Двигателят Napier Sabre

Двигателят Napier Sabre III в Royal Air Force Museum, Лондон


83 / 100

Двигателят Napier Sabre е всъщност цяла моделна линия и представлява шедьовър на британската техническа мисъл. Отличава се със сложна конструкция, но ненадминатите показатели го прави особено желан за задвижване на тежките изтребители от Втората световна война Hawker Tempest и Hawker Typhoon.

Предистория

Конструкторът на авиационни двигатели майор Франк Халфорд (Frank Halford) вярвал, че двигател, използващ повече по-малки цилиндри, при относително високи обороти би бил по-компактен, лек и също толкова мощен, както и двигтел с по-малко, но по-големи цилиндри, но и работещ на по-ниски обороти. През 1928 г. инженерът бил нает от фирмата D. Napier & Son, където коструирал двигателите Rapier I (E93) през 1929 г. и двигателя Dagger I (E98) през 1933 г. И двата били с въздушно охлаждане и били боксерови по H-образна схема, с вертикално, а не хоризонтално разположени цилиндри.

В началото на 30-те фирмата решила да насочи усилията си в полето на дизеловите самолетни двигатели. Предложението на разработчиците било боксеров двигател с 24 цилиндъра, с водно охлаждане и втулкови клапани, носещ заводското означение Е101. Проектът бил изоставен през 1933 г., но до тогава били построени няколко прототипа с два и шест цилиндъра, които трябвало да покажат ефективността на втулковите клапани.

През 1935 г. на базата на неуспешния дизелов двигател започнала разработката на бензинов двигател с 24 цилиндъра. Разработката била споделена с бюрото по разработки на британското министерство на въздухоплаването. От бюрото били наясно, че конструкторите на изтребители търсели такива двигатели и така било осигурено финансиране за новия агрегат. Двигателят трябвало да развива 2000 к.с. и носел означението Napier E107, но бил по-известен като Saber.

Конструкция

Същинската работа по разработката на двигателят Napier Sabreзапочнала през 1936 г. като двигателят с искрово възпламеняване не се различавал много от дизеловия, но бил с течностно охлаждане за по-добро отвеждане на топлината от компактния корпус, като за целта се използвала смес от 70 % вода и 30 % етилен-гликол. В процеса на разработване се включили и други инженери, разработващи гилзови клапани. По това време се смятало, че конвенционалните конусни клапани били достигнали своя апогей и втулковите се считали за по-ефективни за извличане на по-голяма мощност от двигателите с вътрешно горене.

Втулковите клапани

Двигателят Napier Sabre - устройство на втулкови клапани
Устройство на втулкови клапани

Втулковите клапани предлагали достъп до по-големи отвори към всмукателния и изпускателния тракт на двигателя, за по-добро изпразване на цилиндровата камера и по-доброто ѝ напълване с прясно работно вещество при високи обороти. При тази конструкция между цилиндъра и буталото се поставя втулка с радиални отвори, която се движи напред-назад в цилиндъра и леко се завърта. Извършвайки тези движения втулките откривали в подходящия момент достъп до всмукателния или изпускателния тракт.

Двигателят Napier Sabre бил с алуминиев блок на двигателя, като се разделял вертикално по средата на две части. В блока били монтирани горен и долен колянов вал, като всеки от тях бил опрян на 7 плъзгащи лагера. Централният лагер бил по-голям от останалите и за това разстоянието между третия и четвъртия ред цилиндри било увеличено спрямо останалите. Колената на валовете били дефазирани на 180 градуса, като от всяка страна на двата вала имало по шест цилиндъра. И двата вала се въртели противоположно на часовниковата стрелка, погледнато от задната част на двигателя. Интересен в фактът, че и двете половини на двигателния блок били вазимнозаменями.

Валове

Двигателят Napier Sabre имал редуктори монтирани в двата края на двигателя. Те задвижвали разпределителните валове на двигателя. При този двигател те обаче не били с гърбици, а с червячни колела. Тези колела задвижвали други колела, чиито оси били вертикални и задвижвали колена. Колената били свързани с втулковите клапани с помощта на ябълковидни болтове. Всяка червячна предавка задвижвала една гърбица за горния ред цилиндри и една за долния. Всеки от рапределителните валове бил монтиран от вътрешната страна на блока, като бил опрян на 14 лагера. Всеки от тези валове бил разпробит и през него преминавал друг вал, който участвал в задвижването на механичен компресор.

Двигателят Napier Sabre - валове
Схема на валовете на двигателя

Двата вала, задвижвали копресора посредством специален редуктор, поставен в задната част на двигателя. Двигателят Napier Sabre имал компресор, който работел на две степени, като за неговото задействане се грижел хидросъединител, който се регулирал от оборотите на двигателя. Колелото на центробежния компресор било двойно, като от четирикамерен карбуратор се подавала гориво-въздушна смес и след нагнетяването ѝ се разпределяла към четири колектора от лят алуминий, откъдето постъпвала в цилиндрите.

За възпламеняването на гориво-въздушната смес се използвали по две свещи на всеки цилиндър. Благодарение на завъртането и отдръпването на втулката се разкривали изпускателните отвори на цилиндъра и така отработените газове напискали цилиндъра. Пълният ход на втулките бил 64 мм, а завъртането 56 градуса (на по 28 градуса, спрямо централното положение). Всяка втулка имала по четири отвора, като един се използвал и за всмукване и за изпускане. В блока на двигателя били изработени по дванадесет изпускателни отвора, разположени в една линия, като всеки изпускателен отвор обслужвал по два порта – един от горния и един от долния ред цилиндри.

Горният и долният колянов вал задвижвали и спомагателни валове. Тези валове били поставени в отделни корпуси. Горният спомагателен вал задвижвал вакуумна помпа, регулатора на витлото, два разпределителя, генератор, въздушен компресор, хидравлична помпа, и маслената помпа за механичния компресор. Долният вал задвижвал лявата и дясната помпи за охладителната течност, горивната помпа и различни маслени помпи. Двете помпи на охладителната течност осигурявали общ дебит от 1389 литра в минута.
В задната част на горния колянов вал бил прикрепен стратер Coffman, който се задействал с комплект от пет пиропатрона.

Бутала

Двигателят Napier Sabre бил с бутала изработени от алуминий чрез коване. Те били с минимална пола, заради сравнително късия ход и използването на втулкови клапани. Всяко бутало имало два компресионни сегмента над буталния болт и един маслосъбиращ под него. Стените на втулковите клапани били с дебелина 2,4 мм и били изработени от хроммолибденова стомана. В долно мъртво положение буталото било почти изцяло извън цилиндъра и се държало само от втулката.

В горната си част втулките имали закален участък. В задната част на втулката били изработени спираловидни канали, които да предотвратят прекомерното натрупване на масло по стените на втулката. Всеки цилиндър бил затворен с горния си край с помощта на алуминиев фланец, в който били закрепени запалителните свещи, като през всеки фланец преминавали и канали за охладителната течност. Степента на сгъстяване на двигателя била 7 към 1.

Двигателят Napier Sabre се прикрепвал към фюзелажа на самолета в четири монтажни точки. Двигателят бил и много лецен за поддръжка, като само със свалянето на обшивката му механиците имали лесен достъп до всички свещи и други елементи, които често трябвало да бъдат обслужвани.

Двигателят Napier Sabre бил с работен обем от 36,68 литра, като обемът на всеки цилиндър бил 1,53 литра. При 3700 оборота в минута агрегатът генерирал 2050 конски сили.

Макар и оределян като компактен, двигателят Napier Sabre бил дълъг 2,06 метра, широк 1,3 метра, а теглото му било 1070 килограма.

Двигателят Napier Sabre преминал през различни етапи на тестване в периода от 1937 до 1939 г. При първите опити на самолет Hawker Typhoon I двигателят Napier Sabre I показал някои проблеми с вибрациите. През юни 1940 г. преминава 100-часово изпитване при мощност 2050 к.с. при 3700 оборота и става първият двигател със севизен рейтинг от над 2000 к.с. Първите двигатели, монтирани на Typhoon, разполагали с ресурс от 25 часа, след което били демонтирани за основна проверка.

Напредването на военните действия в британското небе забавили производството на двигателя. Бил направен опит то да се пренесе отвъд океана. Първоначално американските производители на самолети и авиационни двигатели определили двигателя като впечатляващ, но сложната му конструкция и недоказаните качества на втулковите клапани накарали експертите да преценят, че производството му е нецелесъобразно.

Двигателят Napier Sabre II е с мощност от 2090 к.с. и ресурсът му между две технически инспекции бил повишен на 50 часа. След него следва Sabre III, който бил доста сходен с предшественика си, но бил предвиден за работа при по-високи обороти. При 4000 оборота той развивал 2250 к.с.

Проблеми с качеството

Масовото производсвто довело и до масови проблеми. В процеса на експлоатация двигателят Napier Sabre показал  редица проблеми с надеждността. Те често не можели дори да преминат първоначалните тестове. Двигателите започвали да харчат много масло и клапанните втулки се напуквали и счупвали. Случвало се и да блокират. При огледите се оказвало, че втулките са изкривени. Тестовите двигатели били много добри, но тези от серийното производство не се представяли никак добре. Проблемът бил, че масовото производство не позволявало изработката на детайлите с необходимата точност и качество на материала. Освен това буталото имало склонност да се вкопае във втулката, което водело и до проблеми със сегментите.

Двигателят Napier Sabre показал и друг проблем. Натрупване на сажди водело до запушване на маслените пътища. По време на полет се случвало маслото да се смеси с въздух и прониквало в механичния компресор, като се създавала маслена мъгла, която полепвайки по кабината на пилота сериозно нарушавала видимостта му. Проблеми създавал и стартерът с пиропатрони. Рязкото завъртане на валовете водело до повреди в редуктора, а лоша настройка на горивната система водела до детонации в цилиндрите и повреди по двигателя.

Естетвено били взети мерки за решаване на тези проблеми. Маслото било сменено с такова, което да отмива саждите и бил монтиран специален центробежен сепаратор, който да отделя въздуха от маслото. Двигателят Napier Sabre се стартирал със специална смес от 70% гориво и 30% масло, за да не се отмива масления филм в първоначалния момент след запускане на двигателя. Най-труден за отстраняване бил проблемът с втулките. Били разработени специални инстументи, които да измерват диаметъра им през отвора на свещите, но всепак първите бройки трябвало да бъдат изтеглени.

За подобряване на качеството били използвани различни материали и техники на обработка, но нищо не помагало. Затруднението в производството на двигатели довело до изоставяне в снабдяването и повече самолети били произведени, отколкото двигатели. Стигнало се до там, че във фабриката монтирали един двигател, с който самолетът достигал съответно летище, след това двигателят бил демонтиран, транспортиран обратно във фабриката, където бил монтиран на друг самолет.

Решението на проблема с втулките дошло от друг производител на авиационни двигатели. За материл била исползвана центробежно излята аустенитна стомана с известно съдържание на никел, хром и манган. Освен това втулката била и азотирана, за да се повиши твърдостта ѝ. В резултат на всички подобрения към 1943 г. Двигателят Napier Sabre вече имал експлоатацинонен живот от 250 часа. Появили се и нови модификации.

Двигателят Napier Sabre IV бил със значително подобрен ресурс и мощността му достигала 2240 к.с. Двигателят Sabre V бил с подобрен карбуратор и освен това при него запалителните свещи не били монтирани перпендикулярно, а под ъгъл. Мощността му била 2420 к.с.

Двигателят Napier Sabre VII бил с подсилен корпус за достигане на по-високи мощности. Двигателят бил оборудван със система за впръскване на водно-метанолова смес за избягване на детонации в отношение 40% / 60% вода – метанол. Сместа се впръсквала в механичния компресор. Мощността му достигала 3000 к.с., като на по-късен етап била повишена до 3500 к.с., като при тестване дори е постигнал 4000 к.с.

Двигателят Napier Sabre е използван и като база за експерименти на двигател с двутактов цикъл на работа, но били неуспешни и реално подобни двигатели не са влезли в експлоатация.

Няма коментари

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван.