Rolls-Royce Kestrel: Первый авиационный двигатель с блоком цилиндров из чугуна.

Введение

Rolls Royce Kestrel (внутренний тип F) — это 21,25-литровый (1295 куб. дюймов) V-образный 12-цилиндровый авиационный двигатель производства Rolls Royce. Он стал их первым двигателем с литым блоком и послужил основой для большинства последующих конструкций поршневых двигателей. Применялся в межвоенный период и устанавливался на ряд британских истребителей и бомбардировщиков того времени, включая Hawker Fury и семейство Hawker Hart, а также Handley Page Heyford. Двигатель Kestrel также поставлялся иностранным военно-воздушным силам, где использовался для привода прототипов немецких Messerschmitt Bf 109 и пикирующего бомбардировщика Junkers Ju 87 "Stuka", поскольку двигатели Junkers Jumo 210 еще не были готовы к установке. Несколько экземпляров двигателя Kestrel до сих пор находятся в летной годности.

Происхождение

Ранее конструкции рядных двигателей обычно строились на основе литого алюминиевого картера, с прикреплёнными сверху отдельными, изготовленными из стали, цилиндрами. Учитывая действующие нагрузки, система соединения цилиндров с картером должна была быть прочной, что увеличивало вес, и в целом двигатель зависел от прочности картера для сохранения целостности конструкции. В 1923 году Curtiss CR выиграл Кубок Шнайдера 1923 года. CR был оснащён недавно представленным двигателем Curtiss D 12, который заменил отдельные цилиндры литой алюминиевой блоком. Это значительно повысило прочность двигателя, позволило упростить его остальную конструкцию, уменьшить общий вес и облегчить сборку, поскольку две части просто соединялись болтами за одну операцию. Также было легко переоборудовать существующие сборочные линии для новой системы, поскольку литые блоки уже производились для картеров, и требовалось лишь новое оборудование для фрезерования блоков с необходимой точностью для поршней. Curtiss D 12 был одним из самых мощных двигателей своего времени и продолжал соревноваться в рекордах с другими современными высокопроизводительными двигателями, такими как Napier Lion. В то время ни один британский производитель авиационных двигателей не мог предложить двигатель с аналогичной мощностью, который был бы таким же лёгким и компактным, как D 12. D 12 был лицензирован компанией Fairey и представлен в Великобритании под названием Felix. Артур Роулледж, главный конструктор Napier и создатель двигателя Napier Lion, присоединился к Rolls Royce в 1921 году, чтобы занять должность "главного помощника г-на Ф. Х. Ройса". Роулледж сформировал команду для разработки нового двигателя с использованием литого блока, поставив цель превзойти D 12. Это должно было быть достигнуто за счёт использования нагнетателя на всех высотах, что позволило бы ему превосходить двигатели с естественной подачей воздуха. Ранее нагнетатели (и турбонагнетатели) в основном использовались в высотных конструкциях для компенсации падения атмосферного давления при подъёме самолёта и поддержания мощности. Однако благодаря новой технологии изготовления двигатель был бы настолько прочным, что его можно было бы наддувать на любой высоте без перегрузки цилиндров, позволяя двигателю меньшего размера работать как более крупный и, следовательно, улучшая его отношение мощности к весу. Прототип двигателя Kestrel был впервые запущен в 1926 году, а первый полёт состоялся в 1927 году, при мощности 450 л.с. (335 кВт). В своей первоначальной форме двигатель работал с естественной подачей воздуха.

Earlier in line engine designs were generally built on top of a cast aluminum crankcase, with the cylinders, individually machined steel cylinders, bolted on top. Given the forces involved, the system connecting the cylinders to the crankcase had to be robust, adding weight, and as a whole the engine was reliant on the structure of the crankcase to hold it together. In 1923, the Curtiss CR won the 1923 Schneider Trophy. The CR was powered by the recent introduced Curtiss D 12 engine, which replaced the individual cylinders with a cast aluminum block. This gave the engine much greater strength, allowing the rest of the engine to be greatly simplified, making it much lighter overall, as well as easier to assemble as the two parts simply bolted together in a single operation. It was also easy to convert existing assembly lines to the new system as the cast blocks were already being produced for the crankcase, and all that was required was new machines to mill the blocks to the accuracy needed for the pistons. The Curtiss D 12 was one of the most powerful engines of its era, and continued to exchange records with other contemporary high power engines such as the Napier Lion. At the time, none of the British aero engine manufacturers could offer an engine which offered a similar power rating which was also as light and compact as the D 12. The D 12 was licensed by Fairey and introduced to the UK as the Felix. Arthur Rowledge, Chief Designer at Napier and the designer of the Napier Lion engine, joined Rolls Royce in 1921 to take up the role as "Chief Assistant to Mr F. H. Royce". Rowledge built a team to introduce a new engine using the cast block, but set the goal to surpass the D 12. This would be accomplished using supercharging at all altitudes, allowing it to outperform naturally aspirated engines. Previously, supercharging (and turbocharging) was primarily used for high altitude designs to offset the loss of ambient air pressure as the aircraft climbed, and thereby maintain power. But with the new construction technique, the engine would be so strong that it could be supercharged at all altitudes without overstressing the cylinders, allowing a smaller engine to operate as if it was larger, and thus improving its power to weight ratio. The prototype Kestrel engine was first run in 1926, and one first flew in 1927, with a power rating of 450hp (335kW). The engine was normally aspirated in its initial form.

Улучшения

Двигатель был впервые произведен в 1927 году мощностью 450 л.с. (335 кВт), которая вскоре была увеличена в версии I B до 525 л.с. (390 кВт) за счет повышения степени сжатия до 7:1. Вариант I B получил широкое распространение в семействе самолетов Hawker Hart, являясь основой британской авиации в начале 1930-х годов. Разработка продолжалась, и в модели V был представлен центробежный компрессор, увеличивший мощность до 695 л.с. (520 кВт). Повышенная доступность авиационного топлива с более высоким октановым числом в конце 1930-х годов позволила увеличить мощность двигателя до более высоких значений без возникновения детонации. Двигатель марки XVI, использованный в прототипе Miles Master M.9, развивал 745 л.с. (500 кВт), а вариант XXX 1940 года эксплуатировался с мощностью 720 л.с. (537 кВт).

Система охлаждения

Одним из ключевых достижений в конструкции Kestrel стало использование системы охлаждения под давлением. Вода кипит при 100°C при нормальном атмосферном давлении, но это давление снижается с увеличением высоты, а следовательно, температура кипения воды понижается с высотой. Количество тепла, отводимого воздушной системой охлаждения, зависит от максимальной температуры и объема охлаждающей жидкости, поэтому снижение эффективности охлаждения стало ограничивающим фактором для мощности авиационных двигателей в тот период, поскольку охлаждающую жидкость необходимо поддерживать ниже температуры кипения. Решением было создание избыточного давления во всей системе охлаждения двигателя, что повышало температуру кипения охлаждающей жидкости. Это не только компенсировало снижение эффективности охлаждения на больших высотах, но и позволило использовать более компактную систему охлаждения для той же тепловой нагрузки. Kestrel был спроектирован для поддержания давления в системе охлаждения, чтобы температура кипения охлаждающей жидкости оставалась около 150°C.

Варианты

В ранних вариантах Kestrel двигатели без наддува имели два значения степени сжатия: двигатели "А" имели степень сжатия 6:1, а двигатели "Б" – высокую степень сжатия 7:1. Kestrel был разработан для оснащения механическим нагнетателем с приводом от шестерен, в ранних вариантах Kestrel двигатели "MS" были умеренно наддуты, а двигатели "S" – полностью наддуты. Ряд вариантов Kestrel создавались путем переборки или модификации более ранних модификаций. Kestrel I, F. X (1927–28) – максимальная продолжительная мощность, прямой привод тянущего винта, степень сжатия 6:1. Kestrel IA, F. XIA (1927–28) – максимальная продолжительная мощность, привод тянущего винта с правой стороны, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 18 штук. Kestrel IB, F. XIB (1929–34) – максимальная мощность при 2700 об/мин в течение 5 минут с использованием топлива с октановым числом 77, максимальная продолжительная мощность. Степень сжатия 7:1. Производство новых двигателей составило 580 штук. Kestrel IB3, F. XIB3 (1934) – максимальная продолжительная мощность, степень сжатия 7:1. Производство новых двигателей составило 92. Kestrel IB4, F. XIB4 (1934) – максимальная продолжительная мощность, степень сжатия 7:1. Производство новых двигателей составило 5. Kestrel IB5, F. XIB5 (1934) – максимальная продолжительная мощность, степень сжатия 7:1. Производство новых двигателей составило 34. Kestrel IMS, F. XIMS (1929) – максимальная продолжительная мощность, умеренно наддутый, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 1. Kestrel IS, F. XIS (1928–33) – максимальная продолжительная мощность, полностью наддутый, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 9. Kestrel IIA, F. XIIA (1927–29) – максимальная продолжительная мощность, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 31. Kestrel IIB, F. XIIB (1933) – максимальная продолжительная мощность, степень сжатия 7:1. Производство новых двигателей составило 20. Kestrel IIMS, F. XIIMS (1928–35) – максимальная мощность при 2700 об/мин в течение 5 минут с использованием топлива с октановым числом 77, максимальная продолжительная мощность. Тянущий винт, умеренно наддутый, степень сжатия 5,5:1. Производство новых двигателей составило 82, некоторые из которых позже были переоборудованы для толкающего винта Short Singapore. Kestrel IIMS.2, F. XIIMS.2 (1933–34) – максимальная продолжительная мощность, умеренно наддутый, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 64. Kestrel IIMS.5, F. XIIMS.5 (1934) – максимальная мощность при 2700 об/мин с использованием 77-октанового топлива, максимальная продолжительная мощность, умеренно наддутый, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 5. Kestrel IIMS.6, F. XIIMS.6 (1935) – максимальная продолжительная мощность, умеренно наддутый, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 16. Kestrel IIS, F. XIIS (1928–38) – максимальная мощность с наддувом при 2750 об/мин в течение 5 минут с использованием топлива с октановым числом 77, максимальная продолжительная мощность. Полностью наддутый, степень сжатия 6:1. Обычно тянущий винт, хотя версии, установленные на Gloster TC.33, имели толкающий винт. Kestrel IIIB, F. XIVB – максимальная продолжительная мощность, степень сжатия 7:1. Kestrel IIIMS, F. XIVMS (1933–35) – максимальная продолжительная мощность, умеренно наддутый, степень сжатия 5,5:1. Обычно тянущий винт, хотя версии, установленные на Short Singapore III, имели толкающий винт. Kestrel IIIMS.2, F. XIVMS.2 (1933–34) – максимальная продолжительная мощность, умеренно наддутый, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 20. Kestrel IIIMS.4, F. XIVMS.4 (1934) – максимальная продолжительная мощность, умеренно наддутый, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 16. Kestrel IIIMS.6, F. XIVMS.6 (1935) – максимальная мощность с наддувом при 2700 об/мин для взлета или в течение 1 минуты с использованием 77-октанового топлива, максимальная продолжительная мощность. Умеренно наддутый, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 16. Kestrel IIIS, F. XIVS (1930–38) – максимальная мощность с наддувом при 2700 об/мин для взлета или в течение 1 минуты с использованием 77-октанового топлива, максимальная продолжительная мощность. Полностью наддутый, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 71. Kestrel IIIS.3, F. XIVS.3 (1934) – максимальная продолжительная мощность, полностью наддутый, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 48. Kestrel IV (1935) – максимальная продолжительная мощность, полностью наддутый, степень сжатия 6:1. Построен один двигатель, который стал прототипом Rolls Royce Goshawk. Kestrel V, V Spl. (1933–38) – максимальная мощность с наддувом при 2900 об/мин с использованием 87-октанового топлива, максимальная продолжительная мощность. Полностью наддутый, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 1178. Kestrel VDR (1937) – максимальная мощность с наддувом при 2350 об/мин с использованием 77-октанового топлива, максимальная продолжительная мощность. Полностью наддутый, степень сжатия 6:1. Kestrel VI (1934–1936) – максимальная мощность с наддувом при 2700 об/мин для взлета или в течение 1 минуты с использованием 87-октанового топлива, максимальная продолжительная мощность. Полностью наддутый, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 258. Kestrel VII – максимальная продолжительная мощность, умеренно наддутый, степень сжатия 6:1. Kestrel VIII (1936–37) – максимальная продолжительная мощность, умеренно наддутый толкающий винт, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 133. Kestrel IX (1934–37) – максимальная продолжительная мощность, умеренно наддутый тянущий винт, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 136. Kestrel X (1934–37) – максимальная мощность при 2900 об/мин в течение 5 минут с использованием 87-октанового топлива, максимальная продолжительная мощность. Степень сжатия 7:1. Производство новых двигателей составило 1161. Kestrel XDR (1937) – максимальная продолжительная мощность, степень сжатия 7:1. Kestrel XI (1935–36) – максимальная продолжительная мощность, степень сжатия 7:1. Производство новых двигателей составило 55. Kestrel XII – максимальная продолжительная мощность, степень сжатия 7:1. Kestrel XIV – максимальная продолжительная мощность, полностью наддутый, степень сжатия 6:1. Kestrel XV – максимальная продолжительная мощность, полностью наддутый, степень сжатия 6:1. Kestrel XVI, XVI Spl. (1936–38) – максимальная продолжительная мощность, полностью наддутый, степень сжатия 6:1. Производство новых двигателей составило 95. Kestrel XVI (DR) (1937) – максимальная продолжительная мощность, полностью наддутый, степень сжатия 6:1. Kestrel XVI (VP) (1937) – максимальная мощность с наддувом при 3000 об/мин в течение 5 минут с использованием 87-октанового топлива, максимальная продолжительная мощность. Полностью наддутый, степень сжатия 6:1. Переоборудован из Mk V для Miles Kestrel. Kestrel XXX (1938) – максимальная мощность с наддувом при 2750 об/мин для взлета или в течение одной минуты с использованием 87-октанового топлива. Полностью наддутый, степень сжатия 6,2:1. Последний вариант Kestrel, использовавшийся в Miles Master, изготавливался путем переборки старых Kestrel, обычно Mk V и Mk XVI, с обновленными компонентами.

In early Kestrel variants, unsupercharged engines were available in two compression ratios, 'A' engines had a compression ratio of 6:1, and 'B' engines a high compression ratio of 7:1. The Kestrel was designed to be fitted with a gear driven supercharger, in early Kestrel variants 'MS' engines were moderately supercharged and 'S' engines were fully supercharged. A number of Kestrel variants were produced by rebuilding or modifying earlier Marks. Kestrel I, F. X (1927–28) – maximum continuous power, direct drive left hand tractor drive, compression ratio 6:1. Kestrel IA, F. XIA (1927–28) – maximum continuous power, geared right hand tractor drive, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 18. Kestrel IB, F. XIB (1929–34) – maximum power at 2,700 rpm for 5 minutes using 77 octane fuel, maximum continuous power. Compression ratio 7:1. Production of new built engines totalled 580. Kestrel IB3, F. XIB3 (1934) – maximum continuous power, compression ratio 7:1. Production of new built engines totalled 92. Kestrel IB4, F. XIB4 (1934) – maximum continuous power, compression ratio 7:1. Production of new built engines totalled 5. Kestrel IB5, F. XIB5 (1934) – maximum continuous power, compression ratio 7:1. Production of new built engines totalled 34. Kestrel IMS, F. XIMS (1929) – maximum continuous power, medium supercharged, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 1. Kestrel IS, F. XIS (1928–33) – maximum continuous power, fully supercharged, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 9. Kestrel IIA, F. XIIA (1927–29) – maximum continuous power, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 31. Kestrel IIB, F. XIIB (1933) – maximum continuous power, compression ratio 7:1. Production of new built engines totalled 20. Kestrel IIMS, F. XIIMS (1928–35) – maximum power at 2,700 rpm for 5 minutes using 77 octane fuel, maximum continuous power. Tractor drive, medium superchanged, compression ratio 5.5:1. Production of new built engines totalled 82, some were later converted to pusher drive for the Short Singapore. Kestrel IIMS.2, F. XIIMS.2 (1933–34) – maximum continuous power, medium superchanged, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 64. Kestrel IIMS.5, F. XIIMS.5 (1934) – maximum power at 2,700 rpm using 77 octane fuel, maximum continuous power, medium superchanged, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 5. Kestrel IIMS.6, F. XIIMS.6 (1935) – maximum continuous power, medium superchanged, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 16. Kestrel IIS, F. XIIS (1928–38) – maximum power with boost at 2,750 rpm for 5 minutes using 77 octane fuel, maximum continuous power. Fully supercharged, compression ratio 6:1. Normally tractor drive, although versions fitted to the Gloster TC.33 were pusher drive. Kestrel IIIB, F. XIVB – maximum continuous power, compression ratio 7:1. Kestrel IIIMS, F. XIVMS (1933–35) – maximum continuous power, medium superchanged, compression ratio 5.5:1. Normally tractor drive, although versions fitted to the Short Singapore III were pusher drive. Kestrel IIIMS.2, F. XIVMS.2 (1933–34) – maximum continuous power, medium superchanged, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 20. Kestrel IIIMS.4, F. XIVMS.4 (1934) – maximum continuous power, medium superchanged, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 16. Kestrel IIIMS.6, F. XIVMS.6 (1935) – maximum power with boost at 2,700 rpm for take off or 1 minute using 77 octane fuel, maximum continuous power. Medium superchanged, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 16. Kestrel IIIS, F. XIVS (1930–38) – maximum power with boost at 2,700 rpm for take off or 1 minute using 77 octane fuel, maximum continuous power. Fully superchanged, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 71. Kestrel IIIS.3, F. XIVS.3 (1934) – maximum continuous power, fully superchanged, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 48. Kestrel IV (1935) – maximum continuous power, fully superchanged, compression ratio 6:1. Single engine built, it became the prototype Rolls Royce Goshawk. Kestrel V, V Spl. (1933–38) – maximum power with boost at 2,900 rpm using 87 octane fuel, maximum continuous power. Fully superchanged, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 1,178. Kestrel VDR (1937) – maximum power with boost at 2,350 rpm using 77 octane fuel, maximum continuous power. Fully superchanged, compression ratio 6:1. Kestrel VI (1934–1936) – maximum power with boost at 2,700 rpm for take off or 1 minute using 87 octane fuel, maximum continuous power. Fully superchanged, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 258. Kestrel VII – maximum continuous power, medium superchanged, compression ratio 6:1. Kestrel VIII (1936–37) – maximum continuous power, medium superchanged pusher drive, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 133. Kestrel IX (1934–37) – maximum continuous power, medium superchanged tractor drive, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 136. Kestrel X (1934–37) – maximum power at 2,900 rpm for 5 minutes using 87 octane fuel, maximum continuous power. Compression ratio 7:1. Production of new built engines totalled 1,161. Kestrel XDR (1937) – maximum continuous power, compression ratio 7:1. Kestrel XI (1935–36) – maximum continuous power, compression ratio 7:1. Production of new built engines totalled 55. Kestrel XII – maximum continuous power, compression ratio 7:1. Kestrel XIV – maximum continuous power, fully supercharged, compression ratio 6:1. Kestrel XV – maximum continuous power, fully supercharged, compression ratio 6:1. Kestrel XVI, XVI Spl. (1936–38) – maximum continuous power, fully supercharged, compression ratio 6:1. Production of new built engines totalled 95. Kestrel XVI (DR) (1937) – maximum continuous power, fully supercharged, compression ratio 6:1. Kestrel XVI (VP) (1937) – maximum power with boost at 3,000 rpm for 5 minutes using 87 octane fuel, maximum continuous power. Fully supercharged, compression ratio 6:1. Converted from a Mk V for the Miles Kestrel. Kestrel XXX (1938) – maximum power with boost at 2,750 rpm for take off or one minute using 87 octane fuel. Fully supercharged, compression ratio 6.2:1. Final Kestrel variant used in the Miles Master, they were manufactured by rebuilding older Kestrels, usually Mk Vs and Mk XVIs, with updated components.

Дальнейшее развитие

В 1927 году, после завершения прототипа Kestrel, возникла потребность в более крупном и мощном двигателе для использования на летающих лодках. Началась разработка двигателя с цилиндром диаметром 6 дюймов, по сравнению с 5 дюймами у Kestrel, который получил название Rolls Royce Buzzard. Двигатель Buzzard (или "H") был дополнительно модифицирован для участия в гонках Schneider Trophy в качестве Rolls Royce R. В 1935 году конструкция Kestrel была взята за основу для разработки Rolls Royce Merlin. Конструкция Kestrel также послужила основой для Goshawk, однако самолеты, предназначенные для оснащения двигателем Goshawk, были отменены, и проект был закрыт. Kestrel также использовался как база для разработки Peregrine (а следовательно, и Vulture), при этом во всех этих двигателях использовался одинаковый диаметр поршня – 5 дюймов и ход поршня – 5,5 дюймов. На практике разработка двигателей Peregrine и Vulture была приостановлена, а затем и вовсе отменена, чтобы направить больше ресурсов на разработку двигателя Merlin во время войны. В ответ на системы впрыска топлива, разработанные Bosch, в 1936 году двигатель Kestrel был оснащен карбюраторной системой с наддувом для улучшения подачи топлива на больших высотах. Результаты летных испытаний, проведенных институтом Фарнборо, показали, что двигатель работал "одним из самых плавных, которые они использовали на больших высотах".