De compressor van de Merlin

Vliegtuigmotoren uit de Tweede Wereldoorlog · demo

Twee waaiers op zeven keer het krukastoerental, de rand bijna op Mach 1, en de laaddruk die elke brandstof toelaat.

994pk bij 6,0 km

INGENIEURSMODUS

Hoogte6000 m

Uitlezing

Vol gas: de compressor draait op zijn topBoven de kritieke hoogte kunnen de waaiers de steeds ijlere lucht niet meer goedmaken. Vanaf hier zakt het vermogen met de hoogte.

Versnellinghoog · 7.06 : 1

Waaiertoerental21180 tpm

Randsnelheid324 m/s · M 1,02

Laaddruk1,68× zeeniveau

Asvermogen994 pk

Kritieke hoogte3,9 km

Aandrijfkosten van de compressor12% van het vermogen

Intercoolertussen de trappen

De cijfers voor waaier en rand gelden bij de nominale 3.000 tpm van de Merlin. De tekening draait langzaam, zodat je de overbrenging kunt zien.

In gewone taal

Een motor kan maar zoveel brandstof verbranden als hij lucht heeft, en hoe hoger je vliegt, hoe minder lucht er is. Het antwoord van de Merlin was een mechanische compressor (supercharger): vastgeschroefd aan de achterkant van de motor en via tandwielen aan de krukas gekoppeld. Die perst de ijle lucht terug naar de druk op zeeniveau, of ver daarboven. Eén waaier kan niet onbeperkt sneller draaien: op een gegeven moment haalt zijn rand de geluidssnelheid. Daarom zette Rolls-Royce een tweede waaier achter de eerste, met daartussen een radiateur die de twee keer samengeperste lucht weer koelt. Twee overbrengingsverhoudingen passen de compressor aan de hoogte aan: de lage vlak bij de grond, de hoge daarboven. En hoe hard hij mag persen, bepaalt de benzine. Betere brandstof is beter bestand tegen motorkloppen en laat dus meer laaddruk toe uit precies dezelfde motor.

Meer detail

De randsnelheid van de waaier en het bijbehorende machgetal in inlaatlucht met temperatuur T zijn

v_{tip} = \frac{\pi D N}{60}, \qquad M = \frac{v_{tip}}{\sqrt{\gamma R T}}

Met D = 292 mm en N = 3.000 × 7,06 tpm draait de rand op zo’n 320 m/s. Op 6 km is de geluidssnelheid ongeveer 316 m/s. Dat is het plafond van één trap. De drukverhouding schaalt met het kwadraat van de randsnelheid, dus de tweede trap (kleiner, op hetzelfde astoerental) vermenigvuldigt de druk in plaats van er iets bij op te tellen:

\frac{p_m}{p(h)} = PR_1 \cdot PR_2, \qquad p_m \le p_{knock}

Samenpersen verhit de lucht: de temperatuurverhouding is ruwweg de drukverhouding PR tot de macht 0,28. De intercooler tussen de trappen neemt het grootste deel daarvan weer weg, en daarom is hij zijn gewicht waard. Onder de kritieke hoogte houdt de gasklep de druk in het inlaatspruitstuk op de klopgrens, erboven volgt die druk de atmosfeer. Precies zoals in de demo Compressor versus hoogte, die hetzelfde model gebruikt.