Altitudine effectsEdit
Rolls-Royce Merlin, un supraalimentat motor de aeronavă de la al doilea Război Mondial. Sistemul de supraalimentare este la partea din spate a motorului la dreapta
Un compresor Centrifugal de o Bristol Centaurus radial motor de aeronavă.compresoarele sunt o adăugare naturală a motoarelor cu piston de aeronave care sunt destinate funcționării la altitudini mari. Pe măsură ce o aeronavă urcă la o altitudine mai mare, presiunea aerului și densitatea aerului scad., Ieșirea unui motor cu piston scade din cauza reducerii masei de aer care poate fi trasă în motor. De exemplu, densitatea aerului la 30.000 ft (9.100 M) este de 1⁄3 din cea la nivelul mării, astfel doar 1⁄3 din cantitatea de aer poate fi aspirată în cilindru, cu suficient oxigen pentru a asigura o combustie eficientă pentru doar o treime din cantitatea de combustibil. Deci, la 30.000 ft (9.100 m), doar 1⁄3 din combustibilul ars la nivelul mării poate fi ars. (Un avantaj al densității scăzute a aerului este că corpul aeronavei experimentează doar aproximativ 1/3 din tracțiunea aerodinamică., În plus, există o scădere a presiunii din spate asupra gazelor de eșapament. Pe de altă parte, se consumă mai multă energie ținând un avion cu mai puțin aer în care să genereze ridicare.un supraalimentator poate fi considerat fie ca crescând artificial densitatea aerului prin comprimarea acestuia, fie ca forțând mai mult aer decât în mod normal în cilindru de fiecare dată când pistonul se deplasează în jos pe cursa de admisie.un turbocompresor comprimă aerul înapoi la presiuni echivalente nivelului mării, sau chiar mult mai mari, pentru a face motorul să producă la fel de multă putere la altitudinea de croazieră ca și la nivelul mării., Cu rezistența aerodinamică redusă la altitudine mare și motorul care produce încă o putere nominală, un avion supraalimentat poate zbura mult mai repede la altitudine decât unul aspirat natural. Pilotul controlează ieșirea compresorului cu clapeta de accelerație și indirect prin controlul guvernatorului elicei. Deoarece dimensiunea turbocompresorului este aleasă pentru a produce o anumită cantitate de presiune la altitudini mari, turbocompresorul este supradimensionat pentru altitudine joasă. Pilotul trebuie să fie atent cu clapeta de accelerație și să urmărească manometrul colectorului pentru a evita supra-creșterea la altitudine mică., Pe măsură ce aeronava urcă și densitatea aerului scade, pilotul trebuie să deschidă continuu accelerația în pași mici pentru a menține puterea maximă. Altitudinea la care accelerația atinge deschiderea completă și motorul produce încă o putere nominală maximă este cunoscută sub numele de altitudinea critică. Deasupra altitudinii critice, puterea motorului va începe să scadă pe măsură ce aeronava continuă să urce.
Efecte de temperatureEdit
Compresor CDT vs altitudine., Graficul arată diferențele CDT între un turbocompresor cu impuls constant și un turbocompresor cu impuls variabil atunci când este utilizat pe o aeronavă.după cum sa discutat mai sus, supraîncărcarea poate provoca o creștere a temperaturii, iar temperaturile extreme vor provoca detonarea amestecului combustibil-aer și deteriorarea motorului. În cazul aeronavelor, acest lucru provoacă o problemă la altitudini joase, unde aerul este atât mai dens, cât și mai cald decât la altitudini mari. Cu temperaturi ridicate ale aerului înconjurător, detonarea ar putea începe să apară cu indicatorul de presiune al colectorului care citește mult sub linia roșie.,
un turbocompresor optimizat pentru altitudini mari cauzează problema opusă pe partea de admisie a sistemului. Cu accelerația retardată pentru a evita supra-creșterea, temperatura aerului din carburator poate scădea suficient de jos pentru a provoca formarea gheții la placa de accelerație. În acest mod, s-ar putea acumula suficientă gheață pentru a provoca defectarea motorului, chiar dacă motorul funcționează la putere nominală maximă. Pentru acest motiv, multe supraalimentat de aeronave prezentat un carburator de aer de temperatură sau lumină de avertizare de alertă pilot de posibile condiții de givraj.,
mai Multe soluții la aceste probleme, au fost elaborate: intercoolere și aftercoolers, anti-detonant injecție, doua viteze, compresoare de supraalimentare, și în două etape, compresoare de supraalimentare.în anii 1930, au fost dezvoltate unități cu două viteze pentru supraalimentatoare pentru motoarele aero, oferind o funcționare mai flexibilă a aeronavelor. Aranjamentul a implicat, de asemenea, o mai mare complexitate a fabricării și întreținerii., Angrenajele au conectat supraalimentatorul la motor folosind un sistem de ambreiaje hidraulice, care au fost inițial cuplate manual sau decuplate de pilot cu un control în cabină. La altitudini joase, angrenajul cu viteză redusă ar fi utilizat pentru a menține temperaturile colectorului scăzute. La aproximativ 12.000 de picioare (3.700 m), când accelerația era plină înainte și presiunea colectorului începea să scadă, pilotul întârzia accelerația și trecea la treapta superioară, apoi reajusta accelerația la presiunea dorită a colectorului., Instalațiile ulterioare au automatizat schimbarea angrenajului în funcție de presiunea atmosferică.în Bătălia din Marea Britanie, avioanele Spitfire și Hurricane alimentate de motorul Rolls-Royce Merlin au fost echipate în mare parte cu supraalimentatoare cu o singură treaptă și cu o singură viteză. Stanley Hooker de la Rolls Royce, pentru a îmbunătăți performanța motorului Merlin, a dezvoltat o supraalimentare în două trepte cu două trepte, cu răcire ulterioară, cu o aplicație de succes pe motorul Aero Rolls Royce Merlin 61 în 1942. Puterea și performanța au crescut la toate altitudinile., Hooker evoluții a permis aeronavei au alimentat pentru a menține un avantaj crucial de-a lungul avioane germane s-au opus de-a lungul doilea Război Mondial, în ciuda motoare germane fiind semnificativ mai mare în deplasare. Supraalimentatoarele în două etape au fost, de asemenea, întotdeauna cu două viteze. După ce aerul a fost comprimat la presiune joasă etapă, aer curgea printr-un intercooler radiator, unde a fost răcit înainte de a fi comprimat din nou de înaltă presiune etapă și apoi, eventual, de asemenea, aftercooled într-un alt schimbător de căldură., Compresoarele în două trepte au oferit performanțe mult îmbunătățite la mare altitudine, așa cum au fost tipizate de Supermarine Spitfire Mk IX propulsat de Rolls-Royce Merlin 61 și Mustangul Nord-American.în unele sisteme cu două trepte, ușile amortizoarelor ar fi deschise sau închise de către pilot pentru a ocoli o etapă, după cum este necesar. Unele sisteme aveau un control al cockpit-ului pentru deschiderea sau închiderea unui amortizor la intercooler/aftercooler, oferind un alt mod de a controla temperatura., Motoarele Rolls-Royce Merlin aveau un control de impuls complet automatizat, tot ce trebuia să facă pilotul era să avanseze accelerația cu sistemul de control limitând impulsul, după cum este necesar, până când a fost atinsă altitudinea maximă.
TurbochargingEdit
un turbocompresor acționat mecanic trebuie să preia puterea de antrenare de la motor. Luând un motor supraalimentat cu o singură treaptă, cum ar fi un Rolls-Royce Merlin, de exemplu, supraalimentatorul consumă aproximativ 150 CP (110 kW)., Fara un compresor, motorul ar putea produce aproximativ 750 de cai putere (560 kw), dar cu un compresor, se produce aproximativ 1.000 cp (750 kW)—o creștere de aproximativ 400 cp (750 – 150 + 400 = 1000 cp), sau un câștig net de 250 cp (190 kW). Acest lucru este în cazul în care dezavantajul principal al unui compresor devine evident. Motorul trebuie să ardă combustibil suplimentar pentru a furniza energie pentru a conduce supraalimentatorul. Densitatea crescută a aerului în timpul ciclului de intrare crește puterea specifică a motorului și Raportul putere-greutate, dar cu costul creșterii consumului specific de combustibil al motorului., În plus față de creșterea costurilor de funcționare a aeronavei, un compresor are potențialul de a-și reduce gama generală pentru o sarcină specifică de combustibil.spre deosebire de un turbocompresor acționat de motorul însuși, un turbocompresor este acționat folosind gazul de evacuare irosit din motor. Cantitatea de putere din gaz este proporțională cu diferența dintre presiunea de evacuare și presiunea aerului, iar această diferență crește odată cu altitudinea, ajutând un motor turbo să compenseze schimbarea altitudinii., Acest lucru crește înălțimea la care puterea maximă a motorului este atinsă în comparație cu creșterea supraalimentatorului și permite un consum mai bun de combustibil la altitudine mare în comparație cu un motor supraalimentat echivalent. Acest lucru facilitează creșterea vitezei reale a aerului la altitudine mare și oferă o gamă operațională mai mare decât un motor amplificat echivalent cu ajutorul unui supraalimentator.majoritatea motoarelor de aeronave utilizate în timpul celui de-al doilea război mondial au folosit supraalimentatoare acționate mecanic, deoarece au avut unele avantaje semnificative de fabricație față de turbocompresoare., Cu toate acestea, beneficiul pentru gama operațională a fost acordat o prioritate mult mai mare aeronavelor Americane din cauza unei cerințe mai puțin previzibile privind gama operațională și a faptului că trebuie să călătorească departe de bazele lor de origine. În consecință, turbocompresoare au fost în principal angajate în america de motoare de aeronave, cum ar fi Allison V-1710 și Pratt & Whitney R-2800, care au fost comparabil mai greu atunci când turbo, și suplimentare necesare conducte de scumpe de înaltă temperatură aliaje metalice în turbină cu gaze și un pre-secțiunea turbină de sistemul de evacuare., Dimensiunea conductelor singur a fost un considerent serios de proiectare. De exemplu, atât F4U Corsair, cât și P-47 Thunderbolt au folosit același motor radial, dar fuselajul mare în formă de butoi al turbocompresorului P-47 a fost necesar din cauza cantității de conducte către și de la turbocompresorul din spatele aeronavei. F4U a folosit un turbocompresor cu răcire în două etape, cu un aspect mai compact. Cu toate acestea, turbocompresoarele au fost utile în bombardierele de mare altitudine și în unele avioane de luptă datorită performanței și gamei crescute de altitudine.,motoarele cu piston Turbo sunt, de asemenea, supuse multor restricții de funcționare ca și cele ale motoarelor cu turbină cu gaz. Motoarele turbo necesită, de asemenea, inspecții frecvente ale turbocompresoarelor și sistemelor de evacuare pentru a căuta posibile daune cauzate de căldura și presiunea extremă a turbocompresoarelor. Astfel de daune a fost o problemă proeminentă în primele modele ale bombardierelor americane Boeing B-29 Superfortress de mare altitudine utilizate în Teatrul de operațiuni din Pacific în perioada 1944-45.,
Turbo motoare cu piston continuat să fie folosite într-un număr mare de după război avioane, cum ar fi B-50 Superfortress, KC-97 Stratofreighter, Boeing Stratoliner, Lockheed Constellation, și C-124 Globemaster a II-a.
În vremuri mai recente, cele mai multe motoare de avioane pentru aviația generală (avioane usoare) sunt în mod natural aspirat, dar numărul mai mic al aviației moderne motoare cu piston sunt concepute pentru a rula la altitudini mari, utilizarea turbinei de supraalimentare turbo sau normalizator sisteme, în loc de un compresor condus de arbori cotiți. Schimbarea gândirii se datorează în mare parte economiei., Benzina de aviație a fost odată abundentă și ieftină, favorizând compresorul simplu, dar înfometat de combustibil. Pe măsură ce costul combustibilului a crescut, compresorul obișnuit a căzut din favoare. De asemenea, în funcție de factorul monetar de inflație utilizat, costurile cu combustibilul nu au scăzut la fel de repede ca costurile de producție și întreținere.până la sfârșitul anilor 1920, tot combustibilul pentru automobile și aviație a fost evaluat în general la 87 octan sau mai puțin. Acesta este ratingul obținut prin distilarea simplă a uleiului „brut ușor”., Motoarele din întreaga lume au fost proiectate să funcționeze cu acest grad de combustibil, care a stabilit o limită a cantității de impuls care ar putea fi furnizate de supraalimentator, menținând în același timp un raport de compresie rezonabil.creșterea gradului de octan prin aditivi, cum ar fi tetraetillead, a fost o linie de cercetare explorată la acea vreme. Folosind aceste tehnici, țițeiul mai puțin valoros ar putea furniza în continuare cantități mari de benzină utilă, ceea ce l-a făcut un proces economic valoros., Cu toate acestea, aditivii nu s-au limitat la transformarea uleiului de calitate slabă în benzină cu cifra octanică 87; aceiași aditivi ar putea fi folosiți și pentru a stimula benzina la valori octanice mult mai mari.combustibilul cu cifră octanică mai mare rezistă la aprinderea și detonarea automată mai bine decât combustibilul cu cifră octanică scăzută. Drept urmare, cantitatea de impuls furnizată de supraalimentatoare ar putea fi mărită, rezultând o creștere a puterii motorului., Dezvoltarea combustibilului de aviație cu cifra octanică 100, pionier în SUA înainte de război, a permis utilizarea presiunilor de impuls mai mari pentru a fi utilizate pe motoarele de aviație de înaltă performanță și a fost utilizată pentru a dezvolta ieșiri de putere extrem de mari-pentru perioade scurte-în mai multe dintre avioanele record de viteză de dinainte de război. Utilizarea operațională a noului combustibil în timpul celui de-al doilea război mondial a început la începutul anului 1940, când combustibilul cu cifra octanică 100 a fost livrat Forțelor Aeriene Regale britanice de la rafinăriile din America și Indiile de Est. Luftwaffe-ul German avea, de asemenea, provizii de combustibil similar.,
Creșterea bate limitele existente combustibili de aviație a devenit un obiectiv major de aero dezvoltarea motorului în timpul al doilea Război Mondial. Până la sfârșitul războiului, de combustibil a fost livrat la o valoare nominală de 150-cifra octanică, pe care târziu-război aero engines ca Rolls-Royce Merlin 66 sau Daimler-Benz DB 605DC dezvoltat la fel de mult ca de 2.000 cp (1.500 de kW).