Mechanizmy doładowania silników lotniczych

Najbardziej burzliwy rozwój silników tłokowych miał miejsce w czasie II wś. W późniejszym czasie wyszły z powszechnego użycia. Z uwagi na specyfikę tytułowych mechanizmów chciałbym trochę naświetlić tą tematykę. Należy zauważyć, że silniki tego typu operowały w zupełnie skrajnych warunkach, stąd też stosowano niecodzienne mechanizmy, także w kwestii ładowania.
Na początek dwa podstawowe terminy:

• Doładowanie wielobiegowe – Jak wiadomo samoloty operują na różnych pułapach. Wraz ze wzrostem wysokości zmienia się gęstość i ciśnienie powietrza. Ze względu na to kompresor mechaniczny sprawnie pracujący na danej wysokości niekoniecznie będzie wykazywał taką samą skuteczność na innej wysokości. Więc może sprzęgło i kilka przełożeń (biegów), tak aby utrzymać parametry na pożądanym poziomie? To była jedna z metod „dostosowania” silnika do zmiennych warunków pracy.
  
• Doładowanie wielostopniowe – Na dużych wysokościach powietrze jest rozrzedzone, zatem silnik otrzymuje dużo mniej tlenu, niż w czasie lotu na niskim pułapie. Jeśli nie chcemy znacznego spadku mocy w trakcie lotu konieczne jest silne zwiększenie ciśnienia powietrza przed podaniem go do cylindrów. W tym przypadku używano kilku (często dwóch) sprężarek umiejscowionych jedna za drugą. Powietrze najpierw trafiało do pierwszej sprężarki gdzie ulegało sprężeniu, później do drugiej, gdzie dochodziło do ponownego wzrostu ciśnienia. Po podwójnym zagęszczeniu trafiało do cylindrów.
  

Na załączonym obrazku z literatury, widać kilka konfiguracji opisanych wyżej układów.

1. Sprężarka jednostopniowa jednobiegowa – do wysokości ok 3 km osiągi są gorsze niż silnika wolnossącego, jednak powyżej tej granicy dostępna moc jest wyższa.
   
2. Sprężarka jednostopniowa, dwa biegi – powyżej 3km lepszy od układu niedoładowanego, a od ok. 7 km jednobiegowego.
   
3. Sprężarka jednostopniowa, sprzęgło hydrauliczne – ten układ już od niskich wysokości uwidacznia swoją przewagę nad wolnossącym, do 6 km zachowuje ok. 80% mocy. Powyżej tej granicy spadek mocy następuje dość płynnie, acz intensywnie.
   
4. Dwa stopnie, dwa biegi – na niskich wysokościach zachowanie podobne do układu wolnossącego, wzrost mocy na dużych wysokościach.
   
5. Dwa stopnie, dwa biegi, intercooler, sprzęgło hydrauliczne – działanie układu jest płynne, duża wydolność silnika w sporym przedziale wysokości.
   
6. Turbo, dwa stopnie, intercooler – aż do 9 km niewielki spadek mocy, duża moc w szerokim przedziale wysokości.
   

Obserwując zachowanie w/w układów można sformułować kilka wniosków:

1. Sprzęgła/biegi mechaniczne mają skokowy charakter pracy – widać moment przełączenia biegu i w efekcie zmiany charakterystyki silnika, natomiast hydrauliczne wykazują większą płynność.
   
2. Poniżej 3 km niektóre układy mają moc podobną do wolnossącego, albo nawet niższą.
   
3. Ciekawostka: biegi we wczesnych systemach były przełączane ręcznie przez pilota, później pojawiły się systemy samoczynne – automat reagował na zmianę ciśnienia otoczenia.
   
4. Dodatkowo rysunek układu ładowania silnika Merlin (sprężarka dwustopniowa)
   

Rysunek za: „Lotnictwo i kosmonautyka” Szymon Pilecki