 p. (In Russ.)
6. Technical report No. TO-73-k-2011. Aviatsionnyi porshnevoi dvigatel' RPD-160 [Aviation piston engine RPE-160], Samara. JSC «Kuznetsov», 2011. 57 p. (In Russ.)
7. Technical report No. TO-176-94PLM. Rezul'taty otrabotki podvesnogo lodochnogo motora s rotorno-porshnevym dvigatelem moshchnost'yu 40 l.s. [Results of development work on 40 h.p. outboard motor having rotary piston engine]. Samara: JSC SKBM, 1994. 23p. (In Russ.)
authors
engines theory of Samara State Aerospace University. E-mail: nauka@ssau.ru. Area of Research: engine building.
Shafranov Victor Vsevoldovich, specialist of RPC and RPE of Open Joint-Stock Company «AutoVAZ». E-mail: victor. shafranov@^Mde2LIu. Area of Research: engine building.
