Из трех типов карбюраторов, которые использовались в больших высокопроизводительных авиационных двигателях, изготовленных в Соединенных Штатах во время Второй мировой войны , карбюратор давления Бендикса-Стромберга был наиболее распространенным. Два других типа карбюраторов были произведены Chandler Groves (позже Holley Carburetor Company) и Chandler Evans Control Systems (CECO). Оба этих типа карбюраторов имели относительно большое количество внутренних деталей, а в случае карбюратора Холли возникли сложности в его конструкции «переменной Вентури».
Карбюратор давления Bendix-Stromberg | |
---|---|
Вырезка Bendix-Stromberg PD12-F13 от радиального двигателя Pratt & Whitney R-2000 | |
Тип | Модель Бендикса-Стромберга PD12-F13 |
национальное происхождение | Соединенные Штаты |
Производитель | Бендикс |
Беспоплавковый карбюратор давления - это тип управления топливом самолета, который обеспечивает очень точную подачу топлива, предотвращает образование льда в карбюраторе и предотвращает топливное голодание во время отрицательного «G» и перевернутого полета, устраняя обычный впускной топливный клапан с поплавковым управлением. В отличие от поплавковой топливной системы карбюратора, которая использует всасывание Вентури для всасывания топлива в двигатель, карбюратор высокого давления использует трубку Вентури только для измерения массового расхода воздуха в двигатель и управляет потоком топлива, которое постоянно находится под давлением от топливного насоса. к распылительной насадке. В 1936 году первый карбюратор давления Bendix-Stromberg (модель PD12-B) был установлен и летал на Allison V- 1710-7.
Задний план
Bendix Corporation на рынке три типа авиационных систем топливных под названием Bendix-Стромберг:
- Авиационные двигатели с низкими характеристиками и почти все авиационные двигатели, произведенные до 1940 года, обычно оснащались обычными карбюраторами поплавкового типа, которые, за исключением размера, не сильно отличались от тех, что устанавливались на автомобилях или сельскохозяйственных тракторах того времени. [1]
- После 1938 года высокопроизводительные авиационные двигатели оснащались беспоплавковыми карбюраторами, особенно те, которые использовались в боевых самолетах. Эти карбюраторы были большим шагом вперед в технологии, и их можно было рассматривать как механические аналоги сегодняшних электронных компьютеров управления подачей топлива. Эти беспоплавковые карбюраторы являются темой данной статьи. [2]
- В последние годы Второй мировой войны авиационные двигатели, удельная мощность которых превышала 1,0, были оснащены сначала распределенным впрыском топлива, а затем прямым впрыском, который стал предпочтительной топливной системой. Используя те же принципы, что и нагнетательный карбюратор для измерения потока воздуха в двигатель, распределенная система впрыска топлива использовала отдельные топливопроводы к каждому цилиндру, впрыскивая топливо во впускной канал . Системы прямого впрыска отличались от карбюратора под давлением тем, что топливо вводится прямо перед впускным клапаном во впускное отверстие в каждой отдельной головке блока цилиндров в системе прямого впрыска топлива, в отличие от карбюратора под давлением, куда подается топливо. у карбюратора. Эти устройства управления подачей топлива были индивидуально рассчитаны и откалиброваны, чтобы соответствовать почти всем поршневым авиационным двигателям, используемым как гражданскими, так и союзными военными самолетами, сделанными в послевоенную эпоху. Эти системы впрыска топлива используются в высокопроизводительных поршневых двигателях авиации общего назначения, которые продолжают летать в 21 веке. [3]
Дизайн и развитие
Начиная с основ сгорания топлива , независимо от того, какой тип топливной системы используется на данном двигателе, единственная задача карбюратора - обеспечить точное количество топлива в заданном количестве воздуха, поступающего в двигатель. [4] Чтобы топливо было горючим, соотношение воздух-топливо должно находиться в пределах воспламеняемости от 9 до 16 фунтов (4-7 кг) воздуха на 1 фунт (0,5 кг) топлива (для бензиновых двигателей). Выше или ниже этого соотношения топливо не будет гореть.
Далее, также предполагается, что в этом диапазоне допустимых смесей существует только одно соотношение, которое является идеальным соотношением воздух-топливо в то время, учитывая положение дроссельной заслонки, установленное пилотом. Подводя итог, можно сказать, что идеальный карбюратор обеспечивает правильное соотношение воздух-топливо в соответствии с требованиями двигателя во всех его рабочих условиях. [5]
Наконец, точное количество необходимого топлива изменяется между нижним пределом чрезмерно обедненной смеси 16: 1 и верхним пределом чрезмерно богатой смеси 9: 1 при изменении условий работы двигателя. [6]
Подводя итог, можно сказать, что для того, чтобы карбюратор мог подавать точное количество необходимого топлива, необходимо снабдить карбюратор тремя вещами:
- Во-первых, точный вес проходящего через него воздуха,
- Во-вторых, какое соотношение воздух-топливо необходимо для рабочего состояния двигателя,
- В-третьих, какой режим работы двигателя требуется для пилота самолета.
Как только эти три компонента будут доставлены в карбюратор, хорошо спроектированный карбюратор будет постоянно обеспечивать двигатель точным, правильным потоком топлива. Любой хорошо спроектированный карбюратор делает это регулярно, независимо от типа и размера двигателя. С другой стороны, авиационные карбюраторы работают в исключительных условиях, включая резкие маневры в трех измерениях, иногда все одновременно.
Проблемы: лед, гравитация и инерция
Когда топливо испаряется, оно охлаждает окружающий воздух из-за эффекта охлаждения, поскольку топливо поглощает тепло, когда оно меняет свое состояние с жидкости на газ. [7] Это может привести к тому, что воздух опускается ниже точки замерзания, в результате чего водяной пар, содержащийся в воздухе, сначала меняет состояние с газа на жидкость, которая затем становится льдом. Этот лед образуется на дроссельной заслонке, которая расположена «ниже по потоку» от топливного сопла. Лед также образуется на внутренних стенках карбюратора, иногда до такой степени, что он блокирует поток воздуха в двигатель. [7]
Карбюраторы поплавкового типа лучше всего работают в стабильном рабочем состоянии. Самолеты авиации общего назначения работают в ряде условий, мало чем отличающихся от условий автомобиля, поэтому карбюратор поплавкового типа может быть всем, что необходимо. Другое дело - большие или быстрые самолеты, особенно если учесть, что истребители могут летать в перевернутом положении или выполнять серию поворотов с большим ускорением, наборов высоты и пикирований, и все это в широком диапазоне скоростей и высот и за очень короткое время. [8]
Как только карбюратор выходит из стабильного состояния, на поплавок влияет как сила тяжести, так и инерция , что приводит к неточному дозированию топлива и снижению производительности двигателя при изменении соотношения воздух-топливо, становясь либо слишком бедным, либо слишком богатым для максимальной производительности двигателя, и в некоторых случаях остановка двигателя. [9]
Карбюраторы поплавкового типа способны компенсировать эти нестабильные условия за счет различных конструктивных особенностей, но только в пределах разумного. Например, когда карбюратор поплавкового типа находится в отрицательных g- условиях, таких как быстрое опускание носа, поплавок поднимается к верхней части топливного бака, поскольку поплавок становится невесомым, когда самолет опускается быстрее, чем поплавок и топливо. Поплавок поднимается вверх по инерции, закрывая впускной топливный клапан, как если бы топливный бак был заполнен топливом. Прекращение подачи топлива приводит к тому, что соотношение топливо-воздух становится больше шестнадцати к одному, что в таком случае слишком бедное для сгорания, что приводит к остановке двигателя. [10] [11]
Обратное также верно , когда воздушное судно находится в перевернутом полете. Поплавок погружается в воду, когда топливо под действием силы тяжести тянется вниз к верхней части топливного бака. Поплавок поднимается вверх по направлению к нижней части перевернутой емкости для топлива. Когда поплавок находится на дне топливного бака, впускной топливный клапан открывается, как если бы в топливном баке не было достаточно топлива. При открытом впускном топливном клапане топливный насос продолжает перекачивать топливо в топливный бак, где образующийся избыток топлива приводит к тому, что соотношение топливо-воздух становится ниже девяти к единице, что в таком случае становится слишком богатым для сгорания, что останавливает двигатель. [10]
Решение: переместите топливную форсунку и снимите поплавок.
Инженеры Bendix-Stromberg преодолели проблемы, обнаруженные с карбюраторами поплавкового типа, переместив выпускной патрубок топлива на переходник карбюратора или, в некоторых случаях, на «ушко» нагнетателя, как под дроссельными заслонками, так и исключив поплавок из дозатора топлива. система. В новой конструкции «карбюратор высокого давления» поплавковый впускной топливный клапан был заменен тарельчатым дозирующим клапаном с сервоприводом . [12]
Однако в системе стравливания воздуха топливного регулятора есть один или два небольших поплавка. Эти поплавки не имеют ничего общего с соотношением воздух-топливо, поскольку их единственная цель - позволить любому увлеченному воздуху, который мог попасть в топливный регулятор, вернуться в топливный бак, где он будет выпущен в атмосферу.
Компоненты карбюратора
Карбюратор высокого давления состоит из трех основных компонентов.
- Корпус дроссельной заслонки является основным компонентом карбюратора. Он содержит одно или несколько отверстий, через которые весь воздух поступает в двигатель. Каждое отверстие содержит несколько дроссельных заслонок, которые используются пилотом для управления потоком воздуха в двигатель. В каждое отверстие также установлена трубка Вентури. Ударные трубы устанавливаются в каждую трубку Вентури, помещая их прямо на пути поступающего воздуха. Все остальные основные компоненты прикреплены к корпусу и связаны между собой внутренними проходами или внешними трубками или шлангами.
- Компонент управления подачей топлива используется пилотом для регулировки подачи топлива в двигатель. Он содержит несколько форсунок, которые регулируют давление топлива в системе управления подачей топлива. Он имеет вращающийся пластинчатый клапан с тремя или четырьмя положениями: отсечка холостого хода , которая останавливает весь поток топлива, автоматическая обедненная смесь, которая используется для нормальных условий полета или крейсерского полета, автоматическая обогащенная смесь, которая используется для операций взлета, набора высоты и посадки, и на некоторых карбюраторах, военных, которые используются для максимальной, хотя и сокращающей срок службы, производительности двигателя. [13]
- Компонент регулятора топлива принимает входные сигналы от различных источников для автоматического управления потоком топлива в двигатель. Он состоит из ряда диафрагм, зажатых между металлическими пластинами, при этом центр примерно круглых диафрагм соединен с общим стержнем, образуя четыре напорные камеры в собранном виде. Внешний конец стержня соединяется с сервоклапаном дозирования топлива, который перемещается от корпуса дроссельной заслонки, чтобы открыться, позволяя большему потоку топлива или к корпусу дроссельной заслонки, чтобы закрыть, уменьшая количество топлива для потока. Стержень перемещается за счет сил, измеряемых в четырех камерах давления.
Меньшие компоненты карбюратора либо прикреплены к основным частям, являются их частью, либо устанавливаются удаленно, в зависимости от области применения двигателя.
- Компонент наддува установлен на впускной стороне корпуса дроссельной заслонки. Он измеряет плотность воздуха , барометрическое давление и поток воздуха в карбюратор. Он устанавливается непосредственно в потоке воздуха на входе в горловину. Автоматический контроль смеси, если он есть, устанавливается либо на части наддува для корпусов дроссельной заслонки с двумя или более отверстиями, либо на самом корпусе дроссельной заслонки для моделей с одним отверстием.
- Компонент подачи топлива устанавливается либо дистанционно, в «проушине» нагнетателя двигателя, либо в основании корпуса карбюратора. Топливо распыляется в воздушный поток, когда он поступает в двигатель через один или несколько распылительных клапанов с пружинным управлением. Распылительные клапаны открываются или закрываются при изменении расхода топлива, поддерживая постоянное давление подачи топлива.
- Ускорительный насос либо дистанционно установлен или установлен на корпусе карбюратора. Ускорительный насос либо механически соединен с дроссельной заслонкой, либо приводится в действие путем измерения изменения давления в коллекторе при открытии дроссельной заслонки. В любом случае он впрыскивает определенное количество дополнительного топлива в воздушный поток, чтобы обеспечить плавный разгон двигателя.
Военные карбюраторы могут иметь систему противодетонационного впрыска (ADI). Он состоит из «клапана обеднения» в компоненте регулирования подачи топлива, резервуара для хранения жидкости ADI, насоса, регулятора, который обеспечивает определенное количество жидкости ADI в зависимости от расхода топлива, и распылительного сопла, которое устанавливается в поток воздуха, поступающий в нагнетатель.
Теория Операции
В части регулятора топлива карбюратора есть четыре камеры. Они обозначаются буквами A, B, C и D, при этом камера A находится ближе всего к корпусу дроссельной заслонки. Сервоклапан дозирования топлива реагирует на перепады давления на диафрагмах, разделяющих камеры. Возникающее в результате движение диафрагмы контролирует поток топлива в двигатель при любых условиях полета. [14]
- Диафрагма, расположенная ближе всего к корпусу карбюратора, является диафрагмой для дозирования воздуха. Он измеряет разницу в давлении воздуха в двух точках карбюратора. Камеры A и B находятся на противоположных сторонах диафрагмы дозирования воздуха.
- Скорость воздушного потока, поступающего в карбюратор, измеряется путем помещения одной или нескольких трубок Вентури непосредственно в воздушный поток. Вентури создает низкое давление, которое изменяется в зависимости от скорости воздуха. Когда давление воздуха в камере А уменьшается с увеличением воздушного потока, диафрагма тянется к корпусу карбюратора. Камера A также содержит пружину, которая открывает клапан дозирования топлива при отсутствии потока воздуха. [14]
- Масса воздуха, поступающего в карбюратор, измеряется путем помещения нескольких ударных трубок непосредственно в воздушный поток, создавая давление, которое представляет собой плотность воздуха. Давление в ударной трубке подводится к «камере B» на стороне диафрагмы дозирования воздуха, наиболее удаленной от корпуса карбюратора. По мере увеличения давления воздуха в камере B диафрагма перемещается к корпусу карбюратора. [14]
Разница в давлении между камерами A и B создает так называемую дозирующую силу воздуха ». [14]
Вторая диафрагма - это часть регулятора для дозирования топлива, она расположена дальше всего от корпуса карбюратора. Он измеряет разницу в давлении топлива, измеренную в двух точках внутри самого регулятора. Камеры C и D находятся на противоположных сторонах диафрагмы дозирования топлива. [14]
- Камера C содержит «неизмеренное топливо», то есть топливо, поступающее в карбюратор. [14]
- В камере D находится «дозированное топливо», то есть топливо, которое уже прошло через форсунки, но еще не впрыснуто в воздушный поток. [14]
Разница в давлении между двумя топливными камерами создает дозирующую силу топлива .
Сила дозирования воздуха из камер A и B противостоит силе дозирования топлива из камер C и D. Эти две силы объединяются в движение сервоклапана, чтобы отрегулировать поток топлива до точного количества, необходимого для нужд двигателя, и потребности пилота. [14]
Операция
Когда двигатель запустился, воздух начал проходить через трубку Вентури наддува, в результате чего давление (называемое частичным вакуумом, поскольку оно ниже атмосферного, но не полное) в трубке Вентури упало в соответствии с принципом Бернулли . Это приводит к падению давления воздуха в камере А пропорционально частичному разрежению в трубке Вентури наддува. [14]
В то же время воздух, поступающий в карбюратор, сжимает воздух в ударных трубках, создавая в камере B положительное давление, пропорциональное плотности и скорости воздуха, поступающего в двигатель. Разница в давлении между камерой A и камерой B создает дозирующую силу воздуха, которая открывает сервоклапан, позволяя топливу поступать в регулятор подачи топлива. [14]
Давление топлива из топливного насоса давит на диафрагму в камере C, перемещая сервоклапан в закрытое положение. Топливо также поступает в клапан регулирования смеси, который закрыт в положении отключения холостого хода и открыт во всех остальных положениях.
Камера C и камера D соединены топливным каналом, в котором расположены дозирующие форсунки . Когда рычаг управления смесью перемещается из положения отключения холостого хода , топливо начинает течь через дозирующие жиклеры в камеру D, где оно становится дозированным топливом. [14]
Выпускной клапан подпружинен до заданного давления нагнетания, действующего как ограничение переменного размера для поддержания постоянного давления в камере D, несмотря на изменяющиеся скорости потока топлива. Клапан открывается, когда давление нагнетаемого топлива превышает усилие пружины, тем самым снижая давление топлива для поддержания сбалансированного положения с усилием пружины. [14]
Топливная смесь автоматически регулируется по высоте с помощью автоматического регулирования смеси. Он работает путем выпуска воздуха с более высоким давлением из камеры B в камеру A, когда он проходит через конический игольчатый клапан. Игольчатый клапан управляется анероидным сильфоном, который измеряет атмосферное давление, вызывая наклон смеси с увеличением высоты. [14]
После взлета и достижения крейсерской высоты пилот переводит регулятор смеси из автоматического режима обогащения в режим автоматического обеднения . Это уменьшает поток топлива, закрывая проход через форсунку обогащенной смеси . Результирующее уменьшение потока приводит к дисбалансу дозирующей топливной диафрагмы, в результате чего дозирующий топливный клапан меняет положение, тем самым снижая расход топлива до настройки автоматического обедненного потока. [14]
В случае боевой или аварийной ситуации регулятор смеси может быть переведен в положение автоматической обогащения , обеспечивая дополнительное топливо для двигателя, или в военном самолете в военное положение, если самолет так оборудован. Когда вы находитесь в боевом положении, система Anti-Detonation Injection (ADI) активируется, впрыскивая жидкость ADI во впускную систему двигателя. Давление в системе ADI перемещает диафрагму обогащения в регуляторе подачи топлива, чтобы перекрыть струю обогащения , уменьшая поток топлива до более бедной смеси, которая обеспечивает более высокую мощность двигателя за счет повышения среднего эффективного давления . Это вызывает повышение температуры головки цилиндров до очень высокого уровня, что резко увеличивает риск детонации (см .: детонация двигателя ). Добавление жидкости ADI повышает среднее октановое число заряда, предотвращая преждевременное воспламенение, а также снижает температуру цилиндров до более приемлемого уровня. Поскольку эта операция выводит двигатель за пределы его нормальных проектных ограничений, такая установка мощности не подходит для длительного использования. После того , как ADI жидкость исчерпана или если управление смесью клапан перемещаются из военного положения, давление derichment диафрагмы управления подачей топлива теряется, и derichment струя открыта снова для нормального потока топлива. [15]
Варианты
Бендикс-Стромберг произвел карбюраторы различных стилей и размеров, каждый из которых мог быть откалиброван для конкретного двигателя и планера.
Есть четыре стиля: [16]
- Одноствольный карбюратор PS
- Карбюратор с двойным цилиндром ПД
- Карбюратор PT с тройным цилиндром
- ПР карбюратор прямоугольного сечения
Каждый из этих стилей доступен в нескольких размерах с использованием измерений площади отверстия на прямоугольном отверстии или специальной системы для круглых отверстий и фактических квадратных дюймов площади горловины для прямоугольного отверстия. [16]
- PS стиль
- Одинарное круглое горло, с небольшими изменениями может устанавливаться восходящим, нисходящим и горизонтальным потоками
- ПС-5, ПС-7, ПС-9 [16]
- PD стиль
- Двойное круглое горло, возможность установки восходящего и нисходящего потока с небольшими изменениями
- ПД-7, ПД-9, ПД-12, ПД-14, ПД-16, ПД-17, ПД-18 [16]
- PT стиль
- Горловина с тройным круглым отверстием, возможность установки восходящего и нисходящего течения с небольшими изменениями
- ПТ-13 [16]
- PR-стиль
- Два или четыре прямоугольных горловины, можно установить восходящий и нисходящий потоки с небольшими изменениями.
- ПР-38, ПР-48, ПР-52, ПР-53, ПР-58, ПР-62, ПР-64, ПР-74, ПР-78, ПР-88, ПР-100 [16]
Bendix использовал специальный метод для определения круглых отверстий карбюратора. Первый дюйм диаметра отверстия используется как базовое число один, затем каждая четверть дюйма увеличения диаметра добавляет единицу к базовому числу. [16]
Примеры:
- отверстие 1-1 / 4 дюйма будет закодировано как размер 2 (номер основания 1 + 1 для диаметра 1/4 дюйма более 1 дюйма)
- отверстие 1-1 / 2 дюйма будет закодировано как номер размера 3 (номер основания 1 + 2 для двух 1/4 дюйма более 1 дюйма),
- и так далее до размера 18 (номер основания 1 + 17 для семнадцати делений на 1/4 дюйма над основанием в 1 дюйм).
- Наконец, 3/16 дюйма добавляется к закодированному размеру для фактического диаметра готового отверстия.
Используя в качестве примера диаметр отверстия 18, мы можем рассчитать фактический размер отверстия следующим образом:
- Первый дюйм представлен базовым номером один, и мы вычитаем его из числа размера 18. В результате остается 17 единиц размером в четверть дюйма, или 17/4, что сокращается до 4-1 / 4 дюйма.
- Добавив базовое число в один дюйм, мы получим отверстие 5-1 / 4 дюйма.
- Наконец, мы добавляем 3/16, чтобы получить в итоге диаметр 5-7 / 16 дюймов для каждого из двух отверстий в корпусе карбюратора PD-18.
Каждый номер модели карбюратора включает в себя стиль, размер и конкретную букву модели, за которой может следовать номер версии. Каждое приложение (конкретная комбинация двигателя и планера) затем получает «номер списка», который содержит список конкретных частей и технологическую схему для этого приложения. Излишне говорить, что в главном каталоге есть сотни списков деталей и технологических схем. [16]
Приложения
Как правило, карбюраторы типа PS используются в двигателях с оппозитными поршнями на легких самолетах и вертолетах. Двигатель может быть установлен в носовой части, хвосте, крыле или внутри планера. Двигатель можно устанавливать как вертикально, так и горизонтально. [16]
Карбюраторы типа PD предназначены для рядных и радиальных двигателей от 900 до 1900 кубических дюймов. [16]
Карбюраторы типа PT обычно используются в двигателях объемом от 1700 до 2600 кубических дюймов [16]
Карбюраторы типа PR используются в двигателях объемом от 2600 до 4360 кубических дюймов [16]
Рекомендации
Заметки
- ^ Стромберг авиационные карбюраторы стр. 16
- ^ Schlaifer, глава XVIII, стр 509-546
- ^ Таблица применения карбюратора Stromberg, собрание автора
- ^ Schlaifer, р 509
- ^ Торнер стр 46-47
- ^ Thorner р 47
- ^ a b Schlaifer, p 515
- ^ Торнер стр 129-130
- ^ Карбюраторы Стромберг самолетов с 16-17
- ^ a b Карбюраторы Stromberg Aircraft стр.18
- ^ Schlaifer, р 514
- ^ Шлайфер стр. 522
- ^ Торнер стр 70-71
- ^ a b c d e f g h i j k l m n Впрыск под давлением, Чарльз А. Фишер, AMIMech.E, MIAE in Flight , 11 сентября 1941 г., стр. 149-152
- ^ Пит Лоу, презентация ADI
- ^ a b c d e f g h i j k l Электронная таблица CarbApps05.xls, собрание автора
Библиография
- Список применений карбюратора Stromberg, Bendix-Stromberg, без даты.
- Торнер, Роберт Х., Aircraft Carburetion , John Wiley & Sons, Нью-Йорк и Лондон, 1946 г.
- Впрыск под давлением, полет , 11 сентября 1941 г.
- Шлайфер, Роберт, Разработка авиационных двигателей , Гарвардский университет, Бостон, 1950 г.
- Ло, Питер, презентация ADI для AEHS, с веб-сайта AEHS
- Stromberg Aircraft Carburation, Bendix Corp без даты, но до 1940 г.
- Карбюраторы Bendix, Flight ,
- Учебное пособие, RSA Fuel Injection System , Precision Airmotive Corp., январь 1990 г.
- Руководство по эксплуатации карбюратора Bendix серии PS, 1 апреля 1976 г.