Kraków 10.05.2016r.


An aircraft engine. Part 02

Silnik spalinowy-tłokowy rotacyjny

Ten artykuł jest drugim z serii omawiających silniki lotnicze. W tym artykule przedstawię silniki rotacyjne.


Silniki gwiazdowe rotacyjne nie należy mylić z silnikami wyposażonymi w wirujący tłok, jak to jest w silniku Wankla. Silniki gwiazdowe rotacyjne są konstrukcjami już historycznymi i nie prowadzi się prac nad nowymi konstrukcjami. Jednak w okresie 1913-1920 roku tego typu silniki były niezwykle popularne i szeroko stosowane. Zbudowano je w tysiącach egzemplarzy i napędzały tysiące samolotów.



Idea pracy takiego silnika jest następująca; wał korbowy jest nieruchomy i stanowi element mocowania silnika do konstrukcji samolotu. Ruch obrotowy wykonują cylindry z korpusem razem z tłokami. Do korpusu przymocowane są łopaty śmigła. To odwrócenie zasady w klasycznym już teraz silniku gwiazdowym. Budowano je zwykle w postaci pojedynczej gwiazdy. Znacznie rzadziej podwójnej. Mieszanka paliwowo-powietrzna w silnikach rotacyjnych jest dostarczana przez wał korbowy. Dolot realizowany był poprzez szczeliny w cylindrze w silniku dwu-suwowym lub poprzez zawory w głowicy w silniku cztero-suwowym. Natomiast wydech był zawsze poprzez otwierany popychaczem zawór w głowicy.

Cylindry zwykle nie posiadały żeberek chłodzących lub były one szczątkowe. Dzięki ruchowi obrotowemu całego korpusu chłodzenie takiego silnika było bardzo wydajne. Dobre chłodzenie sprzyjało stosowaniu wyższych stopnia sprężania. Silniki te miały lekką konstrukcję i były dobrze wyważone. Chętnie były stosowane do napędu małych i lekkich samolotów. Były używane do napędu samochodów i motocykli, do których trafiły już pod koniec XIX wieku. Lotniczy silnik rotacyjny został po raz pierwszy szeroko zastosowany przez Francuzów – braci Laurenta i Louisa Séguin, którzy zaczęli produkować te silniki pod nazwą Gnôme. Silniki rotacyjne stosowane były szeroko w początkach lotnictwa i w okresie wielkiej wojny światowej do napędu lekkich samolotów, w tym wielu ówczesnych myśliwców; Nieuport 11, Fokker E.III, Sopwith, a w Polsce przez Wielkopolską Wytwórnię Samolotów „Samolot” do napędu samolotów Bartel BM-4a oraz Hanriot HD.14. Silniki takie stosowano także do napędu mniejszych sterowców, gdzie spisywały się bardzo dobrze. Silniki rotacyjne miały moce 50-200 KM.

Skoro silniki te były tak dobre, to dlaczego były konstruowane tylko do końca wielkiej wojny światowej? Po pierwsze smarowanie silnika odbywało się w obiegu otwartym, czyli zużyty olej był wyrzucany z cylindrów na zewnątrz. Zużywały także dużo paliwa. Konstruktorzy natrafili na ogromne problemy budowy silników rotacyjnych o większych mocach. Poza tym silnik rotacyjny nie był lubiany przez pilotów. Szczególnie początkujących. Duża wirująca masa silnika powodowała powstawanie efektu żyroskopowego. Samolot zwroty w lewo i w prawo wykonywał z różną prędkością kątową. W jedną ze stron (zwykle w prawo) znacznie chętniej wchodził i wykonywał ciaśniejszy zakręt. Doświadczeni piloci potrafili wykorzystać to w walce powietrznej. Z kolei silniki w układzie podwójnej gwiazdy miały tendencje do przegrzewania cylindrów drugiej gwiazdy, bo pracowały w cieple emitowanym z pierwszej gwiazdy. Prędkość obrotowa silnika rotacyjnego była ograniczona, co skutecznie ograniczało wysilenie silnika, aby z jednostki pojemności uzyskać jak największą moc. Bywały także przypadki urywania się całego silnika w trakcie pracy. Działo się to w momencie awarii silnika lub jego mocowania. Bardzo szybko zespół napędowy tracił wyważenie, wpadał w silne oscylacje i odpadał od płatowca. Ratunkiem było szybkie wyłączenie silnika i lądowanie.


Za twórcę silnika rotacyjnego powszechnie uznaje się francuskiego konstruktora Pierre Clerget (1875-1943). Pierre Clerget był inżynierem, wynalazcą i przemysłowcem. Pionier lotnictwa, który poświęcił swoje życie dla lotniczego silnika. Zaprojektował on jeden z pierwszych silników wysokoprężnych dla samolotów. W wieku 14 lat, w 1889 roku, odwiedził on razem ze swoim tatą Powszechną Wystawę Paryską, na której miał okazję rozmawiać z uznanymi już wówczas Gottlieb Daimler oraz Armand Peugeot. To spowodowało, że chłopak zakochał się w silnikach spalinowych i zaczął je projektować i budować. W 1895 roku został inżynierem. Od 1905 roku jego silniki były produkowane seryjnie przez francuską firmę Clement-Bayard pod nazwą Clerget. Od 1911 roku produkowany był silnik Clerget 4-cylindrowy o mocy 100 KM, stosowany do napędu sterowców i samolotów, w tym wodno-samolotów. Silnik ten został rozwinięty do konstrukcji 8-cylindrowej i osiągał moc 200 KM. Miał wówczas rewelacyjny stosunek mocy do masy. W dniu 18.08.1913r., Pierre Clerget ze wspólnikiem Eugene Blin założyli firmę Clerget w Levallois-Perret, której główną produkcją były lotnicze silniki rotacyjne. Pierre Clerget wyszedł z założenia, że samolot potrzebuje silnika niewielkiego, ale mocnego, a rotacyjny silnik spełniał te wymagania. Rozpoczęto produkcję dwóch podstawowych modeli: 7-cylindrowy o mocy 60 KM oraz 9-cylindrowy Clerget 9A o mocy 110 KM i pojemności 15 litów. Pierwszy z nich zużywał 42 litry paliwa na godzinę i 5,70 litra oleju na godzinę. Były one wówczas bardziej konkurencyjne niż silniki rotacyjne firmy Gnome. Silniki Clerget stosowano do napędu takich samolotów jak Sopwith Triplan. W 1914 roku powstała odmiana silnika Clerget 9B 130 KM o pojemności 16 litrów. Większość produkcji była eksportowana do UK. Silniki były tak popularne i poszukiwane, że ich produkcją zajęły się inne fabryki UK: Gordon Watney, Gwynnes Ruston, Proctor i Humber-Bentley (silniki Bentley Br.1 oraz Bentley Br.2 o mocy max 234 KM). Silniki trafiły do takich maszyn jak: Sopwith 1½ Strutter, Sopwith Baby, F1 Camel, Nieuport 12, Avro 504 i inne. Koniec wielkiej wojny światowej wywołał lawinowy spadek zamówień na silniki lotnicze. W efekcie kilka firm lotniczych zbankrutowało, w tym fabryka Clerget w Levallois-Perret. Sam Pierre Clerget rozpoczął projektowanie silników lotniczych wysokoprężnych. W 1929 roku powstał silnik Disela Stae Clerget 9A o masie 228 kg i 110 KM. Trzeba pamiętać, że silnik Desla doskonale nadawał się do samolotów morskich, bo z uwagi na dużą wilgotność otoczenia, był mniej wrażliwy na awarie, bo nie posiadał świec iskrowych. W 1932 roku powstał 14-cylindrowy Disel o moc 300 KM, a w 1934 roku 14-cylindrowy o mocy 400 KM. Po opracowaniu podwójnego wtrysku bezpośredniego moc wzrosła do 450 KM. Silniki budowała firma Hispano-Suiza, a testowała firma Potez. W 1938 roku silniki Disel konstrukcji Pierre Clerget osiągnęły moc 520 KM. W 1943 roku konstruktora znaleziono martwego w jednym z paryskich kanałów. Być może popełnił samobójstwo. Okoliczności pozostały niewyjaśnione.



Wracając do silnika rotacyjnego systemu Clerget to najmocniejszy z nich osiągnął moc 150 KM, przy układzie 9-cylindrów. Ponieważ był on produkowany przez inne fabryki poza licencją, to otrzymywały one inne nazwy. Produkcja ta trwała głównie w UK i USA. W UK silniki systemu Clerget montowano w tak popularnym samolocie jakim był Avro 504. Samolot oblatano w 1913 roku i zbudowano w liczbie około 9 000 maszyn wyposażając w różne silniki rotacyjne w tym systemu Clerget.


Drugim silnikiem rotacyjnym był silnik Gnome o mocy 80 KM i jego odmiany. Firma Gnome jako pierwsza uruchomiła produkcję silników rotacyjnych dla lotnictwa na wielką skalę w 1913 roku. Silniki te oznaczano jako Gnome Monosouppap, co oznaczało z pojedynczym zaworem. Oznaczano je także Gnome 9, co oznaczało 9-cylindrowy. Kolejne wersje miały moc od 80 KM do 170 KM. Silniki te miały pojedynczy zawór w cylindrze (zawór wylotowy), gdyż pracowały w układzie dwusuwowym. W takim silniku każdy cylinder który znalazł się w górnym położeniu dostawał zapłon. Czyli wszystkie suwy (ssanie, sprężanie praca wydech) były realizowane w ciągu jednego obrotu. W silniku cztero-suwowym co drugi cylinder będący w górnym położeniu dostawał zapłon. Czyli cały cykl w jednym cylindrze był realizowany w ciągu dwóch obrotów całego silnika.




Silniki rotacyjne Gnome trafił między innymi do samolotów Thomas-Mores S-4 Tommy. Samolot został opracowany w 1916 roku w czasie wielkiej wojny światowej w USA i zbudowany w liczbie ponad 600 sztuk. Silnik Gnome użyty do napędu samolotu był uważany za wątpliwy. Opinie o nim były od zachwycających do zdecydowanie negatywnych. Silnik w locie zużywał około 11 litrów oleju rycynowego na godzinę i 45 litrów paliwa na godzinę. Spalony olej, wyrzucany przez cylindry pokrywał prawy dolny płat i prawy bok kadłuba. Układ paliwowy, w przypadku awarii mógł rozpylić paliwo na gorące cylindry i doprowadzić do pożaru. Z drugiej strony samolot bardzo szybko odrywał się od ziemi i miał dużą prędkość wznoszenia, osiągając wysoki pułap. Samolotów Thomas-Mores S-4 Tommy z silnikiem Gnome zbudowano około 300 sztuk.


Silnik Gnome został zastąpiony silnikiem Le Rhône C-9 o mocy 80-110 KM, który był budowanych na podstawie licencji przez fabrykę United Switch and Signal Company. Silnik ten zużywał tylko 4 litry oleju na godzinę. Oczywiście samolot ten z silnikiem rotacyjnym miał typowe przypadłości tego typu napędu. Samolot był bardzo zwrotny i dobrze nadawał się do roli samolotu szkolenia zaawansowanego oraz jako lekki myśliwiec. Mimo to, niektóre figury akrobatyczne były trudne do wykonania lub wręcz niemożliwe. Wszystko poprzez efekt żyroskopowy. Silnik i śmigło obracało się w prawą stronę. Podczas szybkiego startu, tuż po oderwaniu samolotu od ziemi należało natychmiast kontrować przechył na prawe skrzydło. Nie zalecano wykonywać świadomego korkociągu w prawo na pułapie poniżej 1 200 m (4 000 ft). Skręt w prawo samolot wykonywał niemal w miejscu. Sprzyjał temu ciężki ogon, który łatwo zarzucał na boki. Dlatego powierzchnie sterowe miały ograniczniki kątów wychylenia. Jednak doświadczeni piloci demontowali te ograniczniki i wykonywali ciasne zwroty niedostępne dla innych samolotów. Efekt żyroskopowy od silnika powodował, że zwrot w lewo był nieporównywalnie dłuższy od zwrotu w prawo. Podobnie, beczka w prawo była znacznie szybsza od beczki wykonywanej w lewo. Poprawne wykonanie pętli wymagało jednoczesnego dużego wychylenia steru kierunku w lewo. Dla doświadczonego pilota te wady stawały się plusami i chętnie na nich latano. Samolot zdecydowanie określano jako akrobacyjny. Miał stosunkowo duże koło pędne (obracające się śmigło) i krótkie golenie podwozia. Przez to odległość między śmigłem a ziemią podczas startu była niewielka, więc dla niedoświadczonego lotnika przyziemie mogło kończyć się wypadkiem.


W późniejszych latach wiele samolotów otrzymało klasyczne silniki gwiazdowe. To spowodowało, że samolot nieco zmienił charakterystyki lotne. Jednak przyciężkawy ogon nadal sprzyjał ciasnym zwrotom. W cywilu samoloty wykorzystywano jako maszyny wyścigowe. Duża ilość zbudowanych maszyn i niska ich cena na rynku wtórnym, spowodował ogromną popularność konstrukcji. Samoloty te brały udział w wielu filmach historycznych, naśladując inne konstrukcje wielkiej wojny światowej.


W ten sposób przedstawiłem trzeci najbardziej znany silnik rotacyjny Le Rhône. Był on zdecydowanie najlepszym i najdłużej stosowane na świcie. Jeszcze w 30-latach były dojść powszechny. Miały moc od 80 KM do 110 KM. Silniki rotacyjny Le Rhône C o mocy 59 kW (80 KM) był także stosowany na samolotach myśliwskich Nieuport, których w czasie wielkiej wojny światowej zbudowano około 7 200 sztuk. Silnik rotacyjny trafił do wersji Nieuport 11 Bebe w 1915 roku. Samolot ten pozwolił odzyskać przewagę aliantów nad państwami centralnymi i flagowym myśliwcem Fokker E-I. Samoloty Nieuport 11 Bebe były budowane we Francji, Holandii, Włoszech i rosji. Zdawano sobie sprawę, że moc 80 KM jest trochę za mała. Jednak wszystkie próby montażu mocniejszych silników kończyły się niepowodzeniem. Silniki miały albo gorszy stosunek mocy do masy, albo były awaryjne. Na samolotach Nieuport 11 C-1 latali także Polacy w służbie lotnictwa carskiej rosji.



W literaturze przedmiotu możemy spotkać jeszcze inne silniki rotacyjne. Jednym z nich jest Oberursel Ur.II (UR II). Jest on odmianą licencyjną silnika Gnome budowaną z licencji w germanii.


Silnik rotacyjny trafił do Polski wraz z francuskim samolotem szkolnym Hanriot HD-14. W 1923r., wykorzystując kredyt udzielony nam przez Francję zakupiono 50 maszyn i licencję na ich produkcję. W rzeczywistości do Polski trafiło 70 maszyn, których dostawy rozpoczęto w 1923r.. Łącznie Polska posiadała 295 egzemplarzy samolotów Hanriot HD-14, w różnych odmianach. Dla produkcji licencyjnej w listopadzie 1923r., do Centralnych Warsztatów Lotniczych dostarczono wzorcowy egzemplarz. Przygotowania do produkcji seryjnej prowadzono już od września 1923r., jednak otrzymana dokumentacja była niedokładna, ponieważ w niektórych elementach odwoływała się do wcześniejszego wodnosamolotu Hanriot. W rzeczywistości dokumentacja powstała na nowo, co wydłużyło prace. Uwzględniono w niej także modyfikacje wprowadzone w samolocie Hanriot HD-28. Samolot Hanriot HD-28 był konstrukcją metalową w porównaniu do Hanriot HD-14, który miał konstrukcję drewnianą. W efekcie Polskie Hanriot H-28 były pośrednie między francuskimi HD-14 i HD-28. Zbudowano 125 maszyn. Następnie produkcję podjęła Wielkopolska Wytwórnia Samolotów „Samolot” w Poznaniu, a pierwszy samolot oblatano w dniu 20.02.1925 roku. Zbudowano 120 maszyn. Samoloty te służyły w Wojsku Polskim do 1935 roku, a następnie jeszcze do 1937 roku w lotnictwie cywilnym. W cywilu było eksploatowanych około 130 maszyn HD-14 i H-28. Wszystkie samoloty były napędzane silnikami Le Rhône C o mocy nominalnej 59 kW (80 KM). Samoloty miały typowe przypadłości samolotów z silnikami rotacyjnymi. Samolot odrywał się od ziemi już przy prędkości 65 km/h i osiągał 115 km/h. Samolot miał długi czas lotu. Około 3 godziny, co pozwalało na wykonywanie długiego szkolenia bez konieczności częstego tankowania.

W 1926 roku w Centralnych Warsztatach Lotniczych w Warszawie kpt. Aleksander Sipowicz zbudował samolot doświadczalny oznaczony Sipowicz-1 (Kapitan Sipowicz-1). Konstruktor zastosował na nim płat swego pomysłu, z ujemnym wzniosem oraz z dodatkowym skośnym płatem na tylnym zastrzale w celu zapewnienia samolotowi lepszej stateczności poprzecznej niż w innych maszynach. Usterzenie pochodziło z samolotu Ansaldo A-1 Balilla, a kadłub wzięto z samolotu Nieuport 80 E2, wraz z silnikiem rotacyjnym Le Rhône C o mocy 59 kW (80 KM). Samolot został oblatany przez konstruktora w 1926 roku i wykazał dobre własności pilotażowe. Maszyna pozostała w jednym egzemplarzu, który kilkakrotnie modyfikowano.


W 1927 roku w Wielkopolskiej Wytwórni Samolotów „Samolot” inż. Ryszard Bartel opracował samolot Bartel BM-4. Z uwagi na spore zapasy silników Le Rhône C o mocy 80 KM zastosowano go do napędu odmiany BM-4a. W tej konstrukcji silnik przy zaledwie 1 200 obrotów na minutę osiągał swoją nominalna moc, co pozwoliło na zastosowanie śmigła o średnicy aż 2,55 m. To pozwoliło na całkiem dobre osiągi samolotu. Oderwanie od ziemi już przy 60 km/h. Prędkość max 125 km/h. Zasięg 315 km. Czas lotu 3 godziny. Jednak z uwagi na wady silnika rotacyjnego powstało kolejne sześć odmian samolotów Bartel BM-4 z innymi silnikami.


Silnik birotacyjny

Prowadzono próby stworzenia silnika birotacyjnego, w którym wał ze śmigłem obracał się w jedną stronę, a korpus silnika w przeciwną. Jednak były problemy z mocowaniem takiego zespołu napędowego. Dodatkowo w takim silniku powrócił problem przegrzewania się cylindrów.

Już w 1907 roku silniki typu birotacyjnego były konstruowane przez Polaków, a to za sprawą Polskiego inżyniera Henryka Brzeskiego. Henryk Brzeski był uzdolnionym wynalazcą i konstruktorem. Pracował jako asystent profesora Kohlrauscha w Hannowerze. W 1910 roku inżynier Henryk Brzeski w Wiedniu zbudował silnik birotacyjny o nazwie „Iskra” o mocy 70 KM (51,5 kW). Był to pierwszy na świecie silnik tego typu i Henryk Brzeski uzyskał na niego patent. Silnik ten napędzał dwa dwu-łopatowe przeciwbieżne śmigła. Ten zespół napędowy zamontowano w samolocie braci Wincentego i Rudolfa Schindlerów o nazwie Aquila, który powstał w Krakowie w 1910r. Oprócz nowatorskiego zespołu napędowego samolot nie posiadał usterzenia pionowego i steru kierunku. Niestety, tuż po starcie samolot uległ rozbiciu. Według dostępnych informacji, Henryk Brzeski sprzedał swój patent firmom Gnome i Siemens. Inżynier Henryk Brzeski nie ustawał w opracowywaniu kolejnych silników birotacyjnych. W 1929 roku opracował silnik o mocy 137 KM.




Opracował Karol Placha Hetman