plik

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 1 / 26

6 Napędy statków lotniczych

Silniki lotnicze można podzielić na:



silniki tłokowe (objętościowe) - stosowane w mniejszych maszynach



silniki turbinowe:

silnik turboodrzutowy dwuprzepływowy,
silnik turbowentylatorowy
silniki turbośmigłowe, turbowałowe



bezsprężarkowe:

silnik strumieniowy
silnik pulsacyjny

Typy silników odrzutowych:



silnik rakietowy



silniki odrzutowe przelotowe:



bezsprężarkowe:



silnik strumieniowy



silnik pulsacyjny



sprężarkowe:



motorjet (przestarzały - silnik tłokowy napędza sprężarkę)



silnik turboodrzutowy



ze sprężarką odśrodkową



ze sprężarką osiową



silnik turboodrzutowy dwuprzepływowy



silnik turbowentylatorowy

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 2 / 26

Silnik lotniczy tłokowy

Tłokowe silniki lotnicze dzielą cię na
– rzędowe

płaskie

bokser

widlaste

– gwiazdowe
Zdecydowany prymat w wiodą silniki w pracujące czterosuwowe z zapłonem iskrowym, do rzadkości należą silniki
samoczynnym (z uwagi na większą masę) i silniki dwusuwowe – z uwagi na zwiększone zużycie paliwa i genero-
wany hałas.
Silnik lotniczy tłokowy cechuje:



Lekkość konstrukcji. Aby zmniejszyć masę konstrukcji stosuje się:



niższe tłoki, krótsze korbowody niż w silnikach samochodowych,



stopy glinu i magnezu, czasem kompozyty - materiały lekkie i wytrzymałe.



wielocylindrowość, celem dobrego wyrównoważenia silnika.



znaczne wysilenie uzyskiwane poprzez wysokie obroty pracy, i duże ciśnienie użyteczne, co wymusza
użycie paliw o dużej liczbie oktanowej i wysokiej jakości olejów silnikowych,



lekkie układy rozruchowe – często oparte na urządzeniach bezwładnościowych (koło zamachowe w
układzie rozrusznika, czasem rozruch pneumatyczny)



brak koła zamachowego silnika (rolę tą pełni śmigło).



Przystosowanie do pracy w różnych pozycjach samolotu:



układ smarowania zapewniający pracę pompy oleju i smarowanie istotnych elementów silnika przez ca-
ły czas jego pracy



układ zasilania zapewniający z jednej strony dostarczanie do silnika nieprzerwanie paliwa, zapewnienia
odpowiedniego odpowietrzania i zabezpieczenia przed wylaniem paliwa podczas lotu.

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 3 / 26



układ chłodzenia zapewniający równomierność chłodzenia cieczą, bądź wymagany przepływ powietrza
chłodzącego cylindry. Istnieją żaluzje zapobiegajace wychłodzeniu silnika podczas lotu zniżającego z
minimalną mocą,



właściwe uszczelnienie silnika zapobiegające wypływowi cieczy eksploatacyjnych na zewnątrz.



Przystosowanie do pracy na różnych wysokościach. Stosuje się układów doładowania np. turbosoprężarki w
celu kompensacji wysokości lotu.



Niezawodność i pewność pracy. Stosuje się:



dwie świece zapłonowe na każdy cylinder



dwa układy zapłonowe działające niezależnie od siebie



lekkie lecz wydajne układy chłodzenia oleju silnikowego



filtry powietrza wyposażone w układy podgrzewające i chroniące przed oblodzeniem dopływu powie-
trza do pracy silnika

Wady silnika tłokowego:



Duża liczba części silnika podlegających kontroli (układ zapłonowy, zasilania, smarowania, rozrządu)



duża czasochłonność obsługi bieżącej silnika.



Znaczny wzrost masy i złożoności konstrukcji w miarę wzrostu mocy



Duża zależność osiągów od pułapu lotu (zastosowanie silnika doładowanego zwiększa masę)



Duża średnica śmigła w razie dużej mocy silnika.

Współcześnie lotnicze silniki tłokowe spotyka się głównie w samolotach: szkolnych, akrobacyjnych, małych samo-
lotach dyspozycyjnych, większości samolotów rolniczych, motoszybowcach, sporadycznie w śmigłowcach, gdy nie
jest wymagany wysoki pułap lotu. Dysponowane moce wynoszą od kilkudziesięciu KM do 1000 KM . Silniki o
mocach rzędu do 400 KM są najczęściej w układzie płaskim (6 cylindrów, rzadziej 4 cylindrów). W większych mo-
cach dominują silniki gwiazdowe (7 lub 9 cylindrów).

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 6 / 26

Silnik gwiazdowy

Jest  to  wielocylindrowy  silnik  spalinowy,  w  którym  cylindry  umieszczone  są  promieniowo  na  obwodzie  koła,  z
centralnym wałem korbowym. Silnik gwiazdowy może zawierać od trzech do kilkunastu cylindrów.  Liczba cylin-
drów  w  danej  gwieździe  jest  nieparzysta.  Kilkunastocylindrowe  silniki  gwiazdowe  budowane  są  w  układzie  po-
dwójnej, a czasem i poczwórnej gwiazdy (np. silniki do Boeing B-50 Superfortress).
Silniki gwiazdowe chłodzone są powietrzem. Silniki tego typu stosowane są przede wszystkim do napędzania  sa-
molotów śmigłowych ze względu na lekkość (dzięki chłodzeniu powietrzem), dużą odporność na uszkodzenia oraz
dobre warunki chłodzenia.

Zalety



Zwarta konstrukcja



Krótki wał korbowy łożyskowany na łożyskach tocznych



Skuteczność chłodzenia powietrzem



Mała masa jednostkowa



Odporność na uszkodzenia bojowe



Łatwość uzyskiwania dużych mocy.

Wady



Duża średnica utrudniająca zabudowę w lekkim płatowcu



Zwiększony opór powietrza

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 10 / 26

Silnik odrzutowy

– silnik wykorzystujący zjawisko odrzutu. Wyrzucane z dużą prędkością gazy będące

produktem spalania, wywołują powstanie siły ciągu.

Silniki turbinowe

turbowałowe
turbośmigłowe
turboodrzutowe
turbowentylatorowe

W silniku odrzutowym przelotowym jest obieg Braytona-Joule'a. Maksymalna temperatura obiegu ograniczana

jest od góry przez żaroodporność i żarowytrzymałość pierwszych stopni turbiny.

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 11 / 26

Silnik turbośmigłowy

Silnik turbośmigłowy –wykorzystujący turbinę gazową do poruszania zewnętrznego śmigła napędowego. Wydo-
stające się z silnika spaliny mają relatywnie małą energię w porównaniu z wydalanymi przez silnik turboodrzutowy,
z tego też względu w małym stopniu odpowiadają za napędzanie statku powietrznego. Odrzut może stanowić około
20% całości ciągu zespołu silnika turbośmigłowego.

Schemat silnika turbośmigłowego

Śmigło jest sprzężone z turbiną przy pomocy przekładni o przełożeniu rzędu ok. 15:1 redukującym prędkość obro-
tową i zwiększającym moment obrotowy. Samo śmigło jest zwykle stałoobrotowe, podobnie jak w większych lotni-
czych silnikach tłokowych.
Obecnie silniki turbośmigłowe są głównie używane w małych samolotach poddźwiękowych, niektóre z nich osiąga-
ją prędkości przelotowe przekraczające 500 węzłów (926 km/h). Są stosowane do napędu mniejszych samolotów
liniowych, samolotów szkolno-treningowych, również dużych samolotów transportowych z silnikami turbośmi-
głowymi. Silnik turbośmigłowy może osiągnąć moc ok. 20000 KM, dla porównania największe lotnicze silniki tło-
kowe osiągają moc wynosi około 5000 KM.

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 12 / 26

Silniki turbośmigłowe są bardzo wydajne przy małych prędkościach przelotowych (poniżej 450 mil/h), co jest
związane ze sprawnością śmigła. Posiadają małą masę, wymagają mniej czasu na obsługę bieżącą niż silniki tłoko-
we, spalają tańsze paliwo (kerozyna).

Silnik turbowałowy

Silnik turbowałowy - silnik turbinowy, w którym a turbina jest zaprojektowana tak, aby możliwie dużą część ener-
gii spalin zamienić na energię mechaniczną i przekazywać na wał (śmigło). Jeszcze większy niż w przypadku silni-
ka turbośmigłowego pobór mocy przez turbiny powoduje całkowity zanik ciągu w dyszy wylotowej.

Uproszczony schemat silnika turbowałowego.

Silnik turbowałowy są stosowane np. w samolotach i śmigłowcach. Poza lotnictwem, silnik tego typu bywa stoso-
wany np. w czołgach.

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 13 / 26

Silnik turboodrzutowy

Silnik turboodrzutowy – napędza samolot poprzez odrzut gazów

Schematyczny przekrój silnika turboodrzutowego a) ze sprężarką osiową. b) ze sprężarką odśrodkową

Powietrze zasysane jest i sprężane przez sprężarkę osiową lub promieniową. Następnie trafia do komory spalania,
przeważnie jest to kilka komór rozmieszczonych obwodowo wokół osi silnika. Podawane  przez wtryskiwacze pa-
liwo  zapala  się  od  rozgrzanych  spalin  (w  momencie  rozruchu  paliwo  zapalane  jest  świecą  zapłonową).  Spalanie
paliwa zwiększa temperaturę gazów w komorze spalania. Gorące gazy spalinowe napędzają turbinę, która napędza
zwrotnie  sprężarkę.  Ciąg  silnika  wynika  z  różnicy  pędu  gazów  wpadających  przez  wlot  i  opuszczających  silnik
przez dyszę wylotową ze zwiększoną prędkością.

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 14 / 26

Silnika turboodrzutowy jednoprzepływowy

Silnik turbowentylatorowy

Silnik turboodrzutowy dwuprzepływowy w którym główny strumień powietrza rozdziela się na przepływ
wewnętrzny i przepływ zewnętrzny. Strumienie powietrza rozdzielają się za lub pierwszymi stopniami sprężarki
silnika. Przepływ zewnętrzny omija dalsze stopnie sprężarki kierując się kanałem wzdłuż całego silnika bezpo-
średnio w kierunku dyszy wylotowej silnika. Przepływ wewnętrzny kierowany jest na stopnie sprężarki i bierze

udział  w  spalaniu  paliwa.  Silnik  dwuprzepływo-
wy  może  mieć  jeden  wał,  częściej  spotyka  się
układy  dwuwałowe.

W samolotach komunika-

cyjnych są wypierany przez silniki ekonomicz-
niejsze silniki turbowentylatorowe.

Na zdjęciu silnik dwuprzepływowy D-30 (samoloty
np. IŁ-62M, Tu-154M)

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 15 / 26

Silnik turbowentylatorowy

to odmiana silnika turboodrzutowego dwuprzepływowego o dużym stosunku

dwuprzepływowości (BPR - By-Pass Ratio). Wyposażony w dużej średnicy wentylator, który spręża wstępnie po-
wietrze i które zostaje skierowane na dwa tory:

1.  Na silnik właściwy, czyli dalsze stopnie sprężarek, a następnie do komory spalania silnika i na turbinę.
2.  Do kanału zewnętrznego, z którego jest kierowane bezpośrednio do atmosfery
3.  Gorące sprężone gazy opuszczające komorę spalania napędzają turbiny wysokiego i niskiego ciśnienia (tur-

biny te napędzają z kolei sprężarki) oddając im część energii a następnie wypływają przez dyszę wylotową,
rozprężając się w niej i przyśpieszając, co generuje pozostałą część ciągu takiego silnika.

Silnik turbowentylatorowy jest rozwinięciem silnika dwuprzepływowego którego celem jest mniejsze jednostkowe
zużycie paliwa. Dodatkowo mniejsza prędkość gazów wylotowych przyczynia się do znacznego obniżenia hałaśli-
wości pracy silnika. Mają z reguły konstrukcję dwuwałową (wały współosiowe) łączące odpowiednio stopnie turbi-
ny niskiego ciśnienia z wentylatorem i stopnie turbiny wysokiego ciśnienia ze sprężarką wysokiego ciśnienia.

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 19 / 26

Sprawność  napędowa  silnika  turbowentylatorowym  jest  większa  od  sprawności  napędowej  jedno-  i  dwuprzepły-
wowego silnika turboodrzutowego ze względu na większy wydatek masowy i mniejszą prędkość przepływającego
czynnika przy tym samym ciągu, co powoduje mniejsze straty energii.
Podział na silnik turbowentylatorowy i dwuprzepływowy jest dość płynny i raczej umowny, wynika to z proporcji
przepływu zewnętrznego do wewnętrznego silnika.
Silniki  dwuprzepływowe  konstrukcyjnie  mają  zewnętrzny  przepływ  czynnika  w  konturze  silnika.  Umożliwia  to
zabudowę takiego silnika np. w myśliwcach. Dodatkowo taki układ przepływów daje możliwość stosowania dopa-
laczy w dyszy wylotowej silnika.
W silniku turbowentylatorowym czynnik roboczy za wentylatorem opuszcza konstrukcyjnie silnik, kierując się do
atmosfery. Powoduje to mniejsze straty przepływu i zwiększa sprawność napędową.
Jest to najczęściej obecnie stosowany typ silnika odrzutowego w lotnictwie komunikacyjnym. Decyduje o tym:



duży ciąg jednostkowy, zwłaszcza podczas startu samolotu.



małe jednostkowe zużycie paliwa.



niski poziom hałasu.

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 20 / 26

Dopalacz

– urządzenie stosowane w samolotach bojowych (rzadziej w cywilnych) w celu zwiększania ciągu

silnika turboodrzutowego, poprzez spalanie dodatkowego paliwa za  turbiną. Daje to przyrost ciągu o kilkadziesiąt
procent (o nawet ponad 50% ).
Dopalacz to zestaw urządzeń (pompy paliwa, wtryskiwacze, stabilizatory płomienia, dysza wylotowa z regulowa-
nym  polem  przekroju,  układ  automatycznej  regulacji)  polegającego  na  wtryskiwaniu  dodatkowej  ilości  paliwa  i
spalaniu  za  turbiną,  w  celu  podwyższenia  temperatury  przepływających  gazów.  Włączeniu  dopalania  towarzyszy
odpowiednie automatyczne zwiększenie przekroju dyszy wylotowej, w celu utrzymania niezmiennego ciśnienia za
turbiną.
Ze względu na niską sprawność termodynamiczną (wynikającą z niskiego już stosunkowo stopnia sprężania za tur-
biną) i związane z tym wysokie zużycie paliwa na jednostkę ciągu, dopalanie włączane jest tylko w niektórych fa-
zach lotu, jak start, przyśpieszanie, fragmenty misji bojowej.

Pracujący dopalacz silnika turboodrzutowego. Widoczny strumień gazu o wysokiej temperaturze i efekty po-

wstającego na wylocie z dyszy układu fal uderzeniowych .

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 21 / 26

Ciąg wektorowany

Jest to rozwiązanie konstrukcyjne pozwalające na zmianę (w pewnym zakresie) kierunku wektora siły ciągu silnika
odrzutowego i rakietowego względem własnej osi podłużnej. Kierowanie wektorem ciągu uzyskuje się przez zmia-
nę kąta pomiędzy osiami symetrii dyszy wylotowej a pozostałej części silnika. Samoloty wyposażone w silniki z
wektorowanym ciągiem odznaczają się podwyższoną manewrowością przez co mogą wykonywać figury akroba-
cyjne wymagające dużej zwrotności, mają możliwość wykonywania skróconych lub całkowicie pionowych startów
i lądowań (VTOL i STOL). Rozwiązanie to cechuje się trudnościami kontroli samolotu, co wymaga najnowocze-
śniejszych elektronicznych systemów kontroli aerodynamiki płatowca oraz wektora ciągu.
Pierwszym samolotem wyposażonym w ciąg wektorowany był brytyjski Harrier .Wektorowanie ciągu polega w tym
przypadku na obrocie całych dysz silnika (samolot posiada jeden silnik z kilkoma dyszami). Dzięki temu Harier ma
możliwość wykonywania lotu charakterystycznego dla śmigłowców: zawisu, przemieszczeń bocznych a także lotu
do tyłu.

Eurojet EJ2000 - silnik z wektorowanym ciągiem samolotu Eurofighter Typhoon

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 22 / 26

Silnik strumieniowy

(ang. ramjet) jest specyficzną odmianą silnika odrzutowego - nie ma żadnych części ruchomych. Jego konstrukcja
jest pozornie prosta: komora spalania z dyszą, wtryskiwacze paliwa i stabilizatory płomienia.

Komora spalania silnika strumieniowego jest ukształtowana tak, aby napływające z przodu  powietrze zmniejszało
prędkość przepływu i ulegało sprężaniu w dyfuzorze wlotowym. Stabilizatory mają za zadanie wytworzyć zawiro-
wania  mieszanki  paliwowo  -  powietrznej.  To  pozwala  zapalić  mieszankę  i  utrzymać  proces  spalania.  Do  urucho-
mienia silnika konieczne jest rozpędzenie do kilkuset kilometrów na godzinę.
Silnik strumieniowy może pracować w bardzo wąskim zakresie ciągu. Regulację można uzyskać przez jednoczesną
zmianę geometrii dyfuzora i ilości paliwa. Silniki strumieniowe znalazły zastosowanie głównie w technice wojsko-
wej; służą do napędu szybkich manewrujących pocisków odrzutowych dalekiego zasięgu. Do rozpędzenia pocisków
do odpowiedniej prędkości stosowane są silniki rakietowe lub są one wystrzeliwane z szybko lecących samolotów.
Próbowano też stosować małe silniki strumieniowe, zamocowane na końcach łopat wirnika głównego, do napędu
śmigłowców. Cały napęd mocno był niepewny.

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 23 / 26

Scramjet

(Supersonic Combustion Ramjet) jest silnikiem strumieniowym z naddźwiękową komorą spalania, mogącym być
stosowanym w zakresie prędkości znacznie przewyższających zwykły silnik strumieniowy. Stosowanie takiego sil-
nika znajduje uzasadnienie nawet do prędkości hiperdźwiękowej odpowiadającej liczbie Macha ponad 20.

Schemat silnika typu scramjet.

Do dyfuzora wlotowego naddźwiękowego silnika strumieniowego wpada strumień powietrza z prędkością przekra-
czającą prędkość dźwięku i ulega naddźwiękowemu spowolnieniu, sprężeniu, powodując wzrost temperatury. Na-
stępnie w komorze spalania dodawane jest paliwo, które spala się w strumieniu nadal poruszającym się z prędkością
naddźwiękową, powodując dalszy wzrost jego temperatury. W rozszerzającej się dyszy wylotowej, strumień roz-
pręża się, ochładza i przyśpiesza dając ciąg.

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 24 / 26

Silnik pulsacyjny

Jest to odmiana silników odrzutowych bez zespołu sprężarki. Najbardziej znanym zastosowaniem tego silnika była
skrzydlata bomba V-1.

1. Zasysanie powietrza i tworzenie mieszan-

ki, 2. wybuch, 3 wylot spalin.

Spalanie paliwa w silniku pulsacyjnym ma charakter powtarzalnych eksplozji ( w V1 ok. 45 Hz). W czasie spalania
porcji  mieszanki  paliwowo-powietrznej  ciśnienie  w  komorze  spalania  dociska  sprężynowe  żaluzje  (rodzaj  zawo-
rów), zamykając wlot powietrza. Fala ciśnienia przemieszcza się rurą wylotową. Przy odpowiednio długiej rurze po
przejściu  fali  powstaje  podciśnienie,  powodujące  otwarcie  sprężynowych  żaluzji  i  powodujących  zasysanie  przez
wlot nowej porcji powietrza. Kiedy silnik się rozgrzeje zapłon świeżych porcji mieszanki następuje samoczynnie.
Silniki pulsacyjne mają statycznie bardzo niewielki ciąg, rosnący w miarę wzrostu prędkości. Wymagają zastoso-
wania dodatkowego silnika, lub wyrzutni ( V-1). Dodatkowo pulsacyjne spalanie generuje hałas i jest źródłem sil-
nych  wibracji.  Z tego względu są niepraktyczne  w zastosowaniu.  Jedynymi ich zaletami jest prosta konstrukcja i
niewielkie wymagania materiałowe.

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 25 / 26

Paliwa lotnicze

Benzyna lotnicza

Paliwem właściwy dla tłokowych silników lotniczych jest benzyna lotnicza (typu AVGAS) . Różni się na od ben-
zyn typu MOGAS (czyli samochodowych) nie tylko wartością liczby oktanowej, ale również samym procesem pro-
dukcji: AVGAS posiada dodatkowe, chemiczne związki uszlachetniające, a jakość jej destylacji w procesie techno-
logicznym jest dużo wyższa. Wartość liczby oktanowej dla benzyny samochodowej nie można odnosić do benzyny
lotniczej.

benzyny lotnicze mogą posiadać liczbę oktanową ponad 100.

Paliwa lotnicze o wysokich liczbach oktanowych dostępne w Polsce to:



benzyna lotnicza AVGAS 100LL o (o zawartości ołowiu do 0,56 g na litr paliwa) barwiona na niebiesko
przeznaczona do silników tłokowych;



benzyna lotnicza AVGAS 91/115 (o zawartości ołowiu do 1,6 g na litr paliwa) barwiona na zielono przezna-
czona do starszych silników tłokowych (tylko silniki Asz-62IR i AI 14R).

Paliwem o największej liczbie oktanowej jest benzyna lotnicza AVGAS 115/145 barwiona na purpurowo — paliwo
to stosowano do silników tłokowych o najwyższych mocach podczas II Wojny Światowej i Wojny Koreańskiej,
obecnie jest dostępne u niektórych producentów wyłącznie na specjalne zamówienie dla niektórych historycznych
samolotów.

Nafta lotnicza, kerozyna

Stosowana jako paliwo lotnicze (pod nazwą „kerozyna” lub „nafta lotnicza”). Jest paliwem znacznie tańszym od
benzyny oraz oleju napędowego. Stosowana głównie jako paliwo do silników turbinowych. Z uwagi na niską liczbę
cetanową i liczbę oktanową, jest nieprzydatna do zasilania silników zarówno o zapłonie iskrowym, jak i samoczyn-
nym. Produkcja kerozyny jest relatywnie tania, ponieważ paliwo to powstaje praktycznie wyłącznie w procesie rek-
tyfikacji ropy naftowej, bez dodatkowych procesów uszlachetniających, stosowanych przy produkcji innego rodzaju
paliw.

T.Piechowiak 6 Napędy statków powietrznych 26 / 26

Auxiliary power unit

APU - pomocnicza jednostka mocy, jest to mały niezależny generator używany do uruchamiania głównych silni-
ków samolotów zazwyczaj przy pomocy sprężonego powietrza, zapewnienia energii elektrycznej, ciśnienia w ukła-
dach hydraulicznych, oraz klimatyzacji wnętrza podczas postoju na lotnisku. W niektórych samolotach jednostka
APU dostarcza jedynie energii elektrycznej także podczas lotu o dużej mocy, potrzebną do FLY BY WIRE.
Obecnie urządzenia APU są to najczęściej małe turbiny gazowe napędzające sprężarki powietrza, instalowane po-
wszechnie w samolotach w tylnej części kadłuba.

Jednostka APU stosowana w samolotach serii Airbus 320