myFTO.net - Dobra Szkoła Latania

Zarządzanie składem mieszanki paliwo powietrznej to jeden z najbardziej tajemnych elementów sztuki latania. Istnieje wiele teorii i zasad w środowisku pilotów, jednak często ich pochodzenie nie ma nic wspólnego ze zrozumieniem tematu. Czerwona gałka bardziej kojarzona jest z mechanizmem do wyłączania silnika niż narzędziem to optymalizacji zużycia paliwa i mocy. Umiejętne zarządzanie składem mieszanki może mieć istotny wpływ na zużycie silnika a co za tym idzie na bezpieczeństwo. W wyniku właściwego dostosowania mieszanki paliwowo powietrznej można istotnie zmniejszyć temperaturę spalania co przy dłuższej eksploatacji znacznie opóźnia takie zjawiska jak wypalanie się zaworów lub powstanie pęknięć w głowicy silnika. Prawidłowo eksploatowany silnik zachowuje większą szczelność a co za tym idzie lepsze parametry pracy oraz większy margines bezpieczeństwa z uwagi na to, że skłonność do awarii również ulega zmniejszeniu.

Warto dowiedzieć się więcej o czerwonej gałce i zrozumieć czym tak naprawdę zawiaduje. Wielu pilotów, zwłaszcza na początku swojej przygody z lataniem obawia się manewrowania mieszanką w czasie lotu. Wynika to często z tego, że w procesie szkolenia w ogóle nie używa się tego elementu, jednak przy samolotach większych od dwumiejscowej C152 oraz silnikach o większej mocy zarządzanie mieszanką to konieczność. Istnieje dosłownie kilka przypadków w których nieprawidłowe przemieszczenie dźwigni mieszanki może przysporzyć kłopotów w czasie lotu, trzeba posiąść tę wiedzę i operować nią świadomie. Po lekturze tego wpisu będziecie patrzyć na czerwoną gałkę z zupełnie innej perspektywy.

Co się tak naprawdę pali
Każdy chyba oglądał film akcji w którym wyciekające paliwo z rozbitego samochodu sączy się po jezdni prosto w kierunku czegoś co akurat pali się żywym ogniem. W chwili, kiedy język rozlanego płynu dotyka otwartego ognia, wznieca się płomień, który wędruje z powrotem w stronę rozbitego auta, żeby po chwili spowodować eksplozję zbiornika z paliwem. Odpowiedzią na pytanie dlaczego rozlane paliwo pali się powoli a to w zbiorniku wybucha gwałtownie jest mieszanka.

Paliwo samo z siebie nie jest palne, jeżeli wylejecie szklankę benzyny na palącą się zapałkę najpewniej zgasicie ją, zalewając płomień. W takim przypadku mamy do czynienia z mieszkanką zbyt bogatą, żeby się palić, ale o tym za chwilę. Wracając do sceny z filmu z płomieniem, który właśnie wędruje w kierunku rozbitego samochodu po rozlanym paliwie. Jeżeli przypatrzycie się dobrze z boku to zauważycie, że między powierzchnią płynnego paliwa a płomieniem istnieje odstęp, to dlatego, że zapłonowi ulegają opary paliwa, ale dopiero wtedy, gdy wymieszają się z powietrzem w odpowiednim stosunku. Opary paliwa unosząc się mieszają się z coraz większą ilością powietrza, tuż nad powierzchnią paliwa mieszanka jest zbyt bogata, żeby się palić, zatem zapłon powstaje w chwili, kiedy opary osiągną odpowiednie nasycenie powietrzem pozostawiając warstwę tuż nad powierzchnią płynu, która nie ulega zapłonowi. Unosząc się wyżej mieszanka powietrza i oparów paliwa jest coraz uboższa mieszając się z coraz większą ilością powietrza, aby w pewnym momencie być zbyt ubogą, żeby dalej płonąć.

Wiemy już co się dzieje z mieszanką paliwa na otwartym powietrzu, ale dlaczego zbiornik paliwa ulega eksplozji, w momencie, gdy płomień dotrze do niego? Otóż nie zawsze musi się tak stać, jeżeli zbiornik będzie pełen paliwa to mieszanka w zbiorniku będzie zbyt bogata, żeby się palić i płomień po prostu zgaśnie. Istnieje możliwość, kiedy paliwa w zbiorniku będzie na tyle mało, żeby pusta część zbiornika mogła wypełnić się mieszanką oparów paliwa i powietrza w takim stosunku, który pozwoli na powstanie płomienia. Wtedy nastąpi zapłon i bardzo dynamiczne spalenie się powstałej mieszanki, tak właśnie, nie jest to eksplozja tylko dynamiczne rozprzestrzenienie się płomienia między cząsteczkami mieszanki. Tak naprawdę spece od efektów specjalnych muszą dołożyć sporo trotylu, żeby samochód wyleciał w powietrze, żeby liczyli na samo paliwo w zbiorniku filmy akcji byłyby dość nudne.

Fakt, że paliwo w postaci płynnej nie pali się jest bardzo korzystny, wyklucza bowiem, sytuację w której samo paliwo bez mieszanki z powietrzem mogłoby się zapalić w zbiorniku. To samo dotyczy butli z gazem powszechnego użytku w których dodatkowo stosuje się zawór zwrotny, zapobiegający dostawaniu się powietrza do środka butli i powstania palnej mieszanki w jej wnętrzu.

Spalanie jest kwestią mieszanki
Wszystko o czym dowiedzieliście się do tej pory można przenieść do wnętrza silnika, który napędza wasz samolot, oczywiście środowisko jest nieco inne, ale zasada ta sama. W dalszej części wpisu będziemy omawiać przypadek silnika bez wtrysku paliwa i bez turbosprężarki, zatem silnik gaźnikowy najczęściej stosowany w małych samolotach general aviation.

Miedzy dwoma wspomnianymi już wcześniej skrajnymi stosunkami składu mieszanki z których w jednym przypadku jest ona zbyt uboga żeby się palić a w drugim zbyt bogata, istnieje wąski przedział w którym dochodzi do spalania. Właśnie ten przedział będziemy rozpatrywać w dalszej części wpisu. Rzućcie okiem na poniższy wykres.

Wykres obrazuje zmianę składu mieszanki od 0% do około 20% zawartości paliwa, powyżej tej wartości mieszanka jest oczywiście zbyt bogata, żeby się palić aż do 100%, czyli samego płynnego paliwa zatem niema sensu przedłużać wykresu. W celu wykluczenia wpływu warunków atmosferycznych mówimy o mieszance w stosunku wagowym, nie objętościowym. Zatem 20:1 będzie oznaczać, że na 20 kilogramów powietrza, które jest zasysane do gaźnika będzie przypadać 1 kilogram paliwa pobieranego ze zbiornika.

Rozpatrzmy pewną hipotetyczną sytuację w celu przedstawienia jak istotna jest informacja o spalaniu mieszanki w odniesieniu do rzeczywistej mocy jaką produkuje zespół śmigło silnik. W silnikach na stałe sprzężonych ze śmigłem nie posiadających regulatora obrotów odcięcie dopływu paliwa do silnika praktycznie od razu objawi się spadkiem obrotów silnika i śmigła. W przypadku układ ze śmigłem stało obrotowym sprawa nie jest już taka oczywista. Załóżmy, że wykonujemy lot na wysokości powiedzmy 10 000 stóp z w pełni otwartą przepustnicą. Mamy silnik bez turbosprężarki zatem ciśnienie ładowania (MP – Manifold Pressure) odzwierciedla ciśnienie atmosferyczne, regulator obrotów śmigła ustawiony jest na 2 300 obrotów na minutę (RPM – Revolutions Per Minute). W opisanej konfiguracji silnika przesuwamy dźwignię mieszanki maksymalnie w tył odcinając dopływ paliwa. Regulator obrotów próbuje utrzymać 2 300 RPM ustawiając śmigło w aerodynamicznej konfiguracji odpowiadającej temu ustawieniu, załóżmy, że mu się udaje. W takim przypadku, patrząc na ciśnienie ładowania widzimy, że utrzymuje wartość, obroty nie spadają ponieważ walczy z nimi regulator. Pytanie, jaka mocą dysponujemy w tym momencie? Dokładne zerową, rzut oka na wskaźnik temperatury głowic (CHT – Cylinder Head Temperature) oraz na wskaźnik temperatury gazów wylotowych (EGT – Exhaust Gas Temperature) szybko przekona nas o tym, że spalanie mieszanki wewnątrz silnika ustało. Obydwa wskaźniki będą pokazywać szybki spadek wartości.

Opisywana hipotetyczna sytuacja może mieć realnie miejsce podczas ustabilizowanego zniżania, kiedy prędkość samolotu akurat będzie w stanie obracać wiatrakujące śmigło ze stałą prędkością, wtedy informacja o tym, że silnik przestał działać zaskoczy nas w momencie, gdy będziemy chcieli dodać gazu przy przejściu do lotu poziomego i otrzymamy dokładnie zero mocy, oczywiście zakładając, że nie obserwowaliśmy co się dzieje ze wskaźnikami CHT i EGT. Wniosek jest taki, że przy samolotach ze stało obrotowym śmigle RPM i MP nie dają pełnej informacji o dysponowanej mocy, parametry spalania mieszanki grają również istotna rolę.

Wracając jednak do naszej hipotetycznej sytuacji, która zakłada, że samolot porusza się lotem poziomym. Przestawiając dźwignię mieszanki w położenie skrajnie tylne i tym samym odcinając dopływ paliwa skład naszej mieszanki na prezentowanym wykresie odzwierciedla skrajnie lewa strona - same powietrze, zero paliwa. Zacznijmy przesuwać dźwignię powoli do przodu wpuszczając do mieszanki coraz więcej paliwa, w momencie, gdy skład mieszanki osiągnie zawartość około 5% paliwa silnik uruchomi się ponownie, będzie pracował dość nieregularnie dysponując mieszanką na skraju jej palności. Zwróćcie uwagę, że od tego miejsca do około 30% mocy (pionowa skala) krzywa mocy rośnie praktycznie pionowo, a więc mały ruch dźwignią dalej do przodu spowoduje unormowanie się pracy silnika, jeszcze trochę do przodu i osiągniemy wartość 50% mocy. Dalsza część krzywej mocy wypłaszcza się coraz bardziej, aby na samej górze, być praktycznie poziomą linia prostą w pewnym zakresie. Zauważcie, że wzbogacając mieszankę dalej moc zaczyna ponownie spadać aż do momentu, gdy mieszanka jest zbyt bogata, żeby się palić i ponownie produkuje zerową moc.

Tu kończy się teoria z zaczyna praktyka
Ustawiając skład mieszanki w okolicach 8% zawartości paliwa (wagowo) otrzymujemy największą moc, to znaczy, że ustawiliśmy mieszankę paliwa i powietrza w taki sposób, że żadne inne ustawienie składu nie da nam większej mocy. Takie ustawienie stosuje się do osiągnięcia maksymalnej prędkości lotu lub na wznoszeniu, i często określa się je jako maksymalna moc z dostępnego paliwa i powietrza (Maximum Power for the Fuel and Air available)
...

Wpis w oryginale ma więcej niż 10 000 znaków, aby dokończyć czytanie zapraszam na stronę Magia mieszanki 1 | Odpalamy na blogu myFTO.net.