Радиальды қозғалтқыш Wright R-3350 Duplex Cyclone тарихы

Кіріспе

1937 жылғы 18 цилиндрлі радиалды поршеньді қозғалтқыштар отбасы Wright компаниясынан.

Wright R 3350 Duplex Cyclone – американдық екі қатарлы, суперзарядталған, ауамен салқындатылатын, радиалды ұшақ қозғалтқышы, 18 цилиндрлі, көлемі шамамен. Модельге байланысты қуаты 2200-ден 3700 а.к.-қа (1640-тан 2760 кВт-қа) дейін ауысады. Екінші дүниежүзілік соғыстан бұрын жасалған R 3350 конструкциясы Boeing B 29 Superfortress ұшағын қуаттандыру үшін толық жетілуіне көп уақыт кетті. Соғыстан кейін қозғалтқыш жетіліп, азаматтық авиацияда кеңінен қолданыла бастады, әсіресе турбокомпрессорлы нұсқаларында, және 1950 жылдарға дейін Lockheed L 1049 Super Constellation авиалайнерлерінде пайдаланылды. Оның басты бәсекелесі – Pratt & Whitney R 4360 Wasp Major, ол Duplex Cyclone әзірленгеннен кейін шамамен жеті жыл өткен соң сынақтан өтті. Қозғалтқыш Hawker Sea Fury және Grumman F8F Bearcat Unlimited Class жарыс ұшақтарында Рено әуе жарыстарында жиі қолданылады.

Жобалау және әзірлеу

1927 жылы Wright Aeronautical компаниясы өзінің танымал "Циклон" қозғалтқышын ұсынды, ол 1930 жылдары көптеген жобаларды қамтамасыз етті. 1929 жылы Curtiss компаниясымен бірігіп, Curtiss Wright құрылғаннан кейін, қозғалтқышты қайта жобалау жұмыстары басталды. Жаңа Wright R 1820 Cyclone 9 алғаш рет 1935 жылы сәтті сынақтан өтті және 1930 жылдар мен Екінші дүниежүзілік соғыста ең көп қолданылған ұшақ қозғалтқыштарының біріне айналды. Ол соғыста қолданылған B 17 Flying Fortress ауыр бомбалаушыларының барлық негізгі модельдерін (C-ден G-ға дейін) қуаттандырды. Әрбір қондырғы General Electric компаниясы жасаған турбокомпрессормен жабдылды, ол жоғары биіктікте максималды қуатты қамтамасыз етті. 1931 жылы Pratt & Whitney өзінің танымал бір қатарлы, тоғыз цилиндрлі дизайнын үлкен және күштірек он төрт цилиндрлі, екі қатарлы R 1830 Twin Wasp дизайнына жетілдірді. Бұл дизайн шамамен 30 литрлік жұмыс көлемімен бәсекелесе алды. 1935 жылы Wright, Pratt & Whitney-дің үлгісін ұстанды және Cyclone қозғалтқышының негізінде әлдеқайда үлкен қозғалтқыштарды жасады. Нәтижесінде, қозғалыс жолы біршама қысқартылған екі дизайн пайда болды: 43 литрлік жұмыс көлеміне ие 14 цилиндрлі Wright R 2600 Twin Cyclone және R 3350. 22 цилиндрлі екі қатарлы үлкен нұсқасы, Wright R 4090 Cyclone 22, 71,5 литрлік төрт қатарлы, 28 цилиндрлі Pratt & Whitney R 4360 Wasp Major-ға бәсекелес ретінде сынақтан өтті, бірақ өндіріске енгізілген жоқ. 1937 жылы Pratt & Whitney өзінің 46 литрлік 18 цилиндрлі, екі қатарлы жоғары қуатты радиальды қозғалтқышы R 2800 Double Wasp әзірлеуді бастағаннан кейін, Wright-тың алғашқы R 3350 прототипі, өзі шамамен 55 литрлік жұмыс көлеміне ие, сол жылдың мамыр айында сынақтан өтті. Әзірлеу процесі баяу жүрді, себебі қозғалтқыш өте күрделі болды және R 2600 үлгісіне көбірек назар аударылды. R 3350 1941 жылға дейін ұшпады, ол кезде прототиптік Douglas XB 19 ұшағы Allison V 3420 қозғалтқышынан R 3350 қозғалтқышына ауыстырылды. 1940 жылы жағдай күрт өзгерді, АҚШ Әскери Әуе Күштері (USAAC) АҚШ-тан Германияға 20 000 фунт (9000 кг) бомбамен ұша алатын ұзақ қашықтықтағы бомбалаушыны әзірлеу үшін жаңа келісімшарт жасады. Жаңа жобалар Douglas XB 19-ға әкелген D типті бомбалаушыдан кіші болса да, олар шамамен бірдей қуатты қажет етті. 1940 жылдың жазында алдын ала жобалар қайтарылғанда, төрт жобаның үшеуі R 3350 негізінде жасалған. Кенеттен бұл қозғалтқыш әскери авиацияның болашағы ретінде танылды және оны өндіріске енгізу үшін белсенді жұмыстар басталды. 1942 жылы Chrysler Dodge Chicago зауытының құрылысын бастады және Альберт Кан жобалаған жаңа зауыт 1944 жылдың басында толыққанды жұмыс істеді. 1943 жылы жаңа бомбалаушы бағдарламасының соңғы үлгісі - Boeing B 29 Superfortress ұша бастады. Қозғалтқыштардың жұмысы тұрақсыз болды және артқы цилиндрлердің қызуының жоғарылауы байқалды, бұл цилиндрлер мен капот арасындағы минималды арақашықтыққа байланысты болды. B 29 ұшақтарының өндіріс желісіне төмен жылдамдықта салқындатуды жақсарту үшін бірқатар өзгерістер енгізілді, ал ұшақ 1944 жылы Тынық мұхитында жедел пайдалануға берілді. Бұл дұрыс емес болып шықты, өйткені B 29 ұшақтары орналасқан тропикалық әуежайлардың жоғары температурасымен біріктірілген B 29 ұшақтарының максималды салмағымен ұшу тактикасы толық шешілмеген қызу проблемаларын тудырды және қозғалтқыштар өз клапандарын жұтуға бейім болды. Қозғалтқыш корпусының құрамындағы магнийдің жоғары мөлшері салдарынан туындаған өрттер кейде 3100 °C-қа жуық ядролық температураға дейін жететін және секунд ішінде негізгі шыршаны жаққан, нәтижесінде қанаттың күйреуіне әкелді. R 3350-нің алғашқы нұсқаларында карбюраторлар болды, бірақ суперкомпрессорға дұрыс емес кіруі жанармай-ауа қоспасының таралуында мәселелер тудырды. Екінші дүниежүзілік соғыстың соңында жүйе жанармайды тікелей жану камерасына жіберуге ауыстырылды. Бұл қозғалтқыштың сенімділігін арттырды. Соғыстан кейін қозғалтқыш қайта жобаланып, ірі ұшақтарда, әсіресе Lockheed Constellation және Douglas DC 7 ұшақтарында кеңінен қолданылды. Соғыстан кейін отын тиімділігін арттыру үшін Turbo Compound жүйесі әзірленді. Бұл нұсқаларда әрбір алты цилиндрлі топтың түтін құбырларына үш қуатты қалпына келтіру турбинасы (PRT) орнатылды және олар сұйықтық байланысы арқылы қозғалтқыш краншафтына қосылды. PRT-лер әдетте ысырап болатын энергияның шамамен 20% -ын қалпына келтірді, бірақ қозғалтқыштың сенімділігін төмендетті (механикалар оларды "Бөлшектерді қалпына келтіру турбиналары" деп атады, өйткені жоғары температура салдарынан ескі клапан бұзылуы қайта оралды). PRT-мен жабдықталған ұшақтардың жанармай шығыны ескі Pratt & Whitney R 2800 қозғалтқыштарымен салыстырғанда шамалы ғана ерекшеленді, бірақ олар көбірек қуат өндірді. 1957 жылдың 15 қазанынан бастап DA 3/DA 4 қозғалтқышының құны 88 200 долларға тең болды. Осы кезде сенімділігі артты, қозғалтқышты жөндеудің орташа уақыты 3500 сағатқа жетті және жанармайдың нақты шығыны шамамен 0,4 фунт/ат күші/сағат (243 г/кВт сағ, 34% отын тиімділігін береді) болды. 2020 жылдарға дейін қолданылып келе жатқан қозғалтқыштардың қуаты коллекторлық қысыммен шектелген, бұл 100/130 октанды отынмен (немесе 100LL) 2600 а.к. қуатты қамтамасыз етеді, ал 115/145 немесе одан да жақсы октанды отынмен 3200 а.к. және 4500 а.к. қуатқа қол жеткізуге болар еді, бірақ мұндай отын қазір қолжетімді емес, себебі олардың құрамындағы тетраэтилқорғасынның жоғары мөлшері оларды өте уытты етеді. Бірнеше жарысшылар Рено әуе жарысында R 3350 қозғалтқыштарын пайдаланады. Rare Bear атты ұшақтағы модификацияларға Lockheed L 1649 Starliner ұшағында қолданылған, баяу айналатын винтке арналған алдыңғы корпус, Douglas DC 7 ұшағында қолданылған R 3350 қозғалтқышының қуат бөлігі (кранк, поршеньдер және цилиндрлер) және Lockheed EC 121 ұшағында қолданылған R 3350 қозғалтқышынан алынған суперкомпрессор кіреді. Сондай-ақ, қозғалтқыш азот оксидімен инъекциялау жүйесімен жабдықталған. Стандартты R 3350 қозғалтқышының номиналды қуаты 2600 айналым/мин және 45 дюйм коллекторлық қысымды құрайды. Бұл модификациялармен Rare Bear ұшағының қозғалтқышы 3200 айналым/мин және 60 дюйм коллекторлық қысымды, ал азот оксидімен инъекцияланғанда 3600 а.к. қуатты өндіреді.

In 1927, Wright Aeronautical introduced its famous "Cyclone" engine, which powered a number of designs in the 1930s. After merging with Curtiss to become Curtiss Wright in 1929, an effort was started to redesign the engine to the class. The new Wright R 1820 Cyclone 9 first ran successfully in 1935, and became one of the most used aircraft engines in the 1930s and WWII, powering all frontline examples (the C through G models) of the B 17 Flying Fortress heavy bomber aircraft serving in the war, each powerplant assisted by a General Electric designed turbocharger for maximum power output at high altitudes. By 1931 Pratt & Whitney had started a development of their equally famous single row, Wasp nine cylinder design into a larger and much more powerful fourteen cylinder, twin row design — the R 1830 Twin Wasp — of a nearly identical 30 liter displacement figure, that would easily compete with this larger, single row Cyclone. In 1935 Wright followed P&W's lead, and developed much larger engines based on the mechanics of the Cyclone. The result was two designs with a somewhat shorter stroke, a 14 cylinder design of almost 43 liters displacement that would evolve into the Wright R 2600 Twin Cyclone, and a much larger 18 cylinder design that became the R 3350. A larger twin row 22 cylinder version, the Wright R 4090 Cyclone 22, was experimented with as a competitor to the 71.5 liter displacement four row, 28 cylinder Pratt & Whitney R 4360 Wasp Major, but was not produced. With Pratt & Whitney starting development of their own 46 liter displacement 18 cylinder, twin row high output radial as the Pratt & Whitney R 2800 Double Wasp in 1937, Wright's first R 3350 prototype engines — itself having a nearly 55 liter displacement figure — were initially run in May of the same year. Continued development was slow, both due to the complex nature of the engine, as well as the R 2600 receiving considerably more attention. The R 3350 did not fly until 1941, after the prototype Douglas XB 19 had been redesigned from the Allison V 3420 to accept the R 3350. Things changed dramatically in 1940 with the introduction of a new contract by the USAAC to develop a long range bomber capable of flying from the US to Germany with a 20,000 lb (9000 kg) bomb load. Although smaller than the Bomber D designs that led to the Douglas XB 19, the new designs required roughly the same amount of power. When preliminary designs were returned in the summer of 1940, three of the four designs were based on the R 3350. Suddenly the engine was seen as the future of army aviation, and serious efforts to get the design into production started. In 1942 Chrysler started the construction of the Dodge Chicago Plant and the new factory, designed by Albert Kahn, was in full operation by early 1944. By 1943 the ultimate development of the new bomber program, the Boeing B 29 Superfortress, was flying. The engines remained temperamental, and showed an alarming tendency for the rear cylinders to overheat, partially due to minimal clearance between the cylinder baffles and the cowl. A number of changes were introduced into the Superfortress' production line to provide more cooling at low speeds, with the aircraft rushed into operational use in the Pacific in 1944. This proved unwise, as the early B 29 tactics of maximum weights, when combined with the high temperatures of the tropical airfields where B 29s were based, produced overheating problems that were not completely solved, and the engines having an additional tendency to swallow their own valves. Because of a high magnesium content in the potentially combustible crankcase alloy, the resulting engine fires — sometimes burning with a core temperature approaching 5,600 °F (3,100 °C) — were often so intense the main spar could burn through in seconds, resulting in catastrophic wing failure. Early versions of the R 3350 had carburetors, though the poorly designed elbow entrance to the supercharger led to serious problems with fuel/air distribution. Near the end of WWII, the system was changed to use gasoline direct injection where fuel was injected directly into the combustion chamber. This improved engine reliability. After the war the engine was redesigned and became popular for large aircraft, notably the Lockheed Constellation and Douglas DC 7. Following the war, the Turbo Compound system was developed to deliver better fuel efficiency. In these versions, three power recovery turbines (PRT) were inserted into the exhaust piping of each group of six cylinders, and geared to the engine crankshaft by fluid couplings to deliver more power. The PRTs recovered about 20% of the exhaust energy (around ) that would have otherwise been wasted, but reduced engine reliability (Mechanics tended to call them Parts Recovery Turbines, since increased exhaust heat meant a return of the old habit of the engine destroying exhaust valves). The fuel burn for the PRT equipped aircraft was nearly the same as the older Pratt and Whitney R 2800, while producing more useful power. Effective 15 October 1957 a DA 3/DA 4 engine cost $88,200. By this point reliability had improved with the mean time between overhauls at 3,500 hours and specific fuel consumption in the order of 0.4 lb/hp/hour (243 g/kWh, giving a 34% fuel efficiency). Engines in use as of the 2020s are limited to manifold pressure, giving with 100/130 octane fuel (or 100LL) instead of the and possible with 115/145, or better, octane fuels, which are no longer available because such formulations are exceedingly toxic due to the extremely high tetraethyllead content of these avgas versions. Several racers at the Reno Air Races use R 3350s. Modifications on one, Rare Bear, include a nose case designed for a slow turning prop, taken from an R 3350 used on the Lockheed L 1649 Starliner, mated to the power section (crankcase, crank, pistons, and cylinders) taken from an R 3350 used on the Douglas DC 7. The supercharger is taken from an R 3350 used on the Lockheed EC 121 and the engine is fitted with nitrous oxide injection. Normal rated power of a stock R 3350 is at 2,600 rpm and of manifold pressure. With these modifications, Rare Bear's engine produces at 3,200 rpm and of manifold pressure, and with nitrous oxide injection.