Двигатель Wright R-3350 Duplex Cyclone: История и Развитие

Введение

1937 год, семейство 18-цилиндровых радиальных поршневых двигателей компании Wright.

Wright R-3350 Duplex Cyclone – американский двухрядный, с наддувом, воздушно-охлаждаемый радиальный авиационный двигатель с 18 цилиндрами, рабочий объем которых составляет почти [упущено в оригинале]. Мощность варьировалась от 2200 до более 3700 л.с. (1640–2760 кВт) в зависимости от модели. Разработанный до Второй мировой войны, двигатель R-3350 потребовал длительной доработки, прежде чем был применен для привода Boeing B-29 Superfortress. После войны двигатель достиг достаточной зрелости, чтобы стать важным решением для гражданской авиации, особенно в турбонаддувных версиях, и использовался на авиалайнерах Lockheed L-1049 Super Constellation в 1950-х годах. Его основным конкурентом был Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major, запущенный примерно на семь лет позже, чем начались разработки Duplex Cyclone. В настоящее время двигатель широко используется на гоночных самолетах класса "Unlimited" Hawker Sea Fury и Grumman F8F Bearcat на авиагоночных соревнованиях в Рино.

Проектирование и разработка

В 1927 году Wright Aeronautical представила свой знаменитый двигатель "Циклон", который использовался в ряде конструкций в 1930-х годах. После слияния с Curtiss в 1929 году и образования Curtiss Wright, была начата работа по перепроектированию двигателя для данного класса. Новый Wright R 1820 Cyclone 9 успешно запустили в 1935 году, и он стал одним из наиболее широко используемых авиационных двигателей в 1930-х и во время Второй мировой войны, приводя в действие все серийные (модели C-G) тяжелые бомбардировщики B-17 Flying Fortress, участвовавшие в войне, каждый из которых оснащался турбонаддувом General Electric для обеспечения максимальной мощности на больших высотах. К 1931 году Pratt & Whitney приступили к разработке своего не менее известного девятицилиндрового двигателя Wasp с одним рядом цилиндров в более крупную и мощную четырнадцатицилиндровую конструкцию с двумя рядами – R 1830 Twin Wasp – с почти идентичным рабочим объемом в 30 литров, который мог легко конкурировать с более крупным однорядным "Циклоном". В 1935 году Wright последовала примеру P&W и разработала более крупные двигатели, основанные на механике "Циклона". Результатом стали две конструкции с несколько укороченным ходом поршня: 14-цилиндровый двигатель рабочим объемом почти 43 литра, который стал Wright R 2600 Twin Cyclone, и гораздо более крупный 18-цилиндровый двигатель, получивший обозначение R 3350. Более крупная 22-цилиндровая версия с двумя рядами, Wright R 4090 Cyclone 22, рассматривалась как конкурент четырехрядного 28-цилиндрового Pratt & Whitney R 4360 Wasp Major с рабочим объемом 71,5 литра, но не была запущена в производство. С началом разработки Pratt & Whitney собственного 18-цилиндрового двигателя с рабочим объемом 46 литров и двойным рядом цилиндров, обеспечивающего высокую мощность – Pratt & Whitney R 2800 Double Wasp – в 1937 году, первые прототипы R 3350 от Wright, имевшие рабочий объем почти 55 литров, были впервые запущены в мае того же года. Дальнейшая разработка шла медленно, как из-за сложности двигателя, так и из-за того, что R 2600 получал больше внимания. R 3350 впервые поднялся в воздух в 1941 году, после того как прототип Douglas XB-19 был перепроектирован с двигателя Allison V-3420 для установки R 3350. Ситуация кардинально изменилась в 1940 году с заключением нового контракта USAAC на разработку бомбардировщика большой дальности, способного совершать перелеты из США в Германию с бомбовой нагрузкой 9000 кг. Хотя новые проекты были меньше, чем конструкции бомбардировщика D, приведшие к Douglas XB-19, они требовали примерно той же мощности. Когда предварительные проекты были представлены летом 1940 года, три из четырех проектов базировались на R 3350. Внезапно двигатель стал рассматриваться как будущее военной авиации, и начались серьезные усилия по организации его серийного производства. В 1942 году Chrysler начала строительство завода Dodge Chicago, и новый завод, спроектированный Альбертом Каном, был полностью введен в эксплуатацию в начале 1944 года. К 1943 году была разработана окончательная версия новой программы бомбардировщиков – Boeing B-29 Superfortress. Двигатели оставались капризными и демонстрировали тревожную тенденцию к перегреву задних цилиндров, частично из-за минимального зазора между цилиндровыми перегородками и обтекателем. В производственную линию Superfortress были внесены многочисленные изменения для улучшения охлаждения на малых скоростях, и самолет был спешно отправлен на боевое дежурство в Тихом океане в 1944 году. Это оказалось неразумным решением, поскольку ранняя тактика применения B-29 с максимальными взлетными весами, в сочетании с высокими температурами на тропических аэродромах, где базировались B-29, приводила к проблемам с перегревом, которые не были полностью решены, а двигатели имели склонность к заглатыванию собственных клапанов. Из-за высокого содержания магния в потенциально горючем сплаве картера, возникающие пожары двигателя, иногда сгорающие при температуре ядра, приближающейся к 3100 °C, часто были настолько интенсивными, что главный лонжерон крыла мог сгорать за считанные секунды, что приводило к катастрофическому разрушению крыла. Ранние версии R 3350 использовали карбюраторы, хотя плохо спроектированный входной патрубок в нагнетатель приводил к серьезным проблемам с распределением топливно-воздушной смеси. Ближе к концу Второй мировой войны система была изменена на использование непосредственного впрыска топлива, когда топливо впрыскивалось непосредственно в камеру сгорания. Это повысило надежность двигателя. После войны двигатель был переработан и стал популярным для больших самолетов, в частности Lockheed Constellation и Douglas DC-7. После войны была разработана система Turbo Compound для повышения топливной эффективности. В этих версиях три турбины восстановления энергии (PRT) устанавливались в выпускном коллекторе каждой группы из шести цилиндров и соединялись с коленчатым валом двигателя через гидромуфты для передачи дополнительной мощности. PRT восстанавливали около 20% энергии выхлопных газов (около), которая в противном случае была бы потеряна, но снижали надежность двигателя (механики часто называли их турбинами восстановления деталей, поскольку повышенное тепло выхлопных газов приводило к возвращению старой проблемы разрушения выхлопных клапанов). Расход топлива самолетов, оснащенных PRT, был почти таким же, как у более старых Pratt & Whitney R 2800, при этом вырабатывалось больше полезной мощности. По состоянию на 15 октября 1957 года стоимость двигателя DA 3/DA 4 составляла 88 200 долларов США. К этому времени надежность улучшилась, среднее время между ремонтами составило 3500 часов, а удельный расход топлива составлял около 0,4 фунта/л.с./час (243 г/кВтч, что соответствует 34% топливной эффективности). Двигатели, используемые по состоянию на 2020-е годы, ограничены давлением во впускном коллекторе, что обеспечивает мощность с использованием топлива 100/130, вместо и возможной с использованием топлива 115/145 или лучше, которое больше не доступно из-за высокой токсичности этих видов авиационного бензина из-за чрезвычайно высокого содержания тетраэтилсвинца. Несколько гонщиков на Reno Air Races используют двигатели R 3350. Модификации одного из них, Rare Bear, включают носовой корпус, предназначенный для медленно вращающегося винта, взятый с R 3350, использовавшегося на Lockheed L 1649 Starliner, соединенный с силовой секцией (картер, коленвал, поршни и цилиндры), взятой с R 3350, использовавшегося на Douglas DC-7. Нагнетатель взят с R 3350, использовавшегося на Lockheed EC-121, и двигатель оснащен системой впрыска закиси азота. Номинальная мощность стандартного R 3350 составляет при 2600 об/мин и давлении во впускном коллекторе. С этими модификациями двигатель Rare Bear развивает при 3200 об/мин и давлении во впускном коллекторе, а с впрыском закиси азота.

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.