Dugattyús motorok

A motoros repülést nem sikerült gőzgéppel megvalósítani, azonban a dugattyús belsőégésű mo-torok már rendelkeztek olyan tömeg/teljesítmény aránnyal, amely lehetővé tette az állandósult repülést. A repülőgépeken alkalmazott dugattyús motorok működési elve ugyan hasonlatos a gépjárművekben alkalmazott motorokhoz, de az eltérő körülmények és követelmények miatt el-vétve alkalmaznak ilyeneket a repülésben, azokat is csak az ultrakönnyű repülőgépek között.

183. ábra Lógó, soros hengerelrendezésű motor

184. ábra Csillagmotor

185. ábra Boxermotor

186. ábra Vízhűtéses V-motor

A repülőgép motor alapvetően egyszerűbb és könnyebb felépítésű, mint közúti társai. Ezek a motorok döntő többségükben léghűtésesek, mivel bőséggel áll rendelkezésre nagy mennyi-ségben hűtőlevegő külön hűtőventillátor alkalmazása nélkül is, de szép számmal készülnek vízhűtéses megoldással is. A soros motorok (183. ábra) alkalmazása éppen a miatt nem terjedt el, mert a hátsó hengerek hűtése levegőhűtéssel nem oldható meg kielégítően. A vízhűtéses soros motorokat a második világháború vadászgépeiben ugyan sikeresen alkalmazták kis homlokellenállásuk miatt, de manapság elhanyagolható a jelentőségük. A soros motorok el-lentéte a csillagmotor (184. ábra), amelynek minden hengere friss hűtőlevegőt kap, ráadásul a rövid főtengely miatt könnyű a szerkezete is. Hátránya a nagy homlokellenálás, amit azonban megfelelő burkolattal jelentősen csökkenteni lehet. Jelenleg a repülésben a boxer elrendezés (185. ábra) terjedt el a legszélesebb körben, amely hűtés és homlokellenállás szempontjából is átmenetet képez a soros és a csillagmotor között.

A léghűtésből következően a repülőgép motorok ún. meleg motorok, mivel normális üzemi hőfokuk meghaladja a 100 °C-ot. A kenőolaj-hőmérséklet 120–160 °C, míg a szokásos hen-gerfej-hőmérséklet általában 210–250 °C között van. Üzemanyagként általában a százas ok-tánszámú repülőbenzint alkalmazzák (AVGAS-LL100), melynek előállításakor és

terjesztése-kor fokozottan ügyelnek a szennyeződésmentességre, mivel egy repülőgép motorjának leállá-sa cleállá-sak kivételes esetekben nem vezet balesethez.

A repülőgép motorok gyújtásrendszere minden esetben kettőzött, azaz hengerenként két gyúj-tógyertyát építenek be. A szikrához szükséges magasfeszültséget is mechanikusan, mágneses gerjesztéssel állítják elő, mellőzve a gépjárműveknél elterjedt bonyolult elektronikus gyújtás-vezérlőket.

Komoly feladatot jelent a repülőgép motorok alkalmazásánál a beszívott levegő sűrűségének jelentős változása a magassággal, ami miatt alapvető funkció a keverék szegényítése tág hatá-rok között. De ez csak a gazdaságosságon segít, és nem akadályozza meg a teljesítménycsök-kenést. Annak érdekében, hogy a motorok nagy magasságon is leadhassák azt a teljesítményt, amit szerkezetük, hűtésük lehetővé tesz, a nagyobb teljesítményű repülőgépek esetében ko-moly turbótöltőket alkalmaznak, melyeket egy adott magasság fölött szabad csak aktiválni a motor megóvása érdekében.

Érdekesség még a repülőgép motorokkal kapcsolatban, hogy sohasem készülnek sebességvál-tóval. Általában a légcsavar közvetlenül a főtengelyre kerül, ritkább esetben pedig egy egyfo-kozatú fordulatszám csökkentő reduktoron keresztül kapja a meghajtást.

Következtetésképpen a repülőgépek dugattyús motorjai sok szempontból nem tekinthetők olyan fejletteknek, mint a gépjármű motorok. Ez egyenesen következik abból a tényből, hogy jóval kisebb darabszámban gyártják őket, és így a fejlesztési költségek jobban terhelnek egy-egy legy-egyártott motort. Viszont élettartamuk (javíthatóságuk) és elsősorban megbízhatóságuk magasabb a közúti forgalomban alkalmazott motoroknál.

7.3.2 Légcsavar

A kisebb sebességű repülőgépek esetében a kezdetektől napjainkig légcsavarral biztosítják a vonóerőt. Jó propulziós hatásfoka (gazdaságosabb üzeme) miatt a közepes sebességű gépek között is kezd újra elterjedni, és folynak kísérletek hangsebesség fölötti légcsavarokkal is. A légcsavart alkotó lapátokat önálló szárnyakként kell elképzelni, melyek a repülőgép álló hely-zete esetén is mozogni tudnak a levegőhöz képest, és így rajtuk felhajtóerő keletkezik, amely vonóerőként hasznosítható.

A részletesebb magyarázat érdekében a 187. ábra egy forgó légcsavarlapát elemi darabját mu-tatja be. Az ábrázolt lapátdarab forgó mozgást végez a légcsavar tengelye körül, és ebből V1

nagyságú kerületi sebessége származik, mely a forgás síkjába esik. Ehhez a mozgáshoz adó-dik hozzá az egész repülőgép előrehaladó mozgásából származó V2 sebesség. A kettő együtt a talajhoz viszonyítva egy spirálalakú pályát eredményez. De nemcsak a légcsavar mozog a

ta-lajhoz képest, hanem a közeg, is, ugyanis a légcsavar a vonóerő létrehozása közben hátrafele gyorsítja a levegőt. Egy felszálláshoz készülődő repülőgép mögött ez az indukált sebesség borzolja a füvet. Irányát egyszerűsítve a légcsavartengellyel párhuzamosnak vettük fel (V3).

A légcsavardarab eredő megfúvási iránya repülés közben a három sebesség vektori összege (V). (Egy légcsavarlapáthoz rögzített apró fonál ebbe az irányba mutatna.)

A tárgyalt lapátdarab húrja a forgás síkjától mérve a beállítási szög (θ) által meghatározott irányba mutat. (Ezt a szöget szokás képletesen harapásszögnek is nevezni.) A lapátdarab ál-lásszöge (α) természetesen nem ez, hanem az eddig tanultaknak megfelelően a húr és az eredő megfúvás iránya közötti szög (α). Az ébredő felhajtóerő (L) szintén a tanultaknak megfelelően az eredő V megfúvási sebességre merőleges, míg az ellenállás (D) ezzel párhuzamos. A repü-lőgép szempontjából a felhajtóerő és az ellenálláserő összegének (eredő légerő) légcsavarten-gellyel párhuzamos komponensére (T) vagyunk kíváncsiak, mert ez az erő lesz a repülőgép meghajtását biztosító vonóerő. A motor szempontjából viszont a forgás síkjába eső erőkom-ponens (F) érdekes, mert ez próbálja fékezni a légcsavardarab forgó mozgását, azaz a motor-nak akkora nyomatékot kell létrehoznia az adott fordulatszámon, mint amekkora ennek az erőnek a forgástengelyre számított nyomatéka.

187. ábra Egy elemi légcsavardarabon ébredő erők

Egy adott repülési helyzetben a légcsavart alkotó minden lapátdarabon ehhez hasonlóan zajlik a vonóerő képzése annyi különbséggel, hogy a lapát hossza mentén változik a kerületi sebes-ség a körmozgás változó sugara miatt. Minél távolabb helyezkedik el a lapátdarab a

forgás-tengelytől, annál nagyobb a kerületi sebesség, ugyanakkor a repülőgép előrehaladási sebessé-ge állandó. Feltételezzük, hogy az indukált sebesség is állandó, és ezért a továbbiakban az elő-rehaladási sebesség részének tekintjük. Ebből következik, hogy a lapátvégen más lesz a megfúvás iránya, mint a lapáttőben. Annak érdekében, hogy minden lapátdarab az ideálishoz közeli állásszöggel tudjon dolgozni, el kell csavarni a légcsavarlapátot, ahogy azt a 188. ábra mutatja.

188. ábra: A lapátelcsavarás és magyarázata

A teljes légcsavar a kis lapátdarabok összességét jelenti, azaz az elemi lapátdarabokon ébredő erők és nyomatékok integrálja adja a teljes légcsavar vonóerejét és a forgatáshoz szükséges nyomatékot. Ez a vonóerő hat a repülőgépre, és ez a nyomaték jelenik meg terhelésként a mo-tor tengelyén. A vízszintes, egyenes vonalú, egyenletes repülés feltétele, hogy a vonóerő egyezzen meg a repülőgép ellenállásával, és a légcsavar által felvett nyomaték egyezzen meg a motor által leadott nyomatékkal.

(7.10)

(7.11) Mindkét feltételnek egyszerre kell teljesülnie. Ugyanis ha a vonóerő nem egyenlő az ellenál-lással, akkor a repülési sebesség fog változni. Ha motor által leadott nyomaték nem egyenlő a légcsavar által felvett nyomatékkal, akkor a fordulatszám fog változni. Mindkét esetben mó-dosulni fog a légcsavarlapátok elemi darabjainak sebességi háromszöge, és ezzel állásszöge

is. Ez pedig a teljes légcsavar által létrehozott vonóerőt és nyomatékot módosítja, amely a for-dulatszám és a repülési sebesség további változását fogja okozni. Szerencsére a rendszer stabil, tehát egy megzavarás után az eredeti egyensúlyi helyzet felé törekszik. Nézzük, hogyan!

Ha a motor által az aktuális fordulatszámon leadott nyomaték nem egyezik meg azzal a nyo-matékkal, amit a légcsavarlapátokon ébredő ellenállás - az aktuális fordulatszám és repülési sebesség mellett kialakuló sebességi háromszög esetén - okoz, akkor a motor és a légcsavar közös fordulatszáma változni fog. Ha változik a fordulatszám, akkor a lapátok kerületi sebes-sége (R·ω) változik, és ettől a sebességi háromszög értelmében a lapátok állásszöge is válto-zik. (V2 repülési sebesség változatlan.) Ennek értelmében a fordulatszám véletlen megemel-kedése megnöveli az állásszöget, és ezzel a lapátok ellenállását is (és természetesen a vonó-erőt). A lapátok ellenállásának növekedése azonban növeli a szükséges nyomatékot. Ezt mu-tatja a 189. ábra vörös görbéje. Ha ez nem áll rendelkezésre, ahogy az ábrán a motor nyoma-tékgörbéje is mutatja, akkor a fordulatszám visszacsökken az egyensúlyi értékre.

189. ábra A motor és a légcsavar nyomatéka állandó repülési sebesség esetén

Ha a pilóta gázt ad, akkor ugyanez zajlik le azzal a különbséggel, hogy a motor teljes nyoma-tékgörbéje a diagramban felfelé tolódik, azaz a nyomatékegyensúly egy nagyobb fordulat-számon fog megvalósulni. Azonban a megemelkedett fordulatszám miatt megnövekedő állás-szög a vonóerőt is megnöveli, és emiatt a repülőgép lassan gyorsulni kezd, ami a V2 sebesség növekedését jelenti. Ez viszont az állásszög visszacsökkenését okozza. Emiatt csökken a lég-csavar vonóereje, azaz csökken a gyorsulás, és csökken a felvett nyomaték, azaz lassan to-vább nő a fordulatszám. Végeredményben a motor fordulatszáma addig nő, amíg az új, állan-dósult repülési sebesség ki nem alakul. Ha állandó fordulatszám mellett a repülőgép utazási sebessége módosul, akkor is megváltozik az állásszög a teljes lapát mentén.

Ha pl. egy széllökés miatt lecsökken a megfúvási sebesség (V2), akkor megnő az állásszög, tehát nagyobb vonóerő keletkezik, ellenkező esetben pedig csökken a vonóerő.

190. ábra A repülőgép ellenállása és a vonóerő alakulása állandó fordulatszám mellett Ezt mutatja a 190. ábra vörös görbéje. A kék görbe a repülőgép ellenállását ábrázolja a sebes-ség függvényében. Látható, hogy állandó fordulatszám esetén szintén stabil helyzet alakul ki.

Egy repülőgép akkor a leggyorsabb, ha a légcsavarlapátok beállítási szöge éppen akkora, hogy a lapátdarabok optimális állásszöggel működjenek annál a sebességi háromszögnél, amit a maximá-lis előrehaladási sebesség és a motor legnagyobb teljesítményéhez tartozó fordulatszáma eredmé-nyez. Minden más beállítási szögnél kisebb lesz a maximálisan elérhető sebesség.

A leggyorsabb sebességre beállított merev légcsavar esetén viszont a repülőgép felszállása fog komoly gondot jelenteni, mivel a nekifutásra jellemző kis sebességeknél a sebességi három-szög kritikusnál is nagyobb álláshárom-szöget eredményezhet, azaz a légcsavar alig fog vonóerőt lét-rehozni miközben a motor küzd a lapátok hatalmas ellenállásával. Tehát a repülőgép nem tud gyorsulni. Viszont ha a légcsavart a felszállási sebességnél (és a motor optimális fordulatszá-mánál) kialakuló háromszöghez választják ki, akkor jól fog gyorsulni a felszállópályán, de a nagyobb utazási sebességek esetén olyan kicsi lesz a lapátok állásszöge, hogy nem hoznak lét-re elegendő vonóerőt. Ebben az esetben a motor túlpörög, azaz teljesítmény leadás nélkül fog nagy fordulatszámon járni, és a repülőgép nem éri el azt a sebességet, amire egyébként képes lenne a motor teljesítménye alapján. A probléma hasonlóan jelentkezik, mint egy egyfokozatú sebességváltóval szerelt gépjármű esetében, amely az áttételtől függően vagy jól gyorsul, de kicsi a végsebessége; vagy nagy a végsebessége, de nehezen gyorsul.

Ennek a problémának a kiküszöbölésére jelentek meg a változtatható beállítási szögű légcsa-varok, melyek közül az állandó fordulatszámot biztosító légcsavarok lettek az egyeduralko-dók. (191. ábra) Ezekben a légcsavarokban található egy fordulatszám érzékelő egység (gover-nor), amely hidraulika folyadék segítségével szabályozza a légcsavarlapátok beállítási szögét.

Ha a motor kezd túlpörögni, akkor nagyobb beállítási szögre állítja a lapátokat, és ettől megnő a lapát állásszöge és ezzel az ellenállása is, ami miatt a fordulatszám visszacsökken a beállí-tott szintre. Ha az utazási sebesség növekedése miatt, (azaz az állásszög csökkenése miatt)

nőtt meg a fordulatszám, akkor a beállítási szög megnövelése miatt helyreáll a kívánt állás-szög, és ezzel a vonóerő is. Így biztosítható, hogy a motor ne pörögjön túl a nagy sebességű utazás közben, vagy ne legyen túlfékezve felszálláskor. Ha a fordulatszám a gázadás miatt nőtt meg, akkor a megnövelt beállítási szög (az állásszögön keresztül) növeli a vonóerőt, ami a gázadás célja volt. (A gépjárműves példával élve a robogók állandó fordulatszámot biztosí-tó, fokozatmentes sebességváltójához hasonlítható a működés.) Ugyanakkor automatikusan teljesül az is, hogy a légcsavar a normál üzemi állásszög-tartományban marad minden sebes-ségnél. A pilótáknak lehetőségük van beállítani a tartandó fordulatszámot is egy kar segítsé-gével attól függően, hogy nagy teljesítményre (gyors repülés), nagy nyomatékra (felszállás) vagy gazdaságos üzemállapotra (nagy hatótáv) van szükségük.

191. ábra Állandó fordulatszámú légcsavar működési elve

Az állandó fordulatszámú légcsavarok esetében tehát megoldott, hogy a motor mindig az op-timális fordulatszám-tartományban dolgozzon. A beállítási szög változtatása azonban a lég-csavarok üzemét nem tudja teljes mértékben optimalizálni minden sebesség- és fordulatszám-tartományhoz. Ehhez változtatható áttételre lenne szükség a motor és a légcsavar között. En-nek megvalósítása akkora tömegnövekedéssel járna, amely nem teszi gazdaságossá ezt a megoldást. A nagyobb teljesítményű repülőgépek esetén kompromisszumként alkalmaznak állandó áttételű fordulatszám csökkentőt (reduktor).