Letalski motor
Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Letálski motór je vrsta batnega in krožnega motorja z notranjim izgorevanjem, ki se uporablja pri letalih. Za pogon letal se uporabljajo tudi reaktivni in turbopropelerski motorji, ki se po delovanju precej razlikujejo od motorjev z notranjim izgorevanjem, vendar osnovne značilnosti veljajo za vse.
Vsebina |
[uredi] Konstrukcija letalskega motorja
Letalski motorji morajo biti:
- lahki - težki motorji povečujejo maso praznega letala in zmanjšujejo maso koristnega tovora,
- majhni in aerodinamični - nameščeni veliki motorji z velikimi površinami imajo prevelik upor, trošijo preveč goriva in zmanjšujejo učinek,
- močni - za premagovanje teže in upora letala,
- zanesljivi - izguba moči pri letalih je veliko večji problem kot pri avtomobilih. Letalski motorji delujejo pri skrajnih temperaturah, tlakih in hitrostih, in morajo zato v vseh teh pogojih delovati zanesljivo in varno,
- popravljivi - stroški zamenjave morajo biti čim manjši. Manjša popravila so relativno poceni.
[uredi] Vrste batnih letalskih motorjev
[uredi] Vrstni motorji
Vrstni ali serijski motorji imajo valje razvrščene v eni vrsti. Po navadi imajo sodo število valjev, obstajajo pa tudi različice s tremi ali petimi valji. Vrstni motorji so lahko zračno ali vodno hlajeni. Z njimi lahko dosežejo dobre aerodinamične oblike. Če je ročična gred motorja nameščena nad valji, se motor imenuje obrnjeni motor. Prednosti takšne namestitve ročične gredi so krajša pristajalna kolesa in boljša vidljivost pilota. Vrstni motorji imajo višja razmerja med težo in močjo kot drugi letalski motorji. Slabost vrstnih motorjev je njihova velikost, saj, če so večji, jih je težje hladiti. Zaradi tega imajo vrstni motorji letal majhne in srednje moči, vgrajeni pa so v lažja letala.
[uredi] Protibatni motorji
Protibatni motorji imajo dva niza valjev, nameščenih v nasprotni smeri. Ročična gred je nameščena v središču in je gnana z obeh strani. Protibatni motorji so lahko zračno ali vodno hlajeni, čeprav se v letalstvu največ uporabljajo zračno hlajeni. Motorji so lahko nameščeni navpično ali vodoravno. Prednost vodoravno nameščenih protibatnih motorjev je boljša vidljivost in zmanjšanje zastoja goriva, ki po navadi nastaja na spodnjih valjih. Relativna prednost protibatnih motorjev so tudi zelo majhne vibracije. To je zaradi tega ker bati ležijo levo in desno od ročične gredi in se pri delovanju uravnovešajo med seboj.
[uredi] V-motorji
Valji v V-motorjih so razvrščeni v dveh nizih, postavljenih v vrsto in nagnjenih med seboj za 30 do 60 stopinj. V-motorji so lahko zračno ali vodno hlajeni.
[uredi] Zvezdasti motorji
Zvezdasti ali radialni motorji imajo valje razvrščene krožno okoli ročične gredi. Število valjev mora biti sodo v vsaki vrsti. Motorji imajo lahko več vrst valjev. Sodo število valjev omogoča drugim valjem da so v delovnem taktu, zaradi česar motor deluje mirneje. Moč zvezdastih motorjev je od 100 do 3800 KM.
Podobni zvezdastim motorjem so krožni ali rotacijski motorji, kjer ročična gred miruje, okoli nje pa se vrti celotni blok valjev. Največ so se uporabljali v času med 1. svetovno vojno in malo po njej do leta 1920.
[uredi] Moč letalskih motorjev
Letalski motorji z razliko od avtomobilskih dlje časa delujejo pri nastavitvah z velikimi močmi. V splošnem letalski motor deluje z največjo močjo nekaj minut pri vzletu letala, nato se pri dvigovanju moč nekoli zmanjša in nato večino časa deluje s tipično 65% do 75% polne moči. Avtomobilski motor bo 20% časa deloval s 65% močjo pri pospeševanju, preostali čas pa z 20% močjo.
Moč batnih motorjev z notranjim izgorevanjem ali turbinskih letalskih motorjev se navaja v moči, ki je dovedena vijaku (običajno konjska moč), kar je navor pomnožen s številom vrtljajev na minuto ročične gredi. Vijak spreminja moč motorja v potisno moč, kjer je potisk funkcija nagnjenosti lopatic vijaka relativno glede na hitrost letala. Moč reaktivnih motorjev se podaja s potiskom.
[uredi] Zanesljivost
Konstrukcije letalskih motorjev se bolj kot učinkovitemu nagibajo k zanesljivemu delovanju. Trajalo je mnogo let preden so bili motorji dovolj zanesljivi za let prek Atlanstkega ali Tihega oceana. Napake motorjev v vseh fazah letenja na začetku spoznajo mladi piloti. Veliko se urijo tudi v prisilnem pristajanju brez delovanja motorjev dokler takšnih razmer ne obvladajo.
Dolgi časi delovanja motorjev, združeni z zahtevo po veliki zanesljivosti, pomenijo da morajo biti izdelani na način, da lahko delujejo tako brez težav. Motor in letalo se morata dvigniti v zrak, kar pomeni da je treba premagati veliko težo. Razmerje med potiskom in težo je eno od najpomembnejših lastnosti letalskih motorjev. Masa tipičnega letalskega motorja z močjo 186 kW (250 KM) je samo 15% skupne mase letala z maso 1400 kg.
V letalskih motorjih so preprosti sestavni deli in so zaradi zanesljivosti običajno v parih. Na primer vžigalni sistemi (vžigalne svečke in magnetnoelektrične naprave) ali črpalke za gorivo. Neodvisno delovanje teh delov zmanjšuje možnost da bi se ob okvari posameznega dela pokvaril tudi celotni motor. Zaradi tega se uporabljajo magnetnoelektrične napreve, ker niso odvisne od baterij. V batnih motorjih se uporabljata dve takšni napravi skupaj z dvema vžigalnima svečkama na valj in pilot lahko eno izključi, ter nadaljuje z letom z drugo napravo. Dvojne svečke tudi zagotavljajo boljše izgorevanje. Podobno ima mehanska črpalka za gorivo tudi nadomestno električno.
Druga razlika med avtomobili in letali je, da letala večino časa letijo z velikimi hitrostmi. To dovoljuje da je letalski motor hlajen zračno, z razliko od uporabe hladilnikov. Nekaj znanih batnih motorjev, kot je na primer serija motorjev Rolls-Royce Merlin, je bilo vodno hlajenih. Čeprav so bili učinkoviti, so bili bolj zapleteni in med bojem bolj ranljivi. Brez hladilnikov so bili letalski motorji lažji in manj zapleteni. Količina zračnega toka, ki ga prejme motor, je skrbno izbrana glede na pričakovano hitrost in višino letala, tako da motor ohranja optimalno temperaturo. Podobno kot pregrevanje, lahko tudi preveč hlajenja slabo vpliva na delovanje. Nekatera letala uporabljajo regulatorje, ki omogočajo pilotu da ročno prilagodi dotok zraka v predelek motorja.
Letalo deluje na večjih višinah, kjer je gostota zraka manjša kot na tleh. Ker motorji za izgorevanje goriva potrebujejo kisik, so zaradi tega primerni sistemi s prisiljenim vbrizgavanjem, kot so turbopolnilniki ali superpolnilniki. Njihova uporaba spet povečuje stroške, maso in zapletenost.
[uredi] Uporaba več motorjev
V nekaterih državah za komercialni prevoz potnikov zahtevajo uporabo letal z dvema motorjema. V državah, kot so Kanada, Avstralija in ZDA, za nekatere komercialne prevoze (vključno s čarterji in včasih napovedanimi rednimi leti, kjer običajno uporabljajo motorje, gnane s turbinami) dovolijo uporabo enomotornih letal.
Zaradi drugega motorja lahko letalo ostane v zraku, oziroma se spušča počasneje, če en motor zataji, kar je pomembno za varnost pri letih nad vodo ali goratim ozemljem. Okvara motorja pri letalu z dvema batnima motorjema je lahko usodna na primer pri vzletu zaradi nesimetričnega potiska.
Raziskava nesreč avstralskih čarterskih poletov med letoma 1986 in 1996 je pokazala, da je razmerje števila usodnih nesreč na uro za večmotorna letala trikrat večje od razmerja za enomotorna letala. Raziskava sicer ni upoštevala enakih pogojev pri letih in ni posebej obravnavala nesreč, ki so jih povzročili motorji. Po Ameriški ustanovi za zračno varnost kadar napaka motorja vodi do nesreče (npr. do škode ali poškodb), je 10% možnosti, da se je napaka pojavila v enomotornem letalu, in 50% možnosti da v dvomotornem.
[uredi] Velikost
Nekoč so bile izvedbe motorjev nove in ni bilo bistvene razlike med letalskimi in avtomobilskimi motorji. To se je spremenilo pred začetkom 1. svetovne vojne, ko je postal priljubljen določen razred zračno hlajenih krožnih motorjev. Ti motorji so imeli kratko življenjsko dobo. Do 1920-tih so začeli veliko uporabljati podobne zvezdaste motorje. Takšni motorji so bili na preprost način zračno hlajeni in so lahko imeli veliko prostornino, tako da so bili med majhnimi motorji med najmočnejšimi.
Oba tipa motorjev, krožni in zvezdasti, sta bila pomanjkljiva zaradi velike čelne površine (glej zakon upora). Ko je naraščala hitrost letal in je zahtevala boljše aerodinamične oblike, so začeli uporabljati vodno hlajene vrstne motorje. Med 2. svetovno vojno so bili zvezdasti in vrstni motorji po moči in skupnih lastnostih v splošnem podobni, le nekateri starejši zvezdasti motorji so se izkazali za zanesljivejše. Po vojni so v ZDA motorji z vodnim hlajenjem hitro izginili.
[uredi] Popravljivost
Za majhna letala, še posebej za uporabo v splošnem letalstvu, se uporabljajo mešane izvedbe, največkrat zračno hlajeni vrstni motorji s štirimi ali šestimi valji, nameščenimi vodoravno v nasprotni smeri. Takšni motorji imajo majhne čelne površine in so lahko na preprost način zračno hlajeni. Zahtevajo pa natančno montažo, da so učinkovito hlajeni, še posebej zadaj nameščeni valji. Da se dajo motorji praktično popraviti, je vsak valj možno zamenjati posebej, kakor tudi druge dodatne dele (črpalke, generatorje in magnetnoelektrčne naprave).
[uredi] Gorivo
Letalski batni motorji za gorivo običajno uporabljajo letalski bencin. Trenutno je najbolj razširjen 100LL, z oktanskim številom 100, in vsebnostjo tetraetilsvinca. Vso letalsko gorivo izdelujejo po strogih kakovostnih standardih zaradi zmanjšanja napak delovanja motorjev. 100LL ima višje oktansko število kot avtomobilski bencin, kar omogoča večje kompresijsko razmerje in s tem večjo izhodno moč pri enaki prostornini. 100LL vsebuje tetraetilsvinec za dosego tako visokih oktanskih števil, kar so pri avtomobilih opustili. Zmanjšana dobava tetraetilsvinca in možnost da bo okolijska zakonodaja prepovedala njegovo uporabo, sta vzpodbudili iskanja nadomestnih goriv za letala v splošnem letalstvu.
[uredi] Nove konstrukcije
[uredi] Gospodarnost
Skozi celotno zgodovino konstrukcij letalskih motorjev se je težilo, da so bili naprednejši od avtomobilskih motorjev. Uporabljali so visokotrdnostne aluminijeve zlitine veliko prej preden so jih v splošnem uporabljali pri avtomobilskih motorjih. Podobno so kmalu namesto uplinjačev imeli vbrizg goriva. V letalske motorje so uvedli tekalne odmične gredi, avtomobilski motorji pa so še naprej uporabljali nadglavne valje.
Danes je trg batnih letalskih motorjev premajhen in z novimi konstrukcijami ni dobička. Večina letalskih motorjev je izdelanih po konstrukcijah iz 1960-tih ali še prej, in iz enakih materialov, z enakimi orodji in sestavnimi deli. Denarna moč avtomobilske industrije je medtem pripomogla k izboljšavam. Novi avtomobili bodo imeli vgrajene nekaj let stare motorje, zgrajene iz sodobnih zlitin in z naprednimi elektronskimi kontrolnimi napravami. Sodobni avtomobilski motorji ne zahtevajo vzdrževanja, le dodajanje goriva in mazalnega olja, tudi nad 100.000 km. Letalski motorji pa so v primerjavi z njimi težki, umezani in nezanesljivi.
Veliko inovacij v zadnjih dvajsetih letih je bilo vloženo v ultralahka in doma izdelana letala, ter posledično v izboljšave motorjev. Podjetje Rotax je med drugimi za te vrste letal uvedlo več novih maloserijskih motorjev. Najmanjši med njimi so dvotaktni, večji pa štiritaktni. Nekateri za doma narejena letala tudi preurejajo avtomobilske motorje.
Skozi zgodovino letalstva so se največ uporabljali Ottovi motorji, torej bencinski batni motorji. To ni zaradi tega ker bi bili najboljši, ampak preprosto zaradi tega, ker so bili prvi in potrjevanje novih konstrukcij zanje je zahtevalo najmanj časa.
[uredi] Wanklov motor
Obetavna konstrukcija za uporabo v letalih je bil Wanklov krožni motor. Masa in velikost Wanklovega motorja sta približno za polovico manjši od tradicionalnega štiritaktnega batnega motorja z enako izhodno močjo. Wanklov motor je tudi preprostejši. Pri letalih je razmerje med močjo in težo zelo pomembno, kar daje prednost Wanklovemu motorju. Ker ima Wanklov motor običajno aluminijasto ohišje in jekleni rotor, se zaradi manjšega toplotnega raztezanja aluminija od jekla, ne bo pregrel. To je za letalstvo pomembno. Začetki gradnje letalskih Wanklovih motorjev segajo v čas po 2. svetovni vojni, vendar je letdaj letalska industrija začela na veliko uporabljati turbinske motorje. Verjeli so, da lahko turboreaktivni ali turbopropelerski motorji poganjajo vsa letala, največja in najmanjša. Wanklove motorje v letala niso na veliko vgrajevali, uporabila pa jih je Mazda v svojih športnih avtomobilih. V zadnjem času so razvili Wanklove motorje za uporabo v motornih jadralnih letalih, kjer so še posebej pomembni majhna velikost, masa in vibracije.
[uredi] Letalski dizelski motor
Tudi dizelski motorji so primerni za letalske motorje. V splošnem so dizelski motorji zanesljivejši in primernejši za uporabo v daljših časih z delovanjem s srednjimi močmi. Zaradi tega se na primer veliko uporabljajo za pogon traktorjev. V 1930-tih so poskusili izdelati več dizelskih letalskih motorjev, vendar tedanje zlitine niso prenesle precej višja kompresijska razmerja. Ti motorji so imeli nizka razmerja med močjo in maso. Zaradi izboljšav pri avtomobilskih dizelskih motorjih: veliko boljša razmerja med močjo in maso, učinkovitejša poraba goriva in visoka cena bencina, so se ponovno začeli zanimati za to vrsto pogona. Podjetje Thielert že prodaja potrjene dizelske letalske motorje za majhna letala. Tudi druga podjetja razvijajo takšne motorje. Trenutno dizelski letalski motorji predstavljajo največjo možnost za uporabo v lahkih letalih.
