Двигатель композитный: Как проходят испытания деталей нового двигателя большой мощности ПД-35 — Российская газета

Содержание

Как проходят испытания деталей нового двигателя большой мощности ПД-35 — Российская газета

Прошел первый этап испытаний демонстратора вентилятора двигателя большой мощности ПД-35, изготовленного из полимерных композитных материалов в составе двигателя ПД-14.

Сухие строчки официального сообщения, а на самом деле для нашей страны — это настоящая сенсация, сулящая серьезный технологический прорыв. В силу ряда причин мы серьезно отстали от мирового уровня в разработке и выпуске именно авиадвигателей большой мощности. И теперь пытаемся наверстать упущенное. Четыре года назад начались работы над двигателем ПД-35. Одна из сложнейших задач, которую пришлось решать его создателям, это проектирование вентилятора, диаметр которого превышает три метра.

Поясним, вентилятором двухконтурных двигателей называют многолопастный компрессор, который находится перед воздухозаборником газотурбинной установки, создающей основную тягу. Вентилятор позволяет значительно увеличить тягу и мощность двигателя, в какой-то мере способствует его дополнительному охлаждению, так как часть воздушного потока обтекает камеру сгорания с внешней стороны. Такие вентиляторы отличаются большим диаметром и внушительными габаритами.

И главная задача конструкторов — сохранить массу огромного мотора в приемлемых величинах.

Решается эта задача только в случае изготовления лопаток вентилятора из легких композитных материалов. На Западе вентиляторы для всех двигателей широкофюзеляжных и дальнемагистральных самолетов делают из композитов. Осваивали там эту технологию около двадцати лет, затратив в общей сложности несколько сот миллиардов долларов, евро и фунтов стерлингов. И это было оправданно. Лишь применение композитов в вентиляторах больших газотурбинных двигателей позволяет уменьшить массу мотора сразу на несколько сот килограммов. Сегодня секретом разработок и строительства пластиковых моторов владеют три страны — Великобритания, США и Франция. Мы можем стать четвертыми.

Вентилятор газовой турбины довольно уязвим от внешних воздействий. В него в первую очередь попадает весь аэродромный мусор, случается, влетают птицы. Хрупкий пластик может разрушиться, что, в свою очередь, способно привести к остановке двигателя и даже к его пожару. Разработчики ПД-35, по их словам, нашли способ защиты композитных лопаток от таких опасностей.

Летные испытания уже полноразмерного демонстратора ПД-35 по графику должны начаться в 2025 году. Разработчики рассчитывают, что именно ПД-35 выберут для установки на перспективный российско-китайский самолет CR929.

Оппозитный двигатель преимущества и недостатки


Автор admin На чтение 5 мин. Просмотров 41

После создания первого ДВС почти сразу возникли вопросы по его усовершенствованию и повышению мощности. Первый двигатель был одноцилиндровым, и сразу напрашивалось самое простое решение, позволяющее повысить его мощность – увеличить число цилиндров. Но следующие шаги в развитии ДВС были не такими очевидными, так как эти несколько цилиндров можно расположить по-разному – вертикально в ряд друг за другом, под углом или горизонтально. Вот такой последний вариант и получил название оппозитный двигатель, т.е. двигатель, цилиндры которого располагаются горизонтально, напротив (оппозитно) друг друга.
оппозитный двигатель

оппозитный двигатель

Варианты исполнения оппозитного двигателя

Однако даже подобное простое техническое решение – расположить горизонтально друг напротив друга цилиндры двигателя может быть реализовано несколькими вариантами. Когда работает такой оппозитный двигатель, его поршни могут двигаться разными способами.

Оппозитный боксер

Во время работы подобного мотора поршни всегда находятся друг относительно друга на расстоянии, и каждый работает в своем цилиндре – если один располагается на максимальном удалении от оси двигателя, то значит и другой, соседний, занимает аналогичное положение.


Такой порядок работы напоминает движения боксера, поэтому он получил название «боксер». Очень часто использует подобные оппозитные двигатели Субару. Описанный двигатель показан на фотографии ниже
оппозитный двигатель субару

оппозитный двигатель субару

OPOC, возрождение старых идей

Другой принцип построения реализует оппозитный двигатель по типу OPOC. На сегодняшний день они начинают вновь развиваться благодаря инвестициям небезызвестного Била Гейтса. Устройство такого двигателя показано на рисунке ниже.
оппозитный двигатель орос

оппозитный двигатель орос
Этот оппозитный двигатель – двухтактный. На рисунке хорошо видно, что в цилиндре находится по два поршня, и закреплены они на одном коленчатом валу (на рисунке они обозначены как красный и синий). Красный обеспечивает впуск смеси, а синий – выпуск продуктов сгорания. Из конструкции подобного оппозитного двигателя исчезла головка блока цилиндров и механизм привода клапанов. Кроме того, достоинством такого оппозитника является то, что поршни работают на один коленвал.

Все это существенно снизило массу оппозитного двигателя и значительно расширило сферу его использования. Другой особенностью является то, что он может быть как дизельный, так и бензиновый. Необходимо обязательно уточнить, что как всякий двухтактный двигатель, он нуждается в продувке цилиндров. Для этого задействован электромотор с питанием от внешнего источника. Когда оппозитный двигатель выходит на режим, электродвигатель отключается, а устройство подачи воздуха превращается в турбонаддув.

Рассматривая конструкцию такого оппозитного мотора, необходимо отметить его плюсы: повышение эффективности, обеспечиваемое тем, что расширяющиеся газы давят на два поршня, а не на стенку камеры сгорания, а также повышенное усилие на валу. Кроме того, каждый поршень проходит меньшее расстояние, что снижает силу трения и, соответственно, потери.

Рассматривая другие плюсы, которые обещает подобный оппозитный двигатель, стоит отметить — компания-изготовитель сообщает, что когда он используется как дизельный, то:

  • такой двигатель легче обычного турбодизеля на пятьдесят-тридцать процентов;
  • подобный силовой агрегат содержит деталей на пятьдесят процентов меньше, чем обычный дизельный мотор;
  • занимает на пятьдесят-сорок пять процентов меньше места под капотом;
  • экономичней на пятьдесят-сорок пять процентов.

Однако стоит учитывать, что подобный оппозитный силовой агрегат еще достаточно сырой, а значит, отмеченные преимущества отражают в большей степени ожидания его разработчиков.

Оппозитный танковый двигатель

Да, был такой двигатель, это 5ТДФ, разработанный для танков Т-64, а также последующих Т-72 и других. Тогда он обеспечивал необходимую мощность при заданных габаритах. Подобный оппозитный двигатель и его устройство показаны на рисунке ниже
оппозитный танковый двигатель

оппозитный танковый двигатель
Как видно из рисунка, поршни у него расположены в одном цилиндре и движутся встречно, но работают каждый на собственный коленвал. При минимальном расстоянии между поршнями между ними образуется камера сгорания, где происходит воспламенение топлива. Существует оппозитный двигатель как бензиновый, так и дизельный. По аналогии с OPOC, для подачи воздуха в цилиндры, а также удаления отработанных газов, используется турбонаддув.

Используемый принцип встречного движения поршней позволил упростить конструкцию, обеспечить мощность и компактность силовой установки. Так, подобный дизельный оппозитный силовой агрегат при двух тысячах оборотов, объеме тринадцать и шесть десятых литра выдавал семьсот лошадиных сил, при этом занимая минимум места.

Чем хорош и плох оппозитник?

Надо отметить, что в истории автомобиля многие производители в разное время использовали оппозитный двигатель, пытаясь реализовать предоставляемые им преимущества. Однако в настоящий момент чаще других SUBARU применяет подобные моторы на своих автомобилях.
оппозитный дизельный двигатель

оппозитный дизельный двигатель
Сразу надо отметить, что именно устройство оппозитного силового агрегата обеспечивает его преимущества при установке на машине:

  • низкий центр тяжести автомобиля, что дает ему дополнительную устойчивость при движении;
  • уменьшение как шума, так и вибрации за счет движения поршней навстречу, благодаря чему оппозитный двигатель считается тише аналогичных рядных моторов;
  • значительный ресурс, достигающий миллиона километров при правильной эксплуатации.

Однако не бывает всегда все хорошо, есть минусы и недостатки и у оппозитника. Из них стоит отметить:

  1. ремонт подобного мотора очень сложный;
  2. устройство двигателя также достаточно сложное, и соответственно, у него высокая цена;
  3. затраты на обслуживание велики, а само обслуживание крайне затратное и неудобное, требует высокой квалификации исполнителей;
  4. расход масла при эксплуатации повышенный.

Несмотря на отмеченные минусы и недостатки, на ряд автомобилей (уже упомянутая SUBARU и некоторые модели Porshe), ставятся оппозитные силовые агрегаты. Надо думать, что производители достаточно точно взвешивают их достоинства и недостатки и осознанно идут на применение такого мотора.


Для ДВС расположение цилиндров горизонтально является лишь одним из возможных вариантов построения, но тем не менее, и в этом случае получаемый оппозитный двигатель отличается большими возможностями и значительными перспективами по использованию в автомобиле.

Мне нравитсяНе нравится

типы, устройство и принцип работы

Оппозитный двигатель (оппозитный — [фр., англ, opposite] противоположный) представляет собой двигатель внутреннего сгорания, расположение цилиндров друг на против друга, то есть с противоположным расположением цилиндров. Принцип работы прост, когда один цилиндр находиться на крайней мёртвой точке, второй цилиндр находиться на противоположной мёртвой точке параллельно ему, под углом 180 градусов. Оппозитный двигатель может быть дизельный и бензиновый.

Схема работы оппозитного двигателяСхема работы оппозитного двигателя

Схема работы оппозитного двигателя

Самые первые двигатели такого типа устанавливались на венгерский автобус «Икарус» и мотоциклы, также такой тип расположения цилиндров получил обширное применение для военной техники, устанавливались на машины BMW и лишь, потом получили огромный спрос со стороны Porsche и Subaru. Субару используют двигатели такого типа работы очень активно, у их авто можно встретить как дизельный, так и бензиновый вариант.

Основные типы оппозитных двигателей

ОРОС

Оппозитный двигатель типа ОРОС очень сложен в своём устройстве, имеет один коленвал, но при этом два поршня работают в одном цилиндре, которые движутся на встречу друг друга. Такое усложнение привело к закрытию работы над ОРОСом, но недавно благодаря спонсорской помощи разработка возобновлена в поисках альтернативных решений.

5ТДФ

Принцип работы у двигателей такого типа не всегда одинаковый. Второй оппозитный двигатель 5ТДФ, имеет огромное различие от забытого ОРОС или популярного аналога Subaru «боксер» который мы ещё рассмотрим. В 5ДТФ как и в ОРОС два поршня работают в одном цилиндре двигаясь на встречу друг другу, но имеет два коленвала, которые располагаются на местах головки субаровского «боксера». В момент достижения крайней мёртвой точки между двумя поршнями остаётся пространство, называемой как у дизельных, так и у бензиновых систем камерой сгорания, отличие лишь в способе подаче. Тут дело в том, что оппозитный двигатель 5ДТФ двухтактный, в то время как ОРОС и «боксер» четырёхтактные, естественно газообмен происходит как у двухтактного. Активное применение двух коленвальчетый дизельный 5ДТФ получил на танках Т-64, но после завершения их производство от него всё больше отказываются в пользу других двигателей. Такое положение дел могло быть и у «боксера» если бы не Субару.

Боксер

Самый востребованный и часто используемый оппозитный двигатель «боксер» эволюционирует и до сих пор совершенствуется только благодаря Subaru, которые ставят его практически на все машины. В «боксере» стоит один кривошиповый коленвал ровно по его середине, такое расположение коленвала даёт возможность равномерно распределить массу двигателя. Количество цилиндровот четырёх до двенадцати, самый лучший из двигателей «боксер» имеет шесть цилиндров. Это и не удивительно ведь такое количество цилиндров оптимально для всех типов двигателей. Расположение коленвала повлияла не только на массу и размеры двигателя, но и на его пониженную рабочую вибрацию, понизить которую помогают так же специальные крепления. Повышением мощности в таких двигателях занимается турбина, двигатели без неё работали бы на 30 процентов хуже.

Принцип действия типа «боксер»:

  • Принцип работы типа «Боксер»

Теперь мы понимаем, принцип работы, какие оппозитные двигатели бывают, но так ли они хороши?

Разрушение мифов

Самая главная цель, так и не была достигнута, размеры оппозитного двигателя отличаются от обычного V-образного настолько слабо, что гордиться этим не приходится, а расположение не чего не меняет. Вот и выходит, что плюсы и минусы будем искать в другом, да и не важно это для автолюбителей, мало или много место, под капот умещается и значит всё хорошо.

Оппозитный двигатель Subaru WRCОппозитный двигатель Subaru WRC

Оппозитный двигатель Subaru WRC

Достоинства

Но плюсы оппозитного двигателя действительно радуют:

    Улучшенная управляемость машины, это достигается благодаря смешению центру тяжести, масса имеет

  • расположение около оси и машина действительно ведёт себя более послушно. Для многих автолюбителей, особенно в России это очень важно.
  • Повышенный комфорт, достигается за счёт уменьшенной вибрации двигателя, которая не переходит к другим частям автомобиля.
  • Повышенный ресурс износа, самый главный плюс двигателей такого типа. Жизнь рассчитана больше чем на миллион километров.

Сравнение устойчивости автомобилей с разными типами двигателейСравнение устойчивости автомобилей с разными типами двигателей

Сравнение устойчивости автомобилей с разными типами двигателей

Недостатки

Но и минусы заставляют задуматься:

  • Повышенное потребление топлива, если взять два автомобиля, один с оппозитником а другой с V-образным примерно одинаковой мощности, расход на 100 километров у оппозитного двигателя будет примерно на пять литров больше.
  • Повышенный расход масла, двигатели других типов «едят» в разы меньше масла.
  • Дорогостоящий ремонт двигателя, это касается не только стоимости процедуры, но и стоимости запасных частей для вашего двигателя.
  • Поиски станции, даже если у вас и будут деньги на ремонт и запчасти, не каждый мастер возьмется за столь сложный двигатель.

Оппозитный двигатель Subaru TribecaОппозитный двигатель Subaru Tribeca

Оппозитный двигатель Subaru Tribeca

Получается, что все минусы касаются именно вашего кошелька, все вопросы лишь в том готовы ли вы отдать за это деньги. Но качество не оспаривается, именно по этому, нужно задуматься, лучше платить много раз по малу или не заплатить вовсе не когда.

Оппозитный двигатель Subaru ImprezaОппозитный двигатель Subaru Impreza

Оппозитный двигатель Subaru Impreza

Поломка двигателя это большая редкость для двигателей и с меньшой работа способность, что уж говорить о «боксере», рассчитанным на миллион километров лучшими инженерами Fuji Heavy Indastries Ltd, специально для Subaru. Не знаю, зависит ли это от этого или нет, но Subaru не собираются отказываться от своих двигателей ещё очень долгое время и судя по их продажам людей это вполне устраивает. Такая позиция в первую очередь основывается на мнение, что отказ от оппозитного двигателя станет огромным шагом назад.

  • Принцип работы

что это, как работает, какие плюсы и минусы

Современные поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) можно классифицировать на основе таких критериев, как вид потребляемого топлива и расположение цилиндров. Если с разделением двигателей на основе разновидности горючего все более-менее понятно даже людям, весьма далеким от техники, то с разделением по расположению цилиндров все не так очевидно. В этом материале мы рассмотрим один из типов ДВС с необычным расположение цилиндров, а именно оппозитный двигатель. Здесь вы узнаете о том, что такое оппозитный двигатель, как он устроен, какие его плюсы и минусы и где он применяется.

Конструкция и особенности работы оппозитного двигателя

схема работы оппозитного двигателясхема работы оппозитного двигателя

Схема работы оппозитного двигателя

Оппозитными называются такие двигатели внутреннего сгорания, угол развала цилиндров которых составляет 180°. Поршни в них двигаются в горизонтальной плоскости, причем зеркально друг по отношению к другу. Это означает, что своей верхней точки они достигают одновременно. Кстати говоря, именно это является одним из главных отличий оппозитных силовых агрегатов от более распространенных V-образных: в них движение поршней осуществляется синхронно (когда один из них находится в верхней точке, второй располагается в нижней).

Благодаря такому расположению цилиндров оппозитные двигатели имеют низкий центр тяжести. Кроме того, их высота существенно меньше, чем у V-образных, они более «плоские» и занимают меньше места в подкапотном пространстве. Одной из отличительных особенностей оппозитных двигателей является наличие двух газораспределительных механизмов (коленчатый вал у них, так же, как и у V-образных, чаще всего один). Что касается принципа работы этих моторов, то он точно такой же, как и у всех остальных ДВС: перемещение поршней, приводящих в движение коленвал, осуществляется за счет давления газов, образующихся при сгорании топливной смеси.

Виды оппозитных двигателей

На сегодняшний день существует три основных разновидности оппозитных двигателей:

Они отличаются друг от друга в основном тем, каким именно образом в них движутся поршни.

Boxer. В оппозитных двигателях этого типа каждый поршень располагается в своем собственном цилиндре, причем они расположены на определенном расстоянии друг от друга, которое всегда остается постоянным. Именно в этом и состоит главная особенность таких силовых агрегатов. Поскольку в процессе функционирования движение их поршней напоминают перемещения боксеров на ринге, то они и получили название Boxer.

OPOC. Эта аббревиатура расшифровывается как Opposed Piston Opposed Cylinder, а особенность конструкции оппозитных двигателей этого типа состоит в том, что в них в каждом из цилиндров находится по два поршня. Они передвигаются навстречу друг другу. Оппозитные двигатели типа OPOC являются двухтактными, в них отсутствуют головки блока цилиндров и механизмы привода клапанов. Благодаря такой конструкции эти силовые агрегаты имеют небольшой вес, причем они бывают как бензиновыми, так и дизельными.

5 ТДФ. Этот тип оппозитного двигателя является отечественной разработкой. В свое время он создавался специально для установки на танки Т-64, несколько позднее использовался в Т-72. Так же, как и в оппозитном двигателе OPOC, в его цилиндрах находится по два поршня, которые движутся навстречу друг другу, однако в отличие от него у каждого из них имеется по собственному коленчатому валу. Камеры сгорания в оппозитных двигателях 5 ТДФ располагаются между поршнями, они работают как на бензине, так и на дизельном топливе. Сейчас эти силовые агрегаты уже не выпускаются.

Плюсы и минусы оппозитных двигателей

коленвал и поршни оппозитного двигателяколенвал и поршни оппозитного двигателя

Коленвал и поршни оппозитного двигателя

Как и другие типы двигателей внутреннего сгорания, оппозитные силовые агрегаты имеют как плюсы, так и минусы. Что касается плюсов, то одним из самых существенных из них является очень низкий уровень вибраций во время работы. Этим такие моторы обязаны именно оппозитному расположению своих поршней. Дело в том, что при движении они взаимно уравновешивают друг друга, и практически полностью отсутствует тот дисбаланс сил, который приводит к возникновению вибраций.

Это преимущество оппозитных двигателей влечет за собой и еще один значительный плюс: поскольку вибраций практически нет, то и износ движущихся частей происходит гораздо медленнее, чем в, скажем, V-образных двигателях. Соответственно ресурс таких моторов весьма велик: практика показывает, что величина их пробега до капитального ремонта составляет около полумиллиона километров. Некоторые владельцы автомобилей, на которых установлены оппозитные двигатели, утверждают, что эта цифра на практике даже больше и составляет от 600 000 до 700 000 километров.

Еще один плюс силовых агрегатов этого типа состоит в низком центре тяжести. Именно поэтому их часто устанавливают на спортивные автомобили. При прохождении поворотов на больших скоростях оппозитные двигатели обеспечивают повышенную устойчивость машин. Кроме того, как уже упоминалось выше, достоинством моторов этого типа вполне можно считать и их небольшую высоту. Справедливости ради, следует заметить, что при этом они несколько шире силовых агрегатов других типов (к примеру, те же V-образных моторов).

Что касается минусов оппозитных двигателей, то основными из них являются следующие: высокая стоимость и сложность в ремонте. Конструкция таких моторов подразумевает высокую точность изготовления многих их основных элементов, применение дорогих высокопрочных материалов. К тому же, их сборка и наладка существенно более сложны, чем аналогичные процедуры для V-образных или рядных ДВС. Диагностика и устранение неполадок оппозитных двигателей возможны только при наличии специализированного оборудования и специально обученным персоналом. Само собой разумеется, что даже незначительный ремонт таких моторов обходится владельцам автомобилей, на которых они установлены, недешево.

Также существенным недостатком оппозитных двигателей считается значительный расход масла. Впрочем, и по такому показателю, как расход топлива, они пока уступают современным V-образным и рядным силовым агрегатам. 

Сфера применения оппозитных двигателей

Оппозитные двигатели используются совсем не так широко, как V-образные и рядные, однако есть автопроизводитель, который устанавливает моторы такого типа на свои автомобили уже на протяжении полувека. Это — известная японская фирма Subaru. Кроме того, оппозитные агрегаты можно встретить на некоторых моделях Volkswagen и Porsche, ими в свое время оснащались советские мотоциклы «Урал» и «Днепр», венгерские автобусы «Икарус».

Следует заметить, что в последние годы интерес к силовым агрегатам этого типа существенно возрос. По некоторым данным, исследования и разработки по усовершенствованию оппозитных двигателей OPOC, ведущиеся группой американских инженеров, финансирует Билл Гейтс.

Читайте также: CRDI двигатель — что это такое.

Видео на тему

Теория ДВС: Оппозитный двигатель на примере SubaruТеория ДВС: Оппозитный двигатель на примере Subaru

Похожие статьи

принцип работы, достоинства и недостатки

Как в свое время V-образный мотор «эволюционировал» от рядного, так и оппозитная силовая установка стала своеобразным технологическим усовершенствованием V-образного двигателя внутреннего сгорания.

В середине 1930-х годов инженеры марки Volkswagen проводили собственные разработки силовых установок, модернизируя как рядные, так и V-образные моторы. В результате одной из таких операций инженеры «разложили» цилиндры V-образного двигателя под углом 180 градусов, получив первый в мире оппозитный двигатель. Особенность конструкции такого мотора заключается в том, что его цилиндры и поршни располагаются оппозитно (с английского «opposite» — противоположный), то есть друг напротив друга в горизонтальной плоскости.

Оппозитный двигательОппозитный двигатель

При этом, у такого двигателя в конструкции применены по два распределительных вала с каждой стороны. Еще одной особенностью конструкции такого мотора является вертикальное размещение газораспределительных механизмов. Сконструировав подобный двигатель, инженерам Volkswagen удалось решить несколько проблем, присущих V-образным моторам, главная из которых – несбалансированность, порождающая вибрации, которые от силовой установки передаются на кузов и делают езду на автомобиле некомфортной. Эти моторы с 1938 года устанавливались на культовую модель городского хэтчбека Volkswagen Beetle. А с середины 1960-х годов ставку на оппозитные моторы сделала японская компания Subaru.

Volkswagen Beetle Volkswagen Beetle ’1968–72

Преимущества

Оппозитный двигатель ввиду горизонтального расположения цилиндров получил сбалансированную работу за счет того, что работающие друг от друга поршни являются своеобразным противовесом и создают такой необходимый для корректной работы мотора баланс. По оценкам специалистов, лучше оппозитного двигателя уравновешен только рядный шестицилиндровый мотор.

Еще одно преимущество, которое дает оппозитное расположение цилиндров – низкий центр тяжести, что особо ценится для спортивных машин, которым важна такая характеристика, как устойчивость при прохождении поворотов на скорости. Из-за своего горизонтального расположения мотор как бы «распластан» в подкапотном пространстве, благодаря чему крены автомобиля существенно уменьшаются.

Несомненным плюсом оппозитного двигателя является его ресурс прочности: некоторые двигатели подобного типа эксплуатировались до нескольких сотен тысяч километров до капитального ремонта.

Недостатки

Наряду с указанными выше преимуществами, есть у оппозитных двигателей и свои недостатки. Связаны они с особенностью конструкции мотора и касаются дорогого обслуживания и ремонта «оппозитника». Если в том же рядном или V-образном двигателе автовладелец может поменять свечи зажигания самостоятельно, то проделать эту операцию на оппозитном моторе практически невозможно – для этого потребуется применить специальное оборудование, которым располагают только СТО. Да и стоимость его производства сравнительно высока, что в конечном итоге сказывается на ценнике автомобиля.

SUBARU_BRZ_oppozitSUBARU BRZ оснащается оппозитным двухлитровым двигаталем мощностью 200 лошадиных сил.

Оппозитный двигатель Subaru: плюсы и минусы

Оппозитный двигатель Subaru: плюсы и минусы

Такой силовой агрегат, как оппозитный двигатель (в частности, производителя Subaru) схож по принципу работы со стандартным, рядным двигателем внутреннего сгорания. Отличает же его специфичность расположения поршней, цилиндров, из-за горизонтальной (а не привычно вертикальной) установки двигателя. Потому, и поршни оппозитного двигателя расположены горизонтально, к тому же, напротив (оппозитно) друг к другу, попарно. Также каждая из этих пар поршней двигателя имеет пару распределительных валов.

С первого взгляда, оппозитный двигатель Субару компактнее прочих, той же мощности, объема. Такая иллюзия создается, потому как он «плоский», равномерно заполняет моторный отсек. При этом, мотор-плита короткая, плоская, но широкая. Конструкция её представлена полублоками из двух цилиндров, но в ширину, кроме картера с поддоном, как у рядного, тут «примостился» ещё полублок и головка.

Первыми оппозитные двигатели внутреннего сгорания Субару заприметили и устанавливали на спортивных автомобилях гонщики. Под них позже разработали и 12-ти цилиндровые двигатели, вместо используемых 6-ти цилиндровых.
Оппозитный двигатель Subaru

Плюсы оппозитного двигателя Subaru

Достоинств у оппозитного двигателя Subaru немало:

  1. Распределение массы симметрично около оси, не конкретно на ней (меньше нагрузки на задние колеса) — за счет низкого центра тяжести (плюс возможности его смещения).
  2. Высокая функциональность, сравнительно большая продолжительность работы до первой необходимости ремонта – наиболее важный плюс и довод установки именно оппозитного двигателя Subaru.
  3. Сведение к минимуму (либо полное отсутствие вибрации), которая при установке обычного двигателя создает немалый дискомфорт водителю/пассажиру.

Первый плюс(достоинство) наиболее оценено владельцами спортивных машин. Потому как, при скоростных поворотах оппозитный движок Subaru даст больше устойчивости. Кроме того, и скоростные показатели у автомобилей использующих именно эти двигатели сравнительно лучше аналогичных (в особенности среди 12-ти цилиндровых).

Второе преимущество – долговечность работы двигателя – многочисленно проверялось/подтверждалось. До необходимости капитального ремонта оппозитный двигатель порадует автовладельца не одной тысячей беспроблемно пройденных километров.

Последнее (третье преимущество) возможно, помимо прочего, из-за горизонтального расположения поршней, работающих друг от друга, создавая некий баланс, противовес. Не все модели оппозитных двигателей Субару, к сожалению, могут похвастаться максимальной устойчивостью к вибрациям. Наилучшим образом «противостоять» вибрационным нагрузкам удается шестицилиндровому оппозитному двигателю (аналогично с 6-ти цилиндровой вариацией рядного двигателя). Но уже 4-х цилиндровый такими успехами и значительными преимуществами не обладает.
Двигатель субару

Минусы оппозитного двигателя Subaru

Впрочем, в каждом достоинстве оппозитного двигателя Субару можно найти небольшую «ложку дёгтя». Из таких недостатков:

  1. Дороговизна обслуживания двигателя, сложность в подборе необходимых запасных деталей. И, кроме прочего, желательно доверять в вопросах ремонта конкретно таких двигателей исключительно профессионалам, специализирующимся на этом.
  2. Высокая стоимость собственно оппозитного двигателя производителя Subaru, объяснимая сложностью конструкции.
  3. Также к расходным статьям с использованием такого двигателя прибавляется большой расход масла.

Самостоятельный же ремонт оппозитного двигателя также невозможен по причине необходимости специализированного инструмента, без которого ко многим деталям нестандартно, горизонтально расположенного двигателя не добраться.

Спектр использования оппозитного двигателя Subaru

Немного затрудненное финансовое положение значительной массы автолюбителей не дает распространиться популярности оппозитных двигателей Subaru. Их применение наиболее широко в сфере использования гоночных, скоростных моделей автомобилей. Потому как здесь, указанные ранее преимущества оппозитных двигателей Субару гораздо важнее и перекрывают недостатки их использования.

Кроме того, устанавливаются они, естественно, и в моделях автомобилей производителя Subaru. Также Porsche нередко прибегает к установке именно этих двигателей в свои автомобили.

Похожие записи

Принцип работы оппозитного двигателя и его плюсы и минусы

На сегодняшний день не меньший интерес к себе вызывает оппозитный двигатель, устанавливаемый на ограниченный круг автомашин. С большим успехом эта модель двигателя применяется в моделях своих машин компанией Subaru и корпорацией Volkswagen Group.

SubaruSubaru

Оппозитный двигатель имеет непосредственное отношение к двигателям внутреннего сгорания. Характеризуется эта модель агрегата расположенными в горизонтальной плоскости поршнями. Это свойство является основным отличием от рядного ДВС, с расположенными вертикально поршнями. Ответ на вопрос что такое оппозитный двигатель напрашивается сам — это двигатель, иначе называемый горизонтальным, в нем поршни располагаются в силовом агрегате попарно с правой и с левой стороны. Работа поршни осуществляется в их движении в горизонтальной плоскости за счет движения друг другу и в обратном направлении. Каждая пара поршней оснащена двумя распределительными валами. То есть, с правой стороны два распределительных вала – 8 клапанов и аналогичное расположение с противоположной (левой) стороны. Распредвал и клапана относящиеся к газораспределительному механизму располагаются вертикально в отличие от классического рядного мотора, в котором они располагаются горизонтально.

Цель создания оппозитного двигателя

Появление первых оппозитных двигателей датируется 1938 годом, которые с успехом устанавливались на модельный ряд автомобилей Volkswagen Käfer (иначе называют Фольксваген Жук). Право первенства на разработку этого горизонтально оппозитного движка. Некоторые модели авто, включенных в модельный ряд Volkswagen Group, имеют комплектацию именно этими силовыми агрегатами (в качестве примера может стать модели Porsche 997, Porsche Boxster и так далее).

Параллельно с Volkswagen Group, свои разработки подобного двигателя в 40-х годах вела компания SUBARU. И даже сегодня, эта компания оснащает свой модельный ряд именно этими горизонтально-оппозитными агрегатами.

Оппозитный двигательОппозитный двигатель

Создавая эту модель двигателя конструктора, стремились к созданию агрегата способного снизить центр тяжести машины. Наверное, никому не стоит объяснять, что чем центр тяжести ниже, тем ездовая характеристика авто выше, да и во время поворотов авто будет меньше кренить.

Преимущества

Плюсы сбалансированной работы такого с горизонтально расположенными цилиндрами оппозитного двигателя обеспечивают работающие друг от друга поршни, которые являются неким противовесом и создают необходимый баланс для осуществления корректной работы агрегата. Оценивая плюсы этого двигателя, специалисты склоняются к мнению, что лучше уравновешен шестицилиндровый рядный движок.

Другим преимуществом оппозитного расположения цилиндров можно назвать низкий центр тяжести, который особенно ценен в спортивных машинах. Так как это преимущество дает необходимую устойчивость в момент скоростного прохождения поворотов.

Несомненное качество оппозитного агрегата характеризуется в ресурсе его прочности. То есть, подобные моторы проходили не одну сотню тысяч километров перед капитальным ремонтом.

Недостатки

Как всегда, любое достоинство сопровождается наличием недостатков, которые имеются и у оппозитных моторов. Минусы определяются в особенности конструкции движка, и выражается в дорогом обслуживании и ремонте, которые также нуждаются в высоком профессионализме мастеров. К примеру, в V-образном или в рядном силовом агрегате владельцем авто может быть проведена самостоятельная замена свечи зажигания, что довольно затруднительно сделать в оппозитном двигателе без наличия специального оборудования.

Другой недостаток, который характерен для этого типа агрегата – это сложность конструкции, что приводит к высокой стоимости. Минусы выражаются в повышенном расходе масла в процессе эксплуатации агрегата.

Несмотря на существующие недостатки, этот оппозитный мотор продолжают устанавливать на ряд авто, уже упомянутых SUBARU и некоторых моделей Porsche. Это дает право предполагать, что производителями оппозитного делается точный расчет имеющихся достоинств и недостатков, если они сознательно делают установку этого агрегата. Для силовых агрегатов горизонтальное расположение цилиндров относится к одному из возможных способов построения. Но и это позволяет получить оппозитный движок, который будут отличать внушительные возможности и перспективы в возможном их использовании в автомобилях.

Типы оппозитных агрегатов

Развитие автомобилестроения позволило прийти к производству оппозитного движка. Толчком к его производству послужило неуемное желание сэкономить подкапотное пространство.

В первую очередь хочется отметить, что существует несколько типов оппозитных агрегатов:

Оппозитный двигатель "боксёр"Оппозитный двигатель «боксёр»

  • Тип «боксер» (SUBARU) – характеризуетсяравноудаленным движением поршней в цилиндрах – в момент нахождения одного верхней точке, то другой, находящийся противоположно ему – в нижней.
  • Оппозитныймотор с устройством ОРОС – на какое-то время про них совсем забыли, но на сегодняшний день вновь приступили к их разработке и усовершенствованию. С использованием одного коленвала, происходит работа двух поршней на каждый цилиндр, движение которых идет навстречу друг другу.
  • Советский 5 ТДФ (двигатель, разработанный для танков Т-34) – двигатель, который имеет совершенно иное устройство и принцип работы устройства также отличается от вышеназванных.Работа этого двигателя характеризуется попарной работой поршни в одном цилиндре при движении навстречу друг другу. Кроме того, этот ДВС 5 ТДФ является двухтактным мотором.

На сегодняшний день современные оппозитные моторы заметно модернизировались. В сравнении с V-образным агрегатом заметное отличие выражалось в расположении кривошипов коленвала. В «оппозитных боксерах» количество цилиндров колебалось от четырех до двенадцати, но все-таки оптимальным является шестицилиндровый ДВС. За счет особенного строения коленвала ему присущ низкий уровень вибрации, которая относится к одной из основных проблем четырехцилиндрового «боксера». Эту проблему старались разрешить с помощью разработанных гидроопор для силового агрегата. Но как ни рассуждай, но для двигателя оптимальное решение – это наличие шести цилиндров. Это относится и к оппозитному и к V-образному двигателю.

Композитные клапаны двигателя? | CompositesWorld

В автогонках меньшая масса означает большую скорость. Инженеры постоянно искали способы уменьшить массу компонентов гоночных автомобилей для повышения производительности, и композиты были вспомогательным материалом в этих усилиях, особенно в компонентах корпуса и рамы гоночного автомобиля. Однако в Центре исследований в области автомобильной инженерии при Университете штата Колорадо (CSU, Форт-Коллинз, Колорадо) исследования по снижению массы были сосредоточены на композитном решении в очень маловероятной области: следователи Дональд Рэдфорд, Ричард Бакли и сотрудники CSU. Студенты-инженеры отливают композитные цельные клапаны двигателя, которые составляют лишь часть веса металлических версий.

Регулировка клапанов двигателя не только снижает вес, но, что более важно для гоночных целей, также открывает возможность увеличения практических оборотов двигателя. «Предел числа оборотов [оборотов в минуту] большинства современных двигателей определяется скоростью, при которой клапанный механизм становится нестабильным», — объясняет Рэдфорд. «Поскольку« скачок »и« отскок »клапана регулируются массой и жесткостью компонентов клапанного механизма, уменьшение массы клапана должно увеличивать рабочую скорость двигателя.Команда потратила несколько лет, демонстрируя потенциальные характеристики армированных волокном высокотемпературных матричных клапанов с формованной смолой (RTM’d) для замены материалов, используемых в настоящее время.

Материалы и суровые условия

Сталь по-прежнему является преобладающим материалом для клапанов двигателей массового производства, а нержавеющая сталь не редкость, поскольку она обеспечивает лучшую износостойкость и теплопередачу, чем сталь, при почти такой же массе. В гоночных приложениях часто используются титановые клапаны, поскольку их масса составляет 60 процентов от массы стальных клапанов, но в первую очередь для впускных клапанов.«Обычно клапаны видят температуру 400 ° C / 752 ° F на поверхности впускного клапана и 900 ° C / 1652 ° F на поверхности выпускного клапана», — говорит Рэдфорд. Титан не выдерживает тепла как выпускной клапан. Кроме того, титан не обладает такими характеристиками многоцикловой усталости, как сталь, и, следовательно, требует упрочняющих обработок, которые увеличивают сложность и стоимость процесса. Керамические клапаны и клапаны с керамической головкой были продемонстрированы для использования в качестве выпускных клапанов, всего на 40 процентов массы стальных клапанов, но режим хрупкого отказа керамических версий может иметь разрушительные последствия для двигателя.Гоночные команды Формулы 1 использовали интерметаллические клапаны из алюминида титана, которые весят вдвое меньше, чем их стальные аналоги. Они производятся в очень сложном производственном процессе, который требует использования нескольких материалов, но сегодня команды F1 обычно используют клапаны из титанового сплава. Цель команды CSU — смягчить все негативные явления: по словам Рэдфорда, «мы хотим уменьшить массу, повысить жесткость, преодолеть хрупкое разрушение и упростить производство с помощью армированного волокном композитного материала».

Концепция композитных клапанов существует уже давно.В начале 1980-х годов Polimotor Research Inc. (Фейрлон, штат Нью-Джерси) попыталась полностью разработать концепцию двигателя из полимерного армированного углеродом двигателя на основе двигателя Ford, в котором для штоков клапанов использовался высокотемпературный полиамид-имид, армированный углеродом (PAI), и керамика для головки клапанов. Рядный 4-цилиндровый двигатель весил всего 168 фунтов / 76 кг, отмечает Рэдфорд. В 1980-х годах Исследовательский центр НАСА в Лэнгли (Вирджиния) предпринял проект углеродно-углеродного двигателя, в котором были произведены и испытаны клапаны из углеродного композита. В этих предыдущих усилиях использовались многоэлементные концепции для решения проблемы различных температур, наблюдаемых по всему клапану, и склеенное соединение между головкой клапана и штоком клапана часто являлось точкой разрушения конструкции.Команда Рэдфорда считает, что есть потенциал для легких клапанов, изготовленных в виде единой детали и масштабируемых в соответствии с объемами производства, хотя остаются серьезные проблемы с проектированием и производством.

Цельная преформа из высокотемпературной смолы

Клапаны, разработанные Рэдфордом и его командой, имеют тот же размер и форму, что и клапаны обычных двигателей внутреннего сгорания. Общая длина составляет около 100 мм / 4 дюйма, а вес из стали — около 38 г. Моделирование методом конечных элементов (МКЭ) показало, что требуется очень мало углеродного волокна по длине композитного стержня клапана — двух жгутов 12K было достаточно, если учитывать только прочность.Но значительно большее усиление было отмечено в переходной области, на пересечении штока и головки, где возникло пиковое напряжение, и в самой головке клапана из-за изгибающих нагрузок, создаваемых зоной седла клапана.

Выбранная композитная конструкция включала двухслойную плетеную трубку из углеродного волокна диаметром 6,4 мм / 0,25 дюйма, содержащую 60% аксиального однонаправленного жгута для дополнительного сопротивления осевому изгибу. Два небольших диска из ткани полотняного переплетения были добавлены к поверхности клапана (подробнее об этом ниже), чтобы противостоять приложенным изгибающим нагрузкам.Матрица представляет собой высокотемпературную полиимидную смолу PETI-RFI от Langley Research Center.

Смола PETI-RFI ведет себя как термопласт при температуре ниже 280 ° C / 536 ° F, но сшивается и превращается в термореактивную смолу при температуре отверждения выше 300 ° C / 572 ° F. Из-за этой уникальной характеристики команда Рэдфорда разработала план введения смолы в форму при повышенной температуре, но ниже температуры отверждения. После завершения инъекции форма была удалена из машины для литья под давлением, закрытые крышки формы были закреплены в отверстии и вентиляционных отверстиях, и форма была помещена в печь для полного отверждения и сшивания.

Поскольку клапан должен был быть цельным, команда первоначально спроектировала и создала прототип алюминиевой формы с одной полостью. Но возникли проблемы: неравномерное наполнение, трудности с удержанием преформы и промывкой волокна, а также застревание детали в форме. Хуже того, алюминиевая форма со временем деформировалась из-за высоких температур отверждения, что привело к проблемам с герметизацией и, в конечном итоге, к образованию пустот в деталях. В конечном итоге была разработана модульная многокомпонентная форма из нержавеющей стали с разделенными полостями для улучшения заполнения и смачивания, обеспечения большего давления зажима и облегчения удаления деталей, сообщает Рэдфорд.

Одной из наиболее серьезных проблем было удержание крошечной оплетки в правильном положении внутри формы во время литья под давлением. Окончательным решением стала удерживающая втулка, состоящая из двух частей, которая зажимает плетеную втулку на конце клапана. Втулка предохраняет волокна от вымывания формы и «раскрывает» оплетку, заставляя смолу проникнуть внутрь, так что смачивание преформы, согласно Рэдфорду, происходит изнутри.

Еще одна проблема заключалась в том, как добавить локальное армирование волокном на торце клапана.Первоначальная идея заключалась в том, чтобы «намотать» конец оплетки на плоскую поверхность, но размещение было неопределенным из-за потока смолы во время инъекции. Ответ состоял в том, чтобы «препрег» высушить углеродную ткань полотняного переплетения путем плавления PETI-RFI в его термопластическом состоянии на ткани. Затем из пропитанной смолой ткани вырезали или вырубали маленькие диски того же диаметра, что и поверхность клапана, для образования дисков, упомянутых выше. По словам Рэдфорда, диски легко вдавливались в поверхность пресс-формы клапана во время сборки пресс-формы и обеспечивали необходимый дополнительный объем волокна в области головки.«Когда горячая смола вводится в форму, смола в дисках плавится вместе с ней», — объясняет он. «Мы сняли торцевую крышку для инъекций, чтобы подтвердить смачивание диска перед сушкой в ​​печи. Это дает нам гибкость для выполнения аддитивного производства для местных нагрузок и может перейти к добавлению функциональных характеристик, таких как теплопередающие материалы ».

Результаты испытаний, направления на будущее

Клапаны были успешно изготовлены с использованием углеродной преформы и смолы PETI-RFI в модульной стальной форме.Они весили всего 7,3 г, что составляло всего 19 процентов от стандартного стального клапана (цельный титан весил бы 22 г). Были проведены испытания на статическое растяжение, двигательно-динамические и заводские испытания двигателя. Клапаны показали хорошие результаты в статических и динамических тестах, сообщает Рэдфорд. Разрушение при растяжении произошло в области держателя пружины клапана из-за сдвига, но при нагрузке, на порядок большей, чем нагрузка клапана, предсказанная для реального двигателя. В ходе динамического испытания с приводом клапаны были установлены в испытательном двигателе, соединенном с электродвигателем, который приводил клапаны в действие более 15 минут при скорости вращения 5000 об / мин без повреждений.

Настоящее испытание было проведено с установкой клапанов в настоящий гоночный двигатель типа Junior Dragster с боковыми клапанами и воздушным охлаждением с ручным управлением дроссельной заслонкой. Клапаны работали хорошо на холостом ходу, но когда они были доведены до почти полной нагрузки, они вышли из строя в течение 10 минут. При осмотре на поверхности клапана возле седла наблюдалась эрозия и потеря материала. Было очевидно, и это наблюдение было впоследствии подтверждено данными термопары, что у гоночного двигателя с воздушным охлаждением температура впускных клапанов превышала 425 ° C / 797 ° F — намного выше, чем ожидалось.«Мы достигли нашей цели, создав цельный композитный клапан, который по своей конструкции может работать как впускной клапан, но тепловые характеристики самого композитного материала становятся реальной проблемой», — говорит Рэдфорд.

Со времени первых экспериментов группа улучшила свою работу на основе извлеченных уроков. Например, все исходные клапанные изделия имели небольшую пористость поверхности, что могло повлиять на тепловые характеристики. Рэдфорд сообщает, что вакуумная дегазация расплава перед впрыском, а также хорошо запечатанная форма теперь считаются критически важными для предотвращения образования пустот.Другие меры включают попытки повысить тепловые характеристики полиимида с помощью наноразмерных добавок. Также исследуются новые неорганические полимеры, в том числе «геополимеры» на основе силиката оксида алюминия, подобные тем, которые предлагает Pyromeral (Pont Sainte Maxence, Франция и Даллас, Техас). Эти ручки похожи на двухкомпонентную эпоксидную смолу, могут быть обработаны методом RTM и обладают очень высокими температурными характеристиками (~ 750 ° C / 1382 ° F), но прочность — проблема, отмечает он. Клапаны, изготовленные с таким же усилением, но пропитанные керамической матрицей, имеют белый цвет, а не черный.

Также исследуются в качестве альтернативы высокотемпературной матрице различные золь-гели и суспензии частиц коллоидного кремнезема. Кроме того, команда ищет способы сделать свою оригинальную конструкцию из углеродного волокна / полиимида более устойчивой к нагреванию и эрозии. «Мы изучаем различные термобарьеры, в том числе напыляемые покрытия или металлические покрытия на поверхности клапана, но все же нам необходимо решить проблемы, связанные с коэффициентом теплового расширения (КТР)», — добавляет Рэдфорд.

Учитывая текущий экономический спад и, как следствие, спад в автомобильной промышленности, производители комплектного оборудования, занятые переосмыслением себя и разработкой «более экологичных» транспортных средств, которые определят будущее транспорта, вряд ли будут рассматривать композитные клапаны в качестве приоритета.Тем не менее, исследование многообещающее. В автогонках, где скорость все еще важнее зеленого, композитные клапаны — и (кто знает?) Даже полностью композитный двигатель — могут стать следующим прорывом в соревнованиях.

,

Композитов в двигателях коммерческих самолетов, 2014-2023 гг.

Самолеты — творения экономики. Коммерческие транспортные самолеты перевозят пассажиров и грузы по всему миру за часы, но только в том случае, если они приносят прямую прибыль авиакомпаниям, которые их летают. Бизнес-джеты приносят прибыль коммерческим предприятиям, хотя и косвенно, за счет того, что они делают то же самое для сознательных руководителей корпораций. Не подвергаясь оценке прибылей / убытков, военные самолеты, тем не менее, перевозят войска и оборудование и обеспечивают быстрые, далеко идущие вооруженные оборонительные возможности за счет прибыли, с трудом завоеванной теми, кто платит налоги, пошлины и пошлины правительствам, которые их направляют.Хотя эти летательные аппараты сильно различаются по мощности и возможностям, их объединяет то, что их эксплуатация сопряжена с растущими — и потенциально неприемлемыми — расходами для их владельцев.

Сегодня ни один из аспектов эксплуатационных расходов воздушного судна не может быть столь значительным, как расход топлива, или решить его легче. С 1990 г. стоимость авиакеросина росла в среднем на 7,7% в год. В результате он стал основным центром затрат, особенно для коммерческих авиаперевозчиков.На рубеже тысячелетий Международная ассоциация воздушного транспорта отмечает. (ИАТА, Монреаль, Квебек, Канада) на топливо приходилось 13-15% прямых эксплуатационных расходов. К 2006 году он вырос почти до 30%. В настоящее время на топливо приходится 33-40% глобальных расходов авиакомпаний, и даже при несколько умеренном росте цен они могут вскоре вырасти до 50% и более.

В ответ на озабоченность коммерческих перевозчиков производители самолетов посвятили десятилетия исследованиям снижения стоимости эксплуатации и владения самолетами.Эти усилия в совокупности привели к некоторым значительным улучшениям. С 1980 года средний расход топлива на самолет-километр снизился на следующие проценты:

• Региональные турбовинтовые 22%

• Региональные самолеты 35%

• Однонаправленные форсунки 35%

• Двухфюзеляжные форсунки 27%

• Джамбо-джеты 9%

Ожидается, что благодаря постоянному совершенствованию конструкции самолетов и двигателей новейшие версии некоторых из наиболее успешных конструкций самолетов — коммерческих узкофюзеляжных транспортных средств (110–210 пассажиров) — будут почти на 50% эффективнее сопоставимых самолетов, представленных в 1980-х годах (см. Инжир.1, слева). Примеры включают предстоящий Airbus A320 neo , Boeing 737 MAX и Bombardier CSeries .

Благодаря дополнительным стратегиям экономии, ИАТА сообщает, что в период с 1990 по 2012 годы ее авиакомпании-члены смогли повысить свою общую эффективность на 46%, что значительно больше, чем указанная выше эффективность на самолет. Некоторые дополнительные выгоды можно получить за счет усовершенствованных операционных методов. Замена старых самолетов в парке авиакомпаний более новыми моделями с улучшенной аэродинамикой и более эффективными двигателями стала самым большим подспорьем в усилиях авиакомпаний по предотвращению миллиардов долларов затрат на топливо для флота.Это одна из причин, по которой производители коммерческого транспорта смогли продолжить наращивать производство и продажи за последние несколько лет, несмотря на тяжелые экономические условия.

Конструкция приводов КПД

Рынок реактивных двигателей охватывает широкий ассортимент продукции, развивающей тягу от 2700 до 163 000 Нм. В целом, те, которые рассматриваются в этом обзоре, относятся к подклассу ТРДД . Несмотря на то, что существует множество вариаций, турбовентиляторные двигатели имеют большую секцию вентилятора, установленную на передней части основной турбины, с дополнительной турбиной сзади, все они соединены приводным валом (см.рис.2).

Турбореактивный двухконтурный двигатель создает тягу от двух источников: вентиляторного сегмента и основной турбины. Часть поступающего воздуха, захваченного на входе в двигатель, подается в ступени компрессора низкого и высокого давления основной турбины и далее в камеру сгорания, где сжатый воздух и топливо смешиваются и воспламеняются. По мере расширения образовавшегося высокотемпературного газа он вращает установленные сзади турбины высокого и низкого давления, которые приводят в движение передний вентилятор и компрессор, а затем обеспечивает движущую силу на выходе из выхлопной струи.Однако большая часть тяги турбовентиляторного двигателя создается за счет поступающего воздуха, который отклоняется вокруг компрессора и турбины. Разница в объеме воздуха, который обходит компрессор, и воздуха, подаваемого в него, выражается как «коэффициент обхода». Байпасная тяга не требует прямого сжигания топлива. Поэтому в стремлении снизить эксплуатационные расходы производители двигателей неуклонно увеличивали коэффициенты двухконтурности, особенно в семействах двигателей, которые используются для больших транспортных самолетов (см.рис.3). В целом, чем больше коэффициент байпаса, тем лучше топливная эффективность, особенно на дозвуковых скоростях.

Однако более высокие коэффициенты байпаса приводят к увеличению секций вентиляторов и, в свою очередь, к более тяжелым турбовентиляторным двигателям. Например, семейство двигателей CF6 компании GE Aviation (Цинциннати, Огайо, США) было введено в эксплуатацию в 1973 году с коэффициентом двухконтурности 5: 1. Секция вентилятора CF6 составляет 20% от общей массы двигателя (~ 4090 кг). Новый ТРДД GEnx, который производит примерно такую ​​же тягу, имеет коэффициент двухконтурности 10: 1.Его вентилятор составляет 30% от веса двигателя 5 807 кг. Каждый килограмм добавляется к секции вентилятора требует 2,25 кг дополнительной опорной конструкции двигателя и крыло самолета.

Конструкция приводов композитов

Чтобы уменьшить увеличение веса, производители авиационных двигателей заменили металл композитными материалами (см. Рис. 4). На протяжении 1980-х и 1990-х годов применение композитов в авиационных двигателях было относительно ограниченным. Более половины общего объема композита непосредственно связано с компонентами гондолы, такими как реверсоры тяги, акустические гильзы, каскады, дверцы блокировщиков, обтекатели радиальных приводов и капоты.На некоторых моделях арамидные волокна (часто в виде лент из сухих волокон) использовались для усиления алюминиевых корпусов вентиляторов. Носовые конусы из композитных материалов, различные воздуховоды и воздушно-масляные уплотнения двигателя также были довольно распространены (см. Рис. 5).

Когда двигатель GE90 был введен в эксплуатацию в 1995 году, в нем были применены многие более современные материалы и обработка методом литья под давлением (RTM), что позволило внедрить ряд новых композитных компонентов, в первую очередь, большие лопасти вентилятора, сделанные из сотен слоев углеродного волокна с промежуточным модулем упругости. препрегов.С тех пор композитные лопасти, кожухи вентиляторов, байпасные каналы, лопатки статора и множество менее привлекательных деталей и кронштейнов стали обычным явлением не только в коммерческих самолетах, но также в деловых и военных самолетах.

Композиты с разлетом обзора

На основании данных, собранных Composites Forecasts and Consulting LLC (Меса, Аризона, США) в поддержку недавнего прогноза производства реактивных, турбовинтовых и поршневых самолетов в течение 2014-2023 годов, мы оцениваем, что 67 710 турбореактивных реактивных двигателей будут необходимо для поддержки ожидаемого мирового производства самолетов (см. рис.6). Почти 47% этих двигателей предназначены для дальних коммерческих перевозок. Бизнес-джеты займут следующее по величине число, составляя около 37% рынка. Региональные (ближнемагистральные) самолеты составят около 5% этих поставок. Военным самолетам, включая истребители и реактивные беспилотные самолеты, потребуется 11% — около 7200 ТРДД (плюс некоторые наземные запчасти). Годовое производство двигателей неуклонно росло с 2005 года — в 2014 году было поставлено более 5 800 единиц двигателей, и ожидается, что пик будет достигнут в период 2018-2019 годов.

Ожидалось, что двигатели и окружающие гондолы потребят более 16 320 тонн готовых компонентов, в том числе из металлов, композитов и других материалов, только в течение 2013 года. Из этого общего количества на композитные материалы приходилось примерно 1542 тонны разлетающейся массы, что является значительным увеличением по сравнению с примерно 454 тоннами, поставленными в 2005 году. Спрос на композитные компоненты авиационных двигателей в 2014 году составит почти 1680 тонн, и мы консервативно прогнозируем рост до более чем 2765 тонн. Млн тонн в год к 2023 году — по известным заявкам.Композитные материалы в настоящее время составляют около 9,5% от общего веса двигателя. По мере развития рынка в ближайшие годы ожидается, что эта цифра достигнет около 15%. А в ближайшие 10 лет, как показывает наше исследование, 23 587 тонн полимерных композитных конструкций будет произведено для поддержки программ по разработке двигателей для самолетов. Это составляет 16,2 миллиарда долларов США на рынке.

Почти 85% этого тоннажа, связанного с двигателем, предназначено для дальнемагистральных коммерческих самолетов. Ожидается, что на долю региональных реактивных программ придется около 3%.Бизнес-джеты будут потреблять еще 8%, а военные — 4%.

Примечательно, что почти половина прогнозируемого общего количества предназначена для использования в семействах CFM 56 и LEAP 1 компании CFM International (Мелун, Франция), которые широко используются для питания самолетов A320 и B737, и вскоре будут установлены на борту новых самолетов MS-21 и C919 узкофюзеляжный транспорт. CFM International — совместное предприятие GE (Эвендейл, Огайо, США) и SNECMA (Куркурон, Франция, подразделение SAFRAN), поэтому неудивительно, что GE является следующим по величине потребителем компонентов двигателей из композитных материалов.Вместе CFM и GE составят около 72 процентов от общего спроса на композиты для авиационных двигателей. Однако в ближайшие несколько лет, как ожидается, на семейства двигателей Rolls-Royce (Лондон, Великобритания) Trent и Pratt & Whitney (Ист-Хартфорд, Коннектикут, США) будет приходиться значительная часть 28% баланса.

Большинство авиадвигателей, рассмотренных в данном исследовании, произведены европейскими и североамериканскими производителями. Наши исследования показывают, что последние в настоящее время контролируют львиную долю от общего объема добычи, составляя ~ 60% тоннажа, произведенного в 2014 году.Франция через группу SAFRAN владеет около 30% акций; Япония, Ирландия, Италия, Испания, Бельгия и Австрия делят большую часть оставшихся 10%.

Многие производители двигателей обладают значительными собственными производственными мощностями по производству композитных материалов. GE Aircraft Engines, например, имеет предприятия в США в Бейтсвилле, штат Массачусетс, Ньюарк, Делавэр, Балтимор, Мэриленд, Эшвилл, Северная Каролина, и Эллисвилле, штат Миссисипи, а также совместные предприятия. Сообщается, что Rolls-Royce приобрела большое количество небольших машин для укладки волокон для производства лопастей вентиляторов из композитных материалов для будущих платформ двигателей.В число ведущих поставщиков в сегменте композитных материалов для двигателей входят следующие (с указанием доли рынка):

• Albany Engineered Composites Inc. (Рочестер, штат Нью-Хэмпшир, США) 12,8%

• C-Fan (Сан-Маркос, Техас, США) 8,7%

• Nexcelle (Цинциннати, Огайо, США) 8,8%

• GKN Aerospace (Вустершир, Великобритания) 6,0%

• Aircelle (Гонфревиль-л’Орше, Франция) 3.9%

• FACC AG (Рид, Австрия) 3,6%

Основываясь на существующих приложениях и текущей доле работ, производители в США готовы значительно увеличить свои доли рынка в течение прогнозируемого периода.Ожидая, что доллар США останется слабым по отношению к основным валютам Европы и Азии, мы ожидаем, что к 2023 году североамериканские производители будут контролировать 70% рынка.

Процессы и материалы

Традиционно преобладающий метод ручной укладки и отверждения препрега в автоклаве остается наиболее часто используемым методом производства композитных компонентов двигателя. Намотка из волокна также имеет долгую историю, но играет гораздо меньшую роль в авиационных двигателях, поскольку используется для изготовления удерживающих лент из арамидного волокна, которые окружают корпуса вентиляторов.

Подобно производителям других конструкций самолетов, производители двигателей давно стремились снизить производственные затраты и максимально увеличить производительность и эффективность. Эти поиски привели к разработке процессов автоматической укладки ленты (ATL), автоматического размещения волокон (AFP) и инфузии для крупных первичных структур. Но последние были привлечены к методам, более применимым к относительно небольшим, но более сложным деталям двигателя. В качестве примера можно привести LEAP 1 CFM (см. Фото слева), который, как ожидается, будет введен в эксплуатацию в конце этого десятилетия.Отдельно размещенные слои препрега, отверждаемые в автоклаве, были заменены в лопастях вентилятора на преформы из тканого материала 3D, обработанные RTM. Эта стратегия снижает сложность композитных деталей и дает значительно более короткий цикл отверждения, снижая стоимость единицы сэкономленного веса.

Рис. 8 показывает, что процессы автоклава / препрега и RTM (последние составляют почти 30% производства) будут продолжать доминировать на рынке, по сравнению с прогнозом. Хотя RTM зарекомендовал себя как наиболее адаптируемая альтернатива обработки, многоосное компрессионное формование становится жизнеспособным средством для формования некоторых более мелких компонентов, включая платформы вентиляторов и, что, возможно, более интересно, реверсоры тяги — применение, в котором исторически преобладали поставщики из Японии.

Что касается армирования волокном, то наше исследование показало, что стеклянные, углеродные и арамидные волокна будут и дальше использоваться в слоистых материалах для компонентов двигателя. Арамид, как уже отмечалось, укрепит корпуса вентиляторов. Стекловолокно в настоящее время используется в основном в акустических панелях, встроенных в гондолы. Углеродные волокна со стандартным модулем упругости будут по-прежнему укреплять некоторые элементы гондолы, но высокопрочные углеродные волокна со стандартным модулем и промежуточным модулем вместе будут составлять около 94% из 12 474 млн тонн необработанного волокна, предназначенного для этого рынка в ближайшем будущем. 10 лет.Одни только высокоэффективные волокна с промежуточным модулем упругости удовлетворят примерно 83%, или 10 400 тонн, прогнозируемого спроса на волокна.

В этом исследовании также рассматривались матричные смолы. По нашим оценкам, в ближайшее десятилетие для поддержки препрега, жидких смол RTM и формовочных смесей, используемых для производства конструкций двигателей, потребуется 7 530 тонн полимерных материалов. Ожидается, что стандартные и упрочненные эпоксидные смолы (отверждение 121 ° C и отверждение 176 ° C) будут преобладать, что составляет около 93% от общего количества, за ними следуют бисмалеимид и полиимид.Учитывая высокотемпературные применения в двигателях, в этом исследовании также отслеживалось использование цианатных эфиров, фенолов, бензоксазинов, фталонитрилов и термопластов, но только термопласты появлялись в любом значительном количестве, в основном для кронштейнов двигателя и для новых применений реверсоров тяги.

Дальнейший план полета

В результате продолжающегося ценового давления на эксплуатантов самолетов рынок композитных компонентов авиационных двигателей с 2005 года увеличился почти втрое.Долговечность и превосходные механические характеристики композитов из углеродного волокна, в частности, сыграли важную роль в обеспечении производства турбовентиляторных двигателей с большим байпасом за счет более крупных лопастей вентилятора и более легких поддерживающих и окружающих компонентов в более крупных секциях вентилятора. Основываясь на растущих темпах производства самолетов, особенно для коммерческих самолетов, наша ранее отмеченная (и консервативная) оценка в 2014 году почти 1680 тонн композитных компонентов двигателей на сумму более 1,1 миллиарда долларов США вырастет к 2023 году до более чем 2665 тонн конструкций. стоимостью 1 доллар США.7 миллиардов. В целом в прогнозном периоде 2014-2023 гг. Будет изготовлено около 23 586 т композитов для двигателей.

Это даст значительный импульс для роста производителей деталей двигателей из композитных материалов и их соответствующих цепочек поставок. Поставщикам материалов необходимо будет увеличить производство сырья. После учета обрезки и отходов в производственных процессах наше исследование показало, что производителям потребуется около 33 113 тонн систем волокон и смол, в первую очередь углеродного волокна с промежуточным модулем упругости и систем с упрочненной эпоксидной смолой.В базовых ценах на сырье это составляет более 1,4 миллиарда долларов США от продаж. После преобразования в препреги, неплавкие преформы, формовочные смеси и другие формы промежуточных продуктов, стоимость продаж легко превысит 2 миллиарда долларов США.

В заключение, однако, мы должны отметить, что диапазон рабочих температур композитов с полимерной матрицей фактически ограничивает их передней «холодной» частью двигателя. Хотя некоторые полимерные матрицы могут безопасно работать при температурах выше 177 ° C, большая часть веса двигателя по-прежнему сосредоточена в «горячей зоне» двигателя, где для сегментов турбины низкого и высокого давления рабочие температуры могут превышать 1315 ° C. — далеко за пределами возможностей даже самых экзотических полимеров.Высокая стоимость и производственные трудности, связанные с жаропрочными металлическими сплавами для этих применений, представляют собой большую цель для будущих усилий по снижению веса на основе керамики и композитов с керамической матрицей. В настоящее время разрабатываются для использования в LEAP 1 компании CFM, в кожухе ротора турбины, эти материалы, вероятно, найдут применение в других местах в ближайшие несколько лет, включая, например, выхлопные сопла и подшипники. Хотя степень, в которой эти новые материалы могут быть применены в широком спектре компонентов авиационных двигателей, еще не определена, есть значительные основания для экспериментов с двигателями.Фактически, потенциальные возможности для замены металлов композитами с керамической матрицей могут быть больше, чем те, которые уже заявлены композитами с полимерной матрицей.

,

Корпуса поршневых цилиндров двигателя из композитных материалов

К 2020 году корпуса поршневых цилиндров, формованные из полимерных композитов, будут использоваться в двигателях легковых автомобилей и мотоциклов, заменив используемые в настоящее время алюминиевые компоненты. Таков прогноз SBHPP High Performance Plastics, подразделения Sumitomo Bakelite North America Inc. (Гент, Бельгия, и Токио, Япония). В частности, SBHPP исследовала корпуса цилиндров, изготовленные литьем под давлением, изготовленные из армированного стекловолокном фенольного компаунда для объемного формования (BMC), и утверждает, что он может обеспечить те же характеристики, что и литые под давлением алюминиевые детали, а также значительно снизить вес, шум двигателя и тепловое излучение. ,

SBHPP недавно сотрудничал с Институтом производственных технологий и передовых материалов им. Фраунгофера IFAM (Карлсруэ, Германия) для формования испытательного композитного картера цилиндра для одноцилиндрового двигателя объемом 650 куб. Фенольная смола, армированная на 55% стекловолокном, была объединена со встроенными вставками и гильзой цилиндра из алюминия (теплопроводная гильза потребуется с корпусом BMC в двигателе с жидкостным охлаждением для рассеивания тепла сгорания). Деталь была произведена с помощью оптимизированного процесса литья под давлением, разработанного совместно с Fraunhofer, с продолжительностью цикла обработки 90 секунд.

Термодатчики

, установленные на выпускной, приводной и впускной сторонах композитной детали, показали значительно более низкую температуру во время работы двигателя, чем датчики на эталонном алюминиевом корпусе. Кроме того, композитный кожух стал на 20% легче, а акустические испытания подтвердили, что он также значительно снижает шум двигателя. Проект также продемонстрировал снижение производственных затрат примерно на 10% при производстве до 30 000 деталей в год; SBHPP утверждает, что для более высоких объемов производства предполагаемое сокращение затрат может быть еще более значительным.

Хендрик Де Кейзер, директор по маркетингу и технологиям SBHPP, отмечает, что снижение веса стало основным направлением деятельности автопроизводителей, которым все больше и больше приходится стремиться к экономии топлива и сокращению выбросов. Он цитирует оценки жизненного цикла, которые показывают, что воздействие компонентов фенольных композитов на окружающую среду в течение всего срока их службы ниже, чем у альтернативных алюминиевых компонентов.

SBHPP продает эту концепцию поставщикам двигателей и производителям автомобилей, и в конечном итоге стремится представить полностью композитный двигатель.«Через 3-5 лет корпусы цилиндров из композитных материалов станут реальностью», — добавляет Де Кейзер.

,Составной двигатель

— это … Что такое композитный двигатель?

  • композитный двигатель — Комбинация двух двигателей принципиально разной конструкции, например, комбинация поршневой турбины. Этот термин не следует путать с составным двигателем… Авиационный словарь

  • комбинированный двигатель — существительное: составной двигатель 2… Полезный английский словарь

  • Composite Software — Composite Software, Inc. Тип Частное предприятие Промышленность Компьютерное программное обеспечение Штаб-квартира Сан-Матео, Калифорния, США Лондон, Великобритания Территория обслуживания Северная и Южная Америка, Европа Продукты… Wikipedia

  • композитный материал — Твердый материал, который образуется в результате объединения двух или более веществ (физически, а не химически) для создания нового материала, свойства которого в конкретном применении превосходят свойства исходных веществ.Этот термин конкретно относится к…… Универсалиум

  • Блок приложения Composite UI — Блок приложения Composite UI (или CAB) является дополнением к Microsoft .NET Framework для создания сложных пользовательских интерфейсов, состоящих из слабо связанных компонентов. CAB, разработанный группой практики шаблонов Microsoft, используется исключительно для…… Wikipedia

  • Composite Health Care System — Composite Health Care System (CHCS) — это система медицинской информатики на основе VMS, разработанная Science Applications International Corporation (SAIC) и используемая всеми военными медицинскими центрами США и OCONUS.В 1988 году SAIC выиграла…… Wikipedia

  • .

  • Ford Модульный двигатель — Производитель Ford Motor Company Также называется Ford Triton Lincoln InTech Ford Coyote… Wikipedia

  • Композит с керамической матрицей — Поверхность излома армированной волокном керамики, состоящей из волокон SiC и матрицы SiC. Показанный механизм вытягивания волокна является ключом к свойствам CMC… Wikipedia

  • Двигатель General Motors 90 ° V6 — Двигатель Chevrolet 90 ° V6 Производитель General Motors Производство 1978– Рабочий объем 200 cid (3.3 л) 229 cid (3,8 л) 262 cid (4,3 л) Диаметр цилиндра 3,50 дюйма (89 мм) 3,736 дюйма (95 мм) 4,00 дюйма…… Wikipedia

  • Двигатель Chrysler Neon — Двигатель Chrysler Neon представляет собой небольшой прямой четырехпоршневой двигатель, изначально разработанный для компактных автомобилей Dodge и Plymouth Neon. Он был основан на двигателях Chrysler K и Rover K с одинаковым диаметром диаметра 87,5 мм. Цилиндр SOHC…… Википедия

  • Algie Composite Aircraft — компания по производству комплектов самолетов, разрабатывающая комплект LP1.Это высокопроизводительный двухместный самолет с сотовой конструкцией из углеродного волокна и номекса. Используя современные методы изготовления композитов, он имеет массу пустого планера…… Wikipedia

  • ,

    Отправить ответ

    avatar
      Подписаться  
    Уведомление о