Altitude effectsEdit
a centrifugale supercharger of a Bristol Centaurus radial aircraft engine.
Superchargers zijn een natuurlijke aanvulling op zuigermotoren van luchtvaartuigen die bestemd zijn voor gebruik op grote hoogte. Als een vliegtuig naar een hogere hoogte klimt, neemt de luchtdruk en de luchtdichtheid af., Het vermogen van een zuigermotor daalt door de vermindering van de luchtmassa die in de motor kan worden getrokken. Bijvoorbeeld, de luchtdichtheid op 9.100 m (30.000 ft) is 1⁄3 van die op zeeniveau, dus slechts 1⁄3 van de hoeveelheid lucht kan worden opgenomen in de cilinder, met voldoende zuurstof om efficiënte verbranding voor slechts een derde zoveel brandstof. Dus, op 9.100 m (30.000 ft), kan slechts 1⁄3 van de brandstof verbrand op zeeniveau worden verbrand. (Een voordeel van de verminderde luchtdichtheid is dat het casco slechts ongeveer 1/3 van de aerodynamische weerstand ervaart., Bovendien is er een verminderde tegendruk op de uitlaatgassen. Aan de andere kant wordt er meer energie verbruikt om een vliegtuig omhoog te houden met minder lucht om lift te genereren.)
een supercharger kan worden beschouwd als een kunstmatige verhoging van de dichtheid van de lucht door deze te comprimeren of als het forceren van meer lucht dan normaal in de cilinder telkens wanneer de zuiger naar beneden beweegt op de inlaatslag.
een supercharger comprimeert de lucht terug tot een druk gelijk aan zeeniveau, of zelfs veel hoger, zodat de motor op kruishoogte evenveel vermogen produceert als op zeeniveau., Met de verminderde aerodynamische weerstand op grote hoogte en de motor produceert nog steeds nominaal vermogen, een supercharged vliegtuig kan veel sneller vliegen op hoogte dan een natuurlijke aanzuiging. De piloot bestuurt de output van de supercharger met het gaspedaal en indirect via de propellorregelaar. Aangezien de grootte van de supercharger wordt gekozen om een bepaalde hoeveelheid druk op grote hoogte te produceren, is de supercharger te groot voor lage hoogte. De piloot moet voorzichtig zijn met het gaspedaal en de manometer van het spruitstuk in de gaten houden om te voorkomen dat op lage hoogte te veel gas wordt gegeven., Als het vliegtuig klimt en de luchtdichtheid daalt, moet de piloot continu het gaspedaal openen in kleine stappen om op volle kracht te blijven. De hoogte waarop het gaspedaal volledig open raakt en de motor nog steeds volledig nominaal vermogen produceert, staat bekend als de kritische hoogte. Boven de kritieke hoogte zal het motorvermogen beginnen te dalen als het vliegtuig blijft klimmen.
effecten van temperatuuredit
Supercharger CDT vs.altitude., Grafiek toont de CDT verschillen tussen een constant-boost supercharger en een variabele-boost supercharger wanneer gebruikt op een vliegtuig.
zoals hierboven besproken, kan drukvulling een piek in temperatuur veroorzaken, en extreme temperaturen zullen detonatie van het brandstof-luchtmengsel en schade aan de motor veroorzaken. In het geval van vliegtuigen veroorzaakt dit een probleem op lage hoogtes, waar de lucht dichter en warmer is dan op grote hoogtes. Bij hoge omgevingsluchttemperaturen zou detonatie kunnen beginnen met het aflezen van de manometer ver onder de rode lijn.,
een voor grote hoogten geoptimaliseerde supercharger veroorzaakt het tegenovergestelde probleem aan de inlaatzijde van het systeem. Met de gashendel vertraagd om te voorkomen dat over-boosting, kan de luchttemperatuur in de carburateur laag genoeg dalen om ijs te vormen bij de gashendel plaat. Op deze manier zou er genoeg ijs kunnen ophopen om motorstoring te veroorzaken, zelfs met de motor op volledig nominaal vermogen. Om deze reden, veel supercharged vliegtuigen uitgerust met een carburateur luchttemperatuurmeter of waarschuwingslicht om de piloot te waarschuwen voor mogelijke ijsvorming omstandigheden.,
verschillende oplossingen voor deze problemen werden ontwikkeld: intercoolers en aftercoolers, anti-detonant injectie, twee-speed superchargers en twee-traps superchargers.
tweetraps superchargersEdit
in de jaren dertig werden tweeversnellingsaandrijvingen ontwikkeld voor superchargers voor vliegtuigmotoren die een flexibeler gebruik van vliegtuigen mogelijk maakten. De regeling bracht ook meer complexiteit van de productie en het onderhoud., De versnellingen verbonden de supercharger met de motor met behulp van een systeem van hydraulische koppelingen, die aanvankelijk handmatig werden ingeschakeld of ontkoppeld door de piloot met een controle in de cockpit. Op lage hoogtes, zou de lage snelheid versnelling worden gebruikt om de spruitstuk temperaturen laag te houden. Op ongeveer 3.700 m, toen het gaspedaal vol vooruit was en de druk van het spruitstuk begon af te vallen, vertraagde de piloot het gaspedaal en schakelde hij over naar de hogere versnelling, waarna hij het gaspedaal aanpaste aan de gewenste druk van het spruitstuk., Latere installaties automatiseren de versnelling afhankelijk van de atmosferische druk.in de Slag om Groot-Brittannië werden de Spitfire-en Hurricane-vliegtuigen met de Rolls-Royce Merlin-motor grotendeels uitgerust met eentraps-en eenspeed-superchargers. Stanley Hooker van Rolls Royce, om de prestaties van de Merlin motor te verbeteren, ontwikkelde tweeversnellende tweetraps supercharging met nakoeling met een succesvolle toepassing op de Rolls Royce Merlin 61 aero motor in 1942. Paardenkracht en prestaties werden op alle hoogtes verhoogd., Hooker ‘ s ontwikkelingen zorgden ervoor dat de vliegtuigen die zij aandreven een cruciaal voordeel konden behouden ten opzichte van de Duitse vliegtuigen die zij gedurende de Tweede Wereldoorlog bestreden, ondanks dat de Duitse motoren aanzienlijk groter waren in hun verplaatsing. Twee-traps superchargers waren ook altijd twee-versnellingen. Nadat de lucht in de lagedrukfase was samengeperst, stroomde de lucht door een intercoolerradiator waar deze werd afgekoeld voordat deze weer door de hogedrukfase werd gecomprimeerd en vervolgens eventueel ook in een andere warmtewisselaar werd afgekoeld., Twee-traps compressoren zorgden voor veel verbeterde prestaties op grote hoogte, zoals de Rolls-Royce Merlin 61 aangedreven Supermarine Spitfire Mk IX en de Noord-Amerikaanse Mustang.
in sommige tweetrapsystemen worden de klepdeuren door de piloot geopend of gesloten om zo nodig één trap te omzeilen. Sommige systemen hadden een cockpit control voor het openen of sluiten van een klep aan de intercooler/nakoeler, die een andere manier om de temperatuur te regelen., Rolls-Royce Merlin motoren hadden volledig geautomatiseerde boost control met alles wat de piloot hoeft te doen was vooruit het gas met het besturingssysteem beperken boost als nodig is tot maximale hoogte werd bereikt.
Turbocompressorbedit
een mechanisch aangedreven supercharger moet het aandrijfvermogen van de motor halen. Met een eentraps superchargermotor met één snelheid, zoals een vroege Rolls-Royce Merlin bijvoorbeeld, verbruikt de supercharger ongeveer 150 pk (110 kW)., Zonder een supercharger, de motor zou kunnen produceren ongeveer 750 pk (560 kilowatt), maar met een supercharger, het produceert ongeveer 1.000 pk—750 kW) – een toename van ongeveer 400 pk (750 – 150 + 400 = 1000 pk), of een nettowinst van 250 pk (190 kW). Dit is waar het belangrijkste nadeel van een supercharger duidelijk wordt. De motor moet extra brandstof verbranden om stroom te leveren om de supercharger aan te drijven. De verhoogde luchtdichtheid tijdens de ingangscyclus verhoogt het specifieke vermogen van de motor en zijn vermogen-gewichtsverhouding, maar ten koste van een toename van het specifieke brandstofverbruik van de motor., Naast het verhogen van de exploitatiekosten van het vliegtuig heeft een supercharger het potentieel om zijn totale bereik voor een specifieke brandstofbelasting te verminderen.
in tegenstelling tot een door de motor zelf aangedreven supercharger wordt een turbocompressor aangedreven met gebruikmaking van het anders verspilde uitlaatgas van de motor. De hoeveelheid vermogen in het gas is evenredig met het verschil tussen de uitlaatdruk en de luchtdruk, en dit verschil neemt toe met de hoogte, waardoor een turbomotor compenseert voor veranderende hoogte., Dit verhoogt de hoogte waarop het maximale vermogen van de motor wordt bereikt in vergelijking met supercharger boosting, en zorgt voor een beter brandstofverbruik op grote hoogte in vergelijking met een gelijkwaardige supercharged motor. Dit vergemakkelijkt een verhoogde echte luchtsnelheid op grote hoogte en geeft een groter operationeel bereik dan een gelijkwaardig boosted motor met behulp van een supercharger.
De meeste vliegtuigmotoren die tijdens de Tweede Wereldoorlog werden gebruikt, gebruikten mechanisch aangedreven superchargers omdat ze een aantal belangrijke productievoordelen hadden ten opzichte van turbocompressoren., Echter, het voordeel voor de operationele range werd een veel hogere prioriteit gegeven aan Amerikaanse vliegtuigen vanwege een minder voorspelbare eis op de operationele range en het hebben om ver te reizen van hun thuisbasis. Daarom werden turbocompressoren voornamelijk gebruikt in Amerikaanse vliegtuigmotoren zoals de Allison V-1710 en de Pratt & Whitney R-2800, die relatief zwaarder waren bij turbocompressoren, en extra leidingen van dure hoge-temperatuur metaallegeringen in de gasturbine en een pre-turbine gedeelte van het uitlaatsysteem nodig hadden., De omvang van de leidingen alleen al was een serieuze overweging bij het ontwerp. Bijvoorbeeld, zowel de F4U Corsair als de P-47 Thunderbolt gebruikten dezelfde radiale motor, maar de grote tonvormige romp van de turbocharger P-47 was nodig vanwege de hoeveelheid leidingen naar en van de turbocharger in de achterkant van het vliegtuig. De F4U gebruikte een tweetraps intergekoelde supercharger met een compactere lay-out. Toch waren turbocompressoren nuttig in grote hoogte bommenwerpers en sommige gevechtsvliegtuigen als gevolg van de toegenomen prestaties op grote hoogte en bereik.,
Turbozuigermotoren zijn ook onderworpen aan veel van dezelfde exploitatiebeperkingen als gasturbinemotoren. Turbocompressoren vereisen ook frequente inspecties van hun turbocompressoren en uitlaatsystemen om te zoeken naar mogelijke schade veroorzaakt door de extreme hitte en druk van de turbocompressoren. Dergelijke schade was een prominent probleem in de vroege modellen van de Amerikaanse Boeing B-29 Superfortress high-altitude bommenwerpers gebruikt in de Pacific Theater of Operations in 1944-45.,
Turbo zuigermotoren voortgezet te worden gebruikt in een groot aantal naoorlogse vliegtuigen, zoals de B-50 Superfortress, de KC-97 Stratofreighter, de Boeing Stratoliner, de Lockheed Constellation, en de C-124 Globemaster II.
In meer recente tijden de meeste vliegtuigen voor algemene luchtvaart (lichte vliegtuigen) zijn natuurlijke aanzuiging, maar het kleinere aantal van de moderne luchtvaart zuiger motoren die zijn ontworpen om te draaien op grote hoogte gebruik turbocompressor of turbo-normalizer systemen, in plaats van een compressor aangedreven vanaf de krukassen. De verandering in het denken is grotendeels te wijten aan de economie., Luchtvaart benzine was ooit overvloedig en goedkoop, ten gunste van de eenvoudige maar brandstof-hongerige supercharger. Als de kosten van brandstof is gestegen, de gewone supercharger is uit de gratie gevallen. Ook zijn de brandstofkosten, afhankelijk van de monetaire inflatiefactor die men gebruikt, niet zo snel gedaald als de productie-en onderhoudskosten.
effecten van brandstofoctaan ratingdit
tot de late jaren 1920 werd Alle auto-en vliegtuigbrandstof over het algemeen gewaardeerd op 87 octaan of minder. Dit is het cijfer dat werd bereikt door de eenvoudige destillatie van” lichte ruwe ” olie., Motoren uit de hele wereld werden ontworpen om te werken met deze kwaliteit van brandstof, die een limiet aan de hoeveelheid boost die kan worden geleverd door de supercharger met behoud van een redelijke compressieverhouding.
verhoging van het octaangehalte door middel van additieven, zoals tetraethyllead, was een onderzoekslijn die op dat moment werd onderzocht. Met behulp van deze technieken, minder waardevolle ruwe kon nog steeds grote hoeveelheden nuttige benzine, waardoor het een waardevol economisch proces., Echter, de additieven waren niet beperkt tot het maken van olie van slechte kwaliteit in 87-octaan benzine; dezelfde additieven konden ook worden gebruikt om de benzine te verhogen tot veel hogere octaan ratings.
brandstof met een hoger octaangehalte is beter bestand tegen automatische ontsteking en detonatie dan brandstof met een laag octaangehalte. Als gevolg hiervan zou de hoeveelheid boost die door de superchargers wordt geleverd, kunnen worden verhoogd, wat resulteert in een toename van het motorvermogen., De ontwikkeling van 100-octaan vliegtuigbrandstof, pionier in de VS voor de oorlog, maakte het gebruik van hogere boost druk mogelijk om te worden gebruikt op high-performance vliegtuigmotoren en werd gebruikt om extreem hoge vermogens – voor korte periodes – te ontwikkelen in een aantal van de vooroorlogse snelheidsrecord vliegtuigen. Het operationele gebruik van de nieuwe brandstof tijdens de Tweede Wereldoorlog begon begin 1940 toen 100-octaan brandstof werd geleverd aan de Britse Royal Air Force van raffinaderijen in Amerika en Oost-Indië. De Duitse Luftwaffe had ook voorraden van een soortgelijke brandstof.,aan het einde van de oorlog werd brandstof geleverd met een nominaal 150-octaangetal, waarop eindoorlogse vliegtuigmotoren zoals de Rolls-Royce Merlin 66 of de Daimler-Benz DB 605DC maar liefst 2000 pk (1.500 kW) ontwikkelden.