Silniki Lotnicze - Silniki rzędowe - Część 5

Kraków 23.05.2016r.


An aircraft engine. Part 05

Silnik spalinowy-tłokowy rzędowy


Silniki rzędowe pojawiły się w tym samym czasie, co silniki gwiazdowe i rotacyjne. Początkowo nie było konieczności klasyfikowana silników rzędowych. Lecz różnorodność rozwiązań konstrukcyjnych była ogromna. Dużo większa niż przy silnikach gwiazdowych. Generalnie silniki rzędowe dzielimy na jednorzędowe, dwurzędowe oraz wielorzędowe. Często dwu- i wielorzędowe są określane po prostu jako wielorzędowe. W dodatku wszystkie one mogą być w układzie klasycznym (cylindry u góry, korpus na dole) lub odwrócone. Silniki wielorzędowe mogą być w układzie: widlaste (V, W lub X), piętrowe, układ „bokser” oraz układy pośrednie, np. H. Tak jak silniki gwiazdowe, silniki rzędowe mogą być wolnossące lub doładowane, wyposażone w reduktor lub bez niego, gaźnikowe lub na wtrysku, chłodzone powietrzem lub cieczą.

Typowy silnik jedno-rzędowy jest cztero- lub sześcio-cylindrowy. Tak budowano pierwsze silniki lotnicze. Taki układ silnika stał się typowy dla napędu samochodów na kilka dziesięcioleci. Lecz w lotnictwie nie był stosowany przez długi okres. Został zastąpiony popularnym układem „bokser”, który wyróżnia się kilkoma istotnymi cechami. Po pierwsze ma znacznie bardziej zwartą budowę, przez co jest lżejszy. Po drugie, jego budowa charakteryzuje się małą wysokością, co predysponuje go do montowania w przedzie kadłuba przed kabiną pilota, bo w minimalny sposób ogranicza widoczność. Układ „bokser” poprawnie nazywany jest przeciwsobny.






Istotną różnicą między silnikiem gwiazdowym, a silnikiem rzędowym jest długość wału korbowego. W silniku gwiazdowym jest on zdecydowanie krótszy, przez co i karter jest mniejszy, a co za tym idzie silnik jest lżejszy. Dlaczego więc silnik rzędowy, zwłaszcza w okresie drugiej wojny światowej, był uważany za lepszy od gwiazdowego? Chociaż w USA i UK tak nie sądzono. Głównym powodem był mniejszy przekrój poprzeczny (czołowy) silnika. W efekcie kadłub samolotu mógł być węższy i pozwalał na uzyskiwanie większych prędkości. Choć tak po prawdzie, nie aż tak ogromnych.

Aby to wyjaśnić muszę cofnąć się do wielkiej wojny światowej. Samoloty biorące w niej udział latały z prędkością 150 km/h i więcej. Na ziemi najszybszy w tym czasie był pociąg i jego parowóz, który jednak rzadko przekraczał prędkość 100 km/h. W tym czasie konstruktorów lotniczych nie bardzo interesowało zwiększanie prędkości. Celem była większa zwrotność, udźwig, pułap i czas lotu. Kiedy zakończyła się wojna samolot jak poprzednio stał się rozrywką i sportem. Tylko nieliczni zaczynali przewozić pocztę, towary i pasażerów.

Ale chęć ścigania się leży w genach ludzkich. Dlatego już w 1912 roku Jacques Schneider, finansista, pilot balonowy i entuzjasta awiacji ufundował trofeum, które nazwano Schneider Trophy (Trofeum Schnaidera). Trofeum jest rzeźbą wykonaną ze srebra i brązu ustawioną na zielonym marmurowym cokole. Rzeźba przedstawia uskrzydloną postać kobiecą, która całuje mężczyznę, którego głowa wystaje z szalejącej fali. Symbolika łączy razem powietrze i wodę. Rok rocznie (późnej co dwa lata) miał się odbywać wyścig wodnosamolotów i łodzi latających. Jacques Schneider uważał, że przyszłość lotnictwa należy do wodnosamolotów i łodzi latających. Oprócz trofeum była nagroda finansowa w wysokości 1000 funtów. Trzykrotne zwycięstwo podrząd powodowało przejęcie trofeum na zawsze, zdobyciem nagrody 75 000 funtów i zakończenie zmagań. Zwycięzca stawał się organizatorem następnych zawodów. Ta zasada była dojść powszechna w awiacji. Wyścigi były nadzorowane przez FAI i Aeroklub kraju gospodarza. Każdy kraj mógł wystawić trzech zawodników. Zawody odbył się 12x w okresie 1913r.-1931r. Zawodnicy ścigali się na trasie okrężnej o długości 280 km (później 350 km). Samoloty startowały z wody w odstępach 15 minutowych. Z uwagi na duże koszty przygotowania specjalnych samolotów w zawodach uczestniczyły tylko najbogatsze kraje; UK, USA, Włochy, Francji. Zawody były bardzo popularne i potrafiły zgromadzić 200 tysięcy widzów.

Wyścigi wniosły znaczny postęp w dziedzinie konstrukcji lotniczych, zwłaszcza aerodynamiki i konstrukcji silników. Zdobyte doświadczenia wywarły znaczny wpływ na konstrukcje myśliwców z czasu II wojny światowej. Wśród nich brytyjski Supermarine Spitfire, Yankeski North American P-51 Mustang, włoski Macchi Mc.202 Folgore. Najszybsze samoloty stały się wolnonośnymi jednopłatami, o smukłych kadłubach, z zamkniętymi kabinami o bardzo niskich wiatrochronach i owiewkach. Standardem był silnik rzędowy, chłodzony cieczą, 12-cylindrowy.


Dwukrotnie w zawodach o Trofeum Schneidera wygrywali Yankesi na samolotach firmy Curtiss, które budowano specjalnie na te wyścigi. W 1923 roku zwyciężył samolot Curtiss CR-3 osiągając średnią prędkość 285,29 km/h (177,27 mph), a w 1925 roku maszyna Curtiss R.3C-2 wynikiem 374,28 km/h (232,57 mph). Firma Curtiss była w tym czasie tą wytwórnią, która budowała jednocześnie i samoloty i silniki.

Ich wodnosamolot wyścigowy R.3C-2 były maszyną o niewielkich rozmiarach, praktycznie takich, aby dało się w nim zabudować silnik i umieścić pilota. Rozpiętość 6,71 m (22,0 ft), długość 6,71 m (22,0 ft), wysokość z pływakami 3,14 m (10 ft 4 in), powierzchnia nośna skrzydeł 13,4 m2 (144 sq ft), profil płata Curtiss C-80. Samolot miał zasięg zaledwie 467 km (290 mil, 252 nmi), czyli tylko taki, aby wykonać jeden wyścig. Prędkość max 394 km/h (245 mph, 213 knots).

Sukces Yankeskiej ekipie zapewnił silnik Curtiss V-1400. Była to rozwojowa wersja francuskiego silnika Lorraine-Dietrich 12, czyli klasyczny wówczas 12-cylindrowiec w układzie V. Firma Curtiss systematycznie go modernizowała. W 1925 roku silnik Curtiss V-1400 miał moc 610 KM, a kolejna jego odmiana w 1926 roku już 665 KM.



W 1926 roku w zawodach o Trofeum Schneidera trzeci raz wygrali włosi. Jednak pierwsze ich zwycięstwo unieważniono, a poza tym nie były to zwycięstwa pod rząd (1920r., 1921r., 1926r.) Włosi w tym czasie dysponowali jedną z najlepszych technik lotniczych. Na zawody w 1926 roku przygotowali specjalny, wyścigowy wodno-samolot Macchi M.39. Samolot M.39 zaprojektował inż. Mario Castoldi. Był to pierwszy dolnopłat firmy Macchi. Konstrukcja mieszana drewniano-metalowa. Skrzydła o konstrukcji drewnianej usztywniono odciągami. Pilot siedział w otwartym kokpicie ze szczątkowym wiatrochronem. Z uwagi na to, że podczas zawodów samoloty lecą przeciwnie do wskazówek zegara i skręty wykonują w lewo, dlatego lewa lotka wychylała się wyżej. Aby przeciwdziałać momentowi żyroskopowemu śmigła pływaki miały nierówną pływalność, aby podczas startu z wody mniej trzeba było kontrować sterem kierunku.

Samolot zbudowano w dwóch wersjach: treningowej (dwie sztuki, MM.72, 73) i zawodniczej (trzy sztuki, MM.74, 75, 76). Wersja treningowa miała silnik Fiat AS.2 w układzie V-12, chłodzony cieczą, o mocy 600 KM (447 kW). Wersja zawodnicza miała silnik Fiat AS.2 z innym doładowaniem o mocy 800 KM (597 kW). Z uwagi na to, że maszyna była jedno płatowcem, była nieco większa od konstrukcji Yanksekich. Macchi M.39 miał rozpiętość 9,26 m (30 ft 4 in), długość 7,77 m, wysokość 2,97 m (9 ft 9 in), prędkość max 439,4 km/h (237 knots, 272 mph).

Silnik Fiat AS.2 wywodził się z silnika A.22. Cylindry wykonano ze stali, a głowice z aluminium. Same tłoki wykonano ze stopów magnezu. Mimo problemów z silnikiem okazał się on skuteczny podczas zawodów o Trofeum Schneidera.

Podczas przygotowań do zawodów, w dniu 16.09.1926 roku, jeden z samolotów rozbił się w jeziorze Varese grzebiąc pilota. Prac jednak nie zahamowano. W dniu 13.11.1926 roku trzy samoloty Macchi M.39 wzięły udział w wyścigu. Jeden z nich (MM.76) zwyciężył wynikiem 396,698 km/h (246,497 mph). Samolot MM.74 był trzeci. Samolot MM.75 doznał awarii silnika i nie ukończył wyścigu.

Już po zawodach o Trofeum Schneidera, w dniu 17.11.1926r., na tym samym akwenie wodnym w Hampton Roads w USA odbył się wyścig na dystansie 3 km (1,9 mil) podczas których samolot Macchi M.39 MM.76 osiągnął rekord prędkości 416,618 km/h (258,874 mph).


W 1927 roku przyszły złote lata Brytyjczyków w zawodach o Trofeum Schneidera. Brytyjczycy już raz wygrali w tych zawodach. Było to jeszcze przed wielką wojną światową w 1914 roku. Nowy wodnosamolot Supermarine S.5 zaprojektował inż. Reginald Mitchell. Samolot był oparty na maszynie S.4, która rok wcześniej nie odniosła sukcesu. Cały płatowiec był metalowy. Głównie zastosowano stopy aluminium. Samolot był nieco większy od poprzednich zwycięzców w zawodach. Rozpiętość 8,15 m (26 ft 9 in), długość 7,32 m (24 ft 3 in), wysokość 3,38 m (11 ft 1 in). Prędkość max 514,3 km/h (319,57 mph).

Zbudowano trzy samoloty, ale z różnymi silnikami. Pierwszy otrzymał silnik Napier Lion VII.A o mocy 900 KM (671 kW), w układzie W-12. Dwa kolejne samoloty otrzymały silniki Napier Lion VII.B o mocy 875 KM (652 kW). Pierwszy lot konstrukcji odbył się w dniu 7.06.1927r. Samoloty zajęły dwa pierwsze miejsca w zawodach. Rekord 453,28 km/h (281,66 mph).

Silnik Napier Lion był budowany przez firmę Napier & Son począwszy od 1917 roku do 1930 roku. Silnik był budowany w wielu konfiguracjach. Należał do najmocniejszych silników w swoim czasie. Był wykorzystywany w wyścigowych samochodach, samolotach i łodziach.



Kolejna próba pobicia rekordu prędkości zakończyła się katastrofą. Poza tym uznano, że silnik Napier Lion wyczerpał swoje możliwości. Wszyscy zainteresowani udziałem w kolejnych zawodach stwierdzili, że 12 miesięcy to za krótki okres dla dobrego przygotowania nowej konstrukcji. Zdecydowano o wydłużeniu tego okresu do 24 miesięcy. Na zawody w 1929 roku Brytyjczycy przygotowali poprawiony samolot, który oznaczono Supermarine S.6 z nowym silnikiem firmy Rolls-Royce.

Silnik Rolls-Royce R został zbudowany specjalnie dla samolotu wyścigowego przez koncern Rolls-Royce Limited. Silnik 12-cylindrowy w układzie V, chłodzony cieczą, doładowany. Miał pojemność 27 litrów (2 240 in3). Ważył 770 kg (1 640 funtów). Moc 2 800 KM (2 090 kW). Dzięki dobremu finansowaniu można było skutecznie usunąć wszystkie zauważone usterki. Silnik stał się wyjątkowo niezawodny i o wysokim resursie. Silnik ten pozwolił Brytyjczykom wygrać wyścig w 1929 roku i w 1931 roku. W 1929 roku samolot Supermarine S.6 z silnikiem Rolls-Royce osiągnął średnią prędkość 528,89 km/h (328,64 mph). W 1931 roku Brytyjczycy osiągnęli prędkość 547,31 km/h (340,08 mph) i wygrali po raz trzeci kończąc rywalizację. Krótko po konkursie z 1931 roku, silnik Rolls-Royce R, zasilany specjalnym paliwem rozpędził samolot Supermarine S.6B do prędkości ponad 400 mph (640 km/h). Doświadczenie zdobyte przez koncern Rolls-Royce i projektantów Supermarine doprowadziły do powstania silnika Rolls-Royce Merlin i myśliwca Spitfire.



Jednak piloci dalej się ścigali. W kwietniu 1933 roku samolot Macchi M.C.72 (202) (nad jeziorem Garda w północnych Włoszech) ustanowiono rekord prędkością 682.36 km/h (424.00 mph). Osiemnaście miesięcy później, w dniu 23.10.1934 roku, w tym samym miejscu, złamano barierę 700 km/h przy średniej prędkości 709.202 km/h (440,678 mph). Prędkość ta pozostaje największą szybkością osiągniętą przez wodnosamolot z tłokowym silnikiem.


Niezwykle interesująca była konstrukcja włoskiego silnika firmy Fiat SA.6. Był to rzędowy, 24-cylindrowy doładowany motor w układzie V o mocy max 2 800 KM. Silnik powstał na bazie dwóch silników Fiat SA.5, 12-cylindrowych, które ustawiono w tandem. Silnik poruszał dwa śmigła przeciwbieżne. Tylny silniki poruszał przednie śmigło, a drugi silnik drugim śmigłem poprzez współosiowe wały. Każdy z silników miał własny układ zasilania i chłodzenia. Doładowanie było wspólne. Powietrze do silnika było tłoczone ze sprężarki umieszczonej z tyłu, rurą biegnącą górą między cylindrami. Silnik, a właściwie hybryda, powstała w 1930 roku. Konstrukcję trapiły problemy techniczne, kiedy silnik miał jeszcze jeden wspólny wał dla obu silników i jedno śmigło. Napęd poprawiono w 1932 roku.

Pierwsze loty testowe były tragiczne. Dwóch pilotów poniosło śmierć. Program uzyskał dotację rządową, która pozwoliła na usuniecie usterek płatowca (flatter skrzydeł). W 35. locie w dniu 10.04.1933 roku, samolot osiągnął prędkość 682 km/h. Ten rekordowy wynik nikogo nie zadowalał. Dopiero w dniu 23.10.1934 roku osiągnięto 709 km/h. Ostatecznie, do samolotu Macchi M.C.72 i silnika Fiat SA.6 należy niepobity rekord prędkości wodnosamolotu.



Rewelacyjny wynik włochów pobił dopiero w 1939 roku germański samolot Heinkel He-100 (He-112, He-113). W kwietniu 1939 roku FAI ogłosiła, że specjalnie zmodyfikowany samolot firmy Heinkel (He-112 U) pobił rekord prędkości wynikiem 746,606 km/h. Jednak wynik ten śmierdzi kłamstwem. Upubliczniono krótki, niewyraźny film lecącego samolotu. Pokazano także kilka starannie wybranych fotografii. Skoro samolot był tak dobry, to dlaczego przegrał z Bf-109 i co istotne nie był produkowany seryjnie? Tylko kilka samolotów He-100 broniło zakładów producenta podczas II wojny światowej.


Ciekawym silnikiem rzędowym jest Brytyjski motor firmy Napier, który oznaczono Napier Sabre. Został on zbudowany w układzie H-24 umieszczonym poziomo (tak jakby dwa silniki typu „bokser” umieścić jeden nad drugim i połączyć przekładnią), chłodzony cieczą. Silnik zaprojektował major Franka Halford w czasie II wojny światowej. Silnik ewoluował, aby stać się jednym z najlepszych rzędowych tłokowych silników lotniczych na świecie. Motor rozwija moc od 2 200 KM (1 640 kW) do 3500 KM (2600 kW). Silnik po raz pierwszy użyto do wyścigowego samolotu Napier-Heston Racer w 1940 roku. Samolot miał szacowaną prędkość 772 km/h (480 mph). W wyniku działań wojennych silnik zastosowano do samolotów bojowych Hawker Typhoon i Hawker Tempest. Użyto go także w kilku samolotach testowych i w prototypach. Trzeba dodać, że obsługa takiego silnika w warunkach bojowych był bardzo ciężka. Kariera silnika nie była długa z uwagi na pojawienie się silnika turboodrzutowego.


Opisując silnik Napier Sabre należy wspomnieć także o rozrządzie tego silnika. Bowiem zastosowano rozrząd typu Knighta, który opatentował Yankes inż. Charles Knight w 1905 roku. Rozrząd ten należy do rozrządów suwakowych i był stosowany motorach lotniczych i samochodowych, głównie w 40-latach XX wieku. W klasycznym silniku 4-suwowym dopływ mieszanki i wylot gazów realizowany jest przez zawory umieszczone w głowicy. W rozrządzie suwakowym rolę zaworów spełniają otwory (zwane portami lub okna), które są na obwodzie tulei, w której porusza się tłok oraz na obwodzie cylindra blisko głowicy. Dokładnie, między tłokiem, a cylindrem jest tuleja. Ta dodatkowa tuleja i układ nią poruszający pełni rolę rozrządu. W odpowiednim momencie okna w tulei i cylindrze pokrywają się i tworzą przelot dla mieszanki lub gazów wylotowych. W głowicy znajdują się tylko gniazda dla świec zapłonowych. Jest kilka rozwiązań tego systemu, które różnią się szczegółami i mogą mieć inne nazwy pochodzące od ich konstruktorów. Początkowo (początek XX wieku) były dwie tuleje poruszające się ruchem posuwisto- zwrotnym. Później zastosowano jedną tuleję zwaną suwakiem, dlatego nazwa – rozrząd suwakowy. Wówczas tuleja porusza się także ruchem posuwisto-zwrotnym śrubowym przy pomocy wodzików połączonych z dodatkowym wykorbionym wałem.

Do zalet tego rozwiązania należy zaliczyć bardziej zwartą budowę silnika, mniejsze jego rozmiary, możliwość dowolnego kształtowania głowicy, cichszą pracę. Lecz silnik ma poważne wady; trudny rozruch zimnego silnika z powodu dużej ilości części trących, Silnik wymaga dużych ilości oleju. Były trudności z uszczelnieniem i trudności z odprowadzeniem ciepła i chłodzeniem. Była bardzo trudna naprawa silnika w warunkach polowych. Utrata oleju prowadziła bardzo szybko do zatarcia silnika i praktycznie nie nadawał się on do remontu. Prawdziwą zmorą silnika były lokalne nieszczelność, podczas których duża ilość gorącego medium momentalnie powodowała lokalne zniszczenie elementów silnika.

Konstruktorzy trwali przy tym rozwiązaniu, bo twierdzili, że w motorach zaworowych nie można silnie obciążać silnika. Jednak silniki zaworowe DOHC, które już wówczas były stosowane, można było silnie obciążać i kompensować luz zaworowy.



Omawiając rozrząd suwakowy trzeba wspomnieć, o tym, że było on także stosowany w silnikach gwiazdowych. Najpopularniejszym silnikiem z tego typu układem rozrządu był silnik Centaurus firmy Bristol Engine Company. Silnik został opracowany już w 1938 roku, ale wprowadzony do użytku dopiero w 1944 roku. To opóźnienie wynikało z faktu, że tak mocny silnik nie był początkowo potrzebny. Motory o mocy 1 500 KM były wystarczające. Centaurus jest to 18-cylindrowa konstrukcja zbudowano w układzie podwójnej-gwiazdy. Ma moc 3 000 KM (2 200 kW). Punktem wyjścia do opracowania silnika Centaurus był nieśmiertelny silnik Bristol Jupiter. Pojemność silnika to 3 272 in3 (53,6 litrów). Dzięki nowym stopom metali, o zwiększonej przewodności cieplnej, użytych w głowicy zwiększono stopień sprężania. Silnik zastosowano w około 20 konstrukcjach, głównie transportowych, bojowych i eksperymentalnych. Najsławniejszymi były Bristol Type 167 Brabazon oraz Hawker Sea Fury.



Ciąg dalszy nastąpi.


Opracował Karol Placha Hetman