Engineering and production of aircraft, engines and in-flight adjustable large-diameter propellers-ru

 Разработка и производство самолетов, двигателей и регулируемых в полете воздушных винтов большого диаметра

Почему собственная разработка?

        Поскольку я являюсь владельцем короткой ВПП (236 м), а также из-за сложного и разрозненного окружения вокруг ВПП, а также большой высоты над уровнем моря (635 AMSL), я решил модифицировать свои самолеты для STOL, чтобы они могли взлетать с такой короткой ВПП с достаточным запасом мощности и способностью преодолевать близлежащее высокое препятствие.

        Кроме того, для успешного сосуществования с местными жителями мне требовался более низкий уровень шума - это требование находит отражение в каждом аспекте моей творческой деятельности.

Как превратить теорию в практику и почему этого не делают обычные производители?

        Наибольший шум от высокоэффективного самолета возникает при взлете и, как правило, обусловлен неподходящим воздушным винтом малого диаметра, высокой частотой вращения винта и неправильной настройкой лопастей винта. Неправильная установка лопастей означает, что одна или две лопасти закручены по сравнению с остальными (стандартный допуск - 0,3 градуса), неподходящий профиль и его изменение на длину лопастей винта, недостаточная жесткость лопастей винта (когда одна или несколько лопастей вибрируют не так, как остальные). Шум также возникает из-за неподходящего передаточного числа редуктора двигателя в сочетании с малым диаметром гребного винта, и, наконец, из-за неподходящей выхлопной системы и ее демпфирования.

         Согласно теоретическим принципам, для достижения наибольшей эффективности передачи мощности от двигателя к воздуху мне нужен пропеллер как можно большего диаметра, желательно с наименьшим разумным количеством лопастей и наименьшими оборотами. Это означает, что мне нужен двигатель с кривой крутящего момента, отличной от той, которую предлагают типичные авиационные двигатели.

     Авиастроители предпочитают компактные размеры самолетов, что подразумевает небольшое расстояние оси винта от земли. При этом они чаще всего используют одну из очень старых технологий: авиационные двигатели Rotax 912 ULS мощностью 100 л.с. Поскольку этот двигатель легко останавливается, легкий и относительно мощный для своей массы, он имеет водяное охлаждение, воздушно-масляное охлаждение и топливное питание. Поэтому он также менее подвержен перегреву при правильной и уже проверенной установке и нормальной эксплуатации. Недостатком этого двигателя является очень низкий крутящий момент, достигающий максимума на 5500 об/мин, где он обеспечивает лишь около 128 Нм на коленчатом валу двигателя. Если использовать понижающий редуктор, то при понижающем отношении 2,42:1 частота вращения выходного вала гребного винта составит 2272 об/мин и 310 Нм. При этом обороты двигателя остаются неоправданно высокими, а крутящий момент - низким!

Можно ли сделать это по-другому и лучше?

         Можно установить более мощный двигатель со значительно большим крутящим моментом. Большим преимуществом будет, если ось винта будет находиться как можно выше над землей, что позволит установить винт большего диаметра. Давайте сравним силовые установки с соответствующими им воздушными винтами в целом!

        Rotax 912 ULS 100HP выдает 95 л.с. при 128 Нм при 5500 об/мин с обычно устанавливаемым воздушным винтом диаметром 1680 мм.

        По сравнению с двигателем CBZB 1.2TSI мощностью 120 л.с./210 Нм/4000 об/мин и гребным винтом диаметром 2060 мм.

        Однако лучшее сравнение по передаче мощности и крутящего момента - за редуктором на выходном гребном валу!

       Rotax 912ULS выдает 95 л.с. при постоянной мощности и понижающем коэффициенте 2,42:1 при 2272 оборотах гребного винта и 310 Нм.

       1,2 TSI CBZB в модификации 118 л.с. и 4000 об/мин при этой постоянной мощности дает 2000 оборотов на выходном валу редуктора и 420 Нм.

       Таким образом, меньше оборотов - выше КПД передачи мощности в воздух и значительно выше крутящий момент на четверть в пользу TSI. Более того, разница в мощности на 20% больше в пользу 1,2 TSI с 118 л.с. при 4000 об/мин. Снижая обороты, мы также уменьшаем расход топлива двигателя 1.2 TSI. Кроме того, мы получаем на один квадратный метр больше ускоренного воздуха вокруг самолета по сравнению с объемом обеих рассматриваемых окружностей винта. Это позволяет:

Более быстрый и короткий разгон, более быстрый и короткий взлет на более короткой ВПП, значительно больший - более крутой угол подъема.

      Повышение эффективности и маневренности самолета за счет более обдуваемой хвостовой поверхности при взлете. Это можно сравнить с увеличением поверхности и отклонения руля направления и руля высоты, которые в этом случае будут обладать большей мощностью, но без нежелательного отрыва воздушного потока.

       Улучшение маневренности самолета при посадке, когда, добавив небольшое количество дросселя, можно регулировать маневренность самолета. (для опытных и конкурентоспособных пилотов, знакомых с этой техникой пилотирования)

Все вышесказанное не просто теория, а проверено на практике на идентичных самолетах!"

Почему бы не использовать существующие двигатели?

        Приобрести недорогой и мощный авиационный двигатель мощностью около 120-140 л.с. и 200-250 Ньютон-метров в настоящее время практически невозможно. Самый известный и легкий Rotax 912 ULS стоит 450 тыс. чешских крон, а его более мощный собрат R 915 мощностью 140 л.с. и 150 Ньютон-метров можно приобрести чуть менее чем за 1 млн. чешских крон. За такую цену я мог бы получить полноценный самолет, и еще осталось бы на другой двигатель!

         Радиальные двигатели с хорошей мощностью и крутящим моментом от г-на Вернера не подходят для моего самолета. Они больше подходят для реплик, где они являются красивым украшением самолета.

        Двигатели UL Power имеют максимальную мощность, заявленную при оборотах около 3000 об/мин, что говорит лишь о том, что производитель двигателя не понял, как передать мощность двигателя в воздух. (Высокие обороты приводят к потерям, переходящим в шум, и низкому КПД винта малого диаметра... потому что винт большого диаметра использовать невозможно, если только он не рассчитан на сверхзвуковые скорости, а таких винтов для ультралайтов пока не существует).

Переоборудование двигателей Suzuki 1.6 16V мощностью около 105 л.с. от "Драгошей" для меня не вариант. Они гораздо менее мощные по сравнению с двигателями 1.2 TSI, без турбонаддува и, соответственно, с низким крутящим моментом, с неподходящей для меня мощностной характеристикой, со слишком высоким пиком крутящего момента и уже технологически устаревшие. Весят они столько же, сколько и 1,2 TSI. Полная установка составляет около 100-107 кг.

          Конвертируемые двигатели Subaru EA 81 мощностью около 80 л.с. уже давно отжили свой век, хотя в свое время они имели неплохие редукторы с шестернями и были очень и очень надежными, но тяжелыми! Полная установка двигателя в самолет часто превышала 110 кг.

         Это можно продолжать с различными двигателями типа Strádal 1200, VW, Porsche, BMW 1200, дизельными Peugeot, Walter, Praga, D-motor и другими новыми типами двигателей... Либо они не обладают необходимой мощностью и особенно крутящим моментом, либо обладают им в большом диапазоне оборотов, либо они запредельно дороги и часто ненадежны."

Имеющиеся на мировом рынке пропеллеры не подходят для Ultralight 600 кг? Почему?

        Купить подходящий регулируемый в полете пропеллер диаметром около 2-2,10 м, массой около 12 кг и стоимостью около 200 тыс. крон для двигателя мощностью 120-140 л.с. и 450 Нм на вторичном валу, например 1,2TSI, или аналогичного двигателя с другим нетипичным распределением крутящего момента по мощности двигателя, во всем мире невозможно! Большинство гребных винтов слишком тяжелы, весят гораздо больше 20 кг, либо не имеют достаточного диаметра, либо не могут передавать мощность 120-140 л.с. и крутящий момент около 450 Нм!

Отсюда вытекает простое для меня уравнение: что я не сделаю сам, того у меня нет. Я должен сделать или переделать мощный двигатель с высоким крутящим моментом на рабочих оборотах и соответствующий регулируемый в полете пропеллер, способный передавать в воздух крутящий момент 450 Нм. Производители конкурируют между собой за то, чтобы иметь самый мощный двигатель. Бумага может многое, фактически все, но мощность двигателя в реальной эксплуатации часто показывает значительные отклонения от заявленной. Мощность без соответствующего крутящего момента и правильных характеристик кривой крутящего момента часто только предполагается или рассчитывается и редко полностью используется на практике. Особенно когда мы имеем воздушный винт недостаточного диаметра, что задается высотой установки самолета, высотой и прочностью носовой стойки шасси или техническим регламентом. Мощность двигателя значительно снижается с увеличением температуры и высоты полета.

Например, Rotax 912S (заявленная производителем мощность 100 л.с.) уже при температуре 25°C и высоте над уровнем моря около 2000 м AMSL имеет примерно на 20% меньшую мощность. Rotax 914 Turbo без интеркулера - это медляк, который сразу же затухает при попадании во впуск избыточного давления и перегретого воздуха от турбины, когда электронное управление снижает мощность и закрывает повышенное наполнение двигателя. Двигателю UL power 390i для достижения максимальной мощности требуется 140 л.с. при 3300 об/мин. Правда? Какой пропеллер, какого диаметра, с каким количеством лопастей и насколько эффективно он будет передавать эту мощность окружающему воздуху на таких высоких оборотах 3300 об/мин?!!!

      В своих электронных книгах я привожу подробные инструкции и ноу-хау, и хочу показать, что и у вас есть такая же возможность модифицировать (переделать) любой доступный двигатель так же или даже лучше, чем это делаю я.

       Лично я переделываю самый доступный и легкий двигатель в Чехии - Skoda 1.2 TSI, EA111 (CBZA, CBZB, CBZ0) с восьмиклапанным механизмом, который модифицируется до мощности 120-144 л.с. с крутящим моментом около 210-230 Нм. По желанию заказчика мощность может быть настроена на различные режимы работы винта и скорости.

Масса двигателя с коробкой передач и всего агрегата в целом составляет около 100-110 кг в зависимости от сборки. Примерно 6-7 кг можно сэкономить, если не использовать электростартер и аккумуляторную батарею для него увеличенного объема 18 Ач. Двигатель можно легко запустить вручную, вращая гребной винт, а если установить аккумулятор LIFEPO4 емкостью 5 Ач, то можно сэкономить еще 5 кг массы".

Самолет NG6 "DREAMTRAINER-FZ" от производителя ROKOAERO

(аналогичен типу Bristell), способен развивать скорость 220 км/час с двигателем 1,2 TSI с редуктором 2,0:1, при 4200 об/мин в воздухе и 2100 об/мин на земле с регулируемыми винтами Meglin.

        С регулируемым в полете трехлопастным винтом диаметром 2060 мм самолет может развивать скорость до 250 км/час при 4500 об/мин в воздухе регулируемого винта и поддерживать 2250 об/мин. Такая крейсерская скорость при столь низких оборотах двигателя - подчеркнем, 4500 об/мин и половина оборотов пропеллера, или 2250, - недостижима для других ультралегких самолетов и самолетов LSA с компоновкой сидений "бок о бок".

        Такого превосходного результата я добился благодаря упорной, длительной и целенаправленной работе по переделке и модификации двигателя и регулируемого в полете воздушного винта, которые точно настроены для достижения поставленной цели.

К ним относятся:

Малая масса регулируемого в полете воздушного винта диаметром 2060 мм, которая составляет всего 10,3 кг.

Малая масса двигательной установки, составляющая примерно 105-107 кг.

Выбор подходящих форм и профилей лопастей пропеллера, изготовление на заказ из углепластика с передней кромкой из нержавеющей стали массой всего 999 г.

Выбор подходящего центра пропеллера увеличенного размера с точной механикой и отличными материалами.

 Возможность короткого взлета и посадки (STOL) при длине взлетно-посадочной полосы всего 150 м.

 Высокая крейсерская скорость 220-250 км/час.

Спартанское оборудование самолета без окраски и парашютной системы спасения.

  Двигатель Aicraft 1.2TSI на NG6 VIA от ROKOAERO 600kg MTOW ULTRALIGHT.    

Самолет Yetti J-03 STOL

Самолет Yetti J-03, оснащенный двигателем 1.2 TSI и редуктором 1:2.4 (версия 1.0), способен взлетать с ВПП длиной 20-40 м, в зависимости от температуры окружающего воздуха, при 5500 об/мин. В этой конфигурации самолет мог набирать высоту с таким углом атаки, что превышал максимальный предел в 30 градусов. Даже будучи летчиком-испытателем, я не был полностью уверен в том, что в случае внезапного отказа двигателя смогу перевести самолет с такого большого угла атаки на снижение на малой высоте. Эксплуатация самолета без регулируемого винта приводит к неоправданно высоким оборотам, порядка 4200-4500 об/мин, и крейсерской скорости около 100-110 км/ч. Это также неоправданно увеличивает расход топлива. На самом деле мне не нужен был гоночный или соревновательный самолет с большим расходом топлива.

Поэтому я создал версию 2.0 редуктора с передаточным числом 1:2.0 и установил регулируемый в полете пропеллер большого диаметра. Это позволило достичь крейсерской скорости 110-150 км/ч при указанных выше оборотах. Однако в итоге я снял регулируемый пропеллер, так как опасался повредить его во время соревновательных полетов. Все-таки Yetti - это STOL-самолет с более низкими скоростями (Vne - 182 км/ч), и регулируемый пропеллер мог бы побудить меня лететь слишком быстро, рискуя получить повреждения от веток или летящих камней, к тому же он не дешев. Для полетов в кустах больше подходят дешевые пропеллеры с фиксированным шагом.

Меня устраивает деревянный пропеллер фиксированного шага диаметром 2100 мм, разработанный и изготовленный г-ном Вольнером. С пропеллером Wolner 2100 мм и двигателем 1,2 TSI самолет Yetti J-03

  может взлетать с высоты 25-45 метров  и  приземлиться в 85 метрах , что вполне достаточно для самолета STOL. Демонстрация коротких взлетов и посадок.

Результаты разработки воздушных винтов "Зейда":

          "Трехлопастной пропеллер "Zejda 1" индивидуальной конструкции, регулируемый в полете, диаметром 2066 мм имеет мечевидные углепластиковые лопасти с усиленной основной балкой внутри лопасти и передней кромкой из нержавеющей стали, общая масса 10,3 кг. Он предназначен для скоростного самолета "DREAMTRAINER-FZ" для достижения максимальной крейсерской скорости порядка 220-270 км/ч и одновременного короткого взлета на max. TOW 600 кг с любой поверхности длиной до 236 м. В комплект поставки входит полная сборка регулируемой лопасти воздушного винта "Zejda 1".

Лопасти винта скручены в продольном направлении на 30 градусов. Масса каждой отдельной карбоновой лопасти пропеллера составляет 999 г. Масса держателя лопастей гребного винта, изготовленного из высококачественной стали, составляет 999-1000 г. Масса всего узла лопасти и держателя с подшипниками и крепежной гайкой, установленного в ступицу гребного винта, составляет 2718 г. Из вышеизложенного следует, что наибольший вес гребной винт имеет в радиусе до 120 мм от центра винта. Это позволяет минимизировать гироскопический эффект гребного винта до той же величины, что и у обычно используемых регулируемых гребных винтов.

          Путем балансировки, подгонки и подгонки отдельных компонентов при сборке лопасти гребного винта в сборе, вставляемой в ступицу винта, я добился отклонения между другими полностью собранными лопастями с держателем, обоими подшипниками, шайбами, гайкой и стопорными винтами менее чем на 1 грамм. Затем я статически сбалансировал пропеллер и провел испытание пропеллера, собранного в индивидуальном порядке, в соответствии с правилами UL.

         После этого я снова разобрал гребной винт и проверил отдельные компоненты на предмет натяжения, износа, микротрещин, кавитации и других явлений. Я аккуратно собрал пропеллер и провел повторное испытание, которое он выдержал. Сейчас пропеллер летает в нормальном режиме, и проверяется его ресурс. Фотография пропеллера находится в галерее на главной странице сайта.

Пропеллер Zejda 1 - трехлопастной пропеллер, полностью укомплектованный пропеллером без дынки и кужели по вываживанию.

"Гребной винт "Зейда 2" представляет собой двухлопастную конструкцию диаметром 2030 мм и общей массой менее 8 кг! Этот пропеллер позволяет самолету TECNAM P 2002 Sierra летать быстрее до 220 км/ч даже без закрылков, быстрее и круче набирать высоту при короткой дистанции взлета и посадки."

Результаты моей работы:

         Вот что помогает мне управлять самолетами на любой поверхности и безопасно взлетать и садиться на короткие ВПП на своих модифицированных самолетах. Как я этого добился?

       Выбрав подходящий тип самолета - TECNAM P 2002 Sierra, который является высокоманевренной и мощной машиной, с предельными значениями 20 кт и 22 кт для заднего и встречного ветра соответственно, которые не превышают многие отличные самолеты GA. Кроме того, Sierra может быть доработана...

Самолет YETTI J-03 с двигателем 1,2 TSI версии 2.0, пропеллером Wollner 2100 мм, изготовленным по заказу в соответствии с характеристиками двигателя и его крутящим моментом. Генераторы Wortex по всему размаху крыла. Шасси Bush с большими колесами.

         На самолете "DREAMTRAINER-FZ", который фактически является самолетом NG 6 Via или аналогичным Bristell, я добился более высоких характеристик двигателя, более высокого крутящего момента, редуктора версии 2.1, значительно большей высоты установки винта большего диаметра, убираемых вручную закрылков на очень большой угол, увеличенного руля с угловым рельефом и регулируемого в полете винта "Zejda1".

        Установив на самолет фиксированный и регулируемый в полете конвертированный воздушный винт значительно большего диаметра (2066-2100 мм), лучшей формы и профиля лопастей, чем у оригинальных и широко распространенных производителей, я добился повышения эффективности на всех режимах работы двигателя.

        Во время взлета, когда самолет кратковременно создает повышенный шум, я сосредоточился на том, чтобы самолет взлетал с требованием большей мощности на меньших оборотах, для чего пришлось переделать редукторы двигателей, значительно снизив шумовой след! Скимитарные лопасти винта устраняют шумовой след и повышают эффективность винта за счет постепенного натекания воздушного потока на лопасть винта и снижения сопротивления.

За счет оснащения самолета вихрегенераторами - турбулизаторами, которые при правильном расположении перед поверхностями управления повышают маневренность самолета, а при расположении вдоль крыла - увеличивают подъемную силу и позволяют летать с гораздо большим углом атаки при меньших скоростях полета. Вихревые генераторы по эффективности аналогичны или равны щелевым, но не влияют на конструкцию крыла. Турбулизаторы повышают маневренность при попутном ветре, но при этом увеличивают расход топлива и снижают максимальную крейсерскую скорость. Турбулизаторы также ухудшают коэффициент глиссады.

       Облегчая самолет от ненужных вещей, приобретая более качественные спортивные и гоночные компоненты, фильтры, свечи зажигания, масла, присадки к маслам и топливу, а также оригинальные смазки Bishop, насосы, тормоза Goldfren и т.д.

       Регулярно косить и укатывать любые другие поверхности полностью накатанным катком после дождя для снижения сопротивления качению и трения и полностью освещать их направляющими фарами. Это позволяет более точно планировать бюджет и сократить время взлетов и посадок, а также значительно повысить безопасность эксплуатации.

      Переделав автомобильный двигатель 1.2 TSI CBZA и CBZB в авиационный, как описано на Aeroweb и в моем блоге в то время, когда еще не были известны точные технические условия для категории UL MTOW 600 кг, я получил легкий (100-110 кг в зависимости от комплектации и использования или отказа от электростартера) и мощный двигатель."

Двигатель Rotax 915is в сравнении с двигателем 1.2TSI

          Двигатель 1.2 TSI модифицирован для получения мощности 120-140 л.с. и, благодаря использованию регулируемого в полете винта большого диаметра, сопоставим по мощности с двигателем Rotax 915 IS со стандартным диаметром винта до 1750 мм.

         В то время как наиболее состоятельные пилоты только сейчас приобретают или рассматривают возможность приобретения двигателя Rotax 915is для своих самолетов, стоимость которого без установки составляет около 40 000 долларов США/евро, те из нас, кто установил на свои самолеты двигатель 1.2 TSI, летают с характеристиками, о которых другие пилоты могут только мечтать. Многие пилоты еще очень и очень долго не смогут достичь уровня двигателя Rotax 915is!

         Возможно, только на полностью изношенном или разбитом самолете можно будет приобрести двигатель Rotax 915is, да и то он будет стоить очень дорого, в то время как двигатель 1.2 TSI даже после переделки всегда будет стоить в разы дешевле. Поэтому переделка автомобильного двигателя с регулируемым в полете пропеллером представляется наиболее эффективным и экономичным способом получения мотоустановки с такими же или даже большими характеристиками по сравнению с двигателем Rotax 915is с серийно выпускаемым пропеллером. И усилия, затраченные на создание двигателя 1,2 TSI и большого регулируемого в полете пропеллера, определенно стоят того! Мощность и ускорение просто неописуемы..."

Двигатель Aicraft 1.2 TSI 120-140HP/230Nm"

          Ниже представлено видео полной конверсии двигателя 1.2 TSI, EA111, CBZA версии 2.0 с цилиндрическим редуктором Zejda и передаточным числом 2.0:1. В настоящее время мною изготовлен двигатель с цилиндрическим редуктором версии 2.2, имеющий меньший вес, большую жесткость и большее осевое расстояние между валами, что позволяет установить гребной винт большего диаметра!

          Три двигателя 1,2 TSI с редуктором 2:1 и плоским поликлиновым ремнем Gates шириной 62 мм уже установлены на трех самолетах. Соотношение мощности и веса двигателя очень важно в зависимости от самолета и установки, для которой вы планируете его использовать. Оно также зависит от того, как вы модифицируете и настраиваете двигатель и какой турбокомпрессор используете. Легко настроенный двигатель Stage 1 с оригинальным турбокомпрессором развивает мощность около 140 л.с. при 5000 об/мин и крутящий момент около 205 Нм.

          Отношение мощности к массе составляет 140 л.с. к 110 кг, или 1,27 л.с. на кг, или 0,92 кВт на кг. Если отказаться от использования стартера, то можно получить неплохой показатель 1,0 кВт на 1 кг общей массы двигательной установки!

          Некоторые тюнеры могут модифицировать и настраивать 16-клапанный двигатель 1.2 TSI, EA211 до Stage 3, до 205 л.с. при 5500-6000 об/мин. При этом используется турбокомпрессор от 1,4 TSI, но значение крутящего момента ниже - около 200 Нм. Такая установка потребует от двигателя длительной работы на высоких оборотах, что приведет к высокому расходу топлива, и больше подойдет для гоночных или соревновательных самолетов, предназначенных для полетов SUPER STOL. Конечно, риск того, что что-то пойдет не так с двигателем, работающим на высоких оборотах, выше, не говоря уже о том, что такая мощность должна охлаждаться, что, в свою очередь, увеличивает массу и требует больших радиаторов."

Filip Zejda.