Винтомоторные группы для БПЛА с высотой полёта не более 4500 м на основе линейки одноцилиндровых калильных двигателей М-8.1, М-8.2, М-8.3 объёмом 28 см3 (0,03 л.)
Цель разработки – использование в ходе проектирования, модернизации или ремоторизации (замене) двигателей и винтомоторных групп на существующих и перспективных аппаратах различного функционального назначения с тянущим, толкающим воздушным винтом или вентилятором.
В состав винтомоторной группы входит воздушный винт, двигатель, автоматика управления режимами работы, а также система выпуска отработанных газов.
Одноцилиндровые калильные двигатели М-8.1 и М-8.3 имеют традиционную схему расположения цилиндропоршневой группы, в то время как двигатель М-8.2 выполнен с горизонтальным расположением поршня и угловым редуктором. При этом существенным достоинством горизонтального расположения цилиндра является уменьшение площади лобовой проекции не менее чем на 15 – 20%. Другое достоинство данной компоновки заключается в возможности установки понижающего редуктора воздушного винта с целью увеличения момента на выходном валу.
Краткое описание и основные характеристики силовых установок винтомоторных групп:
➣допускается эксплуатация двигателей с оригинальным высокоэффективным малошумным трехлопастным воздушным винтом диаметром 536 мм и шагом 178 мм, с тягой не менее 55 Н на 6500 об/мин;
➣допускается эксплуатация двигателей с неоригинальными двухлопастными воздушными винтами типа 18/8, 20/8 и 22/8 при диаметре центрального отверстия 12 мм, эксплуатация с другими типами воздушных винтов не рекомендуется, из-за возможной перегрузки или недозагрузки мотора;
➣одноцилиндровый калильный двигатель воздушного охлаждения развивает мощность по DIN не менее 3,5 л. с. (2,57 кВт) при 7000 об/мин, имеет диаметр цилиндра 34 мм и рабочий ход поршня 31 мм, оснащён трехканальной продувкой Шнюрле;
➣двигатели М-8.1 и М-8.2 оснащены дисковым золотниковым газораспределением Циммермана, в то время как двигатель М-8.3 оснащён золотниковым газораспределением через коленчатый вал;
➣удельный расход топлива, кг/кВт ч – 0,3 в установившемся режиме;
➣коэффициент уравновешенности двигателей, – не менее 0,49;
➣в двигателях применена оригинальная калильная свеча с дефлектором, предназначенным для предотвращения попадания спирали накаливания в рабочую область камеры сгорания;
➣по согласованию на двигатели М-8.1 и М-8.2 устанавливается бесщёточный стартер-генератор мощностью не менее 500 Вт. Двигатель М-8.3 запускается на земле от внешнего электрического стартера;
➣система выпуска отработанных газов для уменьшения акустической заметности спроектирована, но её окончательный вид может быть оформлен только после экспериментальной отработки на стенде, в ходе которого должны быть подтверждены динамические, акустические, расходные и статические характеристики, так как выхлоп на данном типе двигателей оказывает существенное влияние на мощность.
Система выпуска отработанных газов устанавливается на двигателе в противоположном направлении от воздушного винта для предотвращения деформации глушителя-резонатора при жесткой посадке летательного аппарата. Эскиз сечения двухкамерного конического глушителя-резонатора представлен на рисунке ниже.
Габаритный эскиз глушителя-резонатора, унифицированного для всех двигателей, представлен на рисунке ниже. В зависимости от версии двигателя меняется размер входного патрубка. Вес глушителя-резонатора: 146 гр.
Данный глушитель-резонатор обеспечивает минимальные потери мощности двигателя, в пределах 12 – 15% (в зависимости от высоты, барометрического давления и температуры окружающей среды).
Допускается установка оси двигателей горизонтально или вертикально под любым углом, с тянущим или толкающим воздушным винтом. Двигатели оснащён системой распыления топлива в карбюраторе, вследствие чего положительные и отрицательные значения продолжительных перегрузок определяются только характеристиками конструктивно-силовой схемы летательного аппарата.
Крепление двигателя М-8.1 к силовому шпангоуту или мотораме летательного аппарата: четыре отверстия 8 мм на присоединительном диаметре 85 мм, толщина кронштейна 5 мм. Расположение центра масс двигателя (с глушителем-резонатором, без воздушного винта с коком): Xc = 6,3 мм, Yc=0 мм, Zc=36 мм по оси коленчатого вала и центру присоединительной окружности.
Габаритный эскиз двигателя М-8.1 представлен на рисунке ниже. На эскизе топливная и выхлопные системы условно не показаны. При установке двигателя на летательный аппарат, направление и угол установки глушителя-резонатора могут быть откорректированы под конкретную реализацию изделия. Однако, расстояние от оси цилиндра до рабочей камеры резонатора должно быть минимальным и согласованным, что связано с потерями в выхлопном тракте. Вес двигателя М-8.1: 1603 гр.
Габаритный эскиз двигателя М-8.2 приведён на рисунке ниже. На эскизе топливная и выхлопные системы условно не показаны. Крепление двигателя М – 8.2 к силовому шпангоуту или мотораме летательного аппарата: четыре отверстия 8 мм на присоединительном диаметре 120 мм, толщина кронштейна 5 мм. Расположение центра масс двигателя (с глушителем-резонатором, без воздушного винта с коком): Xc= 27 мм, Yc=0 мм, Zc=15,8 мм по оси коленчатого вала и центру присоединительной окружности. Вес двигателя М-8.2: 2253 гр.
Конструктивно на двигателях М-8.1 и М-8.2 предусмотрено крепление стартер-генератора мощностью не менее 500 Вт шестью шпильками с резьбой М3 на присоединительном диаметре 42 мм в носке двигателя. При этом съемный носок двигателя М-8.2 может быть удлинен по решению заказчика для удобства размещения и центровки двигателя на летательном аппарате.
Габаритной эскиз двигателя М-8.3 приведён на рисунке ниже. На эскизе топливная и выхлопные системы условно не показаны. Крепление двигателя М-8.3 к силовому шпангоуту или мотораме летательного аппарата идентично креплению двигателя М-8.1. Расположение центра масс двигателя (с глушителем-резонатором, но без воздушного винта с коком): Xc= 1,3 мм, Yc=0 мм, Zc=39 мм по оси коленчатого вала и центра присоединительной окружности. Вес двигателя М-8.3: 1550 гр.
Фазы газораспределения двигателей оптимизированы для свободного и настроенного выхлопа: всасывание – начало 20° после НМТ, конец 40° после ВМТ, продолжительность 200°, продувка – продолжительность 147°, выхлоп – продолжительность 172°, см. эскиз на рисунке ниже. Эксплуатация двигателя со свободным выхлопом не рекомендуется вследствие значительного уровня акустического шума, превышающего значение 110 дБ.
Топливо для стандартного режима эксплуатации двигателей: спирт метиловый (65%), амилацетат (6%), бензин Б-70 (14%), масло для двухтактных двигателей (15%) с допуском JASO FB/ISO-L-EGB (СТО 84035624-071-2012. Масло моторное для двухтактных двигателей Gazpromneft Moto 2T). В отдельных случаях допускается добавление в топливо не более 5 – 10% нитрометана, но не более 30% в условиях максимального форсирования (по задаче).
Система питания: впрыск топлива низкого давления, с автоматической регулировкой давления в топливной магистрали в зависимости от высоты полета и барометрического давления. Двигатели изначально проектировались как многотопливные. Использование других видов жидкого топлива и искрового зажигания в настоящее время представляется нерациональным. Топливо на основе метилового спирта обеспечивает самые высокие эксплуатационные параметры, включая эффективную мощность.
В перспективе, после разработки и испытаний необходимых датчиков, в первую очередь датчиков массового расхода воздуха, детонации, положения дроссельной заслонки и коленвала, а также изготовления высоковольтной системы коммутации и подбора свечи зажигания, двигатели могут быть легко адаптированы к другим видам газового и жидкого топлива, включая автомобильный или авиационный бензины.
Расчётная внешняя характеристика двигателей представлена на рисунке ниже.
Ресурс двигателей: не менее 300 часов, при замене шатуна через 150 ч. По результатам ресурсных испытаний заявленное значение ресурса должно быть увеличено, за счет установки игольчатого подшипника на мотылевой шейке. Кроме того, представляется целесообразным осуществить замену латунной гильзы цилиндра на стальную, установив на поршне L – образное компрессионное кольцо. По предварительной оценке, межремонтный ресурс двигателей после доработки может составлять не менее 500 часов. Решение по доработке должно быть принято после оценки степени износа двигателей в ходе ресурсных испытаний.
С целью упрощения ремонта в полевых условиях, в конструкции двигателей применены только винты с цилиндрической головкой по ГОСТ Р 55742-2013 и метрической резьбой М6, что не требует специального инструмента для сборки-разборки мотора.
Типы используемых подшипников: российские по ГОСТ, допустима замена на аналогичные иностранные. Замена подшипников качения на подшипники скольжения для удешевления и упрощения конструкции представляется нецелесообразной.
Двигатель М-8.1 состоит из 5 корпусных деталей из алюминиевого сплава: корпус картера, головка цилиндра, две задние золотниковые крышки, корпус дроссельного узла. Эскиз картера приставлен на рисунке ниже.
Двигатель М-8.2 состоит из 6 корпусных деталей из алюминиевого сплава: корпус картера, головка цилиндра, две задние золотниковые крышки, носок картера, силовая крышка коленвала. Эскиз картера приставлен на рисунке ниже.
Двигатель М – 8.3 состоит из 4 корпусных деталей из алюминиевого сплава: корпус картера, головка цилиндра, задняя крышка, корпус дроссельного узла. Эскизы картера приставлен на рисунке ниже:
Головки цилиндра двигателей М-8.1 и М-8.3 идентичны. Узел дросселирования полностью взаимозаменяем на всех двигателях. Калильные свечи – идентичны.
Материалы силовой установки:
➣винт – стеклопластик (возможна замена на углепластик, по согласованию);
➣коленчатый вал – сталь марки 18ХНВА, вал подвергнут цементации и термической обработке (HRC 58-60);
➣шестерня углового редуктора – сталь марки 12ХН3А, шестерня подвергнута цементации и термической обработки (HRC 58-60);
➣шатун – титановый сплав марки ВТ14;
➣гильза цилиндра – латунный сплав марки ЛС-59, внутренняя поверхность покрыта пористым хромом;
➣золотник двигателей М-8.1 и М-8.2– сталь марки 65Г, толщина 1 мм;
➣калильная свеча – латунный корпус и стальной сердечник, спираль – платиноиридиевая проволока диаметром 0,6 мм;
➣картер двигателя и остальные корпусные детали – алюминиевый сплав Ал-9 (иной материал по согласованию);
➣поршень – алюминиевый сплав марки Ал-32, возможна установка L-образного компрессионного кольца (по согласованию, после ресурсных испытаний и замены гильзы на стальную).
Дополнительная информация, включая твёрдотельную 3D-модель для оценки возможности компоновки моторамы, капотов обтекателей двигателя и глушителя-резонатора представляется по запросу с учётом назначенного ресурса силовой установки конкретного БПЛА.
✔ Обсудить темы, связанные с двигателями
Жми по прямой ссылке TELEGRAM, ВКОНТАКТЕ1<, ВКОНТАКТЕ1
Скопировать адрес группы в Telegram: https://t.me/microengine
Скопировать адрес группы ВКонтакте: https://vk.com/wall-29994774_184086
Скопировать адрес группы ВКонтакте: https://vk.com/wall-29994774_184503