Altitude effectsEdit
el Rolls-Royce Merlin, un motor de avión sobrealimentado de la Segunda Guerra Mundial. el supercharger está en la parte trasera del motor a la derecha
un supercargador centrífugo de un motor radial Bristol Centaurus.
los Supercargadores son una adición natural a los motores de pistón de los aviones que están destinados a funcionar a grandes altitudes. A medida que un avión sube a una altitud mayor, la presión del aire y la densidad del aire disminuyen., La salida de un motor de pistón disminuye debido a la reducción en la masa de aire que se puede introducir en el motor. Por ejemplo, la densidad del aire a 30,000 pies (9,100 m) es 1⁄3 de la del nivel del mar, por lo que solo 1⁄3 de la cantidad de aire puede ser introducida en el cilindro, con suficiente oxígeno para proporcionar una combustión eficiente para solo un tercio de la cantidad de combustible. Por lo tanto, a 30,000 pies (9,100 m), solo 1⁄3 del combustible quemado al nivel del mar se puede quemar. (Una ventaja de la disminución de la densidad del aire es que el fuselaje experimenta solo alrededor de 1/3 de la resistencia aerodinámica., Además, se reduce la contrapresión en los gases de escape. Por otro lado, se consume más energía sosteniendo un avión con menos aire en el que generar elevación.)
un sobrealimentador puede considerarse como un aumento artificial de la densidad del aire comprimiéndolo o como forzar más Aire de lo normal en el cilindro cada vez que el pistón se mueve hacia abajo en la carrera de admisión.
un supercargador comprime el aire a presiones equivalentes al nivel del mar, o incluso mucho más altas, para hacer que el motor produzca tanta potencia a altitud de crucero como a nivel del mar., Con la resistencia aerodinámica reducida a gran altitud y el motor aún produciendo potencia nominal, un avión sobrealimentado puede volar mucho más rápido en altitud que uno aspirado naturalmente. El piloto controla la salida del sobrealimentador con el acelerador e indirectamente a través del control del regulador de la hélice. Dado que el tamaño del sobrealimentador se elige para producir una cantidad determinada de presión a grandes altitudes, el sobrealimentador está sobredimensionado para baja altitud. El piloto debe tener cuidado con el acelerador y observar el manómetro del colector para evitar el sobre-impulso a baja altitud., A medida que el avión sube y la densidad del aire disminuye, el piloto debe abrir continuamente el acelerador en pequeños incrementos para mantener toda la potencia. La altitud a la que el acelerador alcanza su máxima apertura y el motor sigue produciendo potencia nominal completa se conoce como altitud crítica. Por encima de la altitud crítica, la potencia del motor comenzará a disminuir a medida que el avión continúe ascendiendo.
Efectos de temperatureEdit
Supercargador CDT vs altitud., El gráfico muestra las diferencias CDT entre un sobrealimentador de impulso constante y un sobrealimentador de impulso variable cuando se utiliza en un avión.
como se mencionó anteriormente, la sobrealimentación puede causar un pico en la temperatura, y las temperaturas extremas causarán la detonación de la mezcla de combustible y aire y daños al motor. En el caso de los aviones, esto causa un problema a bajas altitudes, donde el aire es más denso y más cálido que a altas altitudes. Con altas temperaturas del aire ambiente, la detonación podría comenzar a ocurrir con la lectura del manómetro del colector muy por debajo de la línea roja.,
un sobrealimentador optimizado para grandes altitudes causa el problema opuesto en el lado de admisión del sistema. Con el acelerador retrasado para evitar el exceso de impulso, la temperatura del aire en el carburador puede caer lo suficientemente baja como para causar que se forme hielo en la placa del acelerador. De esta manera, se podría acumular suficiente hielo para causar un fallo del motor, incluso con el motor funcionando a plena potencia nominal. Por esta razón, muchos aviones sobrealimentados contaban con un indicador de temperatura del aire del carburador o una luz de advertencia para alertar al piloto de posibles condiciones de formación de hielo.,
se desarrollaron varias soluciones a estos problemas: intercoolers y aftercoolers, inyección anti-detonante, Supercargadores de dos velocidades y supercargadores de dos etapas.
sobrealimentadores de dos velocidades y de dos estadaseditar
en la década de 1930, se desarrollaron unidades de dos velocidades para sobrealimentadores para motores aeronáuticos que proporcionaban una operación más flexible de los aviones. El Acuerdo también implicaba una mayor complejidad de fabricación y mantenimiento., Los engranajes conectaban el sobrealimentador al motor mediante un sistema de embragues hidráulicos, que inicialmente eran activados o desactivados manualmente por el piloto con un control en la cabina. A bajas altitudes, el engranaje de baja velocidad se utilizaría para mantener bajas las temperaturas del colector. A alrededor de 12.000 pies (3.700 m), cuando el acelerador estaba lleno hacia adelante y la presión del colector comenzó a disminuir, el piloto retrasaría el acelerador y cambiaría a la marcha más alta, luego reajustaría el acelerador a la presión del colector deseada., Instalaciones posteriores automatizaron el cambio de marchas según la presión atmosférica.
en la Batalla de Gran Bretaña, los aviones Spitfire y Hurricane propulsados por el motor Rolls-Royce Merlin estaban equipados en gran parte con Supercargadores de una sola etapa y de una sola velocidad. Stanley Hooker de Rolls Royce, con el fin de mejorar el rendimiento del motor Merlin, desarrolló la sobrealimentación de dos velocidades de dos etapas con posenfriamiento con una aplicación exitosa en el motor Aero Rolls Royce Merlin 61 en 1942. La potencia y el rendimiento se incrementaron en todas las altitudes., Los desarrollos de Hooker permitieron que los aviones que impulsaron mantuvieran una ventaja crucial sobre los aviones alemanes a los que se opusieron durante la Segunda Guerra Mundial, a pesar de que los motores alemanes eran significativamente más grandes en desplazamiento. Los Supercargadores de dos etapas también eran siempre de dos velocidades. Después de que el aire se comprimió en la etapa de baja presión, el aire fluyó a través de un radiador intercooler donde se enfrió antes de ser comprimido nuevamente por la etapa de alta presión y luego posiblemente también se enfrió en otro intercambiador de calor., Los compresores de dos etapas proporcionaron un rendimiento mucho mejor a gran altitud, como lo ejemplifican el Rolls-Royce Merlin 61 powered Supermarine Spitfire Mk IX y el North American Mustang.
en algunos sistemas de dos etapas, las puertas del amortiguador serían abiertas o cerradas por el piloto con el fin de eludir una etapa según sea necesario. Algunos sistemas tenían un control de cabina para abrir o cerrar un amortiguador al intercooler / posenfriador, proporcionando otra forma de controlar la temperatura., Los motores Rolls-Royce Merlin tenían un control de impulso completamente automatizado con todo lo que el piloto tenía que hacer era avanzar el acelerador con el sistema de control limitando el impulso según fuera necesario hasta que se alcanzara la altitud máxima.
Turbocompresoreditar
un sobrealimentador accionado mecánicamente tiene que tomar su potencia de accionamiento del motor. Tomando un motor sobrealimentado de una sola etapa de una sola velocidad, como un Rolls-Royce Merlin, por ejemplo, el sobrealimentador consume aproximadamente 150 hp (110 kW)., Sin un sobrealimentador, el motor podría producir alrededor de 750 caballos de fuerza (560 kilovatios), pero con un sobrealimentador, produce alrededor de 1,000 hp (750 kW), un aumento de aproximadamente 400 hp (750 – 150 + 400 = 1000 hp), o una ganancia neta de 250 hp (190 kW). Aquí es donde la principal desventaja de un supercargador se hace evidente. El motor tiene que quemar combustible adicional para proporcionar energía para conducir el sobrealimentador. El aumento de la densidad del aire durante el ciclo de entrada aumenta la potencia específica del motor y su relación potencia-peso, pero a costa de un aumento en el consumo de combustible específico del motor., Además de aumentar el costo de funcionamiento de la aeronave, un supercargador tiene el potencial de reducir su alcance general para una carga de combustible específica.
a diferencia de un sobrealimentador accionado por el propio motor, un turbocompresor se acciona utilizando el gas de escape del motor que de otro modo se desperdiciaría. La cantidad de potencia en el gas es proporcional a la diferencia entre la presión de escape y la presión del aire, y esta diferencia aumenta con la altitud, ayudando a un motor turboalimentado a compensar el cambio de altitud., Esto aumenta la altura a la que se alcanza la potencia máxima del motor en comparación con el impulso del sobrealimentador, y permite un mejor consumo de combustible a gran altitud en comparación con un motor sobrealimentado equivalente. Esto facilita una mayor velocidad real a gran altitud y proporciona un mayor alcance operativo que un motor impulsado de forma equivalente que utiliza un sobrealimentador.
la mayoría de los motores de avión utilizados durante la Segunda Guerra Mundial utilizaron sobrealimentadores accionados mecánicamente porque tenían algunas ventajas de fabricación significativas sobre los turbocompresores., Sin embargo, el beneficio para el alcance operacional se le dio una prioridad mucho mayor a los aviones estadounidenses debido a un requisito menos predecible en el alcance operacional y tener que viajar lejos de sus bases de origen. En consecuencia, los turbocompresores se emplearon principalmente en motores de aviones estadounidenses como el Allison V-1710 y el Pratt & Whitney R-2800, que eran comparablemente más pesados cuando se turboalimentaban, y requerían conductos adicionales de costosas aleaciones metálicas de alta temperatura en la turbina de gas y una sección previa a la turbina del sistema de escape., El tamaño del conducto por sí solo fue una seria consideración de diseño. Por ejemplo, tanto el F4U Corsair como el P-47 Thunderbolt usaban el mismo motor radial, pero el gran fuselaje en forma de cañón del turbocompresor P-47 era necesario debido a la cantidad de conductos hacia y desde el turbocompresor en la parte trasera del avión. El F4U usaba un sobrealimentador de dos etapas refrigerado por intercomunicación con un diseño más compacto. Sin embargo, los turbocompresores eran útiles en bombarderos de gran altitud y algunos aviones de combate debido al mayor rendimiento y alcance a gran altitud.,
Los motores de pistón turboalimentados también están sujetos a muchas de las mismas restricciones de funcionamiento que los motores de turbina de gas. Los motores turboalimentados también requieren inspecciones frecuentes de sus turbocompresores y sistemas de escape para buscar posibles daños causados por el calor y la presión extremos de los turbocompresores. Tal daño fue un problema prominente en los primeros modelos de los bombarderos de gran altitud Boeing B-29 Superfortress utilizados en el Teatro de operaciones del Pacífico durante 1944-45.,
Los motores de pistón turboalimentados continuaron siendo utilizados en un gran número de aviones de posguerra, como el B-50 Superfortress, el KC-97 Stratofreighter, el Boeing Stratoliner, el Lockheed Constellation y el C-124 Globemaster II.
en tiempos más recientes, la mayoría de los motores de aviones para aviación general (aviones ligeros) son aspirados naturalmente, pero el menor número de motores de pistón de aviación modernos diseñados para funcionar a grandes altitudes utilizan turbocompresor o turbo-Normalizador sistemas, en lugar de un sobrealimentador impulsado desde los cigüeñales. El cambio de pensamiento se debe en gran medida a la economía., La gasolina de aviación fue una vez abundante y barata, favoreciendo el supercargador simple pero hambriento de combustible. A medida que el costo del combustible ha aumentado, el supercargador ordinario ha caído en desgracia. Además, dependiendo del factor de inflación monetaria que se utilice, los costos de combustible no han disminuido tan rápido como los costos de producción y mantenimiento.
efectos de la clasificación del octanoeditar
hasta finales de la década de 1920, todo el combustible para Automóviles y aviación se clasificaba generalmente en 87 octanos o menos. Esta es la calificación que se logró por la destilación simple de petróleo «crudo ligero»., Los motores de todo el mundo fueron diseñados para funcionar con este grado de combustible, lo que estableció un límite a la cantidad de impulso que podría proporcionar el sobrealimentador, manteniendo una relación de compresión razonable.
El aumento de la clasificación de octano a través de aditivos, como el tetraethyllead, era una línea de investigación que se estaba explorando en ese momento. Usando estas técnicas, el crudo menos valioso todavía podría suministrar grandes cantidades de gasolina útil, lo que lo convirtió en un proceso económico valioso., Sin embargo, los aditivos no se limitaban a convertir aceite de mala calidad en gasolina de 87 octanos; los mismos aditivos también podrían usarse para aumentar la gasolina a índices de octanos mucho más altos.
el combustible de alto octanaje resiste la auto ignición y la detonación mejor que el combustible de bajo octanaje. Como resultado, la cantidad de impulso suministrada por los Supercargadores podría aumentarse, lo que resulta en un aumento en la potencia del motor., El desarrollo de combustible de aviación de 100 octanos, pionero en los EE.UU. antes de la guerra, permitió el uso de presiones de impulso más altas para ser utilizado en motores de aviación de alto rendimiento y se utilizó para desarrollar salidas de potencia extremadamente alta-por períodos cortos-en varios de los aviones récord de velocidad de preguerra. El uso operacional del nuevo combustible durante la Segunda Guerra Mundial comenzó a principios de 1940 cuando el combustible de 100 octanos fue entregado a la Real Fuerza Aérea Británica desde refinerías en América y las Indias Orientales. La Luftwaffe alemana también tenía suministros de un combustible similar.,
El aumento de los límites de los combustibles de aviación existentes se convirtió en un foco importante del desarrollo de motores aeronáuticos durante la Segunda Guerra Mundial. al final de la guerra, el combustible se estaba entregando a una clasificación nominal de 150 octanos, en la que los motores aeronáuticos de finales de la guerra como el Rolls-Royce Merlin 66 o el Daimler-Benz DB 605DC desarrollaron tanto como 2.000 hp (1.500 kW).