CYLINDRY

Cylindry lotniczego silnika tłokowego poddane są działaniu złożonych obciążeń wynikających z:

• cyklicznych zmian ciśnienia;

• przemiennego zginania siłą boczną N;

• nierównomiernego rozkładu temperatury wzdłuż tworzącej cylindra oraz wzdłuż jego obwodu;

Analityczne określenie wartości działających obciążeń jest bardzo trudne, dlatego też szczegóły konstrukcji cylindrów opracowuje się uwzględniając badania eksperymentalne prototypów oraz wnioski z eksploatacji wcześniejszych wersji silników.

KONSTRUKCJA CYLIDRÓW

Cylindry eksploatowanych obecnie lotniczych silników tłokowych chłodzone są powietrzem. Ze względu na sposób przenoszenia działających obciążeń, cylindry dzieli się na:

1. cylindry nieodciążone obciążenia zginające przenosi tuleja cylindra

2. cylindry odciążone obciążenia zginające przenoszą śruby ściągające łączące

głowice i tuleje cylindrowe z kadłubem silnika

Konstrukcja cylindra nieodciążonego (na przykładzie silnika Asz-62 IR)

• połączenie tulei z głowicą gwintowo-skurczowe (gwint trapezowy, 300°C, żaroodporny lakier);

• „cylinder z przewężeniem wskutek deformacji” (średnica wewnętrzna tulei w miejscu łączenia z głowicą jest mniejsza o 0,3÷0,5 mm od wartości nominalnej. Przewężenie to zanika w odległości ok. 80 mm od górnej krawędzi tulei);

• użebrowanie polepsza odprowadzenie ciepła i usztywnia tuleję. Wielkość i ilość żeber uzależniona jest od lokalnych warunków cieplnych (głowica). Żebra poziome na głowicy mają przecięcia w celu zmniejszenia naprężeń termicznych;

• kołnierz z 16 otworami z gniazdami kulistymi pod podkładki nakrętek mocujących;

• zfazowanie „koszulki” zapobiega zetknięciu sąsiednich cylindrów w karterze;

• wewnętrzna powierzchnia tulei azotowana (odporność na ścieranie) i honowana z nierównościami rozłożonymi w kształcie siatki co umożliwia dobre dotarcie pierścieni oraz poprawia jakość smarowania

honowanie - wykańczająca obróbka ścierna przedmiotów metalowych pilnikami (osełkami) zamocowanymi w głowicy wykonującej ruch obrotowy i prostoliniowo-zwrotny;

• w głowicy wykonano komory dźwigni zaworowych, w których mieszczą się: zawór ssący lub wydechowy, trzy współosiowe sprężyny z talerzykiem i zamkiem, dźwignie zaworów ze śrubami oraz wykonane z brązu prowadnice zaworów(wciśnięte w nagrzaną głowicę)

• komory zaworowe przykryte są pokrywami wykonanymi ze stopu magnezowego (elektron), 6 kołków śrubowych, uszczelka;

• w komory zaworowe wkręcone są od spodu gwintowane końcówki do mocowania osłon drążków popychaczy (nakrętki znajdują się na osłonach);

• z przodu i tyłu głowicy dwa gwintowane otwory, w które wkręcone są gniazda świec zapłonowych zabezpieczone dwoma mosiężnymi kołkami

• od wewnątrz dwa cylindryczne wytoczenia, w które są wciśnięte i zawalcowane wykonane ze stali gniazda zaworów;

• prowadnice zaworów, osadzone wciskowo w głowicach, wykonane z brązu (odporność na ścieranie w podwyższonych temperaturach);

• głowica posiada kołnierze do mocowania kanału ssącego i wydechowego;

Konstrukcja cylindra odciążonego

• długie kołki śrubowe łączą w jedną całość głowice, tuleje i kadłub silnika

• kołki przenoszą obciążenia pochodzące od dokręcenia nakrętek, działania ciśnień wewnątrz cylindra, siły zginającej N oraz obciążenia cieplne.

OBCIĄŻENIA CYLINDRÓW

Podstawowe obciążenia działające na cylinder:

• zmienne ciśnienie wewnątrz cylindra - rozciągające tuleję i śruby mocujące (cylinder nieodciążony) lub tylko śruby ściągające (cylinder odciążony);

• siła normalna N pochodząca od tłoka - zginająca tuleję (cylinder nieodciążony)lub śruby ściągające(cylinder odciążony).

Rozkład obciążeń działających na cylinder nieodciążony przedstawia rysunek:

Tuleja cylindra podlega działaniu naprężeń rozciągających w dwóch prostopadłych do siebie kierunkach:

• wzdłuż osi cylindra:

(1)

• wzdłuż obwodu cylindra:

(2)

gdzie:

p - ciśnienie w cylindrze,

p_H - ciśnienie otoczenia,

D - średnica cylindra,

δ - grubość ściany tulei cylindra.

Naprężenia gnące wywołane działaniem momentu M_g = N ^. h można wyznaczyć z zależności:

(3)

gdzie:

W_x - wskaźnik wytrzymałości na zginanie.

Traktując tuleję jako konstrukcję cienkościenną, W_x obliczyć można z wzoru Bredta:

(4)

Naprężenia powodowane zginaniem tulei w strefie jej rozciągania sumują się z naprężeniami rozciągającymi wywołanymi działaniem ciśnienia.

Ocenę wielkości działających w tulei naprężeń przeprowadza się po wyznaczeniu naprężeń zastępczych:

(80÷160 MPa) (5)

Obciążenia działające na cylinder wywołują naprężenia rozciągające w śrubach mocujących cylinder do kadłuba silnika. Stosunkowo krótkie kołki śrubowe mocujące cylinder nieodciążony do kadłuba, obciąża się wstępnie (w czasie montażu) siłą stanowiącą ok. 25% maksymalnego obciążenia wskutek działania ciśnienia w cylindrze. Liczbę kołków śrubowych dobiera się tak aby występujące w nich naprężenia zawierały się w granicach 100÷130 MPa i wykorzystując zależność:

(6)

gdzie:

i - liczba kołków śrubowych

d - najmniejsza średnica kołka.

Długość połączenia gwintowego kołka śrubowego z kadłubem silnika powinna być co najmniej 2,5-krotnie większa od średnicy zewnętrznej gwintu (kadłub wykonany ze stopu lekkiego o mniejszej wytrzymałości niż wytrzymałość stalowego kołka).

Jeżeli kołki śrubowe są stosunkowo długie (cylinder odciążony), to najczęściej występujące w nich naprężenia są większe niż obliczone wg zależności (6)ze względu na duże różnice w rozszerzalności cieplnej materiałów, z których wykonane są: tuleja, głowica oraz kołek śrubowy. Wypadkowa siła rozciągająca tego rodzaju kołek stanowi sumę siły obciążenia wstępnego, siły wywołanej odkształceniami cieplnymi, siły ciśnienia panującego w cylindrze oraz siły F_k występującej wskutek zginania tulei siłą N:

Siłę F_k wyznaczamy z zależności:

N ^.h=F_k ^.a (7)

Jeżeli cylinder mocowany jest za pomocą 4 kołków śrubowych, to siła rozciągająca jeden kołek posiada wartość dwukrotnie mniejszą niż obliczona wg zależności (7).

Siłę rozciągającą kołek śrubowy w następstwie odkształceń cieplnych wyznacza się zakładając warunek jednakowych rzeczywistych odkształceń śruby oraz cylindra (tulei z głowicą):

(8)

Rzeczywiste odkształcenie każdej z połączonych częći można wyznaczyć z zależności:

(9)

gdzie:

β_T - współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej materiału części,

L - czynna długość części,

ΔT - różnica temperatury części podczas pracy silnika oraz podczas jego montażu),

F - dodatkowa siła rozciągająca (kołek śrubowy, znak +) lub ściskająca (tuleja, głowica, znak -),

E - moduł sprężystości podłużnej materiału konstrukcyjnego części,

A - pole powierzchni czynnego przekroju poprzecznego części.

Zadanie

W oparciu o wzory (8) i (9) wyprowadzić wzór umożliwiający obliczenie siły F.

5

Schemat cylindra silnika Asz-62 IR z przewężeniem wskutek deformacji

Części cylindra

---