На следующую ступеньку

p_d_m — 02.12.2017 [О дросселе]



Мы хотим чтобы наш самолет летал высоко и быстро, для этого надо в его двигатель подать много бензина и много воздуха. За "много бензина" отвечает карбюратор (или система непосредственного впрыска), за "много воздуха" - нагнетатель: приводной или турбокомпрессор. Для 30х-40х приводной нагнетатель фактически синоним центробежного - давление в нем создается с помощью рабочего колеса, оно же по другому зовется "импеллер". Если уйти от авиационной магии то это обычный центробежный насос/компрессор. Количество нагнетаемого воздуха в центробежном нагнетателе наиболее зависит от скорости вращения рабочего колеса. У которой есть пределы - при приближении скорости движения точки на окружности импеллера (окружной скорости) к скорости звука, а именно к 0,75 от нее, на выходе нагнетателя возникает волновое сопротивление понижающее его эффективность. С увеличением скорости также возрастают механические нагрузки на само колесо. Наиболее очевидный выход из такого ограничения - переход к двухступенчатому нагнетателю. Для техники 20х-30х-40х двух- и многоступенчатые центробежные компрессоры дело уже не новое, так что никакой фантастики в таком нововведении не было. Наиболее очевидной реализацией двухступенчатого нагнетателя является установка на тот же вал второго импеллера. В одном из предвоенных NACA'вских документов такой нагнетатель зовется "каскадным". Больше я нигде такого обозначения не встречал, оно мне кажется очень подходящим и грех был бы им не воспользоваться. Американцы как-то без энтузиазма про него пишут - им милее свой, навороченный, о котором как-нибудь попозже. Однако именно "каскадный" ставился на двигатели Rolls-Royce: Merlin 60ой и сотой серий, на его американские аналоги, Griffon начиная с 60ой серии, и на гигант Eagle, и успешно там применялся.

1. Двухступенчатый двухскоростной нагнетатель


Главная роль во внедрении двухступенчатого нагнетателя на авиамоторы R-R традиционно отводится британскому инженеру и ученому Стэнли Хукеру (Stanley G. Hooker). Именно он, работая на Rolls-Royce, теоретически и практически показал какими оптимальными параметрами должен обладать такой нагнетатель. При проектировании главной проблемой вообще для всех двухступенчатых нагнетателей называют [1] проектирование перехода от выхода первой ступени ко входу второй. Сами англичане большое внимание уделяют теме промежуточного охлаждения.
Для отработки "каскада" был собран макет двухступенчатого нагнетателя, первую ступень соорудили из нагнетателя двигателя R-R Vulture, вторую - от Merlin 46. Для экспериментов с промежуточным охлаждением воздуха (топливо-воздушной смеси), выходящего из нагнетателя использовали традиционный для экспериментов с двигателями Fairey Battle. Все эти работы проходили в конце 40го - начале 41го года, в 1941 начал серийно выпускаться Merlin 60, на следующий год появился массовый Merlin 61.

Что дает двухскоростной нагнетатель? Мы получаем что после выхода из первой ступени сжатый ну допустим в три раза воздух попадает на вторую где сжимается еще пусть в два раза - итого на выходе 3 × 2 = 6 - давление на выходе в шесть раз больше атмосферного, в два раза больше чем у одноступенчатого нагнетателя. Но есть один момент... Это все тот же эффект детонации и дроссель, который борется с ним искусственно ограничивая давление наддува. И получается что наш могучий нагнетатель на малой высоте и от начала работы второй скорости и до второй границы высотности работает зазря, причем вращая уже не одно колесо нагнетателя, а два. Но зато двухступенчатый нагнетатель очень сильно поднимает мощность на больших высотах...

Что же можно сделать чтобы нивелировать этот недостаток? Один из выходов - сделать вторую ступень отключаемой на малых высотах. Если говорить про массово выпускаемые авиадвигатели то так был устроен двухступенчатый нагнетатель на американской звезде P&W R-2800, на тех модификациях где он стоял конечно.

2. Иллюстрация к тезису поста.


3. Кинематика "каскадного" нагнетателя.
Слева вверху - коленвал. Справа вверху - два рабочих колеса на общем вале.


4. Spitfire XII с двигателем Griffon Mk.III с одноступенчатым двухскоростным нагнетателем.


5. Spitfire F.21 с двигателем Griffon Mk.61 с двухступенчатым двухскоростным нагнетателем.
Слева направо, зависимость от высоты: скороподъемности, скорости (пунктир - для пртотипа). давления наддува, мощность.


6. Наложение графика 4. на 5. Как видно у Mk.61 давление наддува выше в полтора раза. За счет перехода на 150 октановое топливо и пр. Если наложим один график на другой то увидим наглядное (но спекулятивное) подтверждение графиков на рис.2.


1. NACA. ADA801158/No.794. Two Stage Supercharger. 1941
Графики - с www.wwiiaircraftperformance.org

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Архив