efekty Wysokościedytuj
odśrodkowa doładowarka radialnego silnika lotniczego Bristol Centaurus.
doładowania są naturalnym dodatkiem do lotniczych silników tłokowych, które są przeznaczone do pracy na dużych wysokościach. Gdy samolot wspina się na większą wysokość, ciśnienie powietrza i gęstość powietrza maleje., Wydajność silnika tłokowego spada z powodu zmniejszenia masy powietrza, które może być wciągane do silnika. Na przykład gęstość powietrza na poziomie 30,000 ft (9,100 m) wynosi 1/3 tej na poziomie morza, więc tylko 1/3 ilości powietrza może być wciągnięta do cylindra, z wystarczającą ilością tlenu, aby zapewnić efektywne spalanie tylko jednej trzeciej tyle paliwa. Tak więc na wysokości 30 000 stóp (9 100 m) można spalić tylko 1/3 paliwa spalonego na poziomie morza. (Zaletą zmniejszonej gęstości powietrza jest to, że płatowiec doświadcza tylko około 1/3 oporu aerodynamicznego., Ponadto występuje zmniejszone przeciwciśnienie na spalinach. Z drugiej strony, więcej energii jest zużywane trzymając samolot w górze z mniejszą ilością powietrza w którym do generowania podnoszenia.)
doładowanie może być traktowane albo jako sztuczne zwiększenie gęstości powietrza przez ściskanie go lub jako wymuszanie więcej powietrza niż normalnie do cylindra za każdym razem, gdy tłok porusza się w dół na suwie wlotowym.
doładowanie spręża powietrze z powrotem do ciśnienia równoważnego poziomowi morza, a nawet znacznie wyższego, aby silnik wytwarzał tyle samo mocy na wysokości rejsu, co na poziomie morza., Przy zmniejszonym oporze aerodynamicznym na dużej wysokości i silniku nadal wytwarzającym moc znamionową, doładowany samolot może latać znacznie szybciej na wysokości niż samolot Wolnossący. Pilot steruje wyjściem doładowania za pomocą przepustnicy i pośrednio poprzez sterowanie regulatorem śmigła. Ponieważ wielkość doładowania jest wybierana w celu wytworzenia określonej ilości ciśnienia na dużych wysokościach, doładowanie jest zbyt duże dla niskiej wysokości. Pilot musi być ostrożny z przepustnicą i obserwować manometr kolektora, aby uniknąć nadmiernego zwiększenia na małej wysokości., Gdy samolot wspina się i gęstość powietrza spada, pilot musi stale otwierać przepustnicę w małych krokach, aby utrzymać pełną moc. Wysokość, na której przepustnica osiąga pełne otwarcie, a silnik nadal wytwarza pełną moc znamionową, jest znana jako krytyczna wysokość. Powyżej krytycznej wysokości moc silnika zacznie spadać, gdy samolot będzie się wznosił.
efekty temperatury
, Wykres pokazuje różnice CDT między doładowaniem o stałym doładowaniu a doładowaniem o zmiennym doładowaniu w samolocie.
jak wspomniano powyżej, doładowanie może spowodować wzrost temperatury, a ekstremalne temperatury spowodują detonację mieszanki paliwowo-powietrznej i uszkodzenie silnika. W przypadku samolotów powoduje to problem na małych wysokościach, gdzie powietrze jest zarówno gęstsze, jak i cieplejsze niż na dużych wysokościach. Przy wysokich temperaturach powietrza atmosferycznego detonacja może rozpocząć się, gdy manometr kolektora odczyta znacznie poniżej czerwonej linii.,
doładowanie zoptymalizowane pod kątem dużych wysokości powoduje przeciwny problem po stronie układu dolotowego. Z opóźnieniem przepustnicy, aby uniknąć nadmiernego zwiększenia, Temperatura powietrza w gaźniku może spaść wystarczająco nisko, aby spowodować tworzenie się lodu na płycie przepustnicy. W ten sposób może gromadzić się wystarczająco dużo lodu, aby spowodować awarię silnika, nawet przy pełnej mocy znamionowej silnika. Z tego powodu wiele doładowanych samolotów miało wskaźnik temperatury powietrza gaźnikowego lub lampkę ostrzegającą pilota o możliwych warunkach oblodzenia.,
opracowano kilka rozwiązań tych problemów: intercoolery i chłodnice końcowe, Wtrysk przeciwprądowy, dwustopniowe doładowania i dwustopniowe doładowania.
dwubiegowe i dwustopniowe doładowania edytuj
w latach trzydziestych XX wieku opracowano dwubiegowe napędy do doładowań silników lotniczych zapewniające bardziej elastyczną pracę samolotów. Układ ten wiązał się również z większą złożonością produkcji i konserwacji., Przekładnie łączyły doładowanie z silnikiem za pomocą układu sprzęgieł hydraulicznych, które były początkowo ręcznie włączane lub wyłączane przez pilota ze sterowaniem w kokpicie. Na małych wysokościach zastosowano przekładnię o niskiej prędkości, aby utrzymać niską temperaturę kolektora. Na wysokości około 3700 m, gdy przepustnica była pełna do przodu, a ciśnienie w kolektorze zaczęło spadać, pilot opóźniał przepustnicę i przełączał się na wyższy bieg, a następnie ustawiał przepustnicę do żądanego ciśnienia w kolektorze., Późniejsze instalacje zautomatyzowały zmianę biegów w zależności od ciśnienia atmosferycznego.
w bitwie o Anglię samoloty Spitfire i Hurricane napędzane silnikiem Rolls-Royce Merlin były wyposażone głównie w doładowania jednostopniowe i jednomiejscowe. Stanley Hooker z Rolls Royce, w celu poprawy osiągów silnika Merlin, opracował dwubiegową dwustopniową turbinę doładowującą z chłodnicą końcową, z powodzeniem zastosowaną w silniku Rolls Royce Merlin 61 w 1942 roku. Zwiększono moc i osiągi na wszystkich wysokościach., Rozwój Hookera pozwolił samolotom, które napędzały, utrzymać kluczową przewagę nad niemieckimi samolotami, którym przeciwstawiali się przez całą II Wojnę Światową, pomimo że niemieckie silniki były znacznie większe w wyporności. Doładowania dwustopniowe były również zawsze dwustopniowe. Po sprężeniu powietrza w fazie niskiego ciśnienia, powietrze przepływało przez chłodnicę intercoolera, gdzie było chłodzone, zanim zostało ponownie sprężone przez stopień wysokiego ciśnienia, a następnie ewentualnie przechłodzone w innym wymienniku ciepła., Dwustopniowe sprężarki zapewniały znacznie lepsze osiągi na dużych wysokościach, jak typowały silniki Rolls-Royce Merlin 61 Supermarine Spitfire Mk IX I North American Mustang.
w niektórych systemach dwustopniowych drzwi klapy były otwierane lub zamykane przez pilota w celu ominięcia jednego stopnia w razie potrzeby. Niektóre systemy miały sterowanie kokpitu do otwierania lub zamykania klapy do chłodnicy intercoolera/chłodnicy końcowej, zapewniając inny sposób kontrolowania temperatury., Silniki Rolls-Royce Merlin miały w pełni zautomatyzowane sterowanie doładowaniem, a pilot musiał jedynie przesunąć przepustnicę za pomocą systemu sterowania ograniczającego doładowanie do momentu osiągnięcia maksymalnej wysokości.
Turbosprężarowaniedytuj
mechanicznie napędzana doładowarka musi pobierać moc napędową z silnika. Dzięki zastosowaniu jednostopniowego, jednobiegowego silnika doładowującego, takiego jak na przykład wczesny Rolls-Royce Merlin, doładowanie zużywa około 150 KM (110 kW)., Bez doładowania silnik mógłby produkować około 750 koni mechanicznych (560 kilowatów), ale z doładowaniem wytwarza około 1000 km—750 kW) – wzrost o około 400 km (750 – 150 + 400 = 1000 KM), lub zysk netto 250 KM (190 kW). Jest to miejsce, w którym główna wada doładowania staje się widoczna. Silnik musi spalić dodatkowe paliwo, aby zapewnić moc do napędzania doładowania. Zwiększona gęstość powietrza podczas cyklu wejściowego zwiększa moc właściwą silnika i jego stosunek mocy do masy, ale kosztem wzrostu indywidualnego zużycia paliwa przez silnik., Oprócz zwiększenia kosztów eksploatacji samolotu doładowanie ma potencjał, aby zmniejszyć jego ogólny zasięg dla określonego obciążenia paliwem.
w przeciwieństwie do turbosprężarki napędzanej przez sam silnik, turbosprężarka napędzana jest za pomocą zmarnowanych w inny sposób spalin z silnika. Ilość mocy w gazie jest proporcjonalna do różnicy między ciśnieniem spalin a ciśnieniem powietrza, a różnica ta wzrasta wraz z wysokością, pomagając silnikowi z turbodoładowaniem skompensować zmianę wysokości., Zwiększa to wysokość, na której osiągana jest maksymalna moc wyjściowa silnika w porównaniu z doładowaniem, i pozwala na lepsze zużycie paliwa na dużej wysokości w porównaniu do równoważnego doładowania silnika. Ułatwia to zwiększenie rzeczywistej prędkości na dużych wysokościach i daje większy zasięg operacyjny niż silnik o równoważnym wzmocnieniu za pomocą doładowania.
większość silników lotniczych używanych w czasie ii Wojny Światowej używała mechanicznie napędzanych doładowań, ponieważ miały one znaczną przewagę produkcyjną nad turbosprężarkami., Jednak korzyści z zasięgu operacyjnego miały znacznie wyższy priorytet dla amerykańskich samolotów ze względu na mniej przewidywalne wymagania dotyczące zasięgu operacyjnego i konieczność podróży z dala od swoich baz macierzystych. W związku z tym turbosprężarki były stosowane głównie w amerykańskich silnikach lotniczych, takich jak Allison V-1710 i Pratt & Whitney R-2800, które były porównywalnie cięższe podczas turbodoładowania i wymagały dodatkowego kanału drogich wysokotemperaturowych stopów metali w turbinie gazowej i sekcji układu wydechowego., Rozmiar samego kanału był poważnym rozważeniem projektowym. Na przykład zarówno F4U Corsair, jak i P-47 Thunderbolt używały tego samego silnika radialnego, ale duży kadłub turbodoładowanego P-47 był potrzebny ze względu na ilość kanałów do i z turbosprężarki w tylnej części samolotu. W f4u zastosowano dwustopniowy, chłodzony chłodnicą doładowanie o bardziej zwartym układzie. Mimo to turbosprężarki były przydatne w bombowcach na dużych wysokościach i niektórych samolotach myśliwskich ze względu na zwiększoną wydajność i zasięg na dużej wysokości.,
silniki tłokowe z turbodoładowaniem podlegają również wielu takim samym ograniczeniom eksploatacyjnym, jak silniki z turbinami gazowymi. Silniki z turbodoładowaniem wymagają również częstych przeglądów swoich turbosprężarek i układów wydechowych w celu poszukiwania możliwych uszkodzeń spowodowanych przez ekstremalne ciepło i ciśnienie turbosprężarek. Takie uszkodzenia były istotnym problemem we wczesnych modelach amerykańskich bombowców wysokościowych Boeing B-29 Superfortress używanych w teatrze działań na Pacyfiku w latach 1944-45.,
turbodoładowane silniki tłokowe nadal były używane w dużej liczbie powojennych samolotów, takich jak B-50 Superfortress, KC-97 Stratofreighter, Boeing Stratoliner, Lockheed Constellation i C-124 Globemaster II.
w ostatnich czasach większość silników lotniczych dla lotnictwa ogólnego (samoloty lekkie) są wolnossące, ale mniejsza liczba nowoczesnych lotniczych silników tłokowych przeznaczonych do pracy na dużych wysokościach wykorzystuje turbosprężarki lub systemy Turbo-normalizatora, zamiast doładowania napędzanego z wałów korbowych. Zmiana myślenia wynika w dużej mierze z ekonomii., Benzyna lotnicza była kiedyś obfita i tania, faworyzując proste, ale głodne paliwa doładowanie. Wraz ze wzrostem kosztów paliwa, zwykłe doładowanie wypadło z łask. Ponadto, w zależności od zastosowanego czynnika inflacji pieniężnej, koszty paliwa nie zmniejszyły się tak szybko, jak koszty produkcji i konserwacji.
wpływ liczby oktanowej paliwaedytuj
do końca lat 20. Jest to ocena, która została osiągnięta przez prostą destylację „lekkiej ropy naftowej”., Silniki z całego świata zostały zaprojektowane do pracy z tą klasą paliwa, która wyznaczała limit wielkości dopalania, jakie może zapewnić doładowanie przy zachowaniu rozsądnego współczynnika sprężania.
ocena oktanowa dzięki dodatkom, takim jak tetraetyload, była linią badawczą badaną w tym czasie. Stosując te techniki, mniej wartościowa ropa mogła nadal dostarczać duże ilości użytecznej benzyny, co czyniło ją cennym procesem ekonomicznym., Jednak dodatki nie ograniczały się do wytwarzania gorszej jakości oleju w 87-oktanowej benzynie; te same dodatki mogły być również używane do zwiększenia benzyny do znacznie wyższych wartości oktanowych.
paliwo o wyższej liczbie oktanowej jest odporne na samozapłon i detonację lepiej niż paliwo o niskiej liczbie oktanowej. W rezultacie ilość doładowania dostarczanego przez doładowania może zostać zwiększona, co skutkuje wzrostem mocy silnika., Rozwój 100-oktanowego paliwa lotniczego, zapoczątkowany w USA przed wojną, umożliwił zastosowanie wyższych ciśnień doładowania w wysokowydajnych silnikach lotniczych i został wykorzystany do opracowania bardzo dużej mocy wyjściowej – przez krótki czas-w kilku przedwojennych samolotach rekord prędkości. Eksploatacja nowego paliwa podczas II wojny światowej rozpoczęła się na początku 1940 roku, kiedy 100-oktanowe paliwo zostało dostarczone do Brytyjskich Królewskich Sił Powietrznych z rafinerii w Ameryce i Indiach Wschodnich. Niemieckie Luftwaffe dysponowało również zapasami podobnego paliwa.,
zwiększenie limitów pukania istniejących paliw lotniczych stało się głównym celem rozwoju silników lotniczych podczas ii Wojny Światowej. pod koniec wojny paliwo dostarczano w nominalnej klasie 150 oktanowej, na której późne silniki lotnicze, takie jak Rolls-Royce Merlin 66 lub Daimler-Benz DB 605DC rozwijały aż 2000 KM (1500 kW).