Kraków 2016-04-22
Podział silników spalinowych-tłokowych
Ten artykuł jest pierwszym z serii omawiających silniki lotnicze w ujęciu historycznym, ze szczególnym zwróceniem uwagi na silniki używane w Polsce.
Patrząc na samolot i widząc śmigło – mówimy samolot śmigłowy, a kiedy śmigła nie dostrzegamy – mówimy samolot odrzutowy. Proste i logiczne. Jednak sprawa napędu samolotów i innych statków powietrznych jest bardziej skomplikowana. Zanim przytoczymy ogólny podział napędów zaczniemy od zamierzchłej przeszłości, czyli od XIX wieku. Został on nazwany „wiekiem stali i pary”, gdyż wówczas rozwinęły się silniki parowe. Silniki te przyczyniły się do powstania kolei. Montowane na statkach znacznie przyspieszyły transport morski. W sposób duży zwiększyły wydajność produkcyjną fabryk, której maszyny były napędzane lokomobilami. Jednak do lotnictwa silnik parowy nie trafił. Choć próbowano montować silnik parowy na balonach, aby wymusić ruch balonu w porządnym kierunku. Wszelkie próby kończyły się fiaskiem, już na etapie projektu. Podstawowym problemem była zbyt duża masa przy niskiej mocy. Dodatkową trudnością była skomplikowana obsługa oraz konieczność posiadania na pokładzie odpowiedniej ilości paliwa (węgla, drewna), co w przypadku parowozów i parostatków nie było problemem. Sytuacja uległa zmianie, kiedy skonstruowano pierwsze wydajne silniki spalinowe, które dla wytworzenia energii wykorzystywały benzynę.
Powstanie benzyny zawdzięczamy naukowcom, którzy starali się rozwiązać problem pozostałości po ropie naftowej, z której wyodrębniano tylko naftę. Nafta była podstawowym źródłem światła zasilając lampy naftowe. W powszechnym użyciu był także olej rzepakowy i oliwa z oliwek, które także próbowano użyć jako paliwo silników spalinowych. Okazało się, że benzyna ma dużą energię. Najpierw powstała benzyna, a potem, szukając zastosowań dla niej zbudowano silnik spalinowy, który teraz nazywamy tłokowy. Silnik tłokowy doprowadził do rozwoju automobilizmu. Powstał samochód (wóz bez konia) i motocykl (rower z silnikiem).
Silnik tłokowy w porównaniu z silnikiem parowym był mniejszy i lżejszy, chociaż w budowie bardziej skomplikowany. Miał dodatkowy układ zapłonu mieszanki. Trudniej się go uruchamiało. Jednak podczas pracy jego obsługa była prosta. Ilość paliwa objętościowo była znacznie mniejsza. Cechy silnika tłokowego (spalinowego) spowodowały, że zaczęto z powodzeniem montować go na pierwszych samolotach. Silnik tłokowy trafił także na pokłady sterowców.
Od pierwszego lotu braci Wright w 1903 roku, do wybuchu wielkiej wojny światowej, zbudowano i oblatano kilkadziesiąt mniej lub bardziej udanych samolotów napędzanych silnikami tłokowymi. Wielka wojna światowa to ugruntowanie pozycji silnika tłokowego zaopatrzonego w śmigło jako podstawowego napędu samolotu. Początkowo silnik tłokowy używany w samolocie nie różnił się od silników tłokowych używanych w samochodach. Z czasem różnice stawały się coraz większe.
Podział silników tłokowych.
Silniki lotnicze tłokowe w pierwszych latach swojego istnienia częściej były nazywane silnikami spalinowymi. Już w trakcie wielkiej wojny światowej zostały podzielone na silniki gwiazdowe i rzędowe.
I tu od razu pojawia się problem. Z początkiem awiacji bardzo popularny był silnik Anzani, który zastosował Louis Blériot w swoim samolocie podczas przelotu przez Kanał La Manche. Silnik ten należał do tych jednostek, które potrafiły długo pracować bezawaryjnie, chociaż mogły się przegrzać. Silnik ten jest 3-cylindrowy, powszechnie nazywany gwiazdowym. Ale jego cylindry nie są rozstawione co 120 stopni, jak powinno być w silniku gwiazdowym, tylko co 72 stopni. Więc nie jest to typowa gwiazda. Jak wykażemy poniżej, można go nazwać silnikiem rządowym, w układzie „W”, choć w jednym rzędzie jest tylko jeden cylinder. Ten przykład pokazuje tylko, że podział jest kwestią umowną.
Firma Anzani była fabryką założoną przez Włocha Alessandro Anzani. Opracowywał on i produkował silniki do samochodów, motocykli, łodzi i samolotów. Uruchomiono także zakłady w UK i Francji. W 1905 roku, Alessandro Anzani opracował pierwszy silnik 3-cylindrowy, który w 1909 roku, wykorzystał Louis Blériot. Potem opracowano silniki 4-cylindrowe chłodzone wodą i wiele innych (6-cylindrowe, 7-cylindrowe) rzędowe i gwiazdowe, a nawet silnik 20-cylindrowy.
Podział silników gwiazdowych.
Silniki gwiazdowe dzielą się na silniki rotacyjne i z ruchomym wałem, które nazwalibyśmy tradycyjnymi. Szczególnie ciekawe były silniki rotacyjne, rozwijane w pierwszych latach awiacji. Będzie o nich jeszcze mowa w Części 2. Tradycyjne silniki gwiazdowe są silnikami z pojedynczą gwiazdą, podwójną lub wielo-gwiazdowe. Także o nich będzie obszerny opis.
Opis do zdjęcia: Silnik WN-3 do silnik pojedyncza gwiazda, z 7-cylindrami. Silnik ten był wykorzystany w kilku konstrukcjach lotniczych.
Podział silników rzędowych.
Podział silników rzędowych jest jeszcze bardziej skomplikowany. Generalnie dzielą się na jedno-rzędowe i wielo-rzędowe. Wielo-rzędowe mogą być widlaste w układzie”V” (dwa-rzędy) lub w układzie „W” (trzy-rzędy). Te ostatnie wbrew pozorom były bardzo popularne. Aby jeszcze bardziej zaciemnić obraz, to mogą być one jeszcze dodatkowo odwrócone. Wielo-rzędowe mogą być także w układzie piętrowym lub tak zwany bokser. I domykając sprawę silników rzędowych to mogą być one wolnossące lub doładowane oraz chłodzone powietrzem lub cieczą. Ten podział nie wyczerpuje jeszcze całego tematu, ale z czasem wszystko się wyjaśni.
Opis do zdjęcia: Jeden z najlepszych silników drugiej wojny światowej Roll-Royce Merlin XX. Silnik w układzie "V", 12-cylindrów, o mocy 1 390 KM, z 1940 roku.
Silniki tłokowe – Układ pracy.
Już z początkiem XX wielu, stosowano już podstawowe układy pracy; dwu-suwowy i cztero-suwowy. Zdecydowany prym wiodą układy cztero-suwowe. Układy dwu-suwowe z uwagi na; większe zużycie paliwa, mniejszy stopień sprężania, generowany hałas, utrudnione smarowanie – nie znalazły zastosowania w lotnictwie.
Silniki tłokowe – Ilość cylindrów.
Dla samolotów ultra lekkich najpopularniejsze są silniki dwu-cylindrowe. W 70-latach dojść powszechnie wykorzystywano silnik z NRD z samochodu Trabant 601. Dzięki dobrej prędkości obrotowej, dobrze nadawał się do napędu motolotni i motoszybowców. Samoloty produkowane seryjnie mają zwykle 4-cylindry. Samoloty wojskowe i komercyjne w okresie międzywojennym miały zwykle 12-cylindrów. Podczas II wojny światowej 12 lub 24 cylindry.
Trochę inaczej sprawa przedstawia się z silnikami gwiazdowymi. Najpopularniejsze są układy 5-, 7-, 9-cylindrów. Jednak w układach wielo-gwiazdowych zdecydowanie prowadzi układ 9-cylindrów w jednej gwieździe. Najpotężniejszym stosowanym był silnik w układzie poczwórnej gwiazdy z 36-cylindrami.
Co jest ważne dla silnika tłokowego?
W tym miejscu warto wspomnieć, że silniki lotnicze są tylko górnozaworowe, a to z uwagi na konieczność uzyskania maksymalnego sprężania mieszanki w cylindrze. Nie stosowano układu dolnozaworowego.
Za dostarczanie paliwa do cylindrów były odpowiedzialne gaźniki. Ich konstrukcja często była bardzo rozbudowana, a to dlatego, aby silnik był zasilany także w locie odwróconym. Zasada jest także stosowanie dwóch gaźników i dwóch świec zapłonowych na jeden cylinder. W okresie II wojny światowej wprowadzono wtrysk paliwa, a z czasem wprowadzono elektroniczny układ jego sterowania. Jednak wtrysk paliwa nie wyeliminował całkowicie gaźników z lotnictwa.
Silnik tłokowy wymaga chłodzenia, chociaż pracuje w niższych temperaturach niż silniki samochodowe, a także ich chłodzenie jest bardziej skomplikowane. Wynika to z konieczności zachowania węższych reżimów pracy, aby silnik cały czas był maksymalnie sprawny. Silniki lotnicze są chłodzone powietrzem lub cieczą. Chłodzenie cieczą przebiega na podobnych zasadach jak w silnikach samochodowych. Z kolei chłodzenie powietrzem wydaje się łatwiejsze, jednak na etapie konstruowania jest trudne do realizacji. Polscy konstruktorzy przekonali się o tym wielokrotnie. Silniki były albo przechłodzone, albo przegrzewały się.
Na tych ogólnikowych stwierdzeniach sprawa chłodzenia silnika się nie kończy. Silniki lotnicze zawierają w sobie duże ilości oleju, który; smaruje, konserwuje, zbiera powstałe opiłki oraz chłodzi silnik. Dlatego stosowane są chłodnice olejowe.
Obecnie powszechnie uważa się, że silniki lotnicze tłokowe zatrzymały się w rozwoju, a silniki samochodowe znacznie się rozwinęły. Powodów tego stanu jest wiele. Po pierwsze – Silników lotniczych produkuje się znacznie mniej. Po drugi – Rynek opanowany jest zaledwie przez kliku producentów. Po trzecie – Każdy klient chce mieć pewny, sprawdzony silnik, więc nie kupi silnika, w którym dla oszczędności masy obcięto jeden cylinder i pracuje szarpiąc. Po czwarte – Silniki lotnicze pracują na innym paliwie. Próby stworzenia silnika, który będzie pracował dobrze na paliwie lotniczym i samochodowym na razie spełzają na niczym, a to z powodu różnicy w cenie tych paliw. Cena paliw jest ceną polityczną, a nie wynika z faktycznych kosztów produkcji i marży producenta. Natomiast stworzono już dużo modeli silników pracujących na benzynie samochodowej. Silniki te są stosowane w samolotach ultralekkich i lekkich oraz małych śmigłowcach.
Zespół napędowy.
Silnik jest tym elementem który wprowadza w ruch obrotowy śmigło, które w początkach awiacji było nazywane kołem pędnym. Zasad jest taka – ruch posuwisto-zwrotny wprowadza w ruch wał korbowy silnika. Końcówka tego wału wystaje poza obudowę silnika. Zwykle ma wieloklin na który zamontowuje się piastę do której bezpośrednio montuje się śmigło. I taki układ już wystarcza do tego aby samolot latał. Lecz na drodze między śmigłem, a wałem korbowym silnika mogą być jeszcze dwa elementy.
Pierwszym będzie reduktor. Reduktor zmniejsza obroty przekazywane z wału na śmigło, aby można było zastosować śmigło o większej średnicy lub większej ilości łopat. Korzyść jest taka, że taki samolot ma większy ciąg przy mniejszych prędkościach lotu. Może zabrać większy ładunek. Ma krótszy rozbieg. Minusem jest mniejsza prędkość maksymalna. To rozwiązanie stosowano już w latach 20-latach XX wieku.
Drugim elementem jest układ zmiany kąta nastawu łopat. Śmigło nastawne, czyli o tak zwanym zmiennym skoku, daje możliwość zmiany zwrotu i wartości wytwarzanej siły ciągu. Podstawową korzyścią jest możliwości wykorzystania śmigieł do hamowania i płynna regulacja ciągu zespołu napędowego. W położeniu na tak zwana chorągiewkę, redukowany jest opór śmigła niepracującego silnika podczas lotu.
Lotnicze zespoły napędowe muszą pracować na różnych wysokościach, a wiemy, że wraz ze wzrostem wysokości spada gęstość powietrza, a przez to ilość tlenu. W rezultacie spada wydajność silnika. Dlatego już przed II wojną światową zaczęto stosować układy doładowania, czyli wstępnego sprężenia powietrza przed cylindrami. Do tego celu wykorzystuje się sprężarki odśrodkowe lub turbosprężarki. Ich rozwiązania konstrukcyjne są bardzo różne. Na przykład II-stopniowe. Drugie doładowanie uruchamiane jest na jeszcze wyższym pułapie.
Lotnicze zespoły napędowe doładowane wyposaża się czasami w intercooler, czyli chłodnicę. Jest ona umieszczona między układem doładowania, a cylindrami. W wyniku sprężania powietrza w sprężarce następuje wzrost jego temperatury. W wyższych temperaturach powietrze ma mniejszą gęstość, co zmniejsza efekt doładowania. Obniżając temperaturę w intercoolerze zwiększa się jego gęstość. W intercooler wyposażano niektóre odmiany silnika Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp, o mocy 2 000 – 2 100 KM, który opracowano w 1937 roku, i instalowano w wielu samolotach.
Trzeba jednak pamiętać, że zabudowa w zespole napędowym takiego czy innego elementu wynika tylko i wyłącznie z funkcji koszt-efekt. Dlatego ten sam motor może być zestawiany z różnymi śmigłami, reduktorami, układami paliwowymi, chłodzącymi itp. Sam motor może być wysilony lub o obniżonej mocy, aby osiągnąć większą jego żywotność międzyremontową.
Tłokowy-spalinowy silnik lotniczy ma kilka istotnych zalet. W niewielkich samolotach jest zdecydowanie bardziej ekonomiczny. Zwykle można go łatwo zabudować w kadłubie lub gondolach samolotu, łącząc go poprzez łoże silnika. Obudowuje się go osłonami, które można łatwo zdjąć, co ułatwia jego obsługę. Silnik taki generuje znacznie mniejszy hałas, niż napędy turbinowe. Istnieje możliwość pracy na różnych paliwach. Koszt zakupu silnika tłokowego o mocy 1 000 KM jest znacznie niższy, niż silnika turbinowego. Nowy silnik PZL Kalisz ASz-62 IR w 2005 roku, kosztował około 600 000 złotych.
Jednak silnik tłokowy-spalinowy ma także wady. Zbudowany jest z dużej ilości elementów, co podnosi ryzyko wystąpienia awarii. W cylindrze tłok wykonuje ruch posuwisto-zwrotny, co wywołuje szybkie i duże zmiany obciążenia. Zespoły napędowe posiadają wiele osprzętu, co wydłuża czas ich obsługi i remontów. Śmigło zespołu napędowego jest elementem potencjalnie bardzo niebezpiecznym i wymaga zachowania szczególnej uwagi. Silnik tłokowy z lotnictwa komercyjnego został całkowicie wyparty poprzez silniki turbinowe; śmigłowe i turboodrzutowe, które okazały się bardziej żywotne i sprawniejsze.
Motory lotnicze w kontekście historycznym.
Z perspektywy historycznej motory spalinowe walnie przyczyniły się do rozwoju awiacji. W budowie silników lotniczych uczestniczyły te kraje, które miały dobrze rozwinięte przemysł automobilowy: Francja, UK, USA, Włochy, Niemcy. Konstruktorzy silników dla lotnictwa skupiali się na obniżeniu masy motoru oraz na zwiększeniu prędkości obrotowej wału, a przez to śmigła. Dużym problemem w tym czasie było zapewnienie bezawaryjnej pracy motoru. Czyniono wysiłki w kierunku lepszego chłodzenia i smarowania.
Pierwsze udane silniki lotnicze rzędowe (4-cylindrowe i 6-cylindrowe), gwiazdowe (5-cylindrowe) oraz rotacyjne (9-cylindrowe), jako chłodzenie wykorzystywały opływające samolot i motor powietrze. Dopiero po wielkiej wojnie światowej nastąpił rozwój silników chłodzonych cieczą, które swój szczyt osiągnęły podczas drugiej wojny światowej. Rywalizowały one z motorami gwiazdowymi, które potrafiły osiągać wyższe moce. Lecz wadą silników gwiazdowych była ich duża powierzchnia przekroju, co nie predestynowało ich do szybkich samolotów myśliwskich.
Mimo takiej samej ogólnej budowy motorów samochodowych i samolotowych już w 20-latach XX wieku, nastąpił wyraźny rozdział jednych silników od drugich. W silnikach lotniczych coraz częściej używano motorów 12-cylindrowych i większych. W automobilizmie pozostano przy motorach 6-cylindrowych i mniejszych.
Motory spalinowe w lotnictwie swój szczyt osiągnęły w 50-latach XX wieku. Najlepsze konstrukcje zostały opracowane w USA. Posłużyły one do napędu powietrznych gigantów; bombowców Convair B-36 Peacemaker, transportowego Convair XC-99, transportowego Lockheed Constitution.
Pojawienie się silników turboodrzutowych spowodowało zmierz motorów spalinowych w lotnictwie komercyjnym.
Silniki tłokowe są nadal w użyciu. Stosowane są w motoszybowcach, motolotniach, samolotach ultralekkich i lekkich, wiatrakowcach, nielicznych sterowcach i czasami w śmigłowcach (niezwykle udanym, tanim śmigłowcu Robinson R.22, R.44). Silniki tłokowe-spalinowe są stosowane wszędzie gdzie nie potrzeba dużych mocy i wysokich pułapów lotu.
Opracował Karol Placha Hetman