魔法诞生的过程:英国传奇发动机“灰背隼”诞生始末
发布日期 : 2019-12-01 13:01:51 点击 : 2310

虽然R模型取得了巨大的成功,但它不是一个实用的引擎。罗洛公司显然在30年代初就意识到,皇家空军将需要比21升红隼更强大的发动机,而r-engine技术将能够尽快实现这一目标。这台发动机是pv12,不久将被命名为“红隼”。

虽然“红隼”有时被描述为R型的衍生物,但这种发动机仅借鉴了这种赛车发动机的许多设计经验,它的尺寸小得多,使用不同的结构。顾名思义,编号pv12 (pv=private ventur)意味着发动机是一个自主研究项目,没有与空军部签订合同。然而,在两次世界大战期间,英国空军部的技术开发署和发动机制造商之间的密切合作使这种先进的发动机很快引起了军方的注意。

1932年10月,批准pv12的开发成为亨利·莱斯的最终决定之一。根据初步设计规范草案,发动机排量为27升,采用罗洛公司现有成熟设计:60˚ v12水冷增压整体气缸结构,湿缸套,每个气缸有四个中空充钠阀和叉板活塞连杆。为了保证发动机的刚性和强度能够承受1000马力以上的潜在功率,缸体和上曲轴箱一体铸造,缸盖铸件拧在缸体上。罗伊斯在六个月后去世,a g .艾略特接任罗的首席工程师。

第一台pv12原型发动机于1933年10月开始台架测试,并于次年7月通过型号测试。1935年2月21日,发动机安装在哈特(hart)k3036上,开始试飞。罗洛公司制造了两台样机,并在研发过程中做了微小的改进,如将减速器的斜齿轮改为正齿轮。在试飞过程中,大型发动机曲轴箱和缸体的铸造暴露出严重缺陷。罗罗罗公司虽然在铸造方面应用了大量的专业知识,但铸件仍然容易开裂,维护成本很高。蒸发式发动机冷却系统也被证明是麻烦和容易泄漏的。

带pv12原型引擎的“雄鹿”k3036

有趣的是,第一个得到“红隼”名字的人是被pv12引擎抛弃的倒v12概念。罗洛工程师建立了一个概念模型,并在考虑了利弊后决定放弃。后来,一个德国工程师代表团参观了罗洛工厂,并对该模型非常感兴趣。在第二次世界大战中,戴姆勒-奔驰和豪车公司开发了大量倒置的v12可能不是偶然的。

Pv12倒置v12概念模型

戴姆勒-奔驰db601发动机

走向成熟

在下一次pv12修改中(现在被称为“红隼”),埃利奥特做了一些他自己的改变。pv12的原始原型发动机,如“红隼”、“秃鹫”和R型发动机,使用了一个扁平的气缸盖,便于气门放置。然而,埃利奥特认为倾斜气缸盖有更多的优势。复杂的内部形状会在气缸中产生湍流,从而改善燃料和进气的混合。然而,在1935年2月开始“红隼”b型的试运行后,事实清楚地表明,倾斜气缸盖比预期的优势小得多,并且它具有更低的功率,更容易爆震,并且还存在排气门烧蚀的问题。

缸体的开裂问题导致了“红隼”c的重新设计,将麻烦的大型铸件分成三部分,并将缸体与上曲轴箱分开,从而彻底解决了开裂问题。然而,倾斜气缸盖的问题仍然是一样的。“红隼”似乎已经进入了研发的瓶颈期。“红隼”c未能通过民用50小时模型试验。罗洛工程师决定将冷却系统的冷却液从水改为乙二醇。尽管水具有较高的比热,乙二醇具有较高的沸点,这使得冷却系统能够承受较高的工作温度。890马力的“红隼”c被指定为“喷火”和“飓风”战斗机原型的动力装置,这两种战斗机的设计者非常担心使用这种未经测试的发动机。的确,“飓风”原型机由于汽缸破裂和冷却剂泄漏而不得不更换发动机三次。

安装“格里夫拉”的“喷火”和“飓风”原型

罗洛·R&D工程师尽最大努力改进倾斜的气缸盖,调整火花塞的位置和气缸盖的布局,但效果有限。1935年12月,改进了气缸盖的“红隼”e终于通过了890马力的民用模型试验,但在1936年3月的100小时军用模型试验中停了下来,仍然存在排气门烧蚀的问题。1936年11月,稍加改装的“红隼”通过了军用模型试验,这降低了难度,并允许更换阀门。与此同时,在备战的压力下,空军部订购了第一批“红隼”f型,军用名称是“红隼”I .罗洛公司总共为费尔雷的“战斗”单架轰炸机制造了大约172台发动机。虽然不可靠,但我的“红隼”能产生1030马力,是英国空军拥有的最强大的发动机。

对角气缸盖图

“红隼”I

公平的“战斗”

埃利奥特最终承认倾斜气缸盖不适合生产发动机。下面的“红隼”(kest rel)G基本上相当于一个放大的“红隼”,它有一个整体铸造的缸体,带有一个整体气缸盖和一个扁平的气缸盖燃烧室。虽然这台发动机的功率不如“红隼”f高,但它更可靠。它于1936年10月通过了模型试验,并于第二年作为“红隼”ii投入生产。到1939年,罗洛公司已经生产了1000多架“红隼”二型和稍有改进的“红隼”三型,装备有皇家空军的“喷火”和“飓风”战斗机。

“红隼”三号

倾斜气缸盖在20世纪30年代末废弃后,“红隼”显示出巨大的发展潜力。1937年底,超级马林制造了一种“速度喷火”,试图创造一项新的世界空速记录。像R型发动机一样,安装在机器上的“红隼”ii也需要由罗德·班克斯(Rod Banks)准备的特殊燃料。到1939年1月,这种“红隼”ⅱ(特殊类型)已经能够在飞行中产生超过2160马力和27磅/平方英寸的推力。然而,即使使用特殊的火花塞和冷却系统,发动机也只能维持这种功率几分钟,因为它的核心基本上是增强型“红隼ii”。正如“喷火”飞行员杰弗里·奎尔(jeffrey quill)指出的那样,这一尝试让超级马林首席设计师乔·史密斯放心,“红隼”发动机在未来几年的动力增长。

“快速喷火”

英国空军的主要优势之一是引进辛烷值为100的燃料,将“红隼”的最大增压压力从6.25磅/平方英寸提高到9磅/平方英寸,功率从1030马力提高到1160马力。到1940年年中,“红隼三号”已经接受了12磅/平方英寸的5分钟紧急功率提升,以3000转/分的速度提供1310马力。

罗洛在诺丁汉的“红隼”发动机厂

增压器进化

迄今为止,“红隼”的增压器在设计上与1934年的原型发动机没有什么不同。1938年推出的“红隼”x有一个双速增压器。双速驱动使增压器能够以最合适的档位增压进气:低空中等增压(ms或m)和高空全增压(fs或s)。在自主研发的双速增压器性能不尽如人意后,罗洛公司从法国的法国购买了设计许可证。由于法国增压器没有德比版本紧凑,整个发动机的长度增加了。

“红隼”一号加压涡轮

双速增压器的双速传动机构

涡轮增压器驱动装置是设计中的一个难题。涡轮增压器涡轮的转速约为曲轴转速的10倍,这不仅意味着驱动装置需要以每分钟数万转的速度旋转,而且发动机的任何加速度都会放大10倍。此外,它还必须承受涡轮增压器齿轮变化产生的负载,这意味着驱动装置应该灵活、耐用、紧凑且重量轻。“红隼”的增压器采用曲轴驱动的扭转弹性套筒轴,增压器齿轮的质量也非常高,因此德国工程师在需要变速箱来驱动戴姆勒-奔驰(Daimler-Benz)和junkers发动机的测试增压器时,使用了从坠落的英国飞机上拆下的“红隼”增压器驱动组件。

“红隼”x

由于增压器位于发动机的后部,进气管中有许多弯管,所以增压器的气流不理想。在对压力损失进行了一些定量实验之后,“红隼”xx采用了重新设计的进气和增压器壳体,以及重新设计的涡轮和新的增压水/乙二醇冷却系统,将发动机的全油门操作高度增加了914米。

“红隼”xx的结构图,涡轮尺寸变大

由于采用了双速增压器,发动机比“红隼”ii/iii长,最初用于重型轰炸机。“红隼”xx最终安装在“飓风”号上,但在驾驶舱前面增加了机身延伸部分。由于“喷火”的结构更加复杂,需要更长的时间来修改。因为“飓风”比“喷火”更需要提高性能,“红隼”xx成为“飓风”二号的引擎,于1940年9月开始服役,而计划安装“红隼”xx的“喷火”三号最早要到1941年才能服役。

安装了“红隼”xx发动机的iia飓风

很快罗洛意识到,只有保持“红隼”xx的全助力齿轮并移动化油器位置,才能生产出与“红隼”iii尺寸相同的“红隼”45,并能保持“红隼”xx在中高海拔的性能。“红隼”45安装在“喷火”战斗机上后,“喷火”v型就诞生了。这种“过渡”模式如此成功,以至于它成为最具生产力的“喷火”战斗机,而计划安装“红隼”xx的“喷火”iii从未投入生产。为了提高低空性能,罗洛工程师缩短了涡轮增压器涡轮叶片,开发了“红隼”45m,安装在“喷火”v机身上,去掉翼尖以提高滚动速度,创造了传奇的“喷火”lfv低空战斗机。

安装“狮鹫”45的“喷火”五号

“喷火”lfv

尴尬的化油器

另一个需要“红隼”解决的问题是化油器的设计。早期“红隼”的浮子化油器容易受到负过载的影响。此时,燃油将充满化油器腔。一旦它再次变成正过载,发动机将降低功率或浓混合气将失速。德国空军战斗机的戴姆勒-奔驰发动机(Daimler-Benz engine)在燃料缸中采用直接喷射技术,不受负过载效应的影响,因此德国战斗机可以在全油门俯冲中获得优势或者作为逃生手段。但是,在安装“格里夫拉猎鹰”(Grifola Falcon)发动机的“斯皮法尔”(Spitfire)和“飓风”(Hurricane)时,有必要半摇拉杆跟随敌机,否则发动机会有失速的危险。

罗洛公司也考虑过直接燃油喷射,但最终选择了化油器,因为进气系统中燃油的蒸发会冷却进气,从而增加动力。英国皇家航空研究所(rae)的女工程师碧翠丝·先令(Beatrice shilling)提出了一种解决方案:在化油器上安装一个限流环,将燃油流量限制在最大节气门所需的流量,以防止浮子室溢出和浓混合气熄火。这种简单而优雅的解决方案自1941年初就安装在前线战斗机上,官方称之为“rae限流器”。然而,限流器只允许短期负过载飞行,所以长期的解决方案是使用bendix压力化油器,最后将燃料注入增压器。

罗科还致力于将“红隼”包装成“动力蛋”组件,即使用标准配件、燃料和其他连接器来适应不同类型的飞机。从“红隼”xx开始,这种发动机已经安装在布里斯托尔的“美丽斗士”双引擎战斗机和阿芙罗狄蒂的“兰卡斯特”轰炸机上。

“红隼”xx“动力蛋”

随着“红隼”xx和45的成功,罗罗罗公司开始考虑如何进一步提高发动机性能。工程师们通过计算发现,只有少量的动力可以用来挖掘现有增压器的潜力,因为单个增压器获得的最大有效压缩比约为4: 1。如果两个增压器可以串联在同一个轴上,“红隼”将能够在9144米高处产生1000马力。罗洛公司也考虑了涡轮增压系统,但当该系统应用于战斗机时,其性能优势将被管道的重量和复杂性抵消。最后,里程碑式的两速两级增压器诞生了一个中冷器和一个后冷器,进一步增加了进气压力。“红隼”的废气能量也没有被浪费。发动机喷气排气管产生的推力相当于在典型的战斗速度和高度下增加200马力。

罗洛为“红隼”xx设计了涡轮增压器

“红隼”61双级双速增压器

与此同时,“红隼”ii采用的“红隼”型气缸已达到其性能极限。为了产生更多的动力,必须重新设计发动机,使其具有单独的气缸体和气缸盖。罗洛工程师早就计划好了这个解决方案。当帕卡德的“红隼”在美国制造时,罗洛告诉帕卡德开发一种两件式气缸。在两级增压的“红隼”61上,两件式气缸将100辛烷燃料的增压增加到15磅/平方英寸。自1944年以来,150辛烷燃料已经将“红隼”的紧急增压提高到25磅/平方英寸,功率超过2000马力。高空维护功率在4572米时超过1500马力,在7010米时超过1300马力。

“红隼”61的结构图

像“红隼”xx一样,“红隼”61是为轰炸机应用而设计的,但当安装在“喷火”上时,它也能显著提高性能,尤其是在高空。装有“红隼”61发动机的“喷火”九型比“喷火”五型在9144米的时速快113公里。起初,英国空军对“喷火”九号的生产不确定,认为“喷火”五号的性能已经足够,装备“格里芬”发动机的“喷火”四号正在研发中。结果,福克-伍尔夫(fock-wulf)fw 190战斗机的出现彻底改变了这种态度,英国空军决定全力生产“喷火”ix。

“红隼”61

“喷火”九

作者阿姆斯特朗

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