Altitudine effectsEdit
Rolls-Royce Merlin, una versione sovralimentata del motore di velivolo della seconda Guerra Mondiale. Il compressore è nella parte posteriore del motore a destra
Un compressore Centrifugo di Bristol Centaurus radiale velivoli a motore.
I compressori sono un’aggiunta naturale ai motori a pistoni degli aerei destinati al funzionamento ad alta quota. Quando un aereo sale ad un’altitudine più elevata, la pressione dell’aria e la densità dell’aria diminuiscono., L’uscita di un motore a pistoni diminuisce a causa della riduzione della massa d’aria che può essere aspirata nel motore. Ad esempio, la densità dell’aria a 30.000 ft (9.100 m) è 1 3 3 di quella al livello del mare, quindi solo 1 3 3 della quantità di aria può essere aspirata nel cilindro, con abbastanza ossigeno per fornire una combustione efficiente solo per un terzo di carburante. Quindi, a 30.000 ft (9.100 m), solo 1 3 3 del carburante bruciato al livello del mare può essere bruciato. (Un vantaggio della ridotta densità dell’aria è che la cellula sperimenta solo circa 1/3 della resistenza aerodinamica., Inoltre, vi è una diminuzione della contropressione sui gas di scarico. D’altra parte, più energia viene consumata tenendo un aereo con meno aria in cui generare ascensore.)
Un compressore può essere pensato sia come aumentare artificialmente la densità dell’aria comprimendola o come forzare più aria del normale nel cilindro ogni volta che il pistone si sposta verso il basso sulla corsa di aspirazione.
Un compressore comprime l’aria a pressioni equivalenti al livello del mare, o anche molto più alte, al fine di far sì che il motore produca tanta potenza all’altitudine di crociera quanto al livello del mare., Con la ridotta resistenza aerodinamica ad alta quota e il motore che produce ancora potenza nominale, un aereo sovralimentato può volare molto più velocemente in quota rispetto a uno aspirato. Il pilota controlla l’uscita del compressore con l’acceleratore e indirettamente tramite il controllo del regolatore dell’elica. Poiché la dimensione del compressore è scelta per produrre una data quantità di pressione ad alta quota, il compressore è sovradimensionato per bassa quota. Il pilota deve fare attenzione con l’acceleratore e guardare il manometro del collettore per evitare un eccesso di spinta a bassa quota., Mentre l’aereo sale e la densità dell’aria scende, il pilota deve aprire continuamente l’acceleratore in piccoli incrementi per mantenere la piena potenza. L’altitudine alla quale l’acceleratore raggiunge la piena apertura e il motore sta ancora producendo la piena potenza nominale è nota come altitudine critica. Sopra l’altitudine critica, la potenza del motore inizierà a scendere mentre l’aereo continua a salire.
Effetti della temperaturamodifica
Compressore CDT vs. altitudine., Il grafico mostra le differenze CDT tra un compressore a spinta costante e un compressore a spinta variabile quando utilizzato su un aeromobile.
Come discusso sopra, la sovralimentazione può causare un picco di temperatura e temperature estreme causano la detonazione della miscela aria-carburante e danni al motore. Nel caso degli aerei, ciò causa un problema a basse altitudini, dove l’aria è sia più densa che più calda rispetto alle alte altitudini. Con alte temperature dell’aria ambiente, la detonazione potrebbe iniziare a verificarsi con la lettura del manometro del collettore molto al di sotto della linea rossa.,
Un compressore ottimizzato per alte quote causa il problema opposto sul lato di aspirazione del sistema. Con l’acceleratore ritardato per evitare un eccesso di amplificazione, la temperatura dell’aria nel carburatore può scendere abbastanza in basso da causare la formazione di ghiaccio sulla piastra dell’acceleratore. In questo modo, abbastanza ghiaccio potrebbe accumularsi per causare guasti al motore, anche con il motore funzionante a piena potenza nominale. Per questo motivo, molti aerei sovralimentati presentavano un indicatore della temperatura dell’aria del carburatore o una spia per avvisare il pilota di possibili condizioni di ghiaccio.,
Sono state sviluppate diverse soluzioni a questi problemi: intercooler e aftercooler, iniezione anti-detonante, supercharger a due velocità e supercharger a due stadi.
Superchargers a due velocità e a due stadi
Nel 1930, gli azionamenti a due velocità sono stati sviluppati per i superchargers per i motori aero che forniscono l’operazione più flessibile degli aerei. L’accordo ha anche comportato una maggiore complessità di produzione e manutenzione., Gli ingranaggi collegavano il compressore al motore utilizzando un sistema di frizioni idrauliche, che erano inizialmente innestate manualmente o disinnestate dal pilota con un controllo nella cabina di pilotaggio. A basse altitudini, la marcia a bassa velocità verrebbe utilizzata per mantenere basse le temperature del collettore. A circa 12.000 piedi (3.700 m), quando l’acceleratore era pieno in avanti e la pressione del collettore iniziava a scendere, il pilota ritardava l’acceleratore e passava alla marcia più alta, quindi regolava l’acceleratore alla pressione del collettore desiderata., Le installazioni successive hanno automatizzato il cambio di marcia in base alla pressione atmosferica.
Nella Battaglia di Gran Bretagna gli aerei Spitfire e Hurricane alimentati dal motore Rolls-Royce Merlin erano equipaggiati in gran parte con sovralimentatori monostadio e monospeed. Stanley Hooker di Rolls Royce, al fine di migliorare le prestazioni del motore Merlin, sviluppò una sovralimentazione a due velocità a due stadi con post-raffreddamento con un’applicazione di successo sul motore aero Rolls Royce Merlin 61 nel 1942. Potenza e prestazioni sono state aumentate a tutte le altitudini., Gli sviluppi di Hooker hanno permesso agli aerei che alimentavano di mantenere un vantaggio cruciale rispetto agli aerei tedeschi che si opponevano durante la seconda guerra mondiale, nonostante i motori tedeschi fossero significativamente più grandi di cilindrata. Anche i compressori a due stadi erano sempre a due velocità. Dopo che l’aria è stata compressa nella fase a bassa pressione, l’aria scorreva attraverso un radiatore intercooler dove è stata raffreddata prima di essere nuovamente compressa dallo stadio ad alta pressione e quindi eventualmente anche dopo raffreddata in un altro scambiatore di calore., I compressori a due stadi fornivano prestazioni di alta quota molto migliorate, come tipizzato dal Supermarine Spitfire Mk IX alimentato dalla Rolls-Royce Merlin 61 e dal North American Mustang.
In alcuni sistemi a due stadi, le porte dell’ammortizzatore sarebbero aperte o chiuse dal pilota per bypassare uno stadio secondo necessità. Alcuni sistemi avevano un controllo della cabina di guida per aprire o chiudere un ammortizzatore all’intercooler/aftercooler, fornendo un altro modo per controllare la temperatura., I motori Rolls-Royce Merlin avevano un controllo boost completamente automatizzato con tutto il pilota che doveva fare era far avanzare l’acceleratore con il sistema di controllo che limitava la spinta se necessario fino al raggiungimento della massima altitudine.
TurbochargingEdit
Un compressore azionato meccanicamente deve prendere la sua potenza motrice dal motore. Prendendo un motore sovralimentato a velocità singola monostadio, come un primo Rolls-Royce Merlin, ad esempio, il compressore consuma circa 150 CV (110 kW)., Senza un compressore, il motore potrebbe produrre circa 750 cavalli (560 kilowatt), ma con un compressore, produce circa 1.000 HP (750 kW)—un aumento di circa 400 HP (750 – 150 + 400 = 1000 hp), o un guadagno netto di 250 HP (190 kW). Questo è dove il principale svantaggio di un compressore diventa evidente. Il motore deve bruciare carburante extra per fornire energia per guidare il compressore. L’aumento della densità dell’aria durante il ciclo di ingresso aumenta la potenza specifica del motore e il suo rapporto potenza-peso, ma al costo di un aumento del consumo di carburante specifico del motore., Oltre ad aumentare il costo di funzionamento del velivolo un compressore ha il potenziale per ridurre la sua gamma complessiva per un carico di carburante specifico.
Al contrario di un compressore azionato dal motore stesso, un turbocompressore viene azionato utilizzando il gas di scarico altrimenti sprecato dal motore. La quantità di potenza nel gas è proporzionale alla differenza tra la pressione di scarico e la pressione dell’aria, e questa differenza aumenta con l’altitudine, aiutando un motore turbocompresso a compensare la variazione di altitudine., Ciò aumenta l’altezza alla quale viene raggiunta la potenza massima del motore rispetto al sovralimentazione e consente un migliore consumo di carburante ad alta quota rispetto a un motore sovralimentato equivalente. Ciò facilita l’aumento della vera velocità ad alta quota e offre una maggiore autonomia operativa rispetto a un motore potenziato in modo equivalente utilizzando un compressore.
La maggior parte dei motori aeronautici utilizzati durante la seconda guerra mondiale utilizzavano sovralimentatori azionati meccanicamente perché avevano alcuni significativi vantaggi di produzione rispetto ai turbocompressori., Tuttavia, il vantaggio per la gamma operativa è stata data una priorità molto più elevata agli aerei americani a causa di un requisito meno prevedibile sulla gamma operativa e di dover viaggiare lontano dalle loro basi di origine. Di conseguenza, i turbocompressori sono stati impiegati principalmente nei motori aeronautici americani come l’Allison V-1710 e il Pratt & Whitney R-2800, che erano comparabilmente più pesanti quando turbocompressi, e richiedevano ulteriori canalizzazioni di costose leghe metalliche ad alta temperatura nella turbina a gas e una sezione pre-turbina del sistema di scarico., La dimensione della canalizzazione da sola era una seria considerazione di progettazione. Ad esempio, sia l’F4U Corsair che il P-47 Thunderbolt utilizzavano lo stesso motore radiale, ma la grande fusoliera a forma di botte del P-47 turbocompresso era necessaria a causa della quantità di canalizzazione da e verso il turbocompressore nella parte posteriore dell’aereo. L’F4U utilizzava un compressore inter-raffreddato a due stadi con un layout più compatto. Tuttavia, i turbocompressori erano utili nei bombardieri ad alta quota e in alcuni aerei da combattimento a causa delle maggiori prestazioni e portata ad alta quota.,
Anche i motori a pistoni turbocompressi sono soggetti a molte delle stesse restrizioni operative di quelli dei motori a turbina a gas. I motori turbocompressi richiedono anche frequenti ispezioni dei loro turbocompressori e dei sistemi di scarico per cercare possibili danni causati dal calore e dalla pressione estremi dei turbocompressori. Tale danno era un problema importante nei primi modelli dei bombardieri ad alta quota Boeing B-29 Superfortress americani utilizzati nel Teatro delle operazioni del Pacifico durante il 1944-45.,
Turbo motori a pistone, ha continuato ad essere utilizzato in un gran numero di dopoguerra aerei, come il B-50 Superfortress, il KC-97 Stratofreighter, il Boeing Stratoliner, la Lockheed Constellation, e il C-124 Globemaster II.
In tempi più recenti, la maggior parte di motori di aerei per l’aviazione generale (aerei ultraleggeri) sono naturalmente aspirato, ma il numero più piccolo della moderna aviazione motori a pistone, progettato per funzionare ad altitudini elevate utilizzo della sovralimentazione turbo o normalizer sistemi, invece di un compressore azionato dall’albero a gomiti. Il cambiamento nel pensiero è in gran parte dovuto all’economia., La benzina dell’aviazione era una volta abbondante ed economica, favorendo il semplice ma affamato di carburante. Poiché il costo del carburante è aumentato, il compressore ordinario è caduto in disgrazia. Inoltre, a seconda di quale fattore di inflazione monetaria si utilizza, i costi del carburante non sono diminuiti così velocemente come i costi di produzione e manutenzione.
Effetti della valutazione dell’ottano del fuelmodifica
Fino alla fine del 1920, tutto il carburante per automobili e aerei era generalmente valutato a 87 ottani o meno. Questa è la valutazione che è stata raggiunta dalla semplice distillazione del petrolio “light crude”., I motori di tutto il mondo sono stati progettati per funzionare con questo tipo di carburante, che ha fissato un limite alla quantità di potenziamento che potrebbe essere fornita dal compressore pur mantenendo un ragionevole rapporto di compressione.
La valutazione dell’ottano che aumenta con gli additivi, quale tetraethyllead, era una linea di ricerca che è stata esplorata allora. Usando queste tecniche, il greggio meno prezioso poteva ancora fornire grandi quantità di benzina utile, il che lo rendeva un prezioso processo economico., Tuttavia, gli additivi non si limitavano a produrre olio di scarsa qualità in benzina a 87 ottani; gli stessi additivi potevano anche essere usati per aumentare la benzina a livelli di ottano molto più alti.
Il carburante ad alto numero di ottano resiste all’accensione automatica e alla detonazione meglio del carburante a basso numero di ottano. Di conseguenza, la quantità di spinta fornita dai compressori potrebbe essere aumentata, con conseguente aumento della potenza del motore., Lo sviluppo di 100 ottani di carburante per aviazione, sperimentato negli Stati Uniti prima della guerra, ha permesso l’uso di pressioni di spinta più elevate da utilizzare su motori aeronautici ad alte prestazioni ed è stato utilizzato per sviluppare uscite di potenza estremamente elevate-per brevi periodi-in molti degli aerei record di velocità prebellici. L’uso operativo del nuovo combustibile durante la seconda guerra mondiale iniziò all’inizio del 1940 quando il carburante da 100 ottani fu consegnato alla Royal Air Force britannica dalle raffinerie in America e nelle Indie Orientali. Anche la Luftwaffe tedesca aveva rifornimenti di un combustibile simile.,
Aumentare i limiti di battitura dei carburanti aeronautici esistenti divenne un obiettivo importante dello sviluppo dei motori aeronautici durante la seconda guerra mondiale. Alla fine della guerra, il carburante veniva consegnato a un valore nominale di 150 ottani, su cui motori aeronautici di fine guerra come il Rolls-Royce Merlin 66 o il Daimler-Benz DB 605DC sviluppavano fino a 2.000 HP (1.500 kW).