Рядом с красным Ан-2

Тем, у кого Lycoming. И кому просто интересно про моторы.

Оригинал взят у n2367l в Тем, у кого Lycoming. И кому просто интересно про моторы.
А знаете ли вы, что у вас под капотом?
Да, конечно - самый знаменитый и массовый авиационный мотор, чрезвычайно надежный, хорошо испытанный со всех сторон, с более чем полувековой историей, с ресурсом в 2000 часов между переборками, простой в конструкции и эксплуатации, а также в обслуживании и ремонте.
А еще?
А еще это сырой и непроработанный мотор с врожденными конструктивными болезнями, присутствующими и по сей день, несмотря на более чем полувековую историю! Родители любят его таким, какой он получился, и хотят, чтобы все его любили таким, поэтому недостатки конструкции часто выдаются за недостатки эксплуатации.
lyc

Ситуация 1. Расположение распредвала.

Вы покупаете самолет по объявлению. На что вы обращаете внимание прежде всего, кроме цены, конечно? Естественно на остаток ресурса по двигателю. И вот вы видите два одинаковых самолета, один с наработкой 200 часов после переборки, а второй - с наработкой 1500 часов после переборки. При этом, общий налет самолетов примерно один и тот же, и цена одинаковая! Какой из них вы выберете? Казалось бы, выбор очевиден, но взгляните в логбуки и посмотрите, какие были перерывы между полетами. Если самолет "сидел" на земле полгода или больше, да еще это было зимой или во влажном климате, вы практически 100% попали на замену распредвала, а это - внеочередная переборка. Дело в верхнем расположении вала - все масло стекает вниз, пленка на кулачках распредвала и площадках толкателей становится очень тонкой, и кулачки и площадки начинают ржаветь. Достаточно совсем немного ржавчины, чтобы потом при высокой нагрузке, которую испытывают кулачки и площадки при соприкосновении во время работы, вызвать резко прогрессирующее выкрашивание площадок и стесывание кулачков распредвала.
При этом, не думайте, что вам, в особенности зимой, достаточно приехать раз в неделю на аэродром, погонять моторчик 15-20 минут в профилактических целях. Или слетать парочку кружочков... Нет! Самолеты с Лайкомингами не просто любят летать, они жить не могут без полноценных регулярных полетов! Иначе, во время гонки на земле или короткого полета - мотор греется, начинается конденсация влаги, которая попадает в масло, не успевает выпариться полностью, и... страдает от этого прежде всего что? Естественно распред с площадками толкателей. Одним словом, если вы - "подснежник" и зимой думаете не летать, самолет с Лайкомингом не для вас. Вам придется серъезно отнестись к мерам по консервации мотора. Кстати о консервации - где-то встречал рекомендации по многолетнему хранению мотора: его надо хранить "вверх тормашками", и это тоже не случайно!
Теперь, естественный вопрос - ну и кто так строит? У меня одно предположение: видимо, такое расположение распреда выбрано исходя из обеспечения смазки клапанных механизмов:
rocker-lub
На картинке стрелочкой показан проход масла через клапанный механизм. Согласитесь, это выглядит более элегантно, чем впихивать его в клапанную коробку снизу, как было бы при нижнем расположении распредвала. Однако, самые знаменитые авиационные моторы другой фирмы, несмотря на нижнее расположение распреда, как-то с этим справляются. Частично из-за их гидрокомпенсаторов, обеспечивающих хорошую прокачку масла через толкатели. Но об этом ниже.

Ситуация 2. Подвисание клапанов (как правило, выпускных).

Это феномен, вокруг которого много споров. Кое-кто утверждает, что это из-за автобензина. Дескать, нет в нем живительного свинца, обеспечивающего дополнительную смазку направляющих. По-моему, это чушь полнейшая, т.к. чистого свинца и при этилированном бензине там не увидишь, а соединения свинца, образовавшиеся в результате горения... Ну какую-такую смазку они могут обеспечить? С таким же успехом, можно конечно и сажей смазывать - делают же графитовые смазки. Так и тут - смесь побогаче, и вперед!
Есть, как ни странно, и диаметрально противоположное мнение - это из-за слишком сильно этилированного бензина. Тут все наоборот - соединения свинца забивают зазор в направляющей настолько, что клапана подвисают. Тоже, в общем, мало в этом логики.
Встречаются конечно и более логичные объяснения и даже исследования, о которых чуть позже. Но в общем и целом, явление это достаточно опасное, если его сразу не отследить и не ликвидировать. Заметить на начальной стадии достаточно просто: как правило, проявляется это на первом запуске дня - после запуска обороты мотора (для винтов фиксированного шага) установившись на какой-либо отметке вдруг понижаются, двигатель, что называется, троит, может также и хлопать. Однако вскоре это прекращается, обороты возвращаются к изначальным, и в дальнейшем (пока) у вас все спокойно. Клапан "расходится" и далее работает нормально. В западных источниках это называется "утреннее подташнивание" (morning sickness). Но если на это не обращать внимания, далее это может начаться в полете, а чем это чревато, можно представить. Если клапан подвиснет в открытом состоянии, то (а) вы лишитесь мощности мотора эквивалентной одному из цилиндров, (б) цепь распредвал-гидрокомпенсатор-толкатель-коромысло-клапан распадется на составляющие, в чем конечно нет ничего хорошего. Еще хуже будет, если клапан зависнет в закрытом состоянии - тут уже и погнутые толкатели, и стесанные кулачки и разбитые площадки гидрокомпесаторов, а может и чего-еще похлеще.

Ситуация 3. Износ направляющей (также обычно в клапанах выпуска).

Подвисанием клапанов, как правило, страдают двигатели с относительно небольшим налетом. А для моторов с существенным налетом более типична ситуация с износом направляющих, последующим разбалтыванием клапана и, в конечном итоге, клапан начинает травить, пропускать выхлопные газы, а мотор теряет мощность.

По проблемам с клапанами, а самое главное, причинам, их вызывающим, есть очень интересный цикл статей на сайте  http://egaa.home.mindspring.com/valves.html, самая значительная из которых вот здесь. Для тех, кто не осиливает много букв на английском, а также, кому лениво переваривать много инфы, изложу своими словами, что почерпнул оттуда:

Основная причина бед с цилиндрами на Лайкомингах кроется в родовых недостатках системы смазки этих моторов. Взглянем на систему смазки - картинку из руководства по переборки (для примера возьму обычный 4-х цилиндровый мотор, на остальных моторах все очень похоже):
lyc-lub-diag
Я, когда в первый раз увидел эту картинку, не понял ровным счетом ничего, поэтому дам несколько пояснений:
Кружочки - элементы двигателя, через которые идет масло или к которым оно поставляется. Стрелками обозначено направление движения масла. Две основные масляные магистрали я выделил разными цветами - левая красная, правая - зеленая. Фактически, это продольные каналы внутри правой и левой половин картера, от которых отходят ответвления к потребителям. Далее правая и левая половины картера - если посмотреть на посадочные места коленвала и распредвала, можно заметить отверстия - выходы из масляных магистралей:
case-left
case-right
Теперь, даже при поверхностном взгляде, можно заметить, насколько несимметричны левая и правая половины. На правой половине потребителей гораздо больше. Это приводит к разнице давлений в магистралях на правой и левой сторонах, что в свою очередь, приводит к неравномерной смазке цилиндров на правой и левой сторонах. Билл Марвел и Билл Скотт, анализируя статистику, обнаружили, что неприятности с клапанами и цилиндрами бывают чаще, как раз на правой, более "нагруженной" в плане смазки, стороне.
Вторым очень существенным недостатком системы смазки, является как раз, организация смазки клапанных механизмов цилиндров. А именно - недостаточное количество масла, поступающего в клапанные коробки. Недостаточно оно, как для, собственно, смазки всех элементов клапанного механизма, так и для организации дополнительного охлаждения нагревающихся элементов - клапанов выпуска и всего, что с ними связано. Это, в конечном итоге, и приводит ко всем распространенным проблемам с цилиндрами на Лайкомингах:
- подвисающие клапана
- износ направляющих
- трещины в выпускных камерах цилиндров

Почему же, несмотря на более выгодное с этой точки зрения, верхнее расположение распредвала, количество масла недостаточно? В основном, из-за конструкции гидрокомпенсаторов. Изначально, Лайкоминг адаптировал под свои моторы гидрокомпенсаторы автомобильных двигателей, которые работали исключительно на выборку зазора клапана, но никак не для подачи масла в клапанный механизм - там в этом просто не было необходимости, из-за того, что это был рядный мотор, в котором клапана смазывались независимо. Здесь же необходимо было обеспечивать и прокачку масла из магистрали в клапанный механизм для разбрызгивания на нагруженные элементы. Из-за этого на оригинальном гидрокомпенсаторе возник "набалдашник" (2), выполняющий эту функцию, а сам гидрокомпенсатор сделали так, что некая часть масла из камеры компенсации (4) стравливалась между поршнем (11) и корпусом гидрокомпенсатора (9) в этот набалдашик и далее, через толкатель - в клапанный механизм.
hydro-lifter
И в результате получилось, что эти две функции взаимно обратны при такой конструкции - чем лучше гидрокомпенсатор поставляет масло, тем хуже он выбирает зазор клапана, и наоборот. Поэтому гидрокомпенсаторы в Лайкомингах - это жесткий компромисс между обеспечением компенсации зазора и смазкой клапанного механизма. Даже из рисуночка выше уже видно, что количество масла будет весьма несеръезным, едва ли не меньшим, чем будет поступать дополнительно, самотеком по трубе толкателя (1), попадая туда из магистрали через зазор между площадкой толкателя (8) и отверстием в картере, в котором, собственно, находится вся конструкция гидрокомпенсатора.

Между тем, на моторах фирмы Continental использовались гидрокомпенсаторы, изначально разработанные под две этих функции - гидрокомпенсацию теплового зазора клапана и прокачку масла в клапанный механизм. Приведу здесь картиночку с сайта http://egaa.home.mindspring.com для пояснения их работы:


Здесь поршень 5 выпонен полым, и компенсационная камера (7) работает в две стороны - вниз на компенсацию и перепуск при необходимости через клапан (8), и вверх - на прокачку масла. Таким образом, масло через отверстие (3), далее через камеру, отверстие (9) и далее через толкатель, поступает в клапанную коробку под давлением из магистрали практически непрерывно, обеспечивая прокачку в разы большую, чем в гидрокомпенсаторах моторов Лайкоминг.

Фирма пыталась бороться с симптомами: так появились выпускные клапаны, наполненные изнутри жидкостью для лучшего охлаждения и способности работы при повышенных температурах, так появились сервисные инструкции, обязывающие периодически проверять клапана на свободность перемещения в направляющих, а в некоторых, особо вопиющих случаях появлялись и комплекты дополнительной подачи масла в клапанные коробки.

Также была предпринята и попытка кардинального устранения первопричины - создание двигателя с гидрокомпенсаторами другого типа, подобными используемым на двигателях Continental. Так появились моторы 76-й серии, на которые отцы-основатели, уже не боясь последствий, установили мощные высококомпрессионные цилиндры и сделали другой картер, с существенно отличным расположением агрегатов, однако, почему-то оставив маслосистему, по-прежнему ассиметричной.
Среди этой серии и нашумевший мотор O320-H2AD, устанавливаемый на некоторых модификациях Цессны-172 конца 70-х, вокруг которого до сих пор не унимаются споры и скандалы. Дело в том, что с решением проблем со смазкой клапанных механизмов пришли проблемы в других частях - новые гидрокомпенсаторы отбирают на себя существенно больше масла. При существующем дизайне маслосистемы и общем объеме прокачиваемого масла, оказалось необходимо чем-то жертвовать. И на первых моторах из-за недостаточного давления гидрокомпенсаторы нормально не работали, а высококомпрессионные цилиндры этого не прощают. Затем, в угоду их работоспособности, стал хуже смазываться распредвал, что существует и по сей день, требует на этих моторах кое-какой специфической периодики, а также добавления специальной присадки LW-16702 в масло (кстати, наверное, эта присадка не помешает и в других моторах для лучшей смазки).

Следует добавить, что у Лайкоминга существуют двигатели вообще без гидрокомпенсаторов. Один из них - это довольно популярный мотор O235, который ставится на Цессну 152 или Пайпер-Томогавк. В нем масло течет в клапанные коробки через трубы толкателей, но в несколько бОльших объемах, чем в моторах с гидрокомпенсаторами, т.к. поставляется в трубы через более широкие каналы, а не через зазоры. Все прелести двигателей без гидрокомпенсаторов, естественно здесь присутствуют, и знакомы большинству владельцев Жигулей - периодическая ручная регулировка теплового зазора клапанов, а также характерные стуки на определенных режимах, т.к. очевидно, что в этой ситуации зазор не будет стремиться к нулю на всех доступных режимах.
Я также натыкался на упоминания об установке "цельных" подъемников (solid lifters) вместо гидрокомпенсаторов на двигатели 76 серии (видимо в качестве одного из решений проблем со смазкой). Вот, например, статья на mechanicsupport'e, под названием "Как не прожечь клапана на O320H2AD". В статье, в частности, описана процедура ручной регулировки зазоров на двигателях 76-й серии.

Ситуация 4. Конструкция картера (Narrow Deck и Wide Deck).

В оппозитных моторах вообще, и в Лайкомингах, в частности, цилиндры расположены друг напротив друга. Цилиндры крепятся к картеру шпильками. Некоторые из них, для повышения прочности конструкции выполнены сквозными и соединяют пары цилиндров, расположенные по разным сторонам. Эти шпильки проходят через крайние точки седел подшипников коленвала.
IMG_6797
Таким образом, вторая их функция, и не менее важная, не давать разбиваться седлам подшипников коленвала. Для этого надо обеспечить необходимую плотность посадки в местах стыков седел. Изначально такие шпильки на моторах Лайкоминг вворачивались наглухо в одну половину, а вторая половина надевалась на них, затем производилась стяжка картера в заданном порядке. Такая конструкция применялась на картерах "стандартной" конструкции (Standard Crankcase), которые сейчас уже давно перестали быть стандартными и постепенно отходят "в лету". Их называют, в соответствии с основаниями цилиндров для них, Narrow Deck или Narrow Cylinder Flange crankcase. Со временем эксплуатации выяснилось, что шпильки не обеспечивают должной плотности посадки, и седла подшипников изнашиваются, съедаются, и если вовремя не отремонтировать картер, дело может кончиться очень печально - динимической разборкой двигателя (dynamic disassembly). Особенно это касается больших, с длинным коленвалом и числом цилиндров 6 и более, в меньшей степени - маленьких 4-х цилиндровых.
Ремонт картера в этом случае, помимо восстановления размеров и поверхностей седел, включал еще и установку дополнительных стальных вставок, обеспечивающих необходимую плотность посадки в местах стыков седел. Для этого отверстия под шпильки необходимо было рассверливать соответствующим образом, далее впрессовывать вставки, а после этого половинки картера без специнструмента невозможно было соединить (об этом я уже как-то упоминал в одном из своих постов). Однако, рассверливание картера в этих местах и установка вставок, особенно т.н. ремонтных, увеличенного диаметра, приводило к снижению прочности самого картера, и известен ряд случаев, также оканчивавшихся, в связи с этим, динамической разборкой двигателя в полете.
С появлением цилиндров Wide Deck с утолщенным основанием, конструкция картера и шпилек была доработана. Она осталась и по сей день основной - теперь сквозные шпильки стали совсем сквозными, они устанавливаются извне и забиваются молотком при сборке, а при разборке, соответственно, выбиваются.

Однако, по сравнению с картерами под цилиндры NarrowDeck, картеры под WideDeck стали более склонны к образованию фатальных трещин, приводящих, опять же, к динамической разборке. И опять же, это касается, прежде всего, двигателей большого объема и с высококомпрессионными цилиндрами. Кто интересуется, может зайти на Light Plane Maintaenance и ознакомиться с подробностями.

Ситуация 5. Еще раз о трещинах цилиндров, отстреле головок и неконтролируемом ресурсе жизненно важных компонентов.

В одну из таких ситуаци я попал в прошлом году - когда голова одного из цилиндров отделилась от гильзы, далее - поиск места для вынужденной посадки и, собственно, посадка. Это очень неприятно, хотя и не совсем внезапно: цилиндр как правило предупреждает об этом заранее - он трескается и гонит в течении некоторого периода масло через трещину. Если обратить на это внимание, ситуации можно избежать, однако без замены цилиндра не обойтись. Большинство своих мыслей по поводу этой проблемы и причинах, ее вызывающих, я уже в красках изложил в летней записи. Здесь, пожалуй, можно добавить только один существенный момент - все цилиндры рано или поздно трескаются на стыке и отстреливают головы, т.к. они сконструированы (а) составными и (б) с ограниченным ресурсом по наработке, и (в), самое важное, этот ресурс не учитывается, в отличии от налета самолета или двигателя, или даже наработки РЭО. На этот момент нужно и важно обращать внимание - зная остаточный ресурс мотора, мы не знаем остаточного ресурса по цилиндрам. А тем временем, например, в Америке, починка цилиндров поставлена на широкую ногу, и вполне может статься, что на моторе с нулевой наработкой стоят цилиндры с налетом по 5000 часов, пять раз побывавшие в ремонте. Однако, справедливости ради будет замечено, что это касается не только Лайкоминга, но и всех поршневых моторов вообще, хотя Continental, помнится, как-то пытался ограничить количество ремонтов цилиндров на своих моторах.

Подытоживая эту запись, замечу, что я отнюдь не хотел умалять достоинства моторов фирмы Lycoming по сравнению с другими. Я привел здесь ситуации, с которыми я так или иначе имел дело, и которые волнуют меня лично, как владельца мотора именно этой фирмы, но я не сомневаюсь, что если взглянуть попристальнее на моторы других производителей, то и в них тоже обнаружится немало интересных подробностей, за которыми стоят люди с их конструкторской мыслью, находками, упорным трудом, ошибками и попытками их исправить. Начало записи, носящее подчеркнуто противоречивых характер, означает, что я никогда не понимал людей, которые придерживаются максималистских взглядов, дескать, вот Лайкоминг (или Континентал) - это фирма, а все остальное - так...  Авиационный мотор, даже поршневой, даже для маленьких самолетов - сложное изделие, и каждая незначительная деталь, каждый болт в нем на порядок более ответственный, чем в моторах для других целей, поэтому я с глубоким уважением отношусь ко всем тем, кто может такие моторы проектировать, производить и ремонтировать.

Buy for 100 tokens
Buy promo for minimal price.
Мягко говоря удивлен! Я всегда считал, что авиадвигатель -это эталон надежности, а тут как на Жигулях. Только на Жигулях можно съехать на обочину и вызвать эвакуатор.