Kezdőlap A katonai repülés múltja Az Allison motorok fejlesztése a második világháború idején

Az Allison motorok fejlesztése a második világháború idején

Kategória

Az 1920-as években a Curtiss D-12-es vízhűtéses V-12-es motorja volt a repülőmotor piacon elérhető legkorszerűbb motor, mely formulát számtalan más motorgyár átvett és továbbfejlesztve az évről-évre megrendezett sebességi versenyeken mérték le képességeiket. A sebességi versenyek jó alapot adtak arra, hogy a hadseregek vezetői felfigyeljenek a V-12-esek képességeire, kis homlokfelületükre és egyre növekvő literteljesítményükre. Így volt ez az Egyesült Államokban is, az Army Air Corps 1929-ben azzal a felhívással fordult a repülőipar képviselőihez, hogy készítsenek ilyen motort a számára. Mivel az 1929-es pénzügyi válság miatt a vállalatok pénzügyi helyzete kritikussá vált, egyedül az Allison Engineering Company nyújtott be javaslatot a felhívásra.

Az Army Air Corps terveiben bármi más jobban megfelelt volna, minthogy az Allison ilyen szerephez jusson a repülőipar területén. Az Allison ugyan kulcsszereplője volt a repülőiparnak, de nem, mint nagyszériás motorokat gyártó vállalat, hanem a különleges megoldásokat kidolgozó, kísérleti motorok limitált szériás gyártója, vagy részegységek, mint áttételházak, turbófeltöltők szállítója. Itt a kérdés nem az Allison képessége volt, hanem inkább az a szándék, hogy az Army Air Corps nem kívánt több szereplőt bevonni a meglévő nagy repülőgyárak mellé. Az szétforgácsolta volna a kormány kezében lévő pénzügyi kereteket, melyekkel támogathatta a meglévő gyártók fejlesztéseit.

Az Allison által javasolt V-1710-es típusjelzésű motort Harold Caminez álmodta meg, aki egyike volt az akkori idők három legjobb képességű motortervezőinek. A motor hengerenként négy szeleppel és korszerű görgős szelepemelővel, etylen-glykol hűtővel, főtengelyről hajtott turbófeltöltővel rendelkezett, csúszócsapágyai pedig az Allison saját fejlesztéseként különleges nagy terhelést elviselő ötvözetből készültek. Az 1000 LE teljesítményű motort úgy tervezték, hogy kipufogógázzal meghajtott feltöltővel is képes legyen együttműködni. Összességében a motor rendkívül korszerű volt, azonban az Army Air Corps képtelen volt finanszírozni a további fejlesztést.

Ugyanakkor az Army Air Corps kidolgozott egy új bombázókra vonatkozó követelményt kis homlokfelületű, jól áramvonalazható szárnyra épített motorokra, előnyben részesítve ezeket a kis teljesítményű csillagmotorokkal szemben. Válaszként az Allison kidolgozott egy bolygókerekes fordulatszám csökkentő áttételt, ami lehetővé tette, hogy a motort kis légellenállású áramvonalazó burkolattal lássák el. A motor egyéb részegységei megegyeztek az alapmotornál alkalmazottakkal, bár rengeteg finomítást végeztek rajtuk. Az első Allison V-1710-es motorral szerelt repülőgép 1936-ban egy Bell A-11A vadászgépbe építve szállt fel először, mert a Boeing XB-15-ös bombázó projekt jelentősen lemaradt a tervezetthez képest.

Az első repülés eredményei alapján az Army Air Corps módosította követelményeit, egy V- motorral és kipufogógáz meghajtású turbófeltöltővel épített elfogó vadászgépre. A Curtiss által benyújtott XP-37-es repülőgépet elfogadva az Army Air Corps megrendelt 13 darab nagy magasságú, nagysebességű elfogó vadászt, integrált mechanikus és kipufogógáz meghajtású turbófeltöltővel szerelt motorral. A repülőgép alapvetően jól sikerült gépnek volt nevezhető, de az első lecke, amit el kellett sajátítani a tervezőknek, hogy a nagyteljesítményű mechanikus és a kipufogógáz meghajtású feltöltő sárkányszerkezetbe építése kifinomult motorvezérlő rendszert és átgondolt tervezést igényel. Ezt a fejlesztési munkát a gyártók haladéktalanul elkezdték, ami néhány évvel később a második világháború idejére hozta meg a gyümölcsét a Lockheed P-38-as kétmotoros és a Republic P-47-es egymotoros vadászgépnél.

Ahogy az 1930-as évek második felében egyre nyilvánvalóbbá vált, hogy a világ egy újabb háború felé sodródik, ezért az Egyesült Államok hadseregének vezetése meghirdette a 640 km/h feletti nagysebességű elfogóvadász programot, melyet első körben – fedélzetükön Allison V-1710-es motorral – a Lockheed XP-38-as sikeresen, a Bell XP-39-es sikertelenül teljesített.

A második világháború kezdetén Nagy-Britannia és Franciaország nagy mennyiségű repülőgépet és motort vásárolt az Egyesült Államoktól, melyek pénzügyi lehetőséget biztosítottak az intenzív fejlesztések folytatásához. Az Allison ezt megelőzően épített 40 darab motort különféle tesztcélokra, de az új helyzetben rövid idő alatt több ezer megbízható motorra volt szükség megnövelt teljesítménnyel, különféle konfigurációban. Ez hatalmas mérnök-műszaki kihívás volt a gyár összes szakembere számára. A motorok teljesítmény növelésének a kulcskérdése az volt, hogy miként tudják megoldani a motor együttműködését az integrált mechanikus és a kipufogógáz hajtású turbófeltöltővel.

A V-1710-A típus feltöltője rendkívül kezdetleges volt, a járókerék 20,96 cm átmérővel, egyenes állású lapátokkal és lapátok nélküli diffúzorral rendelkezett, alacsony hatásfokkal, de a tervezésnek abban a fázisában ez megfelelt a fejlesztők számára. Amikor a motort áttervezték, a V-1710-C típus fejlesztése során nagy figyelmet szenteltek a megfelelő nyomás elérésére, és ezzel együtt a lehető legmagasabb sűrítési hatásfokra is. Más szóval az összesűrített levegő hőmérsékletére, mert a mechanikus feltöltő után a levegő a kipufogógázzal hajtott második feltöltőbe került, ahol ismét növekedett a nyomása és a hőmérséklete.

Több ezer C-típust gyártottak a P-40-es vadászgép, majd az E-típust a P-38-as, az F-típust pedig a P-39-es vadászgépek számára. Ezek a motorok a C-típus teljesen áttervezett változatai voltak, de számos alkatrész közös volt bennük. A motor alkatrészeinek és egységeinek tervezésekor nagy figyelmet fordítottak a könnyű gyárthatóság követelményeinek megvalósítására.

Az új integrált feltöltő jelentősen átalakult, átmérőjét 24,13 centiméterre növelték, kétfokozatú sebességváltójában a feltöltő meghajtás áttételi viszonyát a repülőgéppel szemben támasztott követelményekhez igazították. A nagy magasságra tervezett P-39-es estében 8,8:1, a közepes magasságra tervezett P-38-as számára 6,44:1 áttételi viszonyt állítottak be, ami azt jelenti, hogy a járókerék fordulatszáma 8,8-szorosa, vagy 6,44-szorosa volt a főtengely fordulatszámának. A V-1710-C/E/F motorok feltöltőjének 15 lapátos megfelelően merevített járókerekét kovácsolással és forgácsolással készítették. A merevítések megfelelő biztosítékot jelentettek, hogy a feltöltő bármely fordulatszámán elkerüljék a veszélyes nagyfrekvenciás vibrációt, ami roncsolhatta a járókereket. A feltöltő hatásfoka ezzel együtt mindösszesen 55-60% volt, tehát elmaradt a kornak megfelelő 70-80%-os hatásfoktól.

A turbófeltöltő levegő bevezető csonkját újratervezték, acélból készült áramvonalas terelő lapátokat helyeztek el, ami kedvezőbb rááramlást biztosított a járókerék forgólapátjaira. Ez az egyszerű változtatás jelentősen javította a levegő áramlását a járókerékre, amitől nőtt a feltöltő hatásfoka és több levegőt kaptak a hengerek. Nőtt a motor teljesítménye és végeredményben mintegy 1000 m-el nőtt a repülőgép csúcsmagassága.

Az eredeti V-1710-es teljesítménye egy mechanikus hajtású feltöltővel elegendő volt a háború kezdeti időszakában, amikor a légiharcok kis- és közepes magasságon zajlottak, de a háború során változtak a harceljárások, a légiharcok egyre inkább áttevődtek nagyobb magasságokba. A P-38-asnak több teljesítményre volt szüksége, amit csak a motorba préselt nagyobb mennyiségű levegővel lehetett elérni. Következő lépésként áttervezték a levegő csőrendszert, ami a feltöltőtől a hengerek szívócsonkjáig gondoskodott a benzin-levegő keverék hengerekbe juttatásáról. Ismeretlen okból, eltérően az általánosan elfogadott megoldásoktól a V-1710-es-nél négy tápcső tartozott három hengerhez. Ez a megoldás később több probléma forrásává vált: többek között ez a megoldás rontotta a hengerek közötti benzin-levegő keverék egyenletes elosztását, lehetőséget adva így a detonációs égés kialakulásának nagy magasságú teljesen nyitott fojtószelep melletti üzemmódon.

A USAAF vezetői egyre gyakrabban kaptak hírt a P-38-as vadászgép európai hadszíntéren történt motortűz miatti gépveszteségről, sokkal gyakrabban, mint légiharc során bekövetkező veszteségről. Ebben az időszakban kapta a repülőgép az „időzített bomba” nem túl megtisztelő címet. J.H. Doolittle[1] tábornok az Európában állomásozó 8 AF parancsnoka 1944 márciusában egy 76 pontból álló feljegyzést küldött C.A.Spaatz tábornoknak az Amerikai Légierő Parancsnokának melyben részletezte a géppel kapcsolatos problémákat, melyek közül jelentős számú tartozott motorhibákhoz. A pilóták visszajelzési szerint jelentős számban történt motorleállás hajtókartörés, dugattyú- és dugattyúgyűrű törés miatt melyek a detonációs égés következményei voltak. A detonációs égés néhány esetben olyan intenzív volt, hogy a dugattyúfej elégett, többnyire a jobboldali hengerblokk négyes és hatos hengereiben. Gyakoribb műszaki ellenőrzéssel sikerült megelőzni a katasztrofális helyzet kialakulását, de ez csak részleges megoldása volt a problémának.

A V-1710-es motor műszaki kiszolgálása tábori körülmények között Kép: Aviation History

A meghibásodások másik jellemző oka volt a csőrendszerben uralkodó abnormálisan alacsony keverék hőmérséklet. A nagymagasságú repülések alkalmával a benzinből kivált az ólom-tetraetil adalék, aminek egyenes következménye volt a hengerbe bepréselt benzin kopogástűrő képességének a romlása, mindezek mellett pedig jelentősen romlott a keverékképzés minősége is, mert alacsony hőmérsékleten a benzin-levegő keverék már nehezen volt gázosítható.

Később teszteken ellenőrizték a jelenséget, és azt tapasztalták, hogy az első hengerekbe túl sok ólom-tetraetil adalék jutott, ami alacsony fordulatszámon lerakódott a gyújtógyertyák érintkezőin, míg a hátsó hengerekhez nem jutott el az adalék és ez detonációs égést okozott magasabb fordulatszámon.

A képen a mechanikus meghajtású feltöltő házával egy egységbe szerelt karburátor és a feltöltő mögötti elosztó csőrendszer látható.

A jelenség mindaddig fenyegette a P-38J pilótáit, amíg a V-1710-89/91-es motoroknál ki nem javították a feltöltő és a hengerek közötti áramlási csatornát, és meg nem oldották a megfelelő hőmérséklet állandó értéken tartását.  Az átalakítás során a feltöltő mögé beépítettek egy Venturi-csövet, ami segítette a benzincseppek gázosítását, valamint a légierő vezetői engedélyt adtak a csőrendszerből a lángterelő eltávolítására, végül pedig a motorhoz egy új, továbbfejlesztett levegő visszahűtőt illesztettek.

A háború későbbi szakaszában, ahogy nőtt vadászgépek repülési magassága és sebessége, már a kétsebességű feltöltő által szállított levegő mennyisége sem volt elegendő, szükségessé vált egy második feltöltő a levegőtovábbító rendszerben. Az 1920-as évektől kezdődően a General Electric jelentős összeget fordított a gázzal hajtott feltöltők kutatására, amit végül Sanford Alexander Moss munkája vitt sikerre. A GE a második világháború idejére komoly tapasztalatokkal rendelkezett és a különböző hengerűrtartalmú csillag és soros motorokhoz különböző szállító képességű feltöltőket biztosított a motorgyártók számára.

Sanford A. Moss jelentős munkát végzett a turbófeltöltő fejlesztése terén    Kép: enginehistory.org

Kipufogógázzal hajtott Type-B feltöltők fontosabb technikai adatai:

Feltöltő típusa Szállított levegő mennyisége; kg/min Repülési magasságon; m Impeller fordulatszáma; 1/n Turbófeltöltő tömege; kg
B-2 49,89 7620 21300 61,23
B-11 54,43 8534 24000 65,32
B-22 54,43 8534 24000 62,60
B-31 54,43 8534 24000 65,32
B-33 58,97 8383 24000 62,60

 

A kipufogógázzal hajtott feltöltő idővel tökéletes része lett a P-38-as repülőgépnek, ahogy a motor túljutott a gyermekbetegségein. A V-1710-es motor fejlesztése tovább folytatódott, az új kétfokozatú feltöltővel épített V-1710-117-es motornál elhagyták a feltöltő levegő visszahűtő radiátort és helyette víz-alkohol keveréket fecskendeztek az első feltöltő szívónyílásába. Ezzel a megoldással elhagyhatták a súlyos és nagy helyigényű radiátort, helyette egy kis tartályt kellett elhelyezni a repülőgép fedélzetén és egy fúvókát beépíteni a feltöltő házában. Víz-metanol befecskendezéssel megakadályozták a detonációs égés kialakulását és a gázmolekulák hűtésével növelték a hengerekbe préselt levegő sűrűségét.

Volt azonban egy hibája a megoldásnak, hogy a karburátor a feltöltő előtt helyezkedett el jelentősen csökkentve a levegő nyomását, ami végeredményben a hatással volt a repülési magasság maximumára. Az elrendezést áttervezve a végeredmény a V-1710-109-es motoron volt lemérhető. A karburátort az első és a második feltöltő fokozat közé helyezték át, így az első fokozatból kilépő levegő túlnyomással érkezett a karburátorhoz, ami ebben az esetben is okozott nyomáscsökkenést de az első feltöltő fordulatszámának emelésével ezt korrigálták.

Felül a V-1710-117-es motor, alul pedig a V1710-109-es motor

A kétfokozatú feltöltővel rendelkező Allison motorokban az első fokozat járókerekének átmérője 30,48 cm volt, viszont a meghajtás áttételi viszonyát a repülőgép funkciójához lehetett igazítani. Minden esetben egy hidraulikus tengelykapcsoló gondoskodott a járókerék fokozatmentes fordulatszám változtatásáról, amihez az alapjelet a gázkar állása adta. Egy szabályozó egység állította be a tengelykapcsoló házában az olaj mennyiségét változtatva ezzel a házba bemenő és onnan kimenő tengelyek között a „hidraulikus csúszás” mértékét. Mint minden hidraulikus tengelykapcsoló esetében, itt is számolni kellett némi teljesítményveszteséggel az olaj felmelegedése miatt, de ez kevesebb volt, mint 5%.

Az első feltöltő fokozatok későbbi változatainál elliptikus formájúra alakították az impeller lapátok kontúrját, ami növelte az impeller hatásfokát és a szállított levegő mennyiségét.

A P-38-as vadászgéphez szállított korai egyfokozatú feltöltővel készült motorokon a mechanikus hajtású impeller átmérője 22,86 cm, a két sebességfokozat áttételi viszonya pedig 6,44:1, valamint 7,48:1 volt. A gyártó ezeket a motorokat kis- és közepes magasságra tervezte, majd, amikor a nagyobb repülési magasság és vele együtt a kétfokozatú feltöltő iránti igény felvetődött, akkor az impeller átmérőjének megtartása mellett az áttételi viszonyt 8,1:1-re változtatva növelték az impeller fordulatszámát. A háború utolsó éveiben és azt követően még számos új motor jelent meg az Allisonnál, de a gázturbinás hajtóművek megjelenésével ezeket a motorokat már nem gyártották sorozatban.

Szerző: Dobos Endre

Forrás: Allison Engine Company

[1] James Harold Doolittle tábornok fiatal éveiben sok időt töltött a műszeres repülés fejlesztésével kapcsolatos kérdések megválaszolásával, majd a motorok égőtereinek magasabb oktánszámú benzinhez történő alakításával. Doktori fokozatot szerzett a Massachusetts Institute of Technology in Aeronautics (MIT) egyetemen.

Friss írások

Elhibázott lépés, hogy az Egyesült Államok nem vesz részt Japán hatodik generációs hadászgép programjában?

A japán médiában megjelent hírek azt sugallják, hogy Tokió az Egyesült Királysággal való együttműködésen gondolkodik, hogy segítsen megépíteni az F-X néven ismert következő generációs...

A Rafale vagy a Szu-35SM a hatékonyabb harci gép?

Mind a francia Rafale, mind az orosz Szu-35SM többcélú harci gép több ország légierejének legütőképesebb gépe, de vajon melyikük a jobb, hatékonyabb harci eszköz? Az...

Az F-35-ös harci gép kifinomult rendszerei új lehetőségeket tárnak fel a hadvezetés számára

A Distributed Aperture System DAS osztott kamerarendszer jelentősége Az F-35-ös AN/AAQ-37 Distributed Aperture System (DAS) passzív érzékelőit eredetileg rakétaközeledés figyelmeztető rendszernek tervezték, ami az F-22-es...

Az amerikai légierő rakétafejlesztései

Egy új projekttel bővült az amerikai légierő következő generációs légiharc rakétaprogramja. Noha nagyon keveset tudunk a Modular Advanced Missile programról, amely először a légierő...

A hatodik generációs vadászgép fejlesztések hozzájárulnak az eurocanard gépek frissítési programjához

Európa két hatodik generációs vadászgép kifejlesztésén dolgozik, ugyanakkor az úgynevezett eurocanard-nak nevezett gépeik hármasának sikerült megállnia a helyét a nemzetközi vadászgépek piacán. Még öt évvel...