Logowanie

Zdjęcie dnia

  • Jacek Grześkowiak

    Jacek Grześkowiak

Newsletter

Cotygodniowa porcja informacji lotniczych

JOOMEXT_TERMS

Pogoda

 


Dołącz do nas !

FB TW google-plus-ikona-2012 YT 

 


Aby szczegółowo zagłębić w techniczne meandry napędu lotniczego, trzeba przez chwilę zastanowić się, jakim napędem dla samolotów jest spalinowy silnik tłokowy. Trzeba sobie też zdać sprawę, dlaczego tak długo dominował w lotnictwie, osiągając niesamowity poziom technicznego rozwoju i dlaczego, ponad pół, wieku temu został w dużym stopniu wyparty. A więc na początek przebrnijmy przez ogólne, acz niezbędne informacje, które pozwolą bez trudu zrozumieć specyfikacje silników podawane przez producentów. A przede wszystkim odpowiedzieć na pytanie:

 

Czym jest lotniczy spalinowy silnik tłokowy?

 


Spalinowy silnik tłokowy był w zasadzie pierwszym rodzajem silnika szeroko stosowanym do napędu statków powietrznych i przez długi czas zdominował konstrukcyjnie napęd lotniczy. Za pierwszy tego rodzaju silnik, skonstruowany specjalnie do napędu samolotu, można uznać ten, który skonstruowali bracia Wright do swojego „Flyera”, samolotu, który odbył pierwszy, kontrolowany lot z napędem. Miał on już pierwszą cechę (a raczej musiał ją mieć z założenia), którą charakteryzują się silniki tłokowe w wersji lotniczej, a mianowicie musiał lekki. A ujmując to dokładniej: musiał mieć niską wagę w stosunku do mocy, jaka mógł osiągnąć.

Zasada działania lotniczego spalinowego silnika tłokowego (LSST) jest taka sama, jak wszystkich innych silników tłokowych stanowiących napęd innych maszyn (samochodów, statków, lokomotyw itp.). Są jednak pewne cechy, które wyróżniają LSST i powodują, że konstrukcyjnie różni się on od innych silników tego rodzaju. I aby dobrze zrozumieć, czym jest lotniczy silnik tłokowy, należy je wymienić. A są to:

  1. Niski stosunek masy do mocy ( tzw. obciążenia mocy). LSST powinien wytwarzać dużą moc przy możliwie jak najniższej masie. Przykładowo: jeśli silnik waży 450 kg i wytwarza moc 745 kW, to jego stosunek masy do mocy wynosi 1 do 1,6 czyli obciążenie mocy to 0,6 kg/kW. Jeżeli ten sam, ważący nadal 450 kg będzie miał moc 1200 kW, to jego stosunek masy do mocy wyniesie 1 do 2,6 a więc obciążenie mocy to 0,37 kg/kW. Tak więc silnik zwiększy swoją sprawność. Inaczej mówiąc, im niższy współczynnik masy do mocy, tym sprawniejszy napęd i większe osiągi samolotu. Niestety silniki tłokowe pod względem mają duże ograniczenia i dla nich ten stosunek wacha się od 0,4 kg/kW dla silników o małej mocy do 0,24 kg/kW dla silników dużych mocy. Jest to zasadzie wartość graniczna i każda modyfikacja silnika tłokowego o takim współczynniku przynosi tylko nieproporcjonalnie duży przyrost masy do wzrostu mocy. Dla porównania dla współczesnych silników turboodrzutowych współczynnik ten wynosi 1 do 13.

  2. Ilość cylindrów: LSST zazwyczaj posiadają minimum 4 cylindry (wyjątkiem mogą być silniki dla samolotów ultralekkich). Całkowita ilość cylindrów może być parzysta (jak w silnikach rzędowych w różnym układzie) lub nieparzysta (jak w silnikach gwiazdowych, np. 5, 7 lub 9). W okresie II wojny światowej jednostki napędowe tego typu miały 12-24 cylindry. Na przełomie lat 40. i 50., kiedy silniki tłokowe były w największym rozkwicie, ilość cylindrów wahała się między 18 a 28, a na największa liczba to 36 cylindrów (silnik w układzie poczwórnej gwiazdy)

  3. Układ cylindrów: ze względu na ilość cylindrów i konieczność ograniczenia gabarytów do rzadkości należą silniki tłokowe w układzie rzędowym. Najczęstszymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi są układy widlaste, gwiazdowe, piętrowe lub przeciwsobne (popularnie zwane „bokser”).

  4. Mechanizm sterowania silnikiem - rozrząd: w przeciwieństwie do innych silników tłokowych, w których stosuje się różne rodzaje rozrządu (górnozaworowy, dolnozaworowy, boczno zaworowy), w silnikach lotniczych stosuje się tylko rozrząd górnozaworowy (nawet, gdy silnik jest w tzw. układzie odwróconym ).

  5. Warunki pracy: trzeba pamiętać, że napęd lotniczy pracuje w atmosferze, i to w warunkach bardzo zróżnicowanych, nie tylko jeśli chodzi o stan pogody, ale również ( a właściwie przede wszystkim) o temperaturę, ciśnienie i zawartość tlenu. Samolot przemieszcza się w pionie, a w tym wypadku właściwości atmosfery zmieniają znacznie i to w bardzo krótkim czasie. Oczywiście, możemy powiedzieć, ze samochody również jeżdżą po górach, więc na różnych wysokościach, ale nikt rozsądny chyba nie weźmie poważnie pod uwagę takiego porównania. Co innego zmieniać wysokość w zakresie kilkuset metrów w kilkadziesiąt minut, a co innego kilka tysięcy metrów w kilkanaście minut. Tak więc konstrukcyjnie silniki napędzające samoloty muszą być do tego odpowiednio dostosowane, co bardzo komplikuję sprawę w tym zakresie. Aby latać szybciej, a przede wszystkim wyżej, LSST muszą być wyposażane w system doładowujący (silniki turbodoładowane), a nawet mimo tego ich sprawność maleje wraz z wysokością. Jest to kolejny czynnik bardzo ograniczający ich zastosowanie.

  6. Odbiór mocy: silnik lotniczy wytwarza pewną moc, wykorzystując energię chemicznego procesu spalania i zjawisko termodynamicznego rozszerzania się gazów. Po czym energię tą przetwarza najpierw na ruch posuwisto-zwrotny tłoka, a następnie na ruch obrotowy wału korbowego. I robi to tylko po to, aby wprawić w ruch urządzenie, mogące poruszyć statek powietrzny – śmigło. Mówiąc więc o tłokowym silniku lotniczym, należy mieć cały czas na uwadze fakt, że śmigło jest jego głównym odbiornikiem mocy. Do tego został stworzony i to warunkuje jego specyficzną konstrukcję i cechy.

Wracamy do pytania: Co to jest lotniczy silnik tłokowy?

 

Pokusimy się o krótką definicję, obejmująca główne cechy tego rodzaju napędu:

„Lotniczy spalinowy silnik tłokowy jest to maszyna cieplna, w której praca użyteczna uzyskiwana jest w procesie spalania (silnik spalinowy) wewnątrz cylindra mieszanki paliwowo-powietrznej, w wyniku którego gazy rozprężają się i zwiększając swoją objętość (silniki objętościowe) wywierają ciśnienie na tłok w cylindrze (silniki tłokowe) i w ten sposób wprawiają go w ruch. Ruch posuwisto-zwrotny tłoka zamieniany jest na ruch obrotowy, służący do napędu śmigła, poprzez układ korbowy. Silnik ten służy do napędu statków powietrznych”.

 

 

Zdjcie_20

 

 

Konstrukcyjnie LSST składają z:

  1. Karter – jest zespół obudowy silnika w której zamontowane są główne jego elementy, takie jak tuleje cylindrów, układ korbowy. Dzieli się z reguły na blok silnika, który zawiera zewnętrzne uchwyty służące do zamontowania go we wnęce silnikowej, oraz misy olejowej. Od góry karter zamknięty jest przykręcaną głowicą, zawierającą układ rozrządu.

 

 

 

Zdjcie_1

Zdjęcie 1. Elementy silnika tłokowego przeciwsobnym (boker).

 

 

 

 

Zdjcie_2

Zdjęcie 2. Karter silnika gwiazdowego.

 

Zdjcie_3

 

Zdjęcie 3. Blok silnika rzędowego.

 

  1. Układ korbowy – cylindry, tłoki z pierścieniami, korbowody, wał korbowy, elementy mocowania. Układ ten zamienia ruch posuwisto-zwrotny tłoka na ruch obrotowy wału korbowego.

 

Zdjcie_4

Zdjęcie 4. Korbowód silnika gwiazdowego

 

Główne elementy wału korbowego:

  • Czopy główne
  • Czopy korbowe
  • Ramiona
  • Magistrala olejowa

 

Zdjcie_5

Zdjęcie 5. Wał korbowy silnika rzędowego

 

 

Zdjcie_6

 

Zdjęcie 6. Korbowód silnika dwurzędowego w układzie V

 

Główne elementy korbowodu

  • Główka
  • Trzon
  • Łeb
  • Pokrywa łba

Zdjcie_7

Zdjęcie 7. Główne elementy korbowodu

 Zdjcie_8

 

Zdjęcie 8. Układ korbowy silnika rzędowego

 

 

 

Zdjcie_9

Zdjęcie 9. Elementy tłoka

 

 

Zdjcie_10

 

Zdjęcie 10. Tłok wraz z korbowodem

 


Zdjcie_11

Zdjęcie 11. Schemat układu korbowego silnika rzędowego

 

  1. Układ rozrządu – zawory wlotowe i wylotowe, dźwignie zaworowe, sprężyny zaworowe, popychacze, układ sterujący zamykaniem i otwieraniem zaworów (wał rozrządu i krzywki rozrządu). Układ ten zapewnia otwieranie i zamykane zaworów, umożliwiając wlot do cylindrów mieszanki paliwowo-powietrznej (lub samego powietrza w przypadku silników diesla) i odprowadzania spalin oraz odpowiedni moment inicjowania zapłonu.

 


 

Zdjcie_12

Zdjęcie 12. Schemat podstawowego układu rozrządu

 

  1. Układ zasilania – pompa paliwa, przewody paliwowe, gaźnik (w silnikach gaźnikowych) lub system wtrysku paliwa (w silnikach wtryskowych). Układ ten zapewnia dostarczania do cylindrów mieszanki paliwowo-powietrznej (lub samego powietrza w silnikach diesla).

  2. Układ smarowania – misa olejowa lub zamknięty zbiornik oleju, pompa olejowa, filtry, magistrala olejowa (układ przewodów wysokociśnieniowych) doprowadzająca olej do najważniejszych elementów silnika, gdzie występuje tarcie. Układ ten zapewnia prawidłowe smarowanie silnika zmniejszając tarcie i opory wewnętrzne, częściowo chłodzi silnik jak również oczyszcza go z drobin metalowych, powstałych na skutek pracy silnika pod dużym obciążaniem.

  3. Układ chłodzenia – jego budowa i elementy składowe zależne są od sposobu chłodzenia silnika. Najprostszym systemem chłodzenia jest chłodzenia powietrzem. Był on przez długi czas stosowany w lotnictwie, głównie za względu na mniejszy ciężar takich silników oraz prostszą budowę. Samolot porusza się szybko, więc pęd powietrza był wstanie odebrać ciepło powstałe w silniku w czasie spalania paliwa, dodatkowo obracające się śmigło powodowało silny ruch powietrza chłodzące silnik (najczęściej był on typu gwiazdowego, choć i silniki rzędowe miały ten system chłodzenia). Szczególnie chętnie był on stosowany w napędach samolotów bojowych ze względu na dużą odporność na uszkodzenia podczas walki. Układ taki składał się najczęściej z ożebrowania cylindrów i ruchomych żaluzji regulujących przepływ powietrza. Znacznie bardziej skomplikowany był układ chłodzenia cieczą, choć jego zaletą była dużo wyższa skuteczność i możliwość większego obciążenia silnika bez względu na warunki zewnętrzne. Składa się on z chłodnicy, pompy cieczy, termostatu i przewodów doprowadzających ciecz chłodzącą do silnika i odprowadzających z silnika do chłodnicy. Głównym zadanie tego układu jest utrzymanie temperatury silnika w zakresie jego największej efektywności pracy.

 

 

Zdjcie_13 

Zdjęcie 13. Schemat układu chłodzenia

 

Zdjcie_14

 

Zdjęcie 14. Schemat cylindra chłodzonego powietrzem ze specjalnie uformowanym ożebrowaniem zewnętrznym.

  1. Układ zapłonowy – cewka zapłonowa, aparat zapłonowy, iskrownik, przewody wysokiego napięcia, świece zapłonowe. Układ ten ma za zadania wytworzenie iskry elektrycznej pomiędzy elektrodami świec zapłonowych umieszczonych w cylindrach w odpowiedniej kolejności i odpowiednim czasie. Przeskok iskry inicjuje zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej w danym cylindrze.

  2. Układ rozruchowy – służy on do uruchomienia silnika a jego elementy i budowa były i są bardzo zróżnicowane. W okresie I wś często był to rozruch ręczny przez obrót śmigła przy włączonym zapłonie, późnej zaczęto stosować korbę i układ przekładniowy rozkręcający silnik. W okresie II wś i później stosowano rozruch elektryczny za pomocą rozrusznika sprzęgniętego z kołem zamachowym. Inny rozwiązaniem był też rozruch przez przepuszczenie przez silnik sprężonego powietrza wymuszającego ruch tłoków i zapłon. Jeden z ciekawszych rozwiązań tego układu miał samolot myśliwsko-szturmowy Hawker Typhoon. Posiadał on potężny, 24-cylindrowy silnik Napier Sarbre o mocy 2200 kM z detonacyjnym układem rozruchowym. Zasada działania polegała na gwałtownym rozprężeniu gazów, co osiągano przez denotację odpowiedniego ładunku wybuchowego, a wytworzone ciśnienie błyskawicznie wprawiało w ruch cylindry i od razu uruchomiało silnik. Jak opowiadali piloci latający na Typhoon’ach i obsługujący te samoloty mechanicy, wrażenie było niesamowite: wkładało się pojemnik kształtem i wielkością przypominającą „puszkę pomarańczy” w odpowiedni otwór w kadłubie. Następnie uruchamiano zapalnik z opóźnieniem. Po chwili rozlegał się głośny huk, przypominający wystrzał z pistoletu, po czym ryk pracującego silnika, a śmigło zmieniało się nagle w wirujący krąg.

  3. Układ doładowujący - klasyczny silnik tłokowy zasysa powietrze i mieszankę powietrza z paliwem na zasadzie podciśnienia wytwarzanego przez tłok w czasie jego suwu w dół. Jest to skuteczne, ale tylko do pewnej wysokości nad ziemią. Im wyżej, tym bardziej spada ciśnienie atmosferyczne, i tym mniej tlenu zawarte jest w powietrzu. Na wysokościach rzędu 6000 m panuje mniej więcej dwa razy niższe ciśnienie atmosferyczne niż na poziomie morza. I tyle samo mniej tlenu, który może wziąć udział w procesie spalania. Sprawność silnika gwałtownie spada. Aby temu zapobiec, stosuje się układy doładowujące, które tłoczą (sprężają) powietrze do cylindrów. Głównym ich elementem jest sprężarka. Pozostałe elementy konstrukcyjne zależą już od typu układu doładowującego.

 

Ze względów konstrukcyjnych możemy wyróżnić następujące typy:

- mechaniczne (tzw. supercharger) – najwcześniej stosowane, w których sprężarka napędzana jest przez wał silnika za pośrednictwem przekładni. Przekładnia może być jednobiegowa lub dwubiegowa, dla zwiększenia skokowego obrotów sprężarki i efektywności doładowania na dużych wysokościach.

- turbodoładowanie (tzw. turbocharger) – znacznie nowocześniejsze i stosowane obecnie, gdzie napęd sprężarki stanowi turbina gazowa wykorzystująca energię gazów wylotowych silnika.

- turbonormalizer - są to turbosprężarki utrzymujące stałe ciśnienie doładowania, równe ciśnieniu na poziomie morza do określonej wysokości. Regulacja mocy turbiny dającej napęd na sprężarkę polega na zwiększaniu lub zmniejszaniu (poprzez przesłonę w kanale dolotowym) ilości spalin wpadających do turbiny. Nadmiar spalin odrębnym kanałem za przesłoną wyprowadzany jest do atmosfery. Im więcej spalin kierowanych jest na turbinę, tym większe są jej obroty oraz obroty sprężarki, a tym samym większe ciśnienie doładowania do cylindrów. I odwrotnie. Otwarcie przesłony regulowane jest automatycznie poprzez aneroid mierzący ciśnienie ładowania w kanale dolotowym do cylindrów – jeśli jest ono wyższe niż na poziomie morza, przesłona zostaje otwarta, i większa część spalin zamiast napędzać turbinę, ulatuje do atmosfery. Jeśli spada – przesłona zostaje przymknięta i większość spalin jest tłoczona na turbinę.

- turbosprężarki VAPC (variable absolute pressure control) – dostosowują one automatycznie ciśnienie ładowania do wielkości otwarcia   

 przepustnicy.

 

 

Użycie turbodoładowania nie jest jednak procesem prosty pod względem termodynamicznym. Bowiem na skutek sprężania powietrze rozgrzewa się, i to znacznie. Jego temperatura za sprężarką, a przed wtłoczeniem do cylindrów może sięgać nawet 100 stopni Celcjusza (tzw. efekt CDT - compressor discharge temperature). Rozgrzane powietrze ma większą objętość, więc mimo doładowania, do cylindrów wpada go mniej, i mniej tlenu. Tym samym sprawność silnika maleje. Aby temu zaradzić, stosuje się urządzenie schładzające powietrzem przed wejściem do cylindrów, tzw. intercooler (efekt zwany IAT – induction air temperature). W dużym stopniu likwiduje to ten problem.

 

Również jeśli chodzi o stabilność pracy silnika, stosowanie tego układu nie jest bezproblemowe. Występują bowiem dwa zjawiska, bardzo niekorzystne, a nawet groźne, dla silnika. Jest to tzw. overboost (przeładowanie) i bootstrapping (nierównomierna praca silnika). Pierwsze z nich ma miejsce wtedy, gdy ciśnienie ładowania na ziemi nadmiernie wzrasta (ma to miejsce zwłaszcza w silnikach mocno doładowanych). Proces ten, nie kontrolowany, może doprowadzić do detonacji. Aby do tego nie dopuścić, stosuje się specjalne zawory bezpieczeństwa (overboost valve) otwierające się automatycznie i spuszczające powietrze z kanału dolotowego cylindra. Do drugiego zjawiska dochodzi w czasie lotu na dużej wysokości w układach z regulacją (turbonormalizerach). Polega ono na tym, że przy wejściu samolotu na wysoki pułap, gdzie ciśnienie jest na tyle niskie, że układ turbina - sprężarka pracuje na mocy maksymalnej (całość spalin kierowanych jest na turbinę i kończą się możliwości samoregulacji układu). Lekki spadek ciśnienia spalin (np. przez wzrost pułapu lub spadek mocy i obrotów silnika) powoduje natychmiastowy spadek obrotów turbiny, a tym samym zmniejszenie ciśnienia doładowania. To pociąga za sobą dalszy spadek mocy, obrotów i ciśnienia spalin. I proces sam się napędza. Następują nierównomierności w pracy silnika, niekontrolowane spadki lub wzrosty mocy (bo proces może działać także w druga stronę), a to stwarza zawsze niebezpieczeństwo w czasie lotu. Niestety w tym wypadku jedynym lekarstwem jest doświadczenie pilota i spokojne obniżenie przez niego wysokości lotu, aby układ mógł wejść ponownie na poziom samoregulacji.

 

Urządzeniem pokrewnym do turbosprężarki, o który warto tutaj wspomnieć, jest tzw. PRS (Power Recowery System), czyli System Odzyskiwania Mocy (nie mylić z systemem odzyskiwania mocy KERS w samochodach formuły F-1!). Wykorzystuje ono również energię spalin, które napędzają turbinę. Ale w przeciwieństwie do układu turbodoładowania, turbina nie napędza sprężarki, tylko jest sprzężona z wałem silnika za pośrednictwem sprzęgła hydrokinetycznego (jest to rodzaj sprzęgła, które przekazuje moc nie poprze siły tarcia powierzchni ciernych, tylko poprzez siłę lepkości i oporu cieczy – stąd nazwa hydrokinetyczne). Rozpędzona turbina przekazuje swój moment obrotowy na wał, co zwiększa moc silnika, nawet o 20% (co w przypadku silnika tłokowego może dać przyrost mocy nawet wartość rzędu kilkuset KM).

 

 

Zdjcie_15

 

Zdjęcie 15. Sposoby doładowania lotniczych silników tłokowych

 

 

  1. Układ wydechowy – jego elementy to kolektor, do którego trafiają bezpośrednio spaliny wytłaczane z cylindrów, rura wydechowa oraz tłumik, który ogranicza hałas silnika. W silnikach lotniczych stosuje się kolektory dla każdego cylindra oddzielnie, wówczas samolot ma tyle rur wydechowych i wylotów spalin, ile silnik cylindrów. Lub kolektory zespolone, które odbierają spaliny od określonej ilości cylindrów i poprze rurę (lub rury) wydechowe odprowadzają je do atmosfery. Dodatkowo, zwłaszcza w samolotach bojowych (szeroko stosowane w czasie II wś.), stosuje się tłumiki ognia, zapobiegający wydobywaniu się płomieni z wylotów spalin. Zjawisko takie zdradza pozycję samolotu o zmierzchu lub w nocy.

 

Tyle o budowie. Teraz trochę informacji o wielkościach charakteryzujących, lub inaczej – opisujących silnik.

 

Maciej Ługowski