Packard V-1650 Merlin: Американская версия двигателя Rolls-Royce

Введение

Поршневой авиационный двигатель

Packard V-1650 Merlin – это версия авиационного двигателя Rolls-Royce Merlin, производимая по лицензии в Соединенных Штатах компанией Packard Motor Car Company. Двигатель был лицензирован для увеличения производства Rolls-Royce Merlin для нужд Великобритании. Кроме того, он восполнил недостаток в США, когда американские двигатели аналогичной мощности были недоступны. Первые V-1650 с одноступенчатым нагнетателем, эквивалентные Merlin XX, использовались на истребителях P-40F Kittyhawk и канадских Hawker Hurricane. Более поздние версии, основанные на серии Merlin 60, включали более совершенный двухступенчатый нагнетатель для повышения эффективности на больших высотах. Наиболее значительное применение двигатель получил на североамериканском истребителе P-51 Mustang, значительно улучшив характеристики самолета и позволив ему сопровождать тяжелые бомбардировщики союзников от Великобритании до Германии и обратно.

Проектирование и разработка

В начале Второй мировой войны авиационная промышленность Великобритании значительно расширилась. Возросла потребность в двигателе Rolls Royce Merlin, и были созданы теневые заводы в Крю, Манчестере и Глазго. Этого оказалось недостаточно для удовлетворения растущего спроса, поэтому британское правительство обратилось к американским производителям с целью расширения производства. В сентябре 1940 года между Rolls Royce и Packard Motor Car Company было достигнуто соглашение о производстве Merlin по лицензии, с заказом на 130 миллионов долларов. Первый двигатель Packard, получивший обозначение V-1650-1, был запущен в августе 1941 года. Первой американской моделью стала версия Mark XX, обозначенная американскими военными как V-1650-1, а британцами – как Packard Merlin 28. Этот двигатель использовал одноступенчатый двухскоростной нагнетатель, механизм переключения передач которого изначально был получен по патентной лицензии французской фирмы Farman. Merlin 28 применялся на бомбардировщике Avro Lancaster. Версия V-1650-1 этого двигателя использовалась на самолетах Curtiss P-40F. Первоначальные модификации Packard коснулись основных подшипников коленчатого вала, которые были заменены с медного свинцового сплава на серебряно-свинцовый, а также применено индиевое покрытие. Это было разработано подразделением Pontiac компании General Motors для предотвращения коррозии, которая могла возникать при использовании смазочных масел того времени. Покрытие подшипников также улучшало приработку и несущую способность поверхности. В ответ на запрос британского Министерства авиации о высоковысотном Merlin для высотного бомбардировщика Wellington VI, команда Rolls Royce под руководством Стэнли Хукера разработала Merlin с двухступенчатым нагнетателем, получивший обозначение Merlin 60. Первый двигатель серии 60 был запущен в марте 1941 года, а первый полет состоялся в июле того же года. Поскольку было произведено всего 63 экземпляра отмененного Wellington VI, эти двигатели были установлены на истребитель Spitfire IX как Merlin 61. Эта модель позже производилась компанией Packard как V-1650-3 и стала известна как "высотный" Merlin, предназначенный для P-51. Первая двухступенчатая модификация Merlin Mustang, летавшая с Merlin 61 как Mustang X, совершила полет в октябре 1942 года, а серийный P-51B (Mustang III) с двигателем V-1650-3 поступил на вооружение в 1943 году. Двухступенчатая секция нагнетателя двухступенчатых Merlin и V-1650-3 имела два отдельных рабочих колеса на одном валу, которые обычно приводились в движение через зубчатую передачу с передаточным числом 6,391:1. Гидравлическое переключение передач с помощью маслозаполненных муфт могло быть активировано электромагнитным клапаном для увеличения этого числа до 8,095:1 в режиме работы на высокой скорости нагнетателя. Передаточное число рабочих колес на высокой скорости было не таким высоким, как у Allison, но скорость вращения рабочих колес – не единственный фактор, определяющий характеристики двигателя, которые также зависят от размера и шага лопастей рабочих колес. Нагнетатель с зубчатым приводом является паразитным агрегатом, поэтому передаточное число рабочих колес и профили лопастей тщательно спроектированы для обеспечения максимальной мощности на высоте без ущерба для доступной мощности на критической стадии взлета. Двойная ступень сжатия топливно-воздушной смеси обеспечивала повышение давления через диффузор во впускные коллекторы, что увеличивало критическую высоту силовой установки. Способность нагнетателя поддерживать давление на уровне моря в системе впуска цилиндров позволяла Packard Merlin развивать мощность на высоте более 30 000 футов (9144 м). Двухступенчатое рабочее колесо создавало сильный нагрев топливно-воздушной смеси в процессе сжатия, и для предотвращения детонации сжатой смеси необходимо было охладить смесь перед поступлением в цилиндры. Охлаждение осуществлялось в межступенчатом канале, отлитом в корпусе рабочего колеса между первым и вторым рабочими колесами. Этиленгликолевая охлаждающая жидкость циркулировала с помощью насоса через этот канал для отвода избыточного тепла, выделяемого рабочими колесами. Без межступенчатого охладителя температура смеси могла достигать 400 °F (204 °C). Сам по себе межступенчатый охладитель не справлялся с высокой температурой, поэтому дополнительный охлаждающий радиатор с оребрением и трубчатой структурой был установлен между выходом нагнетателя и впускным коллектором цилиндров. Этот радиатор был известен как послеохладитель и служил резервуаром для системы охлаждения нагнетателя. Смесь гликоля, используемая для охлаждения, была независима от основной системы охлаждения двигателя и использовала центробежный насос, приводимый в действие двигателем, для циркуляции охлаждающей жидкости через авиационный радиатор со скоростью до 36 галлонов США (136 литров, 30 имперских галлонов) в минуту, в зависимости от оборотов двигателя. Эта комбинированная система снижала температуру смеси до приемлемых уровней. Дроссельные клапаны в горловине восходящего карбюратора управлялись автоматическим регулятором наддува через дроссельную связь для поддержания выбранного давления во впускном коллекторе при изменении высоты. Клапаны были лишь частично открыты во время работы на земле и на малых высотах, чтобы предотвратить передув двигателя. По мере уменьшения плотности воздуха с увеличением высоты дроссельные клапаны постепенно открывались в ответ на снижение атмосферного давления. Эта система обеспечивала полную мощность в пределах ограничений наддува двигателя до критической высоты 26 000 футов (7925 м).

At the outbreak of World War Two, the British aviation industry expanded greatly. There was great need for the Rolls Royce Merlin engine with shadow factories being established in Crewe, Manchester, and Glasgow. This was not enough to meet increasing demand with the British government looking to expand production using U. S. manufacturers. An agreement was reached between Rolls Royce and the Packard Motor Car Company in September 1940 to manufacture the Merlin under license, with a $130,000,000 order being placed. The first Packard built engine, designated V 1650 1, ran in August 1941. The first American model was a version of the Mark XX, designated the V 1650 1 by the American military and the Packard Merlin 28 by the British. This engine used a single stage, two speed supercharger, the gear changing mechanism of which originally came from a French Farman patent license. The Merlin 28 was used for the Avro Lancaster bomber. The USAAF V 1650 1 version of this engine was used in the Curtiss P 40Fs. The initial Packard modifications to this engine changed the main crankshaft bearings from a copper lead alloy to a silver lead combination and featured indium plating. This had been developed by General Motors' Pontiac Division to prevent corrosion, which was possible with lubricating oils that were used at that time. The bearing coating also improved the break in (running in) and load carrying abilities of the surface. In answer to a request from the British Air Ministry for a high altitude Merlin for the pressurised Wellington VI high altitude bomber, a Rolls Royce team under the direction of Stanley Hooker developed a Merlin with two stage supercharging, which became the Merlin 60 series. The first 60 series engine ran in March 1941, and was first flown in July the same year. When only 63 examples of the otherwise cancelled Wellington VI were produced, these engines were instead introduced on the Spitfire IX as the Merlin 61. This model was later produced by Packard as the V 1650 3 and became known as the "high altitude" Merlin destined for the P 51, the first two stage Merlin Mustang conversion flying with a Merlin 61 as the Mustang X in October 1942, the production V 1650 3 engined P 51B (Mustang III) entering service in 1943. The two speed, two stage supercharger section of the two stage Merlins and V 1650 3 featured two separate impellers on the same shaft that were normally driven through a gear train at a ratio of 6.391:1. A hydraulic gear change arrangement of oil operated clutches could be engaged by an electric solenoid to increase this ratio to 8.095:1 in high speed blower position. The high speed gear ratio of the impellers was not as high as the ratio used in the Allison, but impeller speed is not the only factor that determines engine performance, which is also a function of the size and pitch of the impeller blades. The gear driven supercharger is a parasitic accessory; therefore, impeller gearing and blade profiles are carefully designed for maximum power at altitude without compromise of available power at the critical take off stage of flight. The double staging of the compressed fuel/air mixture provided the boost pressure through a diffuser to the intake manifolds that increased the critical altitude of the power plant. The ability of the supercharger to maintain a sea level pressure in the induction system to the cylinders allowed the Packard Merlin to develop more than above 30000 feet (9144 m). The two stage impeller created extreme heating of the fuel/air mixture during the compression process, and, to prevent detonation of the compressed charge, it was necessary to cool the mixture prior to entry into the cylinders. The cooling was accomplished in an intercooler passage cast into the wheel case housing between the first and second stage impellers. Ethylene glycol coolant was circulated by a pump through this passage to carry off the excess heat generated by the impellers. Without the intercooler the temperature of the charge could be as high as 400 °F (204 °C). The intercooler in itself was not adequate to deal with the high temperature and an additional cooling fin and tube core was placed between the outlet of the blower and the induction manifold to the cylinders. This radiator was known as an aftercooler and served as a reservoir for the supercharger cooling system. The glycol mixture used for cooling was independent of the main engine cooling system and used a centrifugal pump driven by the engine to circulate the coolant through an aircraft radiator system at a maximum rate of 36 U. S. gallons (136 litres, 30 Imperial gallons) per minute, depending on engine rpm. This combined system reduced the charge temperature to suitable levels. Throttle valves in the updraft carburettor throat were controlled by an automatic boost control through the throttle linkage to maintain the selected manifold pressure with changes in altitude. The valves were only partially open during ground and low level operation to prevent overboosting of the engine. As air density decreases with increased altitude, the throttle valves were progressively opened in response to the reducing atmospheric pressure. This system provided full power within engine boost limitations up to the critical altitude of 26000 feet (7925 m).

Измерение давления в двигателе

Британцы измеряли давление наддува в фунтах на квадратный дюйм (лб/ин2) (psi). Нормальное атмосферное давление на уровне моря составляет 14,7 psi, поэтому показание +6 означает, что воздушно-топливная смесь сжимается механическим нагнетателем до 20,7 psi перед поступлением в двигатель; +25 означает, что воздушно-топливная смесь теперь сжимается до 39,7 psi. Американцы измеряли показатели наддува в дюймах ртутного столба (inHg). Один фунт силы на квадратный дюйм равен или , а стандартная атмосфера составляет 101,325 кПа = 29,92 inHg = 14,70 lbf/in2. В ранних двигателях Merlin максимальное давление во впускном коллекторе (наддува) составляло +18. В более поздних моделях оно было увеличено. Дюймы ртутного столба (inHg) абсолютного давления – фунты на квадратный дюйм показания манометра наддува: 81 inHg = +25 lbf/in2 наддува, 66.5 inHg = +18 lbf/in2 наддува, 60 inHg = +15 lbf/in2 наддува, 46 inHg = +8 lbf/in2 наддува, 42 inHg = +6 lbf/in2 наддува.

Послевоенное использование

В Соединенных Штатах многие излишки военных двигателей и фюзеляжей были проданы по относительно низкой цене. Два наиболее популярных варианта – North American P-51 Mustang и двигатели Packard V-1650 Merlin, некоторые из которых были "прокачаны" и модифицированы для участия в авиагоночных соревнованиях Bendix Trophy, Cleveland Air Races и Thompson Trophy. Многие из этих двигателей до сих пор активно используются в дрэг-рейсинге, гонках на гидропланах и скоростных заездах на таких трассах, как соляные равнины Бонневиля. Lancaster Mynarski, принадлежащий Канадскому музею военной авиации в Гамильтоне, Онтарио, Канада, – один из всего двух летающих в мире самолетов Lancaster – оснащен четырьмя двигателями Packard Merlin. Ведутся работы по увеличению мощности Merlin для гонщиков класса Unlimited на авиагоночных соревнованиях в Рино. Инновации, такие как использование шатунов Allison V-1710 и замена интеркулера на систему ADI (Anti-Detonation Injection) – смесь из 50% дистиллированной воды и 50% метанола, почти идентичную по химическому составу военной системе MW 50 Люфтваффе и аналогичную системе впрыска воды, применяемой на двигателях Pratt & Whitney во время Второй мировой войны, – позволили значительно повысить мощность. Многие из самых быстрых гонщиков класса Unlimited повышают давление во впускном коллекторе Merlin до 145 дюймов ртутного столба (56,6 psi, 4,8 атм), чтобы достичь мощности до 2835 кВт (3800 лошадиных сил), развивая скорость до 490 миль в час, сопоставимую со скоростью Mustang.