Flugzeug: Kompressoren und Turbokompressoren - Airplane: Superchargers and Turbosuperchargers
Um die Leistung eines Motors zu erhöhen, haben Hersteller Aufladungssysteme entwickelt, die als Kompressor- und Turboladersysteme bezeichnet werden. Beide komprimieren die Ansaugluft, um ihre Dichte zu erhöhen. Der entscheidende Unterschied liegt in der Stromversorgung. Ein Kompressor stützt sich auf eine motorbetriebene Luftpumpe oder einen Kompressor, während ein Turbolader seine Kraft aus dem Abgasstrom bezieht, der durch eine Turbine fließt, die wiederum den Kompressor dreht. Flugzeuge mit diesen Systemen haben ein Manometer, das den MAP im Ansaugkrümmer des Motors anzeigt.
An einem Standardtag auf Meereshöhe mit abgeschaltetem Motor zeigt das Saugrohrdruckmanometer den absoluten Umgebungsluftdruck von 29,92 "Hg an. Da der atmosphärische Druck um ungefähr 1 "Hg pro 1.000 Fuß Höhenzunahme abnimmt, zeigt das Saugrohrdruckmanometer ungefähr 24,92 an „Hg auf einem Flughafen, der 5.000 Fuß über dem Meeresspiegel liegt, bei normalen Tagesbedingungen.
Wenn ein normal angesaugtes Flugzeug steigt, erreicht es schließlich eine Höhe, wo der MAP für einen normalen Steigflug unzureichend ist. Diese Höhengrenze ist als Dienstobergrenze des Flugzeugs bekannt und wird direkt von der Fähigkeit des Triebwerks zur Stromerzeugung beeinflusst. Wenn die in das Triebwerk eintretende Ansaugluft entweder durch einen Lader oder einen Turbolader unter Druck gesetzt oder verstärkt wird, kann die Betriebsobergrenze des Flugzeugs erhöht werden. Mit diesen Systemen kann ein Flugzeug in größeren Höhen fliegen, mit dem Vorteil höherer wahrer Fluggeschwindigkeiten und der verbesserten Fähigkeit, widriges Wetter zu umgehen.
Kompressoren
Ein Lader ist eine motorbetriebene Luftpumpe oder ein Kompressor, der dem Motor komprimierte Luft zuführt, um der Ansaugluft zusätzlichen Druck zu verleihen, damit der Motor zusätzliche Leistung erzeugen kann. Es erhöht den Ladedruck und drückt das Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Zylinder. Ein höherer Ladedruck erhöht die Dichte des Kraftstoff-Luft-Gemisches und erhöht die Leistung, die ein Motor erzeugen kann. Bei einem normalen Saugmotor ist es nicht möglich, einen Ladedruck zu haben, der höher als der vorhandene atmosphärische Druck ist. Ein Kompressor kann den Ladedruck auf über 30 "Hg erhöhen.
Beispielsweise kann ein typischer Motor in 8.000 Fuß Höhe 75 Prozent der Leistung erzeugen, die er auf mittlerer Meereshöhe (MSL) erzeugen könnte, da die Luft in größerer Höhe weniger dicht ist. Der Kompressor komprimiert die Luft auf eine höhere Dichte, sodass ein aufgeladener Motor in größeren Höhen denselben Ladedruck erzeugen kann, wie er auf Meereshöhe erzeugen könnte. Somit könnte ein Motor bei 8.000 Fuß MSL immer noch 25 "Hg Ladedruck erzeugen, während er ohne Kompressor nur 22 "Hg erzeugen könnte. Supercharger sind besonders wertvoll in großen Höhen (z. B. 18.000 Fuß), wo die Luftdichte 50 Prozent der des Meeresspiegels beträgt. Die Verwendung eines Kompressors versorgt den Motor in vielen Fällen mit Luft mit der gleichen Dichte wie auf Meereshöhe.
Die Komponenten in einem aufgeladenen Ansaugsystem ähneln denen in einem normal angesaugten System, mit dem Zusatz eines Kompressors zwischen dem Kraftstoffdosiergerät und dem Ansaugkrümmer. Ein Lader wird vom Motor über einen Getriebezug mit einer Geschwindigkeit, zwei Geschwindigkeiten oder variablen Geschwindigkeiten angetrieben. Außerdem können Kompressoren ein- oder mehrstufig sein. Jede Stufe sorgt auch für eine Druckerhöhung, und Kompressoren können je nach Häufigkeit der Verdichtung als einstufig, zweistufig oder mehrstufig klassifiziert werden.
Eine frühe Version eines einstufigen Kompressors mit einer Geschwindigkeit kann als Meeresspiegel-Kompressor bezeichnet werden. Ein Motor, der mit dieser Art von Kompressor ausgestattet ist, wird als Meeresspiegelmotor bezeichnet. Bei dieser Art von Kompressor wird ein einzelnes zahnradgetriebenes Laufrad verwendet, um die von einem Motor erzeugte Leistung in allen Höhen zu erhöhen. Der Nachteil bei dieser Art von Kompressor ist eine Abnahme der Motorleistung mit zunehmender Höhe.
Einstufige Kompressoren mit einer Geschwindigkeit sind bei vielen leistungsstarken Sternmotoren zu finden und verwenden einen nach vorne gerichteten Lufteinlass, damit das Ansaugsystem die Stauluft voll ausnutzen kann. Die Ansaugluft gelangt durch Kanäle zu einem Vergaser, wo der Kraftstoff proportional zum Luftstrom dosiert wird. Die Kraftstoff-Luft-Ladung wird dann zum Lader oder Gebläserad geleitet, der das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach außen beschleunigt. Nach der Beschleunigung strömt das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch einen Diffusor, wo die Luftgeschwindigkeit gegen Druckenergie eingetauscht wird. Nach der Kompression wird das resultierende Hochdruck-Kraftstoff-Luft-Gemisch zu den Zylindern geleitet.
Einige der während des Zweiten Weltkriegs entwickelten großen Sternmotoren haben einen einstufigen Kompressor mit zwei Geschwindigkeiten. Bei diesem Ladertyp kann ein einzelnes Laufrad mit zwei Drehzahlen betrieben werden. Die niedrige Laufraddrehzahl wird oft als niedrige Gebläseeinstellung bezeichnet, während die hohe Laufraddrehzahl als hohe Gebläseeinstellung bezeichnet wird. Bei Motoren, die mit einem Kompressor mit zwei Geschwindigkeiten ausgestattet sind, aktiviert ein Hebel oder Schalter im Flugdeck eine ölbetriebene Kupplung, die von einer Geschwindigkeit in die andere umschaltet.
Im Normalbetrieb erfolgt der Start mit dem Lader in der Niedriggebläseposition. In diesem Modus arbeitet das Triebwerk als bodengestütztes Triebwerk, und die Ausgangsleistung nimmt ab, wenn das Flugzeug an Höhe gewinnt. Sobald das Flugzeug jedoch eine bestimmte Höhe erreicht, wird eine Leistungsreduzierung vorgenommen, und die Kompressorsteuerung wird auf die Hochgebläseposition geschaltet. Die Drossel wird dann auf den gewünschten Krümmerdruck zurückgesetzt. Ein Motor, der mit dieser Art von Kompressor ausgestattet ist, wird als Höhenmotor bezeichnet.
Turbolader
Die effizienteste Methode zur Leistungssteigerung in einem Motor ist die Verwendung eines Turbokompressors oder Turboladers.
Dieser Booster ist an einem Motor installiert und nutzt die Abgase des Motors, um einen Luftkompressor anzutreiben, um den Druck der Luft zu erhöhen, die durch den Vergaser oder das Kraftstoffeinspritzsystem in den Motor strömt, um die Leistung in größerer Höhe zu steigern.
Der Hauptnachteil des zahnradgetriebenen Kompressors – die Nutzung eines großen Teils der Motorleistung für die erzeugte Leistungssteigerung – wird mit einem Turbolader vermieden, da Turbolader von den Abgasen eines Motors angetrieben werden. Das bedeutet, dass ein Turbolader Energie aus heißen Abgasen zurückgewinnt, die sonst verloren gehen würde.
Ein zweiter Vorteil von Turboladern gegenüber Kompressoren ist die Fähigkeit, die Kontrolle über die Nennleistung eines Motors auf Meereshöhe vom Meeresspiegel bis zur kritischen Höhe des Motors aufrechtzuerhalten. Die kritische Höhe ist die maximale Höhe, bei der ein Turbomotor seine Nennleistung erbringen kann. Oberhalb der kritischen Höhe beginnt die Leistungsabgabe wie bei einem normalen Saugmotor abzunehmen.
Turbolader erhöhen den Druck der Ansaugluft des Motors, wodurch der Motor in höheren Lagen Meereshöhe oder mehr Leistung entwickeln kann. Ein Turbolader besteht aus zwei Hauptelementen: einem Kompressor und einer Turbine. Der Kompressorabschnitt enthält ein Laufrad, das sich mit hoher Geschwindigkeit dreht. Wenn Ansaugluft über die Laufradschaufeln gesaugt wird, beschleunigt das Laufrad die Luft, wodurch ein großes Luftvolumen in das Kompressorgehäuse gesaugt werden kann. Die Wirkung des Laufrads erzeugt anschließend Luft mit hohem Druck und hoher Dichte, die dem Motor zugeführt wird. Um das Laufrad zu drehen, werden die Abgase des Motors verwendet, um ein Turbinenrad anzutreiben, das am gegenüberliegenden Ende der Antriebswelle des Laufrads montiert ist. Indem unterschiedliche Abgasmengen über die Turbine geleitet werden, kann mehr Energie gewonnen werden, wodurch das Laufrad mehr Druckluft an den Motor liefert. Das Wastegate, im Wesentlichen eine im Abgassystem eingebaute verstellbare Drosselklappe, dient dazu, die Masse des in die Turbine einströmenden Abgases zu variieren. Im geschlossenen Zustand werden die meisten Abgase des Motors gezwungen, durch die Turbine zu strömen. Im geöffneten Zustand können die Abgase die Turbine umgehen, indem sie direkt durch das Abgasrohr des Motors strömen.
Da die Temperatur eines Gases beim Verdichten ansteigt, bewirkt die Turboaufladung eine Erhöhung der Temperatur der Ansaugluft. Um diese Temperatur zu reduzieren und das Risiko einer Detonation zu verringern, verwenden viele Turbomotoren einen Ladeluftkühler. Dieser kleine Wärmetauscher kühlt die heiße Druckluft vor dem Eintritt in das Kraftstoffdosiergerät mit Außenluft.
Systembetrieb
Bei den meisten modernen Turbomotoren wird die Position des Ladedruckregelventils durch einen druckempfindlichen Steuermechanismus geregelt, der mit einem Aktuator gekoppelt ist. Motoröl, das in diesen Aktuator hinein oder von diesem weg geleitet wird, bewegt die Wastegate-Position. Bei diesen Systemen wird der Aktuator automatisch positioniert, um den gewünschten MAP zu erzeugen, indem einfach die Position der Drosselklappensteuerung geändert wird.
Andere Konstruktionen von Turboladersystemen verwenden eine separate manuelle Steuerung, um das Wastegate zu positionieren. Bei manueller Steuerung muss das Ladedruckmanometer genau überwacht werden, um festzustellen, wann der gewünschte MAP erreicht wurde. Manuelle Systeme sind häufig in Flugzeugen zu finden, die mit Aftermarket-Turboladersystemen modifiziert wurden. Diese Systeme erfordern spezielle Betriebsüberlegungen. Wenn beispielsweise das Wastegate nach dem Abstieg aus großer Höhe geschlossen bleibt, kann ein Ladedruck erzeugt werden, der die Grenzen des Motors übersteigt. Dieser als Overboost bezeichnete Zustand kann aufgrund des Neigungseffekts, der sich aus der erhöhten Luftdichte während des Abstiegs ergibt, zu einer starken Detonation führen.
Obwohl es bei einem automatischen Wastegate-System weniger wahrscheinlich ist, dass ein Overboost-Zustand auftritt, kann er dennoch auftreten. Wenn Startleistung angelegt wird, während die Motoröltemperatur unter ihrem normalen Betriebsbereich liegt, fließt das kalte Öl möglicherweise nicht schnell genug aus dem Wastegate-Stellglied, um eine Überladung zu verhindern. Um ein Überladen zu verhindern, stellen Sie die Drosselklappe vorsichtig vor, um ein Überschreiten der maximalen Saugrohrdruckgrenzen zu vermeiden.
Ein Pilot, der ein Flugzeug mit Turbolader fliegt, sollte sich der Systembeschränkungen bewusst sein. Beispielsweise können die Turbine und das Laufrad eines Turboladers bei Drehzahlen von über 80.000 U/min bei extrem hohen Temperaturen betrieben werden. Um eine hohe Drehzahl zu erreichen, müssen die Lager innerhalb des Systems ständig mit Motoröl versorgt werden, um die Reibungskräfte und die hohe Temperatur zu reduzieren. Um eine ausreichende Schmierung zu erhalten, sollte die Öltemperatur im normalen Betriebsbereich liegen, bevor hohe Gaseinstellungen angewendet werden. Lassen Sie außerdem den Turbolader abkühlen und die Turbine langsamer werden, bevor Sie den Motor abstellen. Andernfalls siedet das im Lagergehäuse verbleibende Öl und es bilden sich harte Kohlenstoffablagerungen auf den Lagern und der Welle. Diese Ablagerungen verschlechtern schnell den Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Turboladers.
Leistung in großer Höhe
Wenn ein mit einem Turboladersystem ausgestattetes Flugzeug steigt, wird das Wastegate allmählich geschlossen, um den maximal zulässigen Krümmerdruck aufrechtzuerhalten. Irgendwann ist das Wastegate vollständig geschlossen und weitere Höhenzunahmen führen dazu, dass der Saugrohrdruck abnimmt. Dies ist die kritische Höhe, die vom Flugzeug- oder Triebwerkshersteller festgelegt wird. Beachten Sie bei der Bewertung der Leistung des Turboladersystems, dass der Motor und das Turboladersystem von einem qualifizierten Luftfahrtwartungstechniker (AMT) überprüft werden sollten, wenn der Saugrohrdruck vor der angegebenen kritischen Höhe zu sinken beginnt, um sicherzustellen, dass das System ordnungsgemäß funktioniert.
