Rolls-Royce R

Введение

1929 Британский авиационный двигатель Rolls Royce R - британский авиационный двигатель, который был разработан и построен специально для целей воздушных гонок компанией Rolls Royce Limited. Девятнадцать двигателей R были собраны в ограниченном производственном цикле между 1929 и 1931 годами. Разработанный на основе Rolls Royce Buzzard, он имел 37-литровую мощность, сверхнагнетаемый V 12, способный производить чуть менее 2800 лошадиных сил (2 090 кВт), и весил 1640 фунтов (770 кг). Интенсивные заводские испытания выявили механические неисправности, которые были устранены путем перепроектирования компонентов, значительно повысив надежность. R был использован с большим успехом в соревнованиях по гидросамолетам Schneider Trophy, проводившихся в Англии в 1929 и 1931 годах. Вскоре после соревнований 1931 года двигатель R, использующий специальную смесь топлива, привел победивший самолет Supermarine S.6B к новому рекорду скорости более 400 миль в час (640 км/ч). В 1930-х годах новые и подержанные двигатели R использовались для достижения различных рекордов скорости на суше и на воде такими гоночными личностями, как сэр Генри Сегрев, сэр Малкольм Кэмпбелл и его сын Дональд, последний рекорд был установлен в 1939 году. Последняя попытка рекордного водного скорости на R-моторной установке Дональдом Кэмпбеллом в 1951 году была неудачной. Опыт, полученный дизайнерами Rolls Royce и Supermarine от двигателя R, был неоценимым в последующей разработке двигателя Rolls Royce Merlin и Spitfire. В 1933 году был испытан пониженный двигатель R, известный как Griffon, но он не был напрямую связан с серийным Rolls Royce Griffon 1939 года, с тем же самым точным диаметром и выбросом, что и конструкция "R". Три образца двигателя R находятся на публичной выставке в британских музеях с 2014 года.

Происхождение

Rolls Royce понял, что двигатель Napier Lion, использованный в 1927 году в Supermarine S.5 победитель Шнайдерского трофея достиг пика своего развития, и что для британского участника в следующей гонке, чтобы быть конкурентоспособным, необходим новый, более мощный двигатель. Первый конфигурационный чертеж двигателя "Racing H", основанный на Buzzard, был отправлен Р. Дж. Митчеллу из Supermarine 3 июля 1928 года, что позволило Митчеллу начать проектирование нового гидросамолета S.6 Schneider Trophy. Вскоре после этого название двигателя было изменено на R для "Racing". Официальный контракт с британским правительством на продолжение проекта был заключен только в феврале 1929 года, оставив Rolls Royce шесть месяцев на разработку двигателя до запланированного конкурса Schneider Trophy в том году.

Описание

R был физически внушительным двигателем, разработанным командой во главе с Эрнестом Хивсом и включавшим Сирила Ловзи, Артура Роулледжа и Генри Ройса. R имел общий проем, ход и емкость Buzzard и использовал ту же 60 градусов V 12 компоновку. Был разработан новый одноступенчатый, двусторонний суперкомпрессорный импеллер вместе с пересмотренными цилиндрами и укрепленными соединительными стержниками. Мокрые блоки цилиндров, картер и редукторные механизмы винта были изготовлены из алюминиевого сплава "R. R 50"; чтобы сделать R максимально компактным, в конструкции было сделано несколько изменений по сравнению с Buzzard: корпус редуктора винта был переделан, а крышки гребных валов и качалки были изменены так, чтобы соответствовать форме носа самолета, воздухозабор был расположен в заднем углу двигателя (что также помогло избежать попадания распыления), а под двигателем вспомогательные элементы были немного подняты, чтобы уменьшить глубину фюзеляжа. Длина двигателя была сведена к минимуму, так как не было смещения сторон цилиндров спереди и сзади, что означало, что соединительные стержни из противоположных цилиндров должны были использовать короткий журнал подшипников коленчатого вала, известный как "большой конец". Первоначально это было достигнуто путем установки одного соединительного стержня внутри другого на нижнем конце в виде лопаток и вилки; однако, после обнаружения трещин соединительных стержней во время испытаний в 1931 году, конструкция стержня была изменена на суставный тип. Позже двигатели серии R имели натриевые выхлопные клапаны для улучшения охлаждения, в то время как дополнительные модификации включали переработанный нижний корпус коленчатого механизма и введение кольца скребки масла под штифтом поршня; мера, которая была перенесена на двигатель Merlin. В мае 1931 года был введен сбалансированный коленчатый вал, а соотношение сжатия на "спринтовых" двигателях, подготовленных для этого года, было повышено с 6:1 до 7:1.

Охлаждение

Охлаждение этого большого двигателя при одновременном снижении аэродинамического сопротивления создало новые проблемы как для команд дизайнеров Rolls Royce, так и для команд Supermarine. Известно, что традиционные методы охлаждения с использованием радиаторов типа солов, вызывают высокое сопротивление при полете; следовательно, было решено использовать поверхностные оболочки крыльев и плавных элементов S.6 в качестве теплообменников, используя структуру с двойной оболочкой, через которую могла циркулировать охлаждающая жидкость. Масло двигателя охлаждалось аналогичным образом с использованием каналов в фюзеляже и настенных оболочках. В то время S.6 описывали как "летающий радиатор", и было подсчитано, что эта система охлаждения рассеивала эквивалент 1000 л.с. (745 кВт) тепла в полете. Однако даже при использовании этой системы во время гоночных полетов отмечалось перегрев двигателя, что требовало от пилотов снижения настройки дросселя для поддержания безопасной рабочей температуры. Не столь очевидной мерой охлаждения было преднамеренное использование богатой топливной смеси, что объясняет частые сообщения о черном дыме, выходящем из выхлопных труб двигателя. Хотя это лишало двигатель некоторой мощности, оно повышало надежность и уменьшало возможность детонации в цилиндрах. Для сравнения, максимальный импульс более ранней конструкции Rolls Royce Kestrel составлял +6 фунтов (0,4 бара), эта цифра не была достигнута до 1934 года. Высокое давление в начале вызвало отказ свечей зажигания при испытании, и в конечном итоге была выбрана свеча типа Lodge X170, поскольку она оказалась чрезвычайно надежной. Разработка специального топлива была приписана работе "Род" Банкс, инженера, который специализировался на топливах и разработке двигателей. После использования чистого бензола для ранних наземных испытаний была испытана смесь 11% авиационного бензина и 89% бензола плюс 5 кубических сантиметров (см3) тетраэтилсвинца на имперский галлон (4,5 л). Эта смесь топлива была использована для победы в гонке Schneider Trophy 1929 года и продолжала использоваться до июня 1931 года. Было обнаружено, что добавление 10% метанола в эту смесь приводит к увеличению мощности на 20 л.с. (15 кВт), с дополнительным преимуществом снижения веса топлива, особенно важным для использования в самолетах из-за его пониженной удельной массы. Для попытки рекордной скорости в воздухе в 1931 году был добавлен ацетон, чтобы предотвратить периодические неисправности; состав этой окончательной смеси составлял 30% бензола, 60% метанола и 10% ацетона, плюс 4,2 кубических миллиметра тетраэтилсвинца на галлон. Двигатель был дополнительно протестирован и одобрен для ограниченных спринтовых гонок на 2783 л.с. (2 075 кВт) при 3400 оборотах в минуту и +21 фунтов (1,45) бара усиления, но эта возможность не была использована из-за опасений, что корпус S.6B не может выдержать мощность, и неспособность самолета поднять дополнительное топливо, необходимое для удовлетворения повышенного потребления.

Cooling this large engine whilst minimising aerodynamic drag posed new challenges for both the Rolls Royce and Supermarine design teams. Traditional cooling methods using honeycomb type radiators were known to cause high drag in flight; consequently it was decided to use the surface skins of the S.6 wings and floats as heat exchangers, employing a double skinned structure through which the coolant could circulate. Engine oil was cooled in a similar manner using channels in the fuselage and empennage skins. The S.6 was described at the time as a "flying radiator", and it had been estimated that this coolant system dissipated the equivalent of 1,000 hp (745 kW) of heat in flight. However, even with this system in use, engine overheating was noted during the race flights, requiring the pilots to reduce the throttle setting to maintain a safe operating temperature. A not so obvious cooling measure was the deliberate use of a rich fuel mixture, which accounts for the frequent reports of black smoke seen issuing from the engine exhaust stubs. Although this robbed the engine of some power, it increased reliability and reduced the possibility of detonation in the cylinders. By comparison the maximum boost of the earlier Rolls Royce Kestrel design was +6 lb (0.4 bar), this figure not being achieved until 1934. The high boost pressures initially caused the spark plugs to fail on test, and eventually the Lodge type X170 plug was chosen as it proved to be extremely reliable. The development of special fuel was attributed to the work of "Rod" Banks, an engineer who specialised in fuels and engine development. After using neat benzole for early ground test runs, a mixture of 11% aviation petrol and 89% benzole plus 5 cubic centimetres (cc) of tetra ethyl lead per Imperial gallon (4.5 L) was tried. This blend of fuel was used to win the 1929 Schneider Trophy race, and continued to be used until June 1931. It was discovered that adding 10% methanol to this mixture resulted in a 20 hp (15 kW) increase, with the further advantage of reduced fuel weight – particularly important for aircraft use – due to its lowered specific gravity. For the 1931 airspeed record attempt acetone was added to prevent intermittent misfiring; the composition of this final blend was 30% benzole, 60% methanol, and 10% acetone, plus 4.2 cc of tetra ethyl lead per gallon. The engine was further tested and cleared for limited sprint racing at 2,783 hp (2,075 kW) at 3,400 rpm and +21 lb (1.45 bar) of boost, but this capability was not used due to concerns with the S.6B's airframe not being able to withstand the power, and the inability of the aircraft to lift the extra fuel required to meet the increased consumption.

Испытания на земле

Первый запуск двигателя R1 состоялся на заводе Rolls-Royce в Дерби 7 апреля 1929 года, а R7 работал на следующий день. Наземные испытания R включали использование трех двигателей Kestrel: один для имитации встречного ветра или скорости воздуха, один для обеспечения вентиляции испытательной зоны и другой для охлаждения картерного корпуса. Суперкомпрессоры могли быть протестированы на отдельной установке, которая была приводима в действие другим двигателем Kestrel. Восемь человек должны были управлять тестовой ячейкой, возглавляемой "главным тестировщиком", который должен был регистрировать цифры и направлять других операторов. Одним из главных испытателей был Виктор Холливелл, который позже погиб, находясь на борту гонщицы за рекорд скорости на воде Мисс Англия II. Условия в испытательной камере были особенно неприятными; глухота и звон в ушах, продолжавшиеся до двух дней, были отмечены испытательным персоналом даже после затыкания ушей ватой. Во время предварительных испытаний на двух из 24 свечей зажигания двигателя были обнаружены металлические частицы, указывающие на сбой поршня, который потребует перестройки или замены двигателя. Правила соревнований не разрешали замены двигателя, но благодаря предвидению Эрнеста Хивза, несколько инженеров и механиков Rolls Royce, знакомых с R, отправились в Саутгемптон, чтобы стать свидетелями испытаний, и с их помощью один цилиндровый банк был удален, поврежденный поршень заменен и цилиндр отремонтирован. Эта работа была завершена за одну ночь и позволила команде продолжить соревнования. Запуск двигателя был достигнут комбинацией сжатого воздуха и ручной обработки магнитом; однако, во время предварительных испытаний в Калшоте были обнаружены проблемы с запусками из-за влаги в воздухе и загрязнения топлива водой. Для обеспечения чистого топлива для полетов в соревнованиях была разработана сложная процедура испытаний, поскольку содержание воды более 0,3% делало его непригодным для использования. Как и ожидалось, незначительные сбои двигателя продолжали возникать, и для противодействия этому двигатели и запчасти перевозились на высокой скорости между Дерби и Калшотом с использованием адаптированного автомобиля Rolls Royce Phantom I. Путешествуя в основном после наступления темноты, эта машина стала известна как "Призрак Ночи".

The first run of engine R1 took place at Rolls Royce's Derby factory on 7 April 1929 with R7 running the next day. while considerably more trouble than expected occurred with valve springs; at one time two or three would be found broken after a 10 minute run,

Ground testing of the R involved the use of three Kestrel engines: one to simulate a headwind or airspeed, one to provide ventilation of the test area, and another to cool the crankcase. Superchargers could be tested on a separate rig that was driven by another Kestrel engine. Eight men were required to run a test cell, led by the "Chief Tester" who had the tasks of logging the figures and directing the other operators. One of these chief testers was Victor Halliwell who later lost his life whilst on board the water speed record contender Miss England II. The conditions in the test cell were particularly unpleasant; deafness and tinnitus lasting up to two days were experienced by test personnel even after plugging their ears with cotton wool. During pre race scrutineering tests, metal particles were found on two of the engine's 24 spark plugs indicating a piston failure which would require an engine re build or replacement. The competition rules did not allow an engine change, but due to the foresight of Ernest Hives, several Rolls Royce engineers and mechanics that were familiar with the R had travelled down to Southampton to witness the trials, and with their assistance one cylinder bank was removed, the damaged piston replaced and the cylinder refurbished. This work was completed overnight and allowed the team to continue in the competition. Engine starting was achieved by a combination of compressed air and a hand turned magneto; however, starting problems were encountered during pre race testing at Calshot due to moisture in the air and water contamination of the fuel. A complicated test procedure was devised to ensure clean fuel for competition flights since more than 0.3% water content made it unusable. As expected, minor engine failures continued to be experienced, and to counter this engines and parts were transported at high speed between Derby and Calshot using an adapted Rolls Royce Phantom I motor car. Travelling mostly after dark, this vehicle became known as the Phantom of The Night.

Связь с грифоном и мерлином

Согласно мемуарам Артура Рубры, пониженная версия двигателя R, известная под названием Griffon в то время, была испытана в 1933 году. Этот двигатель, R11, но был иначе совершенно новой конструкцией, которая впервые запустилась в экспериментальном отделе в ноябре 1939 года. Хотя этот двигатель никогда не был запущен, серийная версия, Griffon II, впервые взлетела в 1941 году, установленная в Fairey Firefly. Существенным отличием между R и серийным Griffon было перемещение разъёма и приводов нагнетателя в переднюю часть двигателя для уменьшения общей длины. Еще одной мерой уменьшения длины было использование одного магнито (у R было два, установленных сзади), который снова был перемещен в переднюю часть двигателя. Дальнейшие возможные разработки двигателя R были обсуждены в файле Национального архива AVIA 13/122, который содержит предложение Королевского авиационного учреждения от октября и ноября 1932 года о испытании четырех двигателей до уничтожения. В этом документе говорится, что для испытаний было пять двигателей, пятый из которых должен был использоваться для стандартного испытания типа на высоких оборотах. Хотя они не были напрямую связаны со Спитфайром, инженеры Супермарина получили ценный опыт высокоскоростного полета с самолетами S.5 и S.6, их следующим проектом был прототип истребителя Supermarine Type 224 с двигателем Rolls Royce Goshawk. Технологические достижения, используемые в двигателе R, такие как натриевые охлаждаемые клапаны и свечи зажигания, способные работать при высоком давлении, были включены в конструкцию Rolls Royce Merlin. Автор Стив Холтер обобщает дизайн Rolls Royce R следующими словами:

Использование Кубка Шнайдера

Шнайдерский трофей - престижный ежегодный конкурс на награждение гидросамолетов, который впервые состоялся в 1913 году. В 1926 году впервые все команды выставили пилотов из своих вооруженных сил, Министерство Воздушного Вооружения финансировало британскую команду, известную как "High Speed Flight", из Королевских ВВС. Иногда известная просто как "Полет", команда была сформирована в экспериментальном учреждении морских самолетов, Феликсстоу, в рамках подготовки к гонке 1927 года, в которой разработанные Supermarine Mitchell, Napier Lion Supermarine S.5 заняли первое и второе место. 1927 год был последним ежегодным соревнованием, событие затем перешло на полугодовой график, чтобы предоставить больше времени для разработки между гонками. Во время гонки 1929 года в Коузе между Великобританией и Италией Ричард Вагхорн, управляя Supermarine S.6 с новым двигателем Rolls Royce R, сохранил Кубок Шнайдера для Великобритании со средней скоростью в 100 км, а также установил мировые рекорды скорости на 50 км и 100 км. Впоследствии рекорды были побиты, когда Ричард Атчерли позже зарегистрировал более высокие скорости, когда он завершил свои круги по трассе. Итальянская команда заняла второе и четвертое место, используя самолет Macchi M.52 с двигателем Fiat AS.3 V 12. Другой гоночный гидросамолет, Fiat C.29 с двигателем AS.5, принял участие в конкурсе, но не участвовал в конкурсе. Более сопоставимым с двигателем R был двигатель Fiat AS.6, разработанный для конкурса 1931 года; фактически, сдвоенный, двойной AS.5, который страдал от технических проблем. С помощью Рода Бэнкса AS.6 привел Macchi M. C.72 к новому рекорду скорости для поршневых гидросамолетов в 1934 году в 709,2 км/ч, рекорд, который по-прежнему существует по состоянию на 2009 год. В 1931 году британское правительство отказалось от финансовой поддержки, но частное пожертвование в размере 100 000 фунтов стерлингов от Люси, леди Хьюстон, позволило Супермарине участвовать в соревнованиях 13 сентября с использованием Supermarine S.6B с двигателем R. Итальянские и французские участники не смогли вовремя подготовить свои самолеты и экипажи к соревнованиям, и оставшаяся британская команда установила новый мировой рекорд скорости в 379 миль в час (610 км/ч), и, не имея соперника, выиграла трофей с третьей победой подряд. Оригинальный трофей находится в Лондонском музее науки вместе с S.6B, который его закрепил, а также двигателем R, который привел в движение этот самолет для последующего рекордного полета воздушной скорости.

The Schneider Trophy was a prestigious annual prize competition for seaplanes that was first held in 1913. The 1926 race was the first where all the teams fielded pilots from their armed forces, the Air Ministry financing a British team known as the High Speed Flight drawn from the Royal Air Force. Sometimes known simply as The Flight, the team was formed at the Marine Aircraft Experimental Establishment, Felixstowe, in preparation for the 1927 race in which Supermarine's Mitchell designed, Napier Lion powered Supermarine S.5s placed first and second. 1927 was the last annual competition, the event then moving onto a biannual schedule to allow more development time between races. During the 1929 race at Cowes between Great Britain and Italy, Richard Waghorn flying the Supermarine S.6 with the new Rolls Royce R engine retained the Schneider Trophy for Great Britain with an average speed of , and also gained the 50 km and 100 km (31 mi and 62 mi) world speed records. The records were subsequently beaten when Richard Atcherley later registered higher speeds when he completed his laps of the circuit. The Italian team placed second and fourth using Fiat AS.3 V 12 powered Macchi M.52 aircraft. Another racing seaplane, the Fiat C.29 powered by the AS.5 engine attended the contest but did not compete. More comparable to the R engine was the Fiat AS.6 engine developed for the 1931 contest; effectively a coupled, double AS.5 that suffered from technical problems. With the assistance of Rod Banks, the AS.6 powered the Macchi M. C.72 to a new speed record for piston powered seaplanes in 1934 of 440.6 mph (709.2 km/h), a record that still stands as of 2009. In 1931 the British Government withdrew financial support, but a private donation of £100,000 from Lucy, Lady Houston allowed Supermarine to compete on 13 September using the R powered Supermarine S.6B. For this race the engine's rating was increased by to The Italian and French entrants however, failed to ready their aircraft and crews in time for the competition, and the remaining British team set both a new world speed record at 379 mph (610 km/h) and, unopposed, won the trophy outright with a third consecutive victory. The original Trophy is on display in the London Science Museum along with the S.6B that secured it, as well as the R engine that powered this aircraft for the subsequent airspeed record flight.

Использование мировых рекордов скорости

Новые рекорды скорости были установлены после соревнований Schneider Trophy 1929 и 1931 годов, оба достигнуты с использованием двигателя R. За два десятилетия до Второй мировой войны, попытка побить рекорд скорости на суше была горячо оспариваема, особенно в начале 1930-х годов. Аэромоторы часто использовались для приведения колесных транспортных средств к более высоким скоростям, выбранным из-за их высокого соотношения мощности к весу: двигатель Liberty, Napier Lion и Sunbeam Matabele были среди типов двигателей, используемых в 1920-х годах. Rolls Royce R был последней разработкой в области проектирования высокомощных аэромоторов в то время, и был выбран несколькими производителями автомобилей, соперничающих за рекорд скорости на суше; двигатель также был выбран для моторных лодок, пытающихся установить рекорд скорости на воде. Одна машина и две лодки успешно использовали объединенную мощность двух двигателей R.

Запись скорости полета

Supermarine S.6 Сразу после конкурса на Шнайдерский трофей 1929 года командир эскадрильи Август Орлебар, командующий высокоскоростным полетом, установил новый рекорд скорости в воздухе в 355,8 миль в час (572,6 км/ч) с помощью Supermarine S.6, N247. 29 сентября 1931 года, спустя всего две недели после того, как британская команда завоевала Кубок Шнайдера, лейтенант Джордж Стейнфорт побил мировой рекорд скорости в воздухе на Supermarine S.6B, серийный S1595, достигнув средней скорости 655,67 км/ч. Он также должен был использовать идентичный сестринский самолет S1596 для попытки, но Stainforth перевернул его 16 сентября во время испытания винта.