Kezdőlap A katonai repülés múltja Tolattyúszelepes motorgyártás Nagy-Britanniában I. rész

Tolattyúszelepes motorgyártás Nagy-Britanniában I. rész

Kategória

A Bristol Hercules motor

Az első tolattyúszelepes motort Charles J. Knight építette 1905-ben Chichagoban, aki egyszerűen Knight motornak nevezte találmányát, amely két alternáló mozgást végző tolattyú segítségével vezérelte a motor működését. Az egy tolattyúval működő alternáló és forgó mozgást végző tolattyúszelepes motor születése Peter Burt és Charles McCallom mérnökök nevéhez fűződik. Az első Burt-McCallom féle motort 1913-1914-ben az Argyll Co. építette meg a Brit Kormány által létrehozott Aero Engine Competition megrendelésére.

Az új motor hathengeres, soros elrendezésű, vízhűtéses volt 12,86 liter hengerűrtartalommal, és 130 LE maximális teljesítménnyel. Az első világháború miatt a fejlesztési munkák lelassultak és mindösszesen egy 12 hengeres V-motor készült a Royal Aircraft Factory műhelyeiben.

A motor iránti érdeklődés nem volt túl nagy egészen 1925-ig, amikor a Continental Motor Corporation Detroitban megvásárolta a Burt-McCallom szabadalmat és legyártottak egy kilenc hengeres,

12,86 literes 220 LE-s tolattyúszelepes motort, amit egy kiállításon be is mutattak a közönségnek. Ebben az időben Harry Ricardo alapított egy kutató laboratóriumot Ricardo & Co. néven Shorehamben és kezdett kísérleteket a tolattyúszelepes motorral, majd az ígéretes eredményeket látva megpróbálta felkelteni a brit repülőipar érdeklődését a különleges motor iránt. Ricardo úttörő munkát végzett annak érdekében, hogy megtalálja a magyarázatát a benzinmotorokban lejátszódó égési folyamatoknak, különös tekintettel a kopogásos égés okainak a magyarázatára. Munkájához komoly pénzügyi segítséget kapott a Brit Légügyi Minisztériumtól és a Shell Oil Co.-től, hogy a szárnyait bontogató kis vállalkozás megerősödve segítségére legyen a Brit repülőiparnak.

Sir Harry Ricardo

Ricardo tudta, hogy a kompresszió viszony nagyságát, ezen keresztül pedig a motor hatásfokát a kopogásos égés befolyásolja. Kísérletei során látta, hogy a tányérszelepes motorban a kopogásos égés kialakulásának az esélyét befolyásolja a kipufogószelep magas hőmérséklete. Ezek az ismeretek vezették el Ricardot ahhoz a gondolathoz, hogy ha a tányérszelep helyett tolattyúszelepet kellene alkalmaznia, azzal csökkenthetné a kopogásos égés kialakulásának a valószínűségét. A tolattyúszelep nagyobb felületén egyenletesebben oszlana el a keletkező hő és ez által ugyanolyan oktánszámú üzemanyaggal magasabb kompresszió mellett a kopogás veszélye nélkül működhetne a motor. A korai kísérletek igazolták a feltevését, hogy a tolattyúszelepes motorban eggyel magasabb kompresszió értékkel feljebb lehetne beállítani a hengerben a sűrítési viszonyt, mint tányérszelepes motor esetében akkor, amikor a szokásos kompresszió viszony értéke 5:1 volt.  

1926-ban a Bristol Aeroplane Co. végül megállapodott a légügyi minisztériummal és mélyreható fejlesztési munkába fogott, melynek során teljes betekintést kapott Ricardo kísérleti eredményeibe, majd a gyár Roy Fedden vezetésével elsőként egy, egysoros 1000 LE teljesítményű csillagmotor tervezéséhez kezdett.

Sir Roy Fedden

Az előtervezés során képbe került az egy- és két-tolattyúszelepes, valamint egy-forgószelepes vezérlési megoldás is. A tervezési munkák során a forgószelepes vezérlési megoldást bonyolult kenése miatt kizárták a további kutatási munkákból, majd a két-tolattyúszelepest szintén, mert zsákutcának bizonyult. Ricardonak az egy-tolattyúszelepes motorral végzett kísérletei ígéretesnek bizonyultak, ezért a Bristol szakemberei a kutatások folytatása mellett döntöttek, majd a több hónapos további fejlesztést, mint első periódust azzal a megállapítással zárták le, hogy a tolattyúszelepes motorban hatalmas fejlesztési potenciál rejlik.

Természetesen a kutatási program nem volt mentes a kockázatoktól, de a légügyi minisztérium megfelelő pénzügyi támogatással elérte, hogy a program során minden technikai feltétel biztosítva legyen és a műszaki munkákat semmi ne gátolhassa. A Bristolnál gyártott első tolattyúszelepes motor 1927-ben készült el, fordított V-elrendezésű kéthengeres volt, amit kifejezetten a kutatás céljaira építettek. Az eredeti elképzeléseknek megfelelően a széria motor fordított V-állású tizenkét hengeres lett volna, így a kísérleti motort is hasonló elrendezésűre alakították. Furat/löket méretei: 127 mm/152,4 mm, a sűrítés közepes nyomása a hengerben 9,3 bar volt 2000 1/n fordulat mellett.

Az elsőként tesztelt nikkel ötvözetű tolattyú rövid idő alatt elroncsolódott a robbanási ütem által okozott terheléstől. A tervezők számára az üzemeltetési próbák alatt a hengerfej hőmérséklete és a tolattyú anyaga okozta a legtöbb fejfájást. 1930-ban megváltoztatták a henger és a tolattyú anyagát, a hengert és a hengerfejet megnövelt felületű hűtőbordázattal látták el, a tolattyút pedig kovácsolt K.E.965[1]-s acélból készítették. A két hengerbe két különböző technológiával készített tolattyút szereltek, az egyikbe nitridált felületű, a másikba nitridálás nélkül előkészített felületű tolattyú került. Az előbbi ígéretes kopásállósági jellemzőket mutatott, míg az utóbbi alkalmazását elvetették.

A megváltoztatott bordázattal a hengerfej hőmérsékletét 50 C°-al sikerült csökkenteni, a sűrítési közepes nyomást pedig 9,99 bar–ra növelték, majd 1931 márciusában a továbbfejlesztett közepes nyomású – 8,27 bar – motorral sikerült végrehajtani a 100 órás tartós tesztet különösebb szabályozás, vagy beavatkozás nélkül. Ez a teszt igazi fordulópont volt a tolattyúvezérlésű motor fejlesztése során. A sikert követően, további lépésként 1933-ban egy 350 LE teljesítményű civil felhasználású motort terveztek Aquila néven, ami olyan jól sikerült, hogy az 1934-ben végrehajtott típusteszten minden résztvevő meglepetésére 500 LE-t teljesített a fékpadon. A motorból építettek egy tányérszelepes változatot is összehasonlító tesztelés céljából, amit egy ponton túl nem fejlesztettek tovább, mert a tolattyúszelepes változat ígéretesebbnek bizonyult.

A Bristolnál kiterjedt kutatásokat végeztek a motor hűtésének ellenőrzésére. 1930-ban kifejlesztettek egy a korábbi gyakorlattól eltérő hűtőborda elrendezést a hengerfej hűtésére, ami abból állt, hogy a hosszirányú hűtőbordák helyett radiálisan elhelyezett bordákat alkalmaztak és ezáltal a levegőt örvénylő áramlásra kényszerítették. Az újfajta kialakítás a motor teljes teljesítmény tartományában biztosította a hengerfej megfelelő hűtését.

Négy évvel az egy és kéthengeres motor kísérleteinek megkezdését követően a gyár szériagyártásra bocsátotta a típust, majd 1932-ben elvégezték a kilenchengeres egysoros csillagmotor, a Perseus I típustesztjét, melynek során a motor, utazó üzemmódon 515 LE-t, maximális üzemmódon pedig 638 LE-t teljesített a fékpadi mérések során. A maximális teljesítményt rövid időn belül 700 LE-re növelték és elkezdődhetett a motor, tartós tesztje egy Bristol Bulldog fedélzetén, majd a Légügyi Minisztérium 1934-ben mutatta be a közönségnek.

A Bristol kéthengeres tesztmotorja

A motor teljesítmény növelésére irányuló fejlesztési munkák során, a motor alapvető hibáinak nem megfelelő értelmezése miatt jelentős visszaesés történt a folyamatban. Végül 1934-ben a Perseus II-es motorral végrehajtották a 250 órás típustesztet melynek során, utazó üzemmódon a motor 420 LE-t teljesített 2150 1/n fordulat mellett. A motort később polgári repülőgépek erőforrásaként alkalmazták, majd 1937-ben a légierő állományában is elégedettséget váltott ki könnyű üzemeltethetősége és megbízhatósága miatt. A motor későbbi változatainál a közepes effektív nyomás 40%-al, míg a dugattyú felületére eső motorteljesítmény 65%-al nőtt.

Az egysoros tolattyúszelepes motorok mellett a Hercules volt a Bristol igazi nagy szériában – 57400 db – gyártott 14 hengeres kétsoros csillagmotorja. A 38,7 literes tolattyúszelep vezérlésű motorral 1936-ban végezték el a típustesztet, melynek során a motor 1375 LE-t teljesített 2400 1/n fordulatszám mellett. A motornak további jelentősen megnövelt teljesítményű változatai is készültek 100 oktános üzemanyaggal való üzemeltetéshez.

Később katonai alkalmazás szempontjából a Bristol Hercules egyre fejlettebb változatai váltak a gyár a legmeghatározóbb termékeivé. A motor furata 127 mm, a tolattyúszelep falvastagsága 3,5 mm, hossza pedig 355,6 mm volt. A tolattyúszelep reciprokmozgást és szögelfordulást végzett a motor főtengelyének minden fordulatánál, összességében a tolattyúszelep minden pontja egy ellipszist írt le mozgása során. A tolattyúszelep palástján két-két ablakot képeztek, amelyek időről időre a henger hasonló alakúra kimunkált szívó és kipufogó nyílásához fordultak és lehetővé tették a friss keverék beáramlását, majd pedig az égéstermékek távozását.

A motor sajátos működése megfelelően magas követelményeket generált:

  • Mivel a tolattyúszelep és henger közötti kenőolaj film bizonyos mértékig hőszigetelő rétegként működött, a persely falát olyan vékonyra kellett készíteni, amennyire csak lehetett, hogy a dugattyútól el lehessen vonni megfelelő mennyiségű hőt.
  • A tolattyúszelep anyagának a hőtágulási tényezője hasonló kellett, hogy legyen a henger hőtágulási tényezőjével.
  • A tolattyúszelep anyagának jó siklási tulajdonságokkal kellett rendelkezni mind a dugattyúval, mind pedig a hengerrel való kapcsolatában, hogy szélsőségesen kevés olaj jelenléte esetén se következhessen be összerágódás a felületek között.
  • A tolattyúszelep gyártása során rendkívül magas gyártástechnológiai felkészültség volt szükséges, hogy 1,5 mikron köralak pontossággal tudják elkészíteni a perselyeket, ami a Bristol technológiájával sikerült is.

A tolattyúszelepnek egy másik jelentős sajátossága volt, hogy a szívási ütem során, a nagy sebességgel beáramló benzin-levegő keverék a tolattyúszelepen belüli térben a dugattyú felett örvénylő áramlást hozott létre, ami pozitívan befolyásolta a motor kopogástűrő képességét.

Minden repülőmotor esetében a motor tömege és geometriai méretei, különös tekintettel a repülési irányra merőleges homlokfelülete bír nagy jelentőséggel. A motor tömege befolyásolja a repülőgép hasznos terhelhetőségét, és mivel a második világháborús vadászrepülőgépek motorjainak tömege 33… 35%-a volt a repülőgép felszálló tömegének, így ez fontos tényező volt a tervezés során.

Ha a Hercules tömegadatait összehasonlítjuk a háborús korszak motorjainak adataival, és az eredményt a hengerűrtartalomra vonatkoztatott tömegként mutatjuk ki, akkor a Hercules, annak ellenére, hogy a tolattyúszelep szerkezeti kialakítása nagyobb tömeget sejtet, meglepően alacsony, vagyis nettó 22,6 kg/liter, szemben a Wright W-3350-es motor 22,1 kg/liter, vagy a BMW 801-es 25,2 kg/literes mutatóival. Ugyanezek az értékek a Rollr-Royce Eagle XXII-es tolattyúszelepes motornál 38,5 kg/liter, vagy a Napier Sabre tolattyúszelepes motornál 31,4 kg/liter értéket mutatnak, ami jelentősen magasabb, viszont az utóbbi motorok vízhűtéses kivitelben készültek.

A Bristol Hercules motor

A légáramlással szembeni homlokfelület tekintetében a Hercules nem maradt el lényegesen az Amerikában épített tányérszelepes, csillagmotoros partnereitől. A Hercules és a Pratt & Whitney R-2800-as motor átmérője között mindösszesen 55 mm volt a különbség, viszont a Hercules literteljesítmény mutatói jobbak.

A motor fejlesztése folyamatos volt a teljes életciklusa alatt, de a korlátozott mennyiségben rendelkezésre álló 130 oktános benzint a vadászgépek használták így a 87 oktános üzemanyag jelentősen korlátozta a Hercules által elérhető maximális teljesítményszintet. Csak a háború utolsó időszakában vált lehetővé a Hercules motorok számára is a 130 oktános üzemanyag, így a soron következő változaton, a Hercules Mk.230-as motoron számos szerkezeti módosítást végeztek. Megerősítették a hajtóműházat és a főtengely csapágyazását, a hengerek leszorító csavarjait és magukat a hengereket is, növelték a dugattyú merevségét. A motor alkatrészei közül a hengerfej átalakítása volt a legjelentősebb. A hengerfejnek azt a részét, ami az égőteret zárja le, a jobb hővezetés miatt réz ötvözetből készítették és nikkel bevonattal látták el. A réz ötvözet a jobb hővezetés, a nikkel bevonat az égéstermékek korróziós hatása miatt vált szükségessé. Javították a motor hűtését is, ugyanolyan töltési nyomás mellett mintegy 25 °C-al csökkent a hengerfej hőmérséklete úgy, hogy közben nem nőtt a motor légellenállása.

A folyamatos fejlesztések eredménye képen a Hercules kiváló literteljesítményű, alacsony fajlagos üzemanyag fogyasztású, strapabíró, nagyon megbízható motorrá vált és több repülőtípusnak lett a hajtóműve.


[1] Sanderson-Kayser Ltd. által gyártott acél, főleg szelepek, turbófeltöltők alkatrészeit gyártották belőle. Kis deformálódási hajlam jellemezte. Összetétel: C0,4; Cr13; Ni13; Si1,5; W3.

Friss írások

Legion infravörös felderítő és követő optikai rendszer saját adatkapcsolattal

Az amerikai légierő és a Lockheed Martin a közelmúltbeli alaszkai Northern Edge hadgyakorlat alkalmával kipróbálta az infravörös kereső és követő (IRST) és...

Ismerje meg Dél-Korea új KF-21 Boramae/Hawk saját fejlesztésű vadászgépét

Dél-Korea elkészítette saját következő generációs vadászgépének prototípusát, amelyet korábban KF-X-nek neveztek, majd hivatalosan KF-21 Boramae néven vált ismertté, ami koreai nyelven sólymot...

Az F-15EX új, nagy méretű és hatótávolságú levegő-levegő rakétát tesztelt

Az Egyesült Államok légiereje célzott arra, hogy egy új, nagyon nagy hatótávolságú levegő-levegő rakéta fejlesztésén dolgozik, amelynek hordozójaként az F-15EX Eagle II-t...

A modernizált erőteljes orosz Mi-28NM helikopter

A Mi-28-as, a vaskosabb hidegháborús Mi-24 Hind utódja és az amarikai Apache orosz megfelelője, az 1980-as évek elején készült, de most huszonegyedik...

Hogy biztosítja az amerikai légierő a harci gépeinek egymás közti kommunikációját?

A jövőbeni harctevékenységre az erős hálózatközpontú berendezkedés lesz jellemző. Az azonos oldalon harcoló vízfelszíni, szárazföldi és légi tevékenységet folytató egységek információt adnak...