Кастрюли vs Сковородки. Антон Закрылкин.
Apr. 23rd, 2014 09:48 am![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
scharapow_wОригинал взят у ![[livejournal.com profile]](https://www.dreamwidth.org/img/external/lj-userinfo.gif)
bienelly в Кастрюли vs Сковородки. Антон Закрылкин.
bienelly в Кастрюли vs Сковородки. Антон Закрылкин.Помни, мой клешнерукий брат: двигатель в авиации - не все, но без двигателя все в авиации - ничто! Именно развитие двигателестроения всегда было определяющим фактором развития авиации с самого момента ее зарождения, когда произошло эволюционное разделение всего сущего на нас и наземку. Рачье с днища может ехидно заявить, что существуют еще и планеризм, но давайте помнить, что и планер без двигателя на соответствующую высоту не затащить, а уж воевать на нем против моторизованного летального аппарата - это гарантированно обрекать вражеского летчика на ужасную смерть от хохота. И поэтому мы говорим о двигателях тех славных дней, когда начинался большой замес, оставшийся в памяти народной под названием Вторая Мировая война. Итак, название первого цикла лекций: Кастрюли vs Сковородки.
Тут нужно немного теории. С момента зарождения авиации в начале 20 века, она стремительно развивалась. Каждые десять лет скорость и высотность создаваемых самолетов удваивались. И если первые самолеты, слепленные из говна и палок, не могли обогнать даже паровоз, то к началу 40х годов даже у самого быстрого паровоза морда бы треснула, попытайся он разогнаться хотя бы до половины скорости даже самого плюгавого одномоторного истребителя. Скорость самолетов перешагнула за 500 км/ч, и продолжила расти. И так как крабы из разных стран люто, бешено соревновались в дисциплине Специальной Олимпиады - кто построит самолет быстрее и высотнее, то и двигатели нужны были все более и более мощные. Нужно было преодолевать бешено возрастающее сопротивление встречного воздушного потока, уменьшать паразитивное сопротивление планёра, ну и, разумеется, давить тапку в пол. И так как достаточно компактная и мощная жидкотопливная турбина тогда была еще чем-то из области туманной теории, и некоторыми вообще воспринималась как порождение бреда не в меру распоясавшегося рачья, крабы напряженно работали над увеличением мощности именно поршневых двигателей. К началу 30х годов в основном были определены два ведущих типа конфигурации авиационных поршневых двигателей: это были рядные двигатели водяного охлаждения, хорошо всем нам знакомые по автомобилям, и радиальные двигатели воздушного охлаждения, широким массам днища Пятого океана не сильно знакомые. Конечно, между этими двумя конфигурациями не было и нет четкой границы, в ряде случаев она размывается, но об экзотических двигателях, смелых экспериментах и перекрытом полете мысли с заносом полтора метра мы поговорим в следующий раз. Сегодня о классике.
Как всегда это бывает, между сторонниками рядников и радиальников начался священный срач, чья конфигурация лучше, и к началу войны вся эта кутерьма разрослась до масштабов всемирной Специальной Олимпиады, сопровождавшейся пережиганием сотен нефти, множеством драм и вполне таких реальных смертей от излишне энергичного удара о землю. А бывало что и до земли не долетали... точнее долетали, но по частям, что, разумеется, не только не охлаждало пыл срущихся, а лишь сильнее разжигало его. А мощность оглушительно ревущих на максимальных оборотах двигателей все росла и росла. Сторонники радиальных двигателей воздушного охлаждения обзывали рядников "кастрюлечниками", те в ответ обзывали радиальников "сковородочниками", рачье и тролли наслаждались тоннами вкуснейшего жыра... но звонок прозвенел, и война все расставила по своим местам, определив победителя.
Наша же с вами задача по возможности беспристрастно в ретроспективе рассмотреть основные элементы дисциплины Специальной Олимпиады: Кастрюли vs Сковородки, и установить преимущества и недостатки обеих конфигураций. Сегодня мы поговорим о статоре, а именно о картере и цилиндрах. Начнем.
Как все мы знаем, любой двигатель внутреннего сгорания (да и вообще двигатель) состоит из двух основных групп частей - ротора и статора. Ротор - это непосредственно вал двигателя и все движущиеся части, которые заставляют этот вал вращаться. Статор - это картер и все неподвижные относительно картера части двигателя, которые заставляют все подвижные части двигаться именно там, где надо и так, как надо. И именно со статора а именно с картера и цилиндров нам и нужно начать сравнение рядников и радиальников.
Картер - это главная деталь статора, это сам корпус мотора, состоящий из блока цилиндров и поддона на котором крепятся другие детали статора и ротора. Грубо говоря, картер - это тяжеленная литая или кованная (крайне редко штампованная, но это фуфло и китайщина, и еще более редко не цельная, а сегментная, что вообще применительно к авиации полный маздай) металлическая коробка сложной формы, с кучей палочек и дырочек, на которых крепится все-все-все и куда набивается вся "требуха ротора", необходимая для работы мотора. Картер - самая тяжелая часть авиационного мотора, его масса зачастую составляет до 50% от всей массы винтомоторной группы. Такие дела. Главная проблема при конструировании авиационного двигателя - это облегчение массы картера. Если сделать его легким, с тонкими стенками, то такой двигатель долго не проживет — картер, на который при работе действуют разнонаправленные могучие динамические и температурные факторы, деформируется или разрушится, и тогда двигателю настанет амба, причем в самый неподходящий момент, прямо в небе. Последствия предсказать нетрудно. Если же картер сделать прочным, но излишне массивным, то начнутся проблемы с собственным весом двигателя. Такой не то что самолет, себя в небо не поднимет! И поэтому картеры авиационных двигателей довольно быстро догадались делать из легких, прочных и тугоплавких сплавов, например из алюминия, что было дорого и геморно, зато работало. И тут в вопросах компактности и легкости картера радиальным двигателям нет равных. На рис. 2 приблизительно равном масштабе показаны рядный 12-цилиндровый V-образный двигатель Allison V-1710 и 14-цилиндровый двухрядный Wright R-2600, имеющие приблизительно одинаковую мощность (причем радиальник все же в стоковой модификации помощнее), а красным закрашены зоны, позволяющие оценить «на глазок» объем картера.
Заметна разница? Вот то-то и оно. Картер двухрядного V-образного двигателя — по сути дела коробка, из которой цилиндры торчат вверх, а стенки и днища коробки — сплошные! Представляете, сколько алюминия уходило, чтобы отлить и отковать эти стенки, и как много это корыто весило? Модифицирование рядных авиационных двигателей в сторону облегчения веса зачастую как раз и сводилось к тому, что с картера там напильником полграмма алюминия стачивали, здесь заусенчик откусывали, а результат в силу взаимоисключающих параграфов был всегда один — резкое падение моторесурса и быстрый выход двигла из строя. Печальная история с отечественным М-107, который во многом являл собой перепиленный вот таким напильником М-105 - это классический, но далеко не единственный пример. А вот у радиальника цилиндры не сгруппированы с одной стороны картера, а расположены по кругу, и поэтому площади стен картера как бы более эффективно используются. Более того, картер радиального двигателя весь «дырявый», сплошных стен почти нет. Посмотрите на рис. 3, на котором показаны картеры Wright R-2600 — площадь стен картера и так в несколько раз меньше чем у рядника, так и стенки все эти в отверстиях под цилиндры. Именно такое положение дел влекло за собой серьезную экономию массы радиального двигателя и открывало широкий простор для полета инженерной мысли. Но иногда заносило, и тогда случался кикоз. Но об этом в другой раз.
Оборотной стороной легкого и «дырявого» картера радиального двигателя являлась более высокая сложность и требования к точности изготовления, которую Махал Махалычу из ПТУ не доверишь. Ну и за дырками нужно следить, ибо при нарушении герметичности втыкаемых в них узлов и агрегатов может протекать моторное масло. Горячее масло. Очень горячее, несвежее, которым с непривычки можно внезапно обмазаться, и потом несколько месяцев дрочить в ожоговом отделении ближайшей больницы, в компании врачей-убийц. И то если повезет. А вот из корытообразного картера рядного двигателя маслу утекать попросту некуда, разве что вверх. ИЧСХ оно вверх и утекало, когда самолет слишком долго летел в перевернутом состоянии, в то время как у радиального двигателя, грубо говоря, верха и низа попросту нет — масло могло утечь через любую, внезапно образовавшуюся щель.
Естественно, что легкость картера радиальных двигателей была причиной их значительного преимущества в вопросах соотношения веса к мощности и предметом гордости «сковородочников», которые с удовольствием троллили «кастрюлечников», даря последним на восьмое марта весы и напильники. Кастрюлечники злобно пыхтели и грозились запилить убердвижок, который, несомненно, покончит с ненавистными сковородками. Но как-то не срасталось.
Второй основной частью статора являются цилиндры. Точнее - сами цилиндры и их головки, которые являются отдельными деталями. Грубо говоря — цилиндры втыкаются в картер, а на сами цилиндры накручиваются головки, через которые в цилиндры подается топливная смесь, выводятся продукты сгорания и на которых крепятся внутрь цилиндра свечи зажигания. И здесь опять-таки нужно немного теории.
Для увеличения мощности авиационного двигателя нужно увеличивать объем цилиндров, а также их количество. Все ведь просто — не так ли? Больше объем цилиндра — больше в него влезет топливной смеси, она сильнее бабахнет и лучше толкнет поршень — это называется увеличением объема двигателя. Больше воткнем цилиндров, будет больше бабахов в секунду, больше поршней будет «летать» на валу, больше будет мощность — это называется увеличением количества цилиндров (ваш К. О.). Так? Так, да не так. Все несколько сложнее. Увеличение объема цилиндров далеко не всегда приводит к увеличению мощности, и происходит это вот почему. Давайте представим себе, что вот, у нас в цилиндре поршень пошел вниз, клапан впуска открылся, и внутрь поперла топливная смесь, имеющая консистенцию аэрозоли (помни, мой клешнерукий брат, сам бензин не взрывается, а просто горит — взрываются пары бензина, которые в камеру сгорания цилиндра и подаются, и о занятных способах и проблемах получения паров бензина я расскажу тебе в следующий раз, когда подрастешь и не попытаешься получать их дома или на Майдане). И вот, пары бензина в цилиндр поданы, клапан захлопнулся, поршень пошел вперед, начиная люто, бешено, нашу взрывчатую аэрозоль прессовать. На моменте максимального сжатия свеча дает искру, происходит взрыв, и продукты сгорания начинают жестоко мстить цилиндру за хамский прессинг, толкая его назад, откуда пришел. Представили? А теперь представьте что у нас в цилиндре происходит до тридцати таких операций в секунду (а бывает и больше, прикинь...)! И здесь начинают работать совсем другие санитары. Прежде всего, если у нас цилиндр большого объема, то топливная аэрозоль тупо не успеет равномерно растечься по объему цилиндра, что вызовет неравномерную детонацию, приводящую к перекосу поршней и овальности цилиндров. Поэтому цилиндру большого объема нужен не один, а два впускных клапана, чтобы успеть запихать топливную смесь в нужных количествах и более-менее равномерно. А еще два выпускных, чтобы горячие продукты сгорания успели полностью смотаться из цилиндра прежде, чем туда поступит новая порция смеси. А то ведь подожгут смену раньше времени, и пойдет детонация при открытом впускном клапане до самого карбюратора... и тогда кааак ебанет! Но и куча впускных и выпускных клапанов наших проблем не решают! Как выясняется, топливная смесь взрывается вот ну нифига не мгновенно. Нет, ну конечно, на взгляд невооруженным крабьим глазом кажется, что все происходит во мгновенье ока, но в действительности, когда нам на всю операцию детонации отводится ничтожная доля секунды, скорость выгорания смеси играет критически важную роль. И вот, мы поджигаем топливо одной свечкой, оно начинает взрываться... а цилиндр уже удрал, откуда пришел, не дожидаясь, пока смесь раскачается. Ссыкун. Но он неизбежно возвращается, и объявляет вяло взрывающейся смеси, что шоу окончено, пора и на выход. Открывается выпускной клапан, и слоупочная «недовзорвавшаяся» смесь вылетает из цилиндра, в лучшем случае образуя безумный «чих» с ярким снопом пламени в выхлопной системе. А иногда бывает еще веселее — часть топливной смеси вообще не поджигается, и конденсируется или в выхлопной системе, или вообще за ее пределами, имея дурное обыкновение загораться в самый неподходящий момент. Представляете, как бомбил кирпичами японский летчик Вася, увидев, что обшивка его деревянного самолета за выхлопными патрубками двигателя маленько горит? Это явление, когда топливная смесь не успевает полностью сгорать в цилиндре, так и называется — невыгорание. И это большое зло, поскольку двигатель не выходит на заданную мощность, идут бессмысленные потери топлива, ну и к тому же это пожароопасно. Как с этим бороться? А очень просто — воткнуть в головку цилиндра сразу две свечи, и как бы поджигать топливную смесь сразу с двух сторон! Два взрыва пошли навстречу друг другу, общий объем топлива взорвался в два раза быстрее, оно полностью выгорело, толкнуло цилиндр с нужной силой, все довольны. Так? А вот хрен тебе, мой клешнерукий брат! Рано радуешься! Ты представляешь себе, как будет выглядеть электрическая распределительная система у 12-цилиндрового V-образного авиационного двигателя, у которого в каждый горшок воткнуты по две свечки? Нет, ты не представляешь себе этого ужаса — это нужно увидеть своими глазами, и после этого двигатель автомобиля, с которым, как тебе кажется, ты никогда не разберешься, покажется тебе не сложнее заводной игрушки. Не даром мы, ангарные похабники, смотрим на стритсракеров как на говно, особенно когда они приходят клянчить у нас закись азота! И давайте же помнить, что все эти впускные и выпускные клапаны, свечки и прочее, ютятся на головке цилиндра, которая при работе двигателя подвергается самым сильным динамическим и температурным нагрузкам. При работе двигателя она раскаляется, бывает, до такого состояния, что плавится как восковая, в заглушенном состоянии остывает... и тогда деформируется, «устает», и выкидывает много других, не менее занятных фокусов. И чем более сложна головка цилиндра в изготовлении, чем больше на ней отверстий под клапана, гнезд под свечки и прочих наворотов, тем быстрее она выходит из строя.
Поэтому, мой клешнерукий брат, проектируя поршневой авиационный двигатель, не гонись слишком сильно за объемом цилиндров, ибо на тех оборотах, что нужны авиации, ты можешь не суметь добиться полного выгорания топлива. Но тебе нужно добиться нужной мощности двигателя! Как же тебе быть? Ответ, кажется, очевиден — увеличить количество цилиндров, чтобы почаще бабахало! Но и здесь тебя ждет веселый нежданчик. Хочешь ты или нет, но тебе в любом случае придется в авиационном двигателе втыкать по две свечи на горшок, это поняли еще отцы-основатели. И поэтому чем больше у тебя цилиндров, тем сложнее и морочнее у тебя распределительная электрическая система, которая, как известно, должна работать лучше любых швейцарских часов. Если у тебя двигатель рядный, то с увеличением количества цилиндров ты неизбежно будешь увеличивать длину и массивность коленвала (и/или сильнее его нагружать шатунами на каждую шатунную шейку), и, соответственно, картера и двигателя. А картер, как мы уже знаем, штука тяжелая — увеличь его длину и/или ширину, и начнет люто, бешено расти его вес. Да и сам коленвал, чем длиннее, тем сложнее он в изготовлении, тем менее он надежен, тем быстрее его ведет на почве эксцентричности. Чтобы его не вело — нужно делать его более мощным и массивным, а это опять-таки вес и габариты. А вес и габариты в авиации имеют критически важное значение. Хочешь запилить два коленвала? Пожалуйста, Британские Ученые пробовали, известно, что получилось. Мы тут за двигатели Тайфунов и Темпестов уже говорили. Да ладно, хрен бы с ним, с коленвалом, ты представляешь как будут выглядеть у тебя распределительные валы (их еще в народе называют кулачковыми валами), когда у тебя овердофига цилиндров, и на каждом по два впускных и выпускных клапана? Ты знаешь, каким интересным словом ругнется ПТУшник Махал Махалыч, когда ты принесешь ему чертеж этого распредвала и попросишь выточить на токаре? Впрочем, тот, кто будет чертить этот вал, тоже изрядно обогатит твой словарный запас. Поэтому, мой клешнерукий брат, и количеством цилиндров тоже особо не увлекайся. Обрыбишься.
В этом и заключена великая дилемма проектирования мощных авиационных двигателей — конструктор должен найти некий оптимальный баланс между количеством цилиндров и их объемом. Тут даже рассчитать это дело можно, но я не буду вдаваться в такие частности, ибо сопромат, физика, зло и матан. Ты не поймешь.
И вот теперь давай вернемся к нашим кастрюлям и сковородкам. С цилиндрами сковородочникам везло, а вот кастрюлечникам не очень. Сковородочникам что? Для того, чтобы увеличить количество цилиндров, достаточно было просто сделать диаметр центрального картера поширше, и дырок под цилиндры насверлить побольше. Хочется цилиндры большего объема? Да не вопрос! Просто насверлим дырок соответствующего диаметра, и воткнем сколько надо. Если все не влазят — разместим цилиндры в два ряда, как раз как на нашем Wright R-2600, в шашечном порядке, и уместится их у нас целых четырнадцать. Больших и толстых. Коленчатый вал? Крабы, держитесь за водоросли крепче, щас бомбанет...
Какой коленчатый вал? Нет в радиальном двигателе никакого коленчатого вала!
Нет, ну, не то, чтобы не совсем нет, он там есть, но в таком рудиментарном состоянии, что можно сказать, что его там нет. Если у нас однорядный радиальный двигатель, то у нас коленчатый вал там вообще односегментный, с одной шатунной шейкой. ПТУшник Махал Махалыч на своем токаре изготовит такой коленвал за полчаса и не вспотеет. Если у нас звезда двухрядная, то коленчатый вал с двумя шатунными шейками... как у мопеда, но просто гораздо массивнее. Махал Махалыч изготовит такой за час, обратно не вспотеет, получит премию и пойдет с корешами заливаться Жыгулем. Просто у нас кривошипы всего ряда цилиндров радиального двигателя идут к одной шатунной шейке, понимаете? Да, она испытывает большую нагрузку, но достаточно просто сделать ее достаточно толстой и мощной, такой бычьей шеякой, и все будет чики-пики! С распределительными валами на радиальном двигателе у нас тоже проблем нет. Мы просто снабжаем каждый цилиндр двумя коротенькими кулачковыми валиками, и каждый из них отвечает за впускные и выпускные клапана на своем цилиндре. Махал Махалыч настругает их в легкую! Даже если он что-то запорет, то просто выкинет испорченную болванку, вставит в патрон своего токара новую, и быстро исправит ошибку.
А вот с коленвалом и распредвалами рядного двигателя у Махал Махалыча случится трисичуха. Крабы, посмотрите на рис. 4, на котором изображен коленчатый вал обыкновенного четырехцилиндрового автомобильного двигателя.
Кто ответит старшему ангарному похабнику Закрылкину правильно: сколько технологических операций применяется при изготовлении этой сложной детали? Делаю подсказку: не забываем про обработку хромоникельмолибденовой стали по волокнам, о ковке заготовки на закрытом штампе, обрезке стального облоя, холодной и горячей правке, пескоструйной и контактной зональной шлифовке, термической обработке и повторной правке, очистке от окалины, обработке на дробометной машине и многих других увлекательных забавах машиностроителей. Работай, Махал Махалыч, не зря же тебя в ПТУ гоняли! Но нет, в одно жало он тут не управится, нужна целая толпа народу, и не ПТУшников, а очень серьезных пацанов с высшими образованиями (причем не экономистов, не юристов, не дизайнеров и не фотографов) и куча очень серьезного оборудования. Нет, ну конечно, для изготовления вала радиального двигателя тоже много чего серьезного и много серьезных пацанов надо, но уверяю вас, с радиальниками на порядок проще. И та же самая фигня будет наблюдаться у рядных двигателей с распределительными валами — они длинные, слабее на изгиб и излом, их труднее изготовлять, и вообще. Сковородочники торжествовали.
Итак, подведем промежуточные итоги. По первым двум рассмотренным аспектам, сравнению картера и цилиндров, сковородочники ведут с отрывом 2:0. Кастрюлечники стискивают зубы в бессильной злобе, и готовятся к лютому реваншу.
Теперича речь пойдет о роторах, то есть подвижных деталях авиационных двигателей, которые и приводят во вращение выходной вал, с которого, тащемта, обороты через редуктор на воздушный винт и подаются. Ну, да, я и сам знаю, что иногда все происходит вообще без редуктора, но такая шняга прокатывает только на совсем легких и простеньких самолетиках с примитивным винтом неизменяемого шага, на которых не то, что не повоюешь, даже и пофигурять-то особо в небе не получится. Так, перетащить одно-два туловища по днищевым слоям атмосферы из пункта А в пункт В, да и только. Впрочем, о редукторах и воздушных винтах мы поговорим в другой раз, сегодня же мы о подвижных частях авиационного двигателя.
Да, выше, начав рассказ о цилиндрах, я невольно перевел тему на клапана и валы, но тут ничего не поделаешь — работа цилиндров самым тесным образом взаимосвязана с работой поршней, а поршни через шатуны тесно взаимосвязаны с коленчатым валом. А коленвал — это, считай, главная часть ротора, без него никуда. Много надмозгов, сумрачных гениев и просто сумасшедших пытались создать поршневой двигатель совсем без коленвала, но это неизменно сопровождалось или былинным отказом, или такой наркоманской и мозговыносящей конструкцией, что к ней любой вменяемый ангарный похабник побоялся бы подойти ближе чем на полкилометра. На стенде редкие полудохлые безвальные схемы иногда с горем пополам работают, но использовать их в небе — нужно быть совсем угашенным идиотом. Поэтому с коленвала мы и начнем.
А сам коленвал — деталька люто доставляющая, причем не лулзы, а боль пониже спины. И чем конструктивно коленвал сложнее, тем лютее боль. В прошлый раз я предлагал клешнеруким братьям на глазок прикинуть, сколько нужно дрочиться, чтобы коленвал изготовить, причем речь шла о современном, цельнокованном простеньком автомобильном экземпляре, изготовленном на современном высокоточном автоматизированном электронном оборудовании. А ведь в золотой век кастрюль и сковородок ничего этого не было! Была лишь куча Махал Махалычей с их управляемым вручную заводским оборудованием, штангенциркулями и логарифмическими линейками. Вот они там балдели! Первые коленчатые валы на двигателях внутреннего сгорания вообще не были едиными деталями, а собирались по частям, что, разумеется, влекло за собой море такого извращенного веселья, что маркиз де Сад, увидев это, почернел бы, скукожился, и с горя решил больше не жить. Но самое смешное только начиналось. Коленвал, он на то и вал, чтобы вращаться, причем в мощном авиационном двигателе он вращается со скоростью до шестидесяти оборотов в секунду — это три тысячи оборотов в минуту. А так как коленвал зачастую представляет собой вот ну нифига не симметричную конструкцию, то приходится очень серьезно озадачиваться тем, что на жаргоне ангарных похабников и родственных им машиностроителей называется «центробежной развесовкой». Нужно до десятых и сотых долей граммов рассчитывать массу противовесов, их цвет, размер и форму, и при этом еще помнить, что все это в процессе изготовления коленвал будет правиться, прокаливаться и шлифоваться (а это потери тех самых, с таким геморроем вычисленных долей граммов материала, и все расчеты летят к чертям). В процессе работы коленвал будет нагреваться и изнашиваться, что тоже повлияет на его динамические характеристики и, вне всякого сомнения, изрядно доставит тому, кто будет в его компании подниматься в заоблачные выси. Ну и давайте не будем забывать еще и про неизбежную погрешность в расчетах, что тоже вносит изрядную порцию безумия в нашу и без того мозговыносящую деятельность. Это на вашем мирно фыркающем ТАЗике небольшая эксцентричность коленвала решающей роли не играет, ибо собственной прочности двигателя хватает, чтобы удержать этого морального урода там, где положено. А вот на ревущем на максимальных оборотах авиационном двигателе, мощностью в полторы тыщи кобыл, особая точность развесовки коленвала играет пипец какую критически важную роль.
Что, клешнерукие братья, уже мозги из ушей полезли? Тогда давайте проще: коленчатый вал — это хренов эксцентрик. Стоит ему износиться, деформироваться и «повестись», как он за счет образовавшегося дисбаланса начинает люто, бешено крушить самого себя и двигатель в целом, начиная с несчастных подшипников, на которых сидит. Абсолютно идеально сбалансировать коленвал до сих пор ни у кого не получилось, хоть из отдельных атомов железиума его лепи — все равно где-то, да проколешься. Это в наше время, когда программизм и электронщина проникли во все сферы жизни, да и металлургия шагнула вперед ого-го как, со этим попроще, и понятия «достаточной балансировки» и «достаточной упругой деформации» перестали вызывать у проектировщиков авиационных двигателей болезненное сжатие сфинктера. Впрочем, в наше время и поршневых авиационных двигателей мощнее пятисот кобыл уже не делают по причине ненадобности. А вот сто лет назад принципиальная невозможность балансировки коленвала на достаточном уровне приводила к тому, что на первых авиационных двигателях в ситуации с ротором и статором было все наоборот. Да, други мои и подруги, старший похабник Закрылкин не бредит. Было все наоборот. Инженегры дошли до того, что сделали коленвал... статором! То есть он был неподвижным. А весь двигатель вращался вокруг него. Как в том анекдоте про гуманитариев и лампочку. Вы можете себе представить радиальный движок, у которого круглый картер, с вставленными в него по кругу цилиндрами, на бешеной скорости вращается вокруг неподвижного коленвала? Если нет, то я вам вкусненькое видео приготовил.
Такие двигатели назывались ротативными, и с их применением в авиации была связана своя, уникальная пачка лулзов, основанная на их лютом гироскопическом эффекте. Ну и добавьте к этому цельный деревянный винт неизменяемого шага, и использовании касторки в роли моторного масла, поскольку моторных масел в нынешнем понимании этого термина тогда еще вообще не существовало. В общем - веселые были времена. А шло все безумие от коленвала, будь он неладен.
Но со временем все так или иначе наладилось. Коленчатые валы научились делать цельными и более-менее сносно балансировать, и тем проще было с ними эту операцию провернуть, чем они были короче. Чем больше на коленчатом вале шатунных шеек (на жаргоне ангарных похабников - «шагов»), тем сбалансировать вал было проще. И здесь снова «сковородочники» получали преимущество. Первые радиальные двигатели были однорядными, и поэтому шатунная шейка у их валов была одна, а у более поздних двухрядных их было всего лишь две. Не так уж сложно было рассчитать массы и контрмассы, и не так уж сложно было все это изготовить, да еще и в нужных количествах. А вот у «кастрюлечников» была беда. У двенадцатицилиндрового V-образного авиационного двигателя водяного охлаждения коленчатый вал был длинным и шестишаговым, то есть шатунных шеек у него было шесть. На взлетном режиме он, сцуко, гнулся и извивался как недоваренная макаронина, и чтобы этого не происходило, его приходилось очень точно и долго изготавливать, тестировать, устраивать контрольные прогоны, да к тому же крепить на картере не только на коренных шейках, а еще и в других местах, и вообще. А если коленвал был еще и не цельным, а наборным, то тогда было вообще туши свет, кидай гранату. Такие движки клинили и рассыпались сплошь и рядом.
Сковородочники радовались и злобно хихикали, ибо счет становился 3:0 в их пользу.
Все, на сегодня хватит. Ушел похмеляться. На рис.5 и 6 показаны коленчатый вал 12-цилиндрового V-образного двигателя Allison V-1710 и разрез 14-цилиндрового двухрядного Wright R-2600, позволяющий оценить как выглядел его двухшаговый коленвал.
Тут нужно немного теории. С момента зарождения авиации в начале 20 века, она стремительно развивалась. Каждые десять лет скорость и высотность создаваемых самолетов удваивались. И если первые самолеты, слепленные из говна и палок, не могли обогнать даже паровоз, то к началу 40х годов даже у самого быстрого паровоза морда бы треснула, попытайся он разогнаться хотя бы до половины скорости даже самого плюгавого одномоторного истребителя. Скорость самолетов перешагнула за 500 км/ч, и продолжила расти. И так как крабы из разных стран люто, бешено соревновались в дисциплине Специальной Олимпиады - кто построит самолет быстрее и высотнее, то и двигатели нужны были все более и более мощные. Нужно было преодолевать бешено возрастающее сопротивление встречного воздушного потока, уменьшать паразитивное сопротивление планёра, ну и, разумеется, давить тапку в пол. И так как достаточно компактная и мощная жидкотопливная турбина тогда была еще чем-то из области туманной теории, и некоторыми вообще воспринималась как порождение бреда не в меру распоясавшегося рачья, крабы напряженно работали над увеличением мощности именно поршневых двигателей. К началу 30х годов в основном были определены два ведущих типа конфигурации авиационных поршневых двигателей: это были рядные двигатели водяного охлаждения, хорошо всем нам знакомые по автомобилям, и радиальные двигатели воздушного охлаждения, широким массам днища Пятого океана не сильно знакомые. Конечно, между этими двумя конфигурациями не было и нет четкой границы, в ряде случаев она размывается, но об экзотических двигателях, смелых экспериментах и перекрытом полете мысли с заносом полтора метра мы поговорим в следующий раз. Сегодня о классике.
Как всегда это бывает, между сторонниками рядников и радиальников начался священный срач, чья конфигурация лучше, и к началу войны вся эта кутерьма разрослась до масштабов всемирной Специальной Олимпиады, сопровождавшейся пережиганием сотен нефти, множеством драм и вполне таких реальных смертей от излишне энергичного удара о землю. А бывало что и до земли не долетали... точнее долетали, но по частям, что, разумеется, не только не охлаждало пыл срущихся, а лишь сильнее разжигало его. А мощность оглушительно ревущих на максимальных оборотах двигателей все росла и росла. Сторонники радиальных двигателей воздушного охлаждения обзывали рядников "кастрюлечниками", те в ответ обзывали радиальников "сковородочниками", рачье и тролли наслаждались тоннами вкуснейшего жыра... но звонок прозвенел, и война все расставила по своим местам, определив победителя.
Наша же с вами задача по возможности беспристрастно в ретроспективе рассмотреть основные элементы дисциплины Специальной Олимпиады: Кастрюли vs Сковородки, и установить преимущества и недостатки обеих конфигураций. Сегодня мы поговорим о статоре, а именно о картере и цилиндрах. Начнем.
Как все мы знаем, любой двигатель внутреннего сгорания (да и вообще двигатель) состоит из двух основных групп частей - ротора и статора. Ротор - это непосредственно вал двигателя и все движущиеся части, которые заставляют этот вал вращаться. Статор - это картер и все неподвижные относительно картера части двигателя, которые заставляют все подвижные части двигаться именно там, где надо и так, как надо. И именно со статора а именно с картера и цилиндров нам и нужно начать сравнение рядников и радиальников.
Картер - это главная деталь статора, это сам корпус мотора, состоящий из блока цилиндров и поддона на котором крепятся другие детали статора и ротора. Грубо говоря, картер - это тяжеленная литая или кованная (крайне редко штампованная, но это фуфло и китайщина, и еще более редко не цельная, а сегментная, что вообще применительно к авиации полный маздай) металлическая коробка сложной формы, с кучей палочек и дырочек, на которых крепится все-все-все и куда набивается вся "требуха ротора", необходимая для работы мотора. Картер - самая тяжелая часть авиационного мотора, его масса зачастую составляет до 50% от всей массы винтомоторной группы. Такие дела. Главная проблема при конструировании авиационного двигателя - это облегчение массы картера. Если сделать его легким, с тонкими стенками, то такой двигатель долго не проживет — картер, на который при работе действуют разнонаправленные могучие динамические и температурные факторы, деформируется или разрушится, и тогда двигателю настанет амба, причем в самый неподходящий момент, прямо в небе. Последствия предсказать нетрудно. Если же картер сделать прочным, но излишне массивным, то начнутся проблемы с собственным весом двигателя. Такой не то что самолет, себя в небо не поднимет! И поэтому картеры авиационных двигателей довольно быстро догадались делать из легких, прочных и тугоплавких сплавов, например из алюминия, что было дорого и геморно, зато работало. И тут в вопросах компактности и легкости картера радиальным двигателям нет равных. На рис. 2 приблизительно равном масштабе показаны рядный 12-цилиндровый V-образный двигатель Allison V-1710 и 14-цилиндровый двухрядный Wright R-2600, имеющие приблизительно одинаковую мощность (причем радиальник все же в стоковой модификации помощнее), а красным закрашены зоны, позволяющие оценить «на глазок» объем картера.
Заметна разница? Вот то-то и оно. Картер двухрядного V-образного двигателя — по сути дела коробка, из которой цилиндры торчат вверх, а стенки и днища коробки — сплошные! Представляете, сколько алюминия уходило, чтобы отлить и отковать эти стенки, и как много это корыто весило? Модифицирование рядных авиационных двигателей в сторону облегчения веса зачастую как раз и сводилось к тому, что с картера там напильником полграмма алюминия стачивали, здесь заусенчик откусывали, а результат в силу взаимоисключающих параграфов был всегда один — резкое падение моторесурса и быстрый выход двигла из строя. Печальная история с отечественным М-107, который во многом являл собой перепиленный вот таким напильником М-105 - это классический, но далеко не единственный пример. А вот у радиальника цилиндры не сгруппированы с одной стороны картера, а расположены по кругу, и поэтому площади стен картера как бы более эффективно используются. Более того, картер радиального двигателя весь «дырявый», сплошных стен почти нет. Посмотрите на рис. 3, на котором показаны картеры Wright R-2600 — площадь стен картера и так в несколько раз меньше чем у рядника, так и стенки все эти в отверстиях под цилиндры. Именно такое положение дел влекло за собой серьезную экономию массы радиального двигателя и открывало широкий простор для полета инженерной мысли. Но иногда заносило, и тогда случался кикоз. Но об этом в другой раз.
Оборотной стороной легкого и «дырявого» картера радиального двигателя являлась более высокая сложность и требования к точности изготовления, которую Махал Махалычу из ПТУ не доверишь. Ну и за дырками нужно следить, ибо при нарушении герметичности втыкаемых в них узлов и агрегатов может протекать моторное масло. Горячее масло. Очень горячее, несвежее, которым с непривычки можно внезапно обмазаться, и потом несколько месяцев дрочить в ожоговом отделении ближайшей больницы, в компании врачей-убийц. И то если повезет. А вот из корытообразного картера рядного двигателя маслу утекать попросту некуда, разве что вверх. ИЧСХ оно вверх и утекало, когда самолет слишком долго летел в перевернутом состоянии, в то время как у радиального двигателя, грубо говоря, верха и низа попросту нет — масло могло утечь через любую, внезапно образовавшуюся щель.
Естественно, что легкость картера радиальных двигателей была причиной их значительного преимущества в вопросах соотношения веса к мощности и предметом гордости «сковородочников», которые с удовольствием троллили «кастрюлечников», даря последним на восьмое марта весы и напильники. Кастрюлечники злобно пыхтели и грозились запилить убердвижок, который, несомненно, покончит с ненавистными сковородками. Но как-то не срасталось.
Второй основной частью статора являются цилиндры. Точнее - сами цилиндры и их головки, которые являются отдельными деталями. Грубо говоря — цилиндры втыкаются в картер, а на сами цилиндры накручиваются головки, через которые в цилиндры подается топливная смесь, выводятся продукты сгорания и на которых крепятся внутрь цилиндра свечи зажигания. И здесь опять-таки нужно немного теории.
Для увеличения мощности авиационного двигателя нужно увеличивать объем цилиндров, а также их количество. Все ведь просто — не так ли? Больше объем цилиндра — больше в него влезет топливной смеси, она сильнее бабахнет и лучше толкнет поршень — это называется увеличением объема двигателя. Больше воткнем цилиндров, будет больше бабахов в секунду, больше поршней будет «летать» на валу, больше будет мощность — это называется увеличением количества цилиндров (ваш К. О.). Так? Так, да не так. Все несколько сложнее. Увеличение объема цилиндров далеко не всегда приводит к увеличению мощности, и происходит это вот почему. Давайте представим себе, что вот, у нас в цилиндре поршень пошел вниз, клапан впуска открылся, и внутрь поперла топливная смесь, имеющая консистенцию аэрозоли (помни, мой клешнерукий брат, сам бензин не взрывается, а просто горит — взрываются пары бензина, которые в камеру сгорания цилиндра и подаются, и о занятных способах и проблемах получения паров бензина я расскажу тебе в следующий раз, когда подрастешь и не попытаешься получать их дома или на Майдане). И вот, пары бензина в цилиндр поданы, клапан захлопнулся, поршень пошел вперед, начиная люто, бешено, нашу взрывчатую аэрозоль прессовать. На моменте максимального сжатия свеча дает искру, происходит взрыв, и продукты сгорания начинают жестоко мстить цилиндру за хамский прессинг, толкая его назад, откуда пришел. Представили? А теперь представьте что у нас в цилиндре происходит до тридцати таких операций в секунду (а бывает и больше, прикинь...)! И здесь начинают работать совсем другие санитары. Прежде всего, если у нас цилиндр большого объема, то топливная аэрозоль тупо не успеет равномерно растечься по объему цилиндра, что вызовет неравномерную детонацию, приводящую к перекосу поршней и овальности цилиндров. Поэтому цилиндру большого объема нужен не один, а два впускных клапана, чтобы успеть запихать топливную смесь в нужных количествах и более-менее равномерно. А еще два выпускных, чтобы горячие продукты сгорания успели полностью смотаться из цилиндра прежде, чем туда поступит новая порция смеси. А то ведь подожгут смену раньше времени, и пойдет детонация при открытом впускном клапане до самого карбюратора... и тогда кааак ебанет! Но и куча впускных и выпускных клапанов наших проблем не решают! Как выясняется, топливная смесь взрывается вот ну нифига не мгновенно. Нет, ну конечно, на взгляд невооруженным крабьим глазом кажется, что все происходит во мгновенье ока, но в действительности, когда нам на всю операцию детонации отводится ничтожная доля секунды, скорость выгорания смеси играет критически важную роль. И вот, мы поджигаем топливо одной свечкой, оно начинает взрываться... а цилиндр уже удрал, откуда пришел, не дожидаясь, пока смесь раскачается. Ссыкун. Но он неизбежно возвращается, и объявляет вяло взрывающейся смеси, что шоу окончено, пора и на выход. Открывается выпускной клапан, и слоупочная «недовзорвавшаяся» смесь вылетает из цилиндра, в лучшем случае образуя безумный «чих» с ярким снопом пламени в выхлопной системе. А иногда бывает еще веселее — часть топливной смеси вообще не поджигается, и конденсируется или в выхлопной системе, или вообще за ее пределами, имея дурное обыкновение загораться в самый неподходящий момент. Представляете, как бомбил кирпичами японский летчик Вася, увидев, что обшивка его деревянного самолета за выхлопными патрубками двигателя маленько горит? Это явление, когда топливная смесь не успевает полностью сгорать в цилиндре, так и называется — невыгорание. И это большое зло, поскольку двигатель не выходит на заданную мощность, идут бессмысленные потери топлива, ну и к тому же это пожароопасно. Как с этим бороться? А очень просто — воткнуть в головку цилиндра сразу две свечи, и как бы поджигать топливную смесь сразу с двух сторон! Два взрыва пошли навстречу друг другу, общий объем топлива взорвался в два раза быстрее, оно полностью выгорело, толкнуло цилиндр с нужной силой, все довольны. Так? А вот хрен тебе, мой клешнерукий брат! Рано радуешься! Ты представляешь себе, как будет выглядеть электрическая распределительная система у 12-цилиндрового V-образного авиационного двигателя, у которого в каждый горшок воткнуты по две свечки? Нет, ты не представляешь себе этого ужаса — это нужно увидеть своими глазами, и после этого двигатель автомобиля, с которым, как тебе кажется, ты никогда не разберешься, покажется тебе не сложнее заводной игрушки. Не даром мы, ангарные похабники, смотрим на стритсракеров как на говно, особенно когда они приходят клянчить у нас закись азота! И давайте же помнить, что все эти впускные и выпускные клапаны, свечки и прочее, ютятся на головке цилиндра, которая при работе двигателя подвергается самым сильным динамическим и температурным нагрузкам. При работе двигателя она раскаляется, бывает, до такого состояния, что плавится как восковая, в заглушенном состоянии остывает... и тогда деформируется, «устает», и выкидывает много других, не менее занятных фокусов. И чем более сложна головка цилиндра в изготовлении, чем больше на ней отверстий под клапана, гнезд под свечки и прочих наворотов, тем быстрее она выходит из строя.
Поэтому, мой клешнерукий брат, проектируя поршневой авиационный двигатель, не гонись слишком сильно за объемом цилиндров, ибо на тех оборотах, что нужны авиации, ты можешь не суметь добиться полного выгорания топлива. Но тебе нужно добиться нужной мощности двигателя! Как же тебе быть? Ответ, кажется, очевиден — увеличить количество цилиндров, чтобы почаще бабахало! Но и здесь тебя ждет веселый нежданчик. Хочешь ты или нет, но тебе в любом случае придется в авиационном двигателе втыкать по две свечи на горшок, это поняли еще отцы-основатели. И поэтому чем больше у тебя цилиндров, тем сложнее и морочнее у тебя распределительная электрическая система, которая, как известно, должна работать лучше любых швейцарских часов. Если у тебя двигатель рядный, то с увеличением количества цилиндров ты неизбежно будешь увеличивать длину и массивность коленвала (и/или сильнее его нагружать шатунами на каждую шатунную шейку), и, соответственно, картера и двигателя. А картер, как мы уже знаем, штука тяжелая — увеличь его длину и/или ширину, и начнет люто, бешено расти его вес. Да и сам коленвал, чем длиннее, тем сложнее он в изготовлении, тем менее он надежен, тем быстрее его ведет на почве эксцентричности. Чтобы его не вело — нужно делать его более мощным и массивным, а это опять-таки вес и габариты. А вес и габариты в авиации имеют критически важное значение. Хочешь запилить два коленвала? Пожалуйста, Британские Ученые пробовали, известно, что получилось. Мы тут за двигатели Тайфунов и Темпестов уже говорили. Да ладно, хрен бы с ним, с коленвалом, ты представляешь как будут выглядеть у тебя распределительные валы (их еще в народе называют кулачковыми валами), когда у тебя овердофига цилиндров, и на каждом по два впускных и выпускных клапана? Ты знаешь, каким интересным словом ругнется ПТУшник Махал Махалыч, когда ты принесешь ему чертеж этого распредвала и попросишь выточить на токаре? Впрочем, тот, кто будет чертить этот вал, тоже изрядно обогатит твой словарный запас. Поэтому, мой клешнерукий брат, и количеством цилиндров тоже особо не увлекайся. Обрыбишься.
В этом и заключена великая дилемма проектирования мощных авиационных двигателей — конструктор должен найти некий оптимальный баланс между количеством цилиндров и их объемом. Тут даже рассчитать это дело можно, но я не буду вдаваться в такие частности, ибо сопромат, физика, зло и матан. Ты не поймешь.
И вот теперь давай вернемся к нашим кастрюлям и сковородкам. С цилиндрами сковородочникам везло, а вот кастрюлечникам не очень. Сковородочникам что? Для того, чтобы увеличить количество цилиндров, достаточно было просто сделать диаметр центрального картера поширше, и дырок под цилиндры насверлить побольше. Хочется цилиндры большего объема? Да не вопрос! Просто насверлим дырок соответствующего диаметра, и воткнем сколько надо. Если все не влазят — разместим цилиндры в два ряда, как раз как на нашем Wright R-2600, в шашечном порядке, и уместится их у нас целых четырнадцать. Больших и толстых. Коленчатый вал? Крабы, держитесь за водоросли крепче, щас бомбанет...
Какой коленчатый вал? Нет в радиальном двигателе никакого коленчатого вала!
Нет, ну, не то, чтобы не совсем нет, он там есть, но в таком рудиментарном состоянии, что можно сказать, что его там нет. Если у нас однорядный радиальный двигатель, то у нас коленчатый вал там вообще односегментный, с одной шатунной шейкой. ПТУшник Махал Махалыч на своем токаре изготовит такой коленвал за полчаса и не вспотеет. Если у нас звезда двухрядная, то коленчатый вал с двумя шатунными шейками... как у мопеда, но просто гораздо массивнее. Махал Махалыч изготовит такой за час, обратно не вспотеет, получит премию и пойдет с корешами заливаться Жыгулем. Просто у нас кривошипы всего ряда цилиндров радиального двигателя идут к одной шатунной шейке, понимаете? Да, она испытывает большую нагрузку, но достаточно просто сделать ее достаточно толстой и мощной, такой бычьей шеякой, и все будет чики-пики! С распределительными валами на радиальном двигателе у нас тоже проблем нет. Мы просто снабжаем каждый цилиндр двумя коротенькими кулачковыми валиками, и каждый из них отвечает за впускные и выпускные клапана на своем цилиндре. Махал Махалыч настругает их в легкую! Даже если он что-то запорет, то просто выкинет испорченную болванку, вставит в патрон своего токара новую, и быстро исправит ошибку.
А вот с коленвалом и распредвалами рядного двигателя у Махал Махалыча случится трисичуха. Крабы, посмотрите на рис. 4, на котором изображен коленчатый вал обыкновенного четырехцилиндрового автомобильного двигателя.
Кто ответит старшему ангарному похабнику Закрылкину правильно: сколько технологических операций применяется при изготовлении этой сложной детали? Делаю подсказку: не забываем про обработку хромоникельмолибденовой стали по волокнам, о ковке заготовки на закрытом штампе, обрезке стального облоя, холодной и горячей правке, пескоструйной и контактной зональной шлифовке, термической обработке и повторной правке, очистке от окалины, обработке на дробометной машине и многих других увлекательных забавах машиностроителей. Работай, Махал Махалыч, не зря же тебя в ПТУ гоняли! Но нет, в одно жало он тут не управится, нужна целая толпа народу, и не ПТУшников, а очень серьезных пацанов с высшими образованиями (причем не экономистов, не юристов, не дизайнеров и не фотографов) и куча очень серьезного оборудования. Нет, ну конечно, для изготовления вала радиального двигателя тоже много чего серьезного и много серьезных пацанов надо, но уверяю вас, с радиальниками на порядок проще. И та же самая фигня будет наблюдаться у рядных двигателей с распределительными валами — они длинные, слабее на изгиб и излом, их труднее изготовлять, и вообще. Сковородочники торжествовали.
Итак, подведем промежуточные итоги. По первым двум рассмотренным аспектам, сравнению картера и цилиндров, сковородочники ведут с отрывом 2:0. Кастрюлечники стискивают зубы в бессильной злобе, и готовятся к лютому реваншу.
Теперича речь пойдет о роторах, то есть подвижных деталях авиационных двигателей, которые и приводят во вращение выходной вал, с которого, тащемта, обороты через редуктор на воздушный винт и подаются. Ну, да, я и сам знаю, что иногда все происходит вообще без редуктора, но такая шняга прокатывает только на совсем легких и простеньких самолетиках с примитивным винтом неизменяемого шага, на которых не то, что не повоюешь, даже и пофигурять-то особо в небе не получится. Так, перетащить одно-два туловища по днищевым слоям атмосферы из пункта А в пункт В, да и только. Впрочем, о редукторах и воздушных винтах мы поговорим в другой раз, сегодня же мы о подвижных частях авиационного двигателя.
Да, выше, начав рассказ о цилиндрах, я невольно перевел тему на клапана и валы, но тут ничего не поделаешь — работа цилиндров самым тесным образом взаимосвязана с работой поршней, а поршни через шатуны тесно взаимосвязаны с коленчатым валом. А коленвал — это, считай, главная часть ротора, без него никуда. Много надмозгов, сумрачных гениев и просто сумасшедших пытались создать поршневой двигатель совсем без коленвала, но это неизменно сопровождалось или былинным отказом, или такой наркоманской и мозговыносящей конструкцией, что к ней любой вменяемый ангарный похабник побоялся бы подойти ближе чем на полкилометра. На стенде редкие полудохлые безвальные схемы иногда с горем пополам работают, но использовать их в небе — нужно быть совсем угашенным идиотом. Поэтому с коленвала мы и начнем.
А сам коленвал — деталька люто доставляющая, причем не лулзы, а боль пониже спины. И чем конструктивно коленвал сложнее, тем лютее боль. В прошлый раз я предлагал клешнеруким братьям на глазок прикинуть, сколько нужно дрочиться, чтобы коленвал изготовить, причем речь шла о современном, цельнокованном простеньком автомобильном экземпляре, изготовленном на современном высокоточном автоматизированном электронном оборудовании. А ведь в золотой век кастрюль и сковородок ничего этого не было! Была лишь куча Махал Махалычей с их управляемым вручную заводским оборудованием, штангенциркулями и логарифмическими линейками. Вот они там балдели! Первые коленчатые валы на двигателях внутреннего сгорания вообще не были едиными деталями, а собирались по частям, что, разумеется, влекло за собой море такого извращенного веселья, что маркиз де Сад, увидев это, почернел бы, скукожился, и с горя решил больше не жить. Но самое смешное только начиналось. Коленвал, он на то и вал, чтобы вращаться, причем в мощном авиационном двигателе он вращается со скоростью до шестидесяти оборотов в секунду — это три тысячи оборотов в минуту. А так как коленвал зачастую представляет собой вот ну нифига не симметричную конструкцию, то приходится очень серьезно озадачиваться тем, что на жаргоне ангарных похабников и родственных им машиностроителей называется «центробежной развесовкой». Нужно до десятых и сотых долей граммов рассчитывать массу противовесов, их цвет, размер и форму, и при этом еще помнить, что все это в процессе изготовления коленвал будет правиться, прокаливаться и шлифоваться (а это потери тех самых, с таким геморроем вычисленных долей граммов материала, и все расчеты летят к чертям). В процессе работы коленвал будет нагреваться и изнашиваться, что тоже повлияет на его динамические характеристики и, вне всякого сомнения, изрядно доставит тому, кто будет в его компании подниматься в заоблачные выси. Ну и давайте не будем забывать еще и про неизбежную погрешность в расчетах, что тоже вносит изрядную порцию безумия в нашу и без того мозговыносящую деятельность. Это на вашем мирно фыркающем ТАЗике небольшая эксцентричность коленвала решающей роли не играет, ибо собственной прочности двигателя хватает, чтобы удержать этого морального урода там, где положено. А вот на ревущем на максимальных оборотах авиационном двигателе, мощностью в полторы тыщи кобыл, особая точность развесовки коленвала играет пипец какую критически важную роль.
Что, клешнерукие братья, уже мозги из ушей полезли? Тогда давайте проще: коленчатый вал — это хренов эксцентрик. Стоит ему износиться, деформироваться и «повестись», как он за счет образовавшегося дисбаланса начинает люто, бешено крушить самого себя и двигатель в целом, начиная с несчастных подшипников, на которых сидит. Абсолютно идеально сбалансировать коленвал до сих пор ни у кого не получилось, хоть из отдельных атомов железиума его лепи — все равно где-то, да проколешься. Это в наше время, когда программизм и электронщина проникли во все сферы жизни, да и металлургия шагнула вперед ого-го как, со этим попроще, и понятия «достаточной балансировки» и «достаточной упругой деформации» перестали вызывать у проектировщиков авиационных двигателей болезненное сжатие сфинктера. Впрочем, в наше время и поршневых авиационных двигателей мощнее пятисот кобыл уже не делают по причине ненадобности. А вот сто лет назад принципиальная невозможность балансировки коленвала на достаточном уровне приводила к тому, что на первых авиационных двигателях в ситуации с ротором и статором было все наоборот. Да, други мои и подруги, старший похабник Закрылкин не бредит. Было все наоборот. Инженегры дошли до того, что сделали коленвал... статором! То есть он был неподвижным. А весь двигатель вращался вокруг него. Как в том анекдоте про гуманитариев и лампочку. Вы можете себе представить радиальный движок, у которого круглый картер, с вставленными в него по кругу цилиндрами, на бешеной скорости вращается вокруг неподвижного коленвала? Если нет, то я вам вкусненькое видео приготовил.
Такие двигатели назывались ротативными, и с их применением в авиации была связана своя, уникальная пачка лулзов, основанная на их лютом гироскопическом эффекте. Ну и добавьте к этому цельный деревянный винт неизменяемого шага, и использовании касторки в роли моторного масла, поскольку моторных масел в нынешнем понимании этого термина тогда еще вообще не существовало. В общем - веселые были времена. А шло все безумие от коленвала, будь он неладен.
Но со временем все так или иначе наладилось. Коленчатые валы научились делать цельными и более-менее сносно балансировать, и тем проще было с ними эту операцию провернуть, чем они были короче. Чем больше на коленчатом вале шатунных шеек (на жаргоне ангарных похабников - «шагов»), тем сбалансировать вал было проще. И здесь снова «сковородочники» получали преимущество. Первые радиальные двигатели были однорядными, и поэтому шатунная шейка у их валов была одна, а у более поздних двухрядных их было всего лишь две. Не так уж сложно было рассчитать массы и контрмассы, и не так уж сложно было все это изготовить, да еще и в нужных количествах. А вот у «кастрюлечников» была беда. У двенадцатицилиндрового V-образного авиационного двигателя водяного охлаждения коленчатый вал был длинным и шестишаговым, то есть шатунных шеек у него было шесть. На взлетном режиме он, сцуко, гнулся и извивался как недоваренная макаронина, и чтобы этого не происходило, его приходилось очень точно и долго изготавливать, тестировать, устраивать контрольные прогоны, да к тому же крепить на картере не только на коренных шейках, а еще и в других местах, и вообще. А если коленвал был еще и не цельным, а наборным, то тогда было вообще туши свет, кидай гранату. Такие движки клинили и рассыпались сплошь и рядом.
Сковородочники радовались и злобно хихикали, ибо счет становился 3:0 в их пользу.
Все, на сегодня хватит. Ушел похмеляться. На рис.5 и 6 показаны коленчатый вал 12-цилиндрового V-образного двигателя Allison V-1710 и разрез 14-цилиндрового двухрядного Wright R-2600, позволяющий оценить как выглядел его двухшаговый коленвал.
