Двигатель Napier Deltic: конструкция, применение и история разработки

Введение

Двигатель Napier Deltic — британский двигатель с противоположно движущимися поршнями, бесклапанный, с наддувом, двухтактный дизельный двигатель, применявшийся в морских, пожарных и локомотивных целях, разработанный и производившийся компанией D. Napier & Son. Цилиндры были расположены необычным образом – в виде треугольника с тремя рядами, с коленчатым валом в каждом углу треугольника. Термин «Дельтик» (означающий «в форме греческой буквы (заглавной) дельта») используется для обозначения как двигателя Deltic E.130 с противоположно движущимися поршнями, высокоскоростного дизельного двигателя, так и локомотивов, построенных компанией English Electric с использованием этих двигателей, включая демонстрационный локомотив DELTIC и серийную версию для British Railways, обозначенную как класс 55. Уменьшенная вдвое турбированная силовая установка Deltic также использовалась в локомотиве типа 2 производства English Electric, обозначенном как класс 23. И локомотив, и двигатель стали широко известны как «Baby Deltic».

История и дизайн

История Deltic началась в 1943 году, когда британское Адмиралтейство создало комитет для разработки мощного и легкого дизельного двигателя для моторных торпедных катеров. До этого момента в Королевском флоте такие катера приводились в движение бензиновыми двигателями, но их легковоспламеняющееся топливо делало их уязвимыми к пожарам, в отличие от дизельных катеров типа E. Патент на двигатель, схожий по сложности, но с четырьмя рядами поршней вместо трех, был подан в 1930 году Вифредо Рикартом, связанным с Alfa Romeo, и испанским производителем грузовиков INI Pegaso (патент ES0118013). До этого времени дизельные двигатели имели низкое отношение мощности к весу и низкую скорость. До войны компания Napier работала над авиационным дизельным проектом, известным как Culverin, после получения лицензии на версии Junkers Jumo 204. Culverin представлял собой двухтактную конструкцию с противоположно расположенными поршнями. Вместо одного поршня в каждом цилиндре, закрытого с одного конца головкой цилиндра, конструкция Jumo использовала удлиненный цилиндр, содержащий два поршня, движущихся в противоположных направлениях к центру. Это устраняло необходимость в тяжелой головке цилиндра, поскольку противоположный поршень выполнял ее функцию. Однако конструкция требовала отдельных коленчатых валов на каждом конце двигателя, которые должны были быть соединены посредством зубчатой передачи или валов. Основными преимуществами конструкции были однопоточный продув и относительно "плоская" форма двигателя. Адмиралтейству требовался гораздо более мощный двигатель и было известно о разработках Junkers по созданию многоколенчатых двигателей с прямой шестеркой и ромбовидной конфигурацией. Адмиралтейство посчитало, что эти разработки могут служить разумной отправной точкой для более крупного двигателя, который им требовался. Результатом стала треугольная конструкция, где цилиндровые блоки формировали стороны, а коленчатые валы располагались в каждом углу и соединялись фазовыми шестернями с одним выходным валом – фактически три отдельных двигателя V12. Deltic мог производиться с различным количеством цилиндров; 9 и 18 были наиболее распространенными, с тремя или шестью цилиндрами на блок соответственно. В 1946 году Адмиралтейство заключило контракт с компанией English Electric Company, материнской компанией Napier, на разработку этого двигателя. Предыдущие попытки разработки подобных двигателей сталкивались с трудностями при правильной организации движения поршней во всех трех цилиндрах в одной дельте, и именно эта проблема заставила Junkers Motorenbau отказаться от работы над дельтовидной формой, продолжая прототипирование ромбовидной конструкции с четырьмя коленчатыми валами и 24 цилиндрами Junkers Jumo 223. Герберт Пенварден, старший чертежник из Инженерной лаборатории Адмиралтейства, предположил, что для достижения правильного фазирования поршней один из коленчатых валов должен вращаться против часовой стрелки. Поэтому конструкторы Napier разработали необходимую зубчатую передачу, чтобы один из валов вращался в противоположном направлении по отношению к другим двум. Поскольку конструкция была с противоположно расположенными поршнями, не имела впускных и выпускных клапанов и не позволяла изменять положение окон продувки, конструкция Deltic располагала каждый коленчатый вал таким образом, чтобы соединять два соседних поршня, работающих в разных цилиндрах в одной плоскости, с использованием шатунно-поршневой группы типа "вилка и лопасть", где "лопасть" представляла собой "впускной" поршень, используемый для открытия и закрытия впускного окна, а "вилка" – "выпускной" поршень в соседнем цилиндре, используемый для открытия и закрытия выпускного окна. Это привело бы к тому, что воспламенение в каждом блоке цилиндров происходило бы с интервалом в 60°, но было принято решение, что выпускной поршень каждого цилиндра должен опережать свой впускной поршень на 20° поворота коленчатого вала. Это позволило открыть выпускное окно раньше впускного, а впускное окно закрыть после выпускного, что обеспечило хорошее удаление отработавших газов и высокую объемную эффективность подачи свежего воздуха. Для этого требовалось, чтобы воспламенение в соседних цилиндрах происходило с интервалом в 40°. Для 18-цилиндровой конструкции события воспламенения могли быть переплетены по всем шести блокам. Это привело к ровному, гудящему выхлопному звуку Deltic, с воспламенением заряда каждые 20° поворота коленчатого вала и отсутствием крутильных колебаний, что идеально подходило для использования на тральщиках. 9-цилиндровая конструкция, имеющая три блока цилиндров, имеет коленчатые валы, вращающиеся в противоположных направлениях. Опережение выпуска на 20° добавляется к 60° между блоками, что дает интервал в 80° между событиями воспламенения в соседних цилиндрах в одном блоке. Переплетение событий воспламенения по всем трем блокам цилиндров по-прежнему приводит к ровному гудящему выхлопному звуку и воспламенению заряда, происходящему каждые 40° поворота коленчатого вала, что снижает крутильные колебания. Хотя двигатель имел оконную продувку и не требовал тарельчатых клапанов, каждый блок имел распределительный вал, приводимый в движение с частотой вращения коленчатого вала. Он использовался исключительно для привода топливных насосов, каждый цилиндр имел свой инжектор и насос, приводимые в движение своим кулачком.

The Deltic story began in 1943 when the British Admiralty set up a committee to develop a high power, lightweight diesel engine for motor torpedo boats. Hitherto in the Royal Navy, such boats had been driven by petrol engines, but their highly flammable fuel made them vulnerable to fire, unlike diesel powered E boats. A patent for an engine, similar in complexity, but with four lines of pistons, not just three, was filed in 1930 by Wifredo Ricart, linked to Alfa Romeo, and to the Spanish INI truck maker Pegaso, Pat ES0118013. Until this time, diesel engines had poor power to weight ratios and low speed. Before the war, Napier had been working on an aviation diesel design known as the Culverin after licensing versions of the Junkers Jumo 204. The Culverin was an opposed piston, two stroke design. Instead of each cylinder having a single piston and being closed at one end with a cylinder head, the Jumo based design used an elongated cylinder containing two pistons moving in opposite directions towards the centre. This obviates the need for a heavy cylinder head, as the opposing piston filled this role. On the downside, the layout required separate crankshafts on each end of the engine that must be coupled through gearing or shafts. The primary advantages of the design were uniflow breathing and a rather "flat" engine. The Admiralty required a much more powerful engine, and knew about Junkers' designs for multicrankshaft engines of straight six and diamond forms. The Admiralty felt that these would be a reasonable starting point for the larger design that it required. The result was a triangle, the cylinder banks forming the sides, with crankshafts at each corner connected by phasing gears to a single output shaft—effectively three separate V 12 engines. The Deltic could be produced with varying numbers of cylinders; 9 and 18 were the most common, having either three or six cylinders per bank, respectively. In 1946, the Admiralty placed a contract with the English Electric Company, parent of Napier, to develop this engine. Earlier attempts at designing such an engine met with the difficulty of arranging the pistons to move in the correct manner, for all three cylinders in one delta, and this was the problem that caused Junkers Motorenbau to leave behind work on the delta form while continuing to prototype a diamond form, four crankshaft, 24 cylinder Junkers Jumo 223. Herbert Penwarden, a senior draughtsman with the Admiralty Engineering Laboratory, suggested that one crankshaft needed to revolve anticlockwise to achieve the correct piston phasing, so Napier designers produced the necessary gearing so one of them rotated in the opposite direction to the other two. Being an opposed piston design with no inlet or exhaust valves, and no ability to vary the port positions, the Deltic design arranged each crankshaft to connect two adjacent pistons operating in different cylinders in the same plane, using "fork and blade" connecting rods, the latter an "inlet" piston used to open and close the inlet port, and the former an "exhaust" piston in the adjacent cylinder to open and close the exhaust port. This would have led the firing in each bank of cylinders to be 60° apart, but arranging that each cylinder's exhaust piston would lead its inlet piston by 20° of crankshaft rotation was adopted. This allowed the exhaust port to be opened well before the inlet port, and allowed the inlet port to be closed after the exhaust port, which led to both good scavenging of exhaust gas and good volumetric efficiency for the fresh air charge. This required the firing events for adjacent cylinders to be 40° apart. For the 18 cylinder design, firing events could be interlaced over all six banks. This led to the even, buzzing exhaust note of the Deltic, with a charge ignition every 20° of crankshaft revolution, and a lack of torsional vibration, ideal for use in mine hunting vessels. The 9 cylinder design, having three banks of cylinders, has its crankshafts rotating in the opposite direction. The exhaust lead of 20° is added to the 60° between banks, giving firing events for adjacent cylinders in the same bank 80° apart. Interlacing firing events over all three banks of cylinders still leads to an even buzzing exhaust note, and charge ignition occurring every 40° of crankshaft revolution with consequent reduction of torsional vibration. Although the engine was cylinder ported and required no poppet valves, each bank had a camshaft, driven at crankshaft speed. This was used solely to drive the fuel injection pumps, each cylinder having its own injector and pump, driven by its own cam lobe.

Служба в флоте

Разработка началась в 1947 году, и первой моделью Deltic стала D18 11B, произведенная в 1950 году. Она была разработана для выдачи мощности при 2000 об/мин в течение 15 минут; непрерывная мощность составляла при 1700 об/мин, исходя из 10 000-часового ресурса между ремонтами или заменой. К январю 1952 года было доступно шесть двигателей, достаточных для полноценной разработки и испытаний на выносливость. В качестве испытательной платформы был выбран захваченный немецкий торпедный катер E-Boat S212, оснащенный дизелями Mercedes Benz, мощность которых была примерно сопоставима с 18-цилиндровыми двигателями Deltic. Когда два из трех двигателей Mercedes Benz были заменены, компактность двигателей Napier стала очевидной – они были вдвое меньше оригинальных двигателей и примерно в пять раз легче. Впоследствии они использовались на ряде других небольших ударных катеров. Благодаря конструкции, в основном из алюминия, их низкая магнитная сигнатура позволила использовать их на кораблях противоминной обороны, и Deltic был выбран для привода в 1960-х годах. Двигатель Deltic до сих пор находится в эксплуатации на некоторых судах, где его мощность снижена для уменьшения нагрузки. Двигатели Deltic использовались на торпедных катерах MTB и PT, построенных для других военно-морских флотов. Особенно примечателен норвежский класс Tjeld, также известный как класс "Nasty", который был продан Германии, Греции и ВМС США. Катера класса "Nasty" участвовали во Вьетнамской войне, в основном выполняя секретные операции. Двухтактные девятицилиндровые двигатели Deltic 9 использовались в качестве судовых двигателей, особенно на тральщиках. Суда класса "Тон" оснащались парой двигателей Deltic 18 и дополнительным двигателем Deltic 9 для выработки электроэнергии, необходимой для магнитного траления. В классе "Хант" использовались три двигателя Deltic 9, два для движения и один для выработки электроэнергии, с интегрированным гидравлическим насосом для питания носовых подруливающих устройств для маневрирования на малой скорости. Программа модернизации, проведенная компанией BAE Systems с 2010 по 2018 год, заменила двигатели Deltic на двигатели Caterpillar C32 на восьми оставшихся в эксплуатации кораблях Королевского флота.

Использование железной дороги

Двигатели Deltic использовались в двух типах британских железнодорожных локомотивов: Class 55, построенных в 1961–1962 годах, и Class 23, построенных в 1959 году. Эти типы локомотивов были известны как "Дельтики" и "Дельтики-малыши" соответственно. Локомотивы Class 55 использовали два двигателя D18 25 серии II типа V Deltic: механически наддуваемые 18-цилиндровые двигателя, каждый из которых развивал мощность 1500 об/мин при непрерывной работе. Локомотивы Class 23 использовали один менее мощный девятицилиндровый турбонаддувный двигатель T9 29 Deltic.

Из первоначальных 22 локомотивов Class 55 сохранилось шесть. Ведущий локомотив класса D9000 Royal Scots Grey был возвращен в состояние, пригодное для эксплуатации на основных линиях, в 1996 году. После выхода из строя силовой установки этот локомотив был на некоторое время оснащен двигателем типа T18 37K, ранее использовавшимся на кораблях Королевского военно-морского флота Норвегии, после того как были умело разработаны различные модификации для обеспечения совместимости нового агрегата.

Использование пожарной службы

Пожарная служба Нью-Йорка использовала двигатель Napier Deltic для привода своей единственной в своем роде "Супер-Пумперной Системы". Это был высокопроизводительный пожарный насос, установленный на прицепе, с отдельным цистерной-тендером.

Надежность в эксплуатации

Несмотря на то, что двигатель «Дельтик» был успешен в морском и железнодорожном применении и отличался высокой мощностью для своих габаритов и веса, он был очень чувствительным и требовал внимательного обслуживания. Это привело к стратегии замены двигателей, а не их ремонта непосредственно на месте. Двигатели «Дельтик» легко демонтировались после поломки и, как правило, отправлялись производителю для ремонта, однако после истечения первоначальных контрактов Королевский флот и Британские железные дороги организовали собственные ремонтные мастерские для проведения капитального ремонта.

Турбокомпозит Deltic

В 1956 году был построен один прототип турбонаддувной модификации "E.185" или "Compound Deltic", который был испытан в 1957 году. Это опиралось на опыт Napier, полученный как при разработке "Nomad", так и в связи с растущим участием компании в разработке газовых турбин. В конструкции использовался двигатель Deltic в качестве газогенератора внутри газовой турбины, с двенадцатиступенчатым осевым компрессором и трехступенчатой газовой турбиной. В отличие от "Nomad", эта турбина не была механически связана с коленчатым валом, а лишь приводила в действие компрессор. Предполагалось, что она будет развивать мощность 6000 лошадиных сил, обеспечивая непревзойденную экономичность и отношение мощности к весу. Инженеры, непосредственно участвовавшие в проекте, предсказывали, что поломка шатуна станет ограничивающим фактором мощности, и она не превысит примерно 5300 л.с. На испытаниях установка действительно выдала 5600 л.с., после чего, как и было предсказано, шатун прорвал блок картера. К 1958 году интерес военно-морского флота к данной конструкции угас в пользу чисто газотурбинных установок, несмотря на их больший расход топлива, и дальнейшая разработка была прекращена.