Pratt & Whitney. Две ступени для «Осы»

Pratt & Whitney. Две ступени для «Осы»

История модификаций двигателей Pratt & Whitney R-1830 Twin Wasp и R-2800 Double Wasp с двухступенчатым нагнетателем – это совсем не хит, несмотря на их, особенно последнего, массовость. А ведь R-1830 и палубный истребитель Grumman F4F-3 Wildcat, на котором он уста­нав­ливался, стали первыми серийными представителями своих классов, серийно выпускае­мыми с двухступенчатым нагнетателем. Под «классом» тут имеется в виду двигатель и самолет. Истребители Grumman F6F Hellcat и Vought F4U Corsair, основа истребительной авиации ВМС США, летали всю войну с R-2800 различных модификаций, оснащенных двухступенчатым нагнетателем.

В период конец 30х – начало 40х в США сложилась странная ситуация: ВВС США (для зануд: Воздушный Корпус Армии США) делали ставку на турбокомпрессоры как средство повышения высотных характеристик авиамоторов, а во флоте к ним проявили меньший энтузиазм, и другие способы получили свое право на жизнь. В частности двухступенчатые нагнетатели. Другой нюанс – моряки давали предпочтения радиальным авиамоторам воздушного охлаждения, а в ВВС давали шанс и моторам жидкостного охлаждения. Итогом: на морской самолет надо было приспособить двухступенчатый нагнетатель на радиальный двигатель. Wright выпустил R-1820-48 для какого-то нереализованного проекта Brewster в единичном экземпляре, и вроде все, на P&W все зашло гораздо, гораздо дальше. Как на Райте подошли к конструированию своего мотора – неизвестно, но скорее всего так же, как их коллеги из P&W. Двухступенчатый нагнетатель P&W имел следующие особенности:

• Ступени раздельные (а не каскадный нагнетатель, как у британцев);
• После первой ступени поток делился напополам и шел по двум воздуховодам;
• За первой ступенью каждый поток подходил к своему интеркулеру (промежуточному охладителю), после которых оба потока сливались;
• Первая ступень — «дополнительная», отключаемая вместе с промежуточными охладителями;
• Карбюратор стоит перед второй, «основной», ступенью;
• На каждую ступень свой привод от картера двигателя, при этом вторая ступень «односкоростная», первая – «двух».

т.е. если у британцев воздух шел в любом случае так:
Карбюратор – Первая и вторая ступени нагнетателя – Промежуточный радиатор – Головки цилиндров,

то у американца или так:
Карбюратор – Вторая ступень нагнетателя – Головки цилиндров

и тогда это был режим мотора с обычным односкоростным одноступенчатым нагнетателем,
или так:
Первая ступень нагнетателя – Промежуточный радиатор — Карбюратор – Вторая ступень нагнетателя – Головки цилиндров.

У британца было два отдельных воздухозаборника: для промежуточного радиатора и для карбю­ра­тора, у американца их должно быть четыре: для первой ступени, для второй ступени, для двух интеркулеров. Когда первая ступень не работала, ее заборник закрывался перегородкой. Дроссельных заслонок было две – на каждую ступень своя. Управление режимами двигателя было автоматическим – стоял датчик давления, реагирующий на высоту полета и автоматически подклю­чающий первую ступень, скорости первой ступени переключались также автоматом.

Почему была выбрана именно такая реализация конструкции нагнетателя? В каскадной схеме, которую попробовали на какой-то ранней экспериментальной модификации R-1830 (?), американцам не понравилось, что на низких высотах вторая ступень работает неэффективно, впустую. Еще им не нравилось, что оба импеллера стоят рядом, греясь и накаляясь, трясясь и вибрируя, в общем оказывая друг на друга вредные механические и тепловые влияния. Промежуточный радиатор очень хотели поставить перед входом в карбюратор после нагнетателей, а желательно и еще один – между ступенями. Но второму мешали ограничения по весу и габаритам, а первое не придумали, как скомпоновать с радиальным двигателем. Поэтому его поставили так, как поставили – между двух ступеней. Разделение потока на два после первой ступени можно объяснить только проблемами с втискиванием под капот одного большого интеркулера, вместо этого внедрили два маленьких, которые плотненько вписались в габариты. Визуально двигатели P&W с двухступенчатым нагнетателем отличаются большей длиной хвостовой части. На R-2800, где эта хвостовая часть была очень аккуратно выполнена в виде блоков цилиндрической формы одинакового диаметра, внутри которых располагались различные агрегаты двигателя, разница в длине моторов с одно- и двух­ступенчатым нагнетателем заметна особенно наглядно: за двумя рядами цилиндров находился нагнетатель второй, основной, ступени, стоявший в той же плоскости, что и ряды, затем идет цилиндр такого же диаметра с карбюратором, и «банка» опять того же диаметра с нагнетателем первой, вспомогательной, ступени.

Что давало применение двухступенчатого нагнетателя двигателю и самолету? Рассмотрим на примере Grumman F4F-4 Wildcat с P&W R-1830-86 Twin Wasp [1] и Grumman F6F-5 Hellcat с двигателем P&W R-2800-10W Double Wasp [2]

На R-1830 с двумя ступенями радиаторов интеркулера было два, видимо для удобства компоновки один разделили на две половинки, это никак не повлияло на принцип системы нагнетания. Воздуховоды к этим половинам можно увидеть при виде спереди, во входном отверстии капота они на 4 и 8 часов. На 12 часов – воздухозаборник карбюратора.

Диаметр импеллеров: основного (вторая ступень) – 24,1 см (9,5 дюймов), вспомогательного (вторая) – 27,9 см (11 дюймов). Передаточные числа для основной ступени: 8,08:1; для вспомогательной: 6,43:1 и 8,48:1 для первой и второй скоростей соответственно. Давление наддува — 22.8 psi. Интересно, что вспомогательную ступень предписывалось включать в случае опасности обледе­нения – горячий воздух после интеркулера грел карбюратор, предотвращая образование льда – тут уже все действия по включению-выключению первой ступени проводились вручную.

1. Двигатель R-1830-86 с F4F Wildcat. Видны большие

К сожалению не удалось для сравнения найти полных данных по двигателю с 1ст2ск нагнетателем, сиречь P&W R-1830-90, стоявшему на F4F-3a, F4F-4a и F4F-6. Однако заметно что большой прибавки в мощности на средних высотах вторая ступень не давала. Наверняка выше 6 км разница была посущественней, т.е. 2ст2ск что-то там выдавали, а 1ст2ск уже не мог. Удивляют небольшие отличия по массе и габаритам двух модификаций: 707 кг вес двигателя модификации -86 и 678 кг у -90, длина 171 см у -90 против 161 см у -86.

P&W R-1830-86
F4F-4

Мощность на взлете
1200 л.с. при 2900 об.мин
Нормальный режим Боевой режим
1100 л.с. при 2550 об/мин на высоте до 1000 м 1100 л.с. при 2700 об/мин на высоте до 550 м
1080 л.с. … 2550 об.мин … на 1158 м 1135 л.с. … 2700 об.мин … на 1035 м
1090 л.с. … 2550 об.мин … на 3440 м 1150 л.с. … 2700 об.мин … на 3500 м
1030 л.с. … 2550 об.мин … на 3960 м 1030 л.с. … 2550-2700 об.мин … на 4570 м
1040 л.с. … 2550 об.мин … на 5610 м 1040 л.с. … 2550 об.мин … на 5610 м

P&W R-1830-90
F4F-3A, -4A

Нормальный режим
1100 л.с. при 2550 об/мин на высоте на 1860 м
1000 л.с. … 2550 об.мин … на 3810 м
1000 л.с. … 2700 об.мин … на 4420м

3. Кривые мощности и давления наддува P&W R-1830-86

4. Схема наддува двухступенчатого нагнетателя R-1830

Модификации P&W R-1830 с двухступенчатым нагнетателем:

(буквенно-числовые обозначения «фирменные» – обычно это авиамоторы гражданских самолетов и для поставок за рубеж, нечетные цифровые – по контрактам ВВС, четные – ВМС)

Первым был экспериментальный R-1830 SC-2G, он же R-1830-19, это февраль 38.

R-1830-76 стал серийным и прописался на F4F-3. В чем цимес установки модификации с двумя ступенями на большую летающую лодку – непонятно, но R-1830-78 стал своим на Consolidated PB2Y-2 Coronado.

Модификация R-1830-86 – это «Уайлдкэт» вариант F4F-4, а R-1830-88 – опять PB2Y-2/PB2Y-3.

Перейдем к P&W R-2800-10W. Максимальное давление наддува на второй ступени и на второй скорости первой ступени 25,5 psi, на первой скорости первой ступени – 26,3 psi. Для справки: у англичан на «Мерлинах» было 28 psi на высокооктановом топливе. Первый участок работы нагнетателя необычно короткий, еще короче чем у R-1830, в нашем случае на чрезвычайной мощности завал второй ступени начинается со смешных 750 метров, но есть варианты и покруче – кривая зависимости от высоты вообще начинается с наклонного участка (рис. 3), т.е. дроссель открыт уже на земле. Такая странная ситуация возникла уже на R-2800-8W, т.е. после оснащения двигателя впрыском воды. Лично мне сложно сказать – баг это или фича. На той высоте (7500–8000 м), где у британских «Мерлинов» и «Грифонов» начиналось самое интересное – запускалась вторая скорость нагнетателя – американец уже грустнел и чах, его вторая скорость дополнительной ступени совсем не помогала на больших высотах.

Принципиально же на Double Wasp по сравнению с Twin Wasp в концепции двухступенчатого нагнетателя ничего не изменилось. Исключая одну модификацию этого двигателя – R-1830-32W, на котором стояла одна из самых навороченных и причудливых систем нагнетания воздуха.

5. Двухступенчатый нагнетатель R-2800 серий A, B, C

6. Двигатель P&W R-2800-32W

Работы над 32ой модификацией начались под конец войны, прописался он на «Корсаре» варианта F4U-5, который появился уже после ее окончания – контракт на него был заключен 6 февраля 46го года. 32ой принадлежит к E-серии, предыдущие варианты, массово использующиеся на F4U, F6F и пр., к С и CE-сериям. Отличия по сравнению с предыдущей конструкцией коснулись первой, вспомогательной, ступени, и было их два:

• вместо одного импеллера стояло два, работающих параллельно, воздух к каждому поступал по своему воздуховоду и выходил через свой интеркулер;
• привод от двигателя на оба импеллера осуществлялся через общий вал посредством гидромуфт.

Для двух «улиток» импеллеров нашлось место по бокам хвостовой части двигателя, P&W R-2800 этой модификации получил вид, благодаря которому его не спутаешь ни с каким другим авиамотором. Передаточное число на колеса первой ступени теперь автоматически и бесступенчато изменялось от 6,7:1 до 9,65:1. И, может быть, первая, дополнительная, ступень теперь не была отключаемой. Но это не точно. Новый нагнетатель был очень эффективен, достаточно посмотреть на характеристики двигателя с ним и «Корсара» с этим двигателем.

R-1830-32W и его одноступенчатый собрат по E-серии R-1830-30W (стоявший на F8F-2) были самыми совершенными и последними «истребительными» «Осами».

Модификации P&W R-2800 с двухступенчатым нагнетателем:

R-2800 делятся на серии A, B, C,… Изменения в сериях относятся в основном к усилению двигателя для выдерживания больших нагрузок, кроме серии E на принципы работы нагнетателя с двумя ступенями эти изменения не влияли.

«Морские» R-2800

(буквенные обозначения «W» и «A» после индекса, если они были, условно не показаны)

Экспериментальные версии: X-2 и X-4 (прототипы), -24, 38.

Серийные версии:

• R-2800-8, -18, -32, -42. Использовались на всех серийных модификациях истребителя Chance Vought F4U Corsair (кроме штурмовиков);
• R-2800-10. Ставился на F6F всех серийных модификаций.

R-2800 в ВВС

Несмотря на приличное количество вариантов для ВВС, большей частью они оказались не у дел. Например потому, что самолеты для них оказались неудачными, как случилось с XP-60 и XP-56. Все «военно-воздушные» R-2800 предназначались тоже исключительно для истребителей.

• R-2800-10 и -65 – две массово использующиеся в ВВС модификации с двухступенчатым нагне­та­телем. Использовались на P-61A и P-61B;
• Версии -23, -25, -29, -53, -55 – экспериментальные.

Далее сравнение ТТХ P&W R-2800 Double Wasp с двухступенчатым двухскоростным нагнетателем (-10W), с двухступенчатым нагнетателем E-серии (-32W) и с одноступенчатым двухскоростным нагнетателем (-34W). Первый – середина военного времени, второй – послевоенного, третий – поздневоенный/сразупослевоенный. На финальном этапе ВМВ Грумман по какой-то причине изменил двухскоростному нагнетателю, и поздние F7F Tigercat и F8F Bearcat летали с низко­высотными версиями мотора, в частности с R-2800-34. Во время же войны истребительный Double Wasp и для ВМС и для ВВС – это авиамотор с 2ст2ск. Или с турбокомпрессором.

P&W R-2800-10W
F6F-3
Мощность на взлете
2000 л.с. при 2700 об.мин
Чрезвычайный режим Боевой режим Нормальный режим
2250 л.с. 2700 об/мин на 0 м 2000 л.с. 2700 об/мин до 520 м 1675 л.с. 2550 об/мин до 1680 м
2075 л.с. 2700 об/мин на 550 м 1755 л.с. 2700 об/мин на 1650 м 1570 л.с. 2550 об/мин на 2190 м
2135 л.с. 2700 об/мин на 3780 м 1800 л.с. 2700 об/мин на 4790 м 1525 л.с. 2550 об/мин на 5090 м
1965 л.с. 2700 об/мин на 4450 м 1640 л.с. 2700 об/мин на 5520 м 1530 л.с. 2550 об/мин на 5550 м
1975 л.с. 2700 об/мин на 5150 м 1650 л.с. 2700 об/мин на 6400 м 1550 л.с. 2550 об/мин на 6710 м

P&W R-2800-32W
F4U-5
Мощность на взлете
2300 л.с. при 2800 об.мин
Нормальный режим Боевой режим
1900 л.с. при 2600 об/мин на высоте 0 м 2300 л.с. при 2800 об/мин на высоте 0 м
1500 л.с. … 2600 об.мин … на 9140 м 1800 л.с. … 2800 об.мин … на 9140 м

P&W R-2800-34W
F8F-1
Мощность на взлете
2100 л.с. при 2800 об.мин
Чрезвычайный режим Боевой режим Нормальный режим
2380 л.с. 2800 об/мин на 0 м 2100 л.с. 2800 об/мин до 300 м 1700 л.с. 2600 об/мин до 2130 м
2400 л.с. 2800 об/мин на 300 м 1600 л.с. 2800 об/мин на 2680-4880 м 1450 л.с. 2600 об/мин на 3350-5640 м
1790 л.с. 2800 об/мин на 2900 м
1850 л.с. 2800 об/мин на 4270 м

Что касается габаритов, то никаких сюрпризов – R-2800-32W самый большой, R-2800-34W самый небольшой.
Вес, кг Длина, см
P&W R-2800-10W 1125 225
P&W R-2800-32W 1227 245
P&W R-2800-34W 1070 199

5. Кривые мощности, давления наддува и скорости F6F-5 P&W R-2800-10. Двухступенчатый двух­скоростной нагнетатель.

6. Кривые скороподъемности, скорости и мощности F4U-5 P&W R-2800-32W. Двухступенчатый двух­скоростной нагнетатель с гидромуфтами.

7. Кривые скорости и скороподъемности F8F-1 P&W R-2800-34W. Одноступенчатый двухскоростной нагнетатель.

8. Работа нагнетателя на F6F Hellcut

9. F4U и его двигательная установка.

10. Схема нагнетателя на F4U

11. Схема нагнетателя на F4U-5

12. F4F. Видно воздухозаборник нагнетателя.

13. F4U-5. Помимо длинного носа, более широкого капота, изменного угла наклона двигателя и прочее признаками Double Wasp’а E-серии являются воздухозаборники первой (дополнительной) ступени нагнетателя.

источник: https://p-d-m.livejournal.com/601333.html