Ротативные авиационные двигатели компании Tips Aero Motor

byakin 28.09.2022 2

В избранноеВ избранномRemoved 1

С самого раннего возраста бельгийцы Морис А. Типс (Maurice A. Tips) и его младший брат Эрнест Оскар Типс (Ernest Oscar Tips) интересовались авиацией. К 1909 году братья Типс построили свой первый самолёт: биплан аэродинамической схемы «утка» с двигателем, вращавшим толкающие воздушные винты. Первый двигатель, который был установлен на самолете, оказался недостаточно мощным, и его заменили на ротативный Gnome. Два толкающих воздушных винта вращались с помощью приводов, соединенных с двумя валами двигателя. Хотя самолет совершил несколько полетов, его управляемость была неудовлетворительной, и конструкция машины не получила дальнейшего развития. Самолет обладал уникальными особенностями, и их развитие было продолжено в последующих разработках Мориса Типса.

После самолета 1909 года Морис переориентировал свои усилия на создание авиационных двигателей. К 1911 году Морис разработал первый авиамотор из серии «бесклапанных» ротативных двигателей. Во всех двигателях Мориса Типса использовалась система поворотных впускных и выпускных клапанов цилиндров. К сожалению, документация по этим двигателям практически отсутствует; точный порядок их разработки и подробные технические характеристики этих двигателей остаются неизвестными.

биплан с толкающими винтами, созданный Морисом Типсом и Эрнестом Оскаром Типсом в 1909 году. Первоначально самолет был оснащен восьмицилиндровым рядным V-образным двигателем Pipe, но его мощности было недостаточно. Pipe был заменен на более легкий ротативный двигатель Gnome, с которым самолет поднялся в воздух. Обратите внимание на редуктор, который при помощи привода с передачей под прямым углом приводил в действие валы, вращавшие толкающие винты

Первым был семицилиндровым ротативный двигатель, который развивал мощность 25 л.с. (19 кВт). Двигатель имел диаметр цилиндра 70 мм, ход поршня 110 мм и общий рабочий объем 3,0 литров. Полые «всасывающие трубки» забирали топливно-воздушную смесь из картера двигателя и доставляли ее в цилиндры. Каждая «всасывающая трубка» была прикреплена к неподвижному коленчатому валу двигателя. Всасывающие трубы вращались со скоростью, равной половине скорости вращения картера двигателя. В верхней части «всасывающей трубки» были расположены два проходных отверстия. За каждые два оборота картера «всасывающие трубки» делали один оборот во время которого одно из проходных отверстий совпадало с общим отверстием в верхней части цилиндра. Когда совпадало первое отверстие, топливно-воздушная смесь поступала из «всасывающего патрубка» в цилиндр. Когда совпадало второе отверстие, выхлопные газы могли вытекать из цилиндра в атмосферу.

чертеж 25-сильного (19 кВт) двигателя конструкции Типса 1912 года. Воздух поступал в двигатель через вращающиеся трубки (5), которые позволяли впускному отверстию (14) и выпускному отверстию (13) поочередно совпадали с общим отверстием в верхней части цилиндра. Всасывающие трубки были установлены на неподвижному коленчатому валу двигателя

Бесклапанный ротативный 25-сильный (19 кВт) конструкции Мориса Типса был установлен был установлен на моноплане, построенном Анри Жераром (Henri Gérard). Судя по всему, самолет был изготовлен примерно в 1913 году, однако результаты работы двигателя и самолета так и не были найдены. Как показала история, это был единственный двигатель конструкции Мориса Типса, который был установлен на самолет.

Анри Жерар и его механик у моноплана Жерара, оснащенного двигателем Типса. Авиамотор представлял собой семицилиндровый «бесклапанный» ротативный двигатель мощностью 25 л.с. (19 кВт). Обратите внимание на свечу зажигания, выступающую из верхней части каждого цилиндра (архив семьи Типс, снимок передан через Винсента Джекобса [Vincent Jacobs])

Морис непрерывно совершенствовал конструкцию «бесклапанных» ротативных двигателей. В конце 1912 года было запланировано создание двух более крупных версий семицилиндрового двигателя. 50-сильная (37 кВт) версия имела диаметр цилиндра 110 мм, ход поршня 120 мм и общий рабочий объем 8,0 литров. Самый крупный – 70-сильный (52 кВт) двигатель – имел диаметр цилиндра 112 мм, ход поршня 130 мм и общий рабочий объем 9,0 литров. В рекламе говорилось, что все три двигателя будут представлены на автомобильном салоне в Брюсселе, Бельгия, в январе 1913 года. Кроме того, двигатель мощностью 25 л.с. (19 кВт) использовался для привода аэроглиссера конструкции Типса, который был представлен на том автомобильном салоне.

Разработка двигателей продолжалась в течение 1913 и 1914 годов. Наиболее очевидным изменением было то, что «всасывающая трубка» была перемещена и располагалась параллельно, а не под углом, как это было в конструкции более ранних двигателей. Новая конструкция двигателя имела обновленный привод для всасывающих трубок, и воздушно-топливная смесь больше не проходила через картер. Правильнее будет сказать, что она подавалась через полое расширение коленчатого вала в пространство под всасывающими трубками. Был создан девятицилиндровый двигатель данной конструкции, но неизвестно где он был изготовлен – в США или Европе (скорее всего это было в Соединенных Штатах).

ротативный двигатель конструкции Типса вариантов 1913 года (слева) и 1914 года (справа). Основные изменения коснулись привода всасывающей трубки и поворотного клапана. Небольшая трубка (№ 14 на двигателе 1913 года и № 40 на двигателе 1914 года) в стационарном удлинении коленчатого вала обеспечивала подачу масла на коленчатый вал и шатун

Когда разразилась Первая Мировая война, братья Морис и Эрнест Типс бежали из Бельгии. Эрнест Типс отправился в Великобританию, где работал совместно с Чарльзом Ричардом Фейри и в 1915 году помог основать авиастроительную компанию Fairey Aviation Company (Fairey). В 1931 году Эрнест Типс вернулся в Бельгию с целью основать компанию Avions Fairey – дочернюю компанию компании Fairey. Также Эрнст Типс создал серию легких самолетов Tipsy.

В октябре 1915 года Морис Тип отправился в США и там продолжил разработку авиационных двигателей. Вполне возможно, что девятицилиндровый двигатель был изготовлен после того, как Типс зарекомендовал себя в Соединенных Штатах. Двигатель имел диаметр цилиндра 4,92 дюйма (125 мм) и ход поршня 5,91 дюйма (150 мм). Общий рабочий объем двигателя составлял 1011 кубических дюймов (16,6 литров), и мотор развивал мощность 110 л.с. (82 кВт). Девятицилиндровый двигатель имел диаметр примерно 35 дюймов (0,89 м) и весил 290 фунтов (132 кг). Морисом Типсом был разработан уменьшенный вариант девятицилиндрового двигателя, но неясно был ли он изготовлен. Эта уменьшенная версия имела диаметр цилиндра 4,92 дюйма (125 мм) и ход поршня 5,51 дюйма (140 мм). Общий рабочий объем двигателя составлял 944 кубических дюйма (15,5 литров), и мотор развивал мощность 100 л.с. (75 кВт).

вид сзади на 110-сильный (82 кВт) девятицилиндровый «бесклапанный» ротативный двигатель конструкции Мориса Типса. Воздух всасывался через полое расширение коленчатого вала, где он смешивался с топливом. Отверстия в расширении коленчатого вала вели к распределительной камере в задней части двигателя. Топливно-воздушная смесь втягивалась во всасывающую трубку, расположенную за задним цилиндром, а затем в камеру сгорания (архив семьи Типс, снимок передан через Винсента Джекобса)

Для увеличения мощности у Морису Типсу в голову идея соединить тандемом два девятицилиндровых 110-сильных (82 кВт) двигателя и получить 18-цилиндровый силовой агрегат. Две секции двигателя должны были устанавливаться лицом к лицу и вращаться в одном направлении. Двигатели должны были быть подвешены примерно на 20 дюймов (508 мм) ниже вала воздушного винта. Мощность с силового агрегата должна была передаваться на вал воздушного винта с помощью расположенных между двигателями приводной зубчатой цепи Renold Silent. Изменяя размеры приводов, можно было добиться снижения частоты вращения воздушного вала. На приведенном ниже чертеже показаны ведущая шестерня диаметром 5 дюймов (127 мм) и шестерня диаметром 7,5 дюйма (191 мм) на валу пропеллера, что на треть снижало частоту вращения. Тандемный 18-цилиндровый двигатель должен был развивать мощность 220 л.с. (164 кВт) и весить 606 фунтов (275 кг). Силовой агрегат должен был иметь длину 62 дюйма (1,57 м) (длина вала воздушного винта не учитывается) и диаметр 40 дюймов (1,02 м). Крайне маловероятно, что этот тандемный двигатель был изготовлен.

чертеж тандемного ротативного двигателя конструкции Мориса Типса. Данный двигатель состоял из двух соединенных друг с другом девятицилиндровых двигателей. Инвертированная зубчатая цепь передавала мощность на вал воздушного винта (архив семьи Типс, снимок передан через Винсента Джекобса)

В 1917 году в Вунсокете (Woonsocket), штат Род-Айленд, была основана моторостроительная компания The Tips Aero Motor Company. В том же году Морис Типс подал заявку на получение патентов, охватывающих его новую конструкцию двигателя, которая в свою очередь включала в себя многие технические решения более ранних двигателей Типса. Вместо тандема двух двигателей новый авиамотор Типса представлял собой единый 18-цилиндровый силовой агрегат. Ротативный двигатель имел два ряда по девять цилиндров в каждом и размещался на неподвижной раме. В новом двигателе использовалось как водяное, так и воздушное охлаждение. Цилиндры были расположены попарно; один находился в переднем ряду двигателя, а другой – в заднем ряду. Коленчатый вал имел только одно колено, и поршни обоих цилиндров пары одновременно находились в верхней мертвой точке на такте сжатия. Степень сжатия двигателя составляла 5,25 к 1. Каждый цилиндр имел по одной свече зажигания, расположенной в центре камеры сгорания. Свечи зажигания приводились в действие двумя магнето, установленными в передней части двигателя и приводившимися в действие от вала воздушного винта.

Большинство ротативных двигателей имели неподвижный коленчатый вал и вращающийся картер. Такая компоновка создавала большую нагрузку на коленчатый вал и картер, а также оказывала серьезное гироскопическое воздействие на самолет. В двигателях конструкции Мориса Типса было применено несколько технических решений, которые предназначались для устранения традиционных недостатков ротативных двигателей. Коленчатый вал двигателя Мориса Типса вращался и соединялся с валом воздушного винта. Винт пропеллера был соединен с картером двигателя и вращался в противоположном направлении по сравнению с коленчатым валом и валом воздушного винта. Конечным результатом было то, что когда коленчатый вал вращался со скоростью 1800 об/мин, вал пропеллера вращался с частотой 1080 об/мин, а картер вращался в противоположном направлении с частотой 60 об/мин. Ротативные двигатели, в которых коленчатый вал и картер вращаются в противоположных направлениях и с разными скоростями называются биротативными двигателями.

Вал пропеллера 18-цилиндрового двигателя конструкции Мориса Типса был соединен с коленчатым валом зубчатой передачей (передаточное число 0,600); шестерня коленчатого вала имела 18 зубьев, а внутренняя шестерня вала воздушного винта – 30 зубьев. Для вращения картера 17 зубьев на шестерне вала пропеллера входили в зацепление с 51 зубом на одной стороне промежуточного вала, что давало передаточное число 0,333. Другая сторона промежуточного вала имела 11 зубьев, которые входили в зацепление с 66-зубчатой внутренней шестерней, прикрепленной к картеру (передаточное число 0,167). Вращение вала воздушного винта и коленчатого вала в противоположных направлениях не только устраняло гироскопический эффект, присущий обычным роторным двигателям, создаваемый пропеллером, который был прикреплен к неподвижному двигателю.

чертеж 18-цилиндрового двухрядного ротативного двигателя конструкции Мориса Типса. Данный двигатель, разработанный в 1917 году, был гораздо более сложным, чем предыдущие двигатели. Обратите внимание на пары цилиндров, разделенных поворотным клапаном (24). Вал воздушного винта (10) был соединен к коленчатым валом (7) с помощью редукторов (8, 9). Картер был соединен с карданным валом через промежуточный вал (16)

На внешних сторонах отливок цилиндров имелись многочисленные ребра охлаждения. Кроме того, в отливках цилиндров имелись внутренние каналы для водяного охлаждения. Между каждой парой цилиндров был расположен ряд воздушных каналов для улучшения эффективности системы охлаждения. В двигателе не было водяного насоса. Вместо насоса была применена термосифонная циркуляция, и относительно медленное вращение картера обеспечивают циркуляцию охлаждающей воды из внутренних горячих областей цилиндров к ребрам охлаждения, расположенным на внешней стороне цилиндров. Вращение двигателя также способствовало смазыванию маслом, которое подавалось под давлением от коленчатого вала к остальным частям двигателя. Масляный насос и карбюратор располагались на неподвижной раме в задней части двигателя.

Фланец располагался на коленчатом валу между главными шатунами пары цилиндров. На фланце с помощью шарикоподшипников была установлена эксцентриковая шестерня со 124 зубьями на ее наружной кромке. К картеру была прикреплена (но не закреплена) шестерня главного клапана со 128 зубьями на внутренней кромке. Зацепление шестерен с эксцентриковым действием приводило к тому, что шестерня главного клапана поворачивалась на четыре зуба за один оборот коленчатого вала. На внешней кромке шестерня главного клапана находилось коническое зубчатое колесо со 128 зубьями. Эта коническая передача входила с зацепление с шестерней, имевшей 16 зубьев и прикрепленной к поворотному клапану, который расположен между парами цилиндров. При полном обороте шестерни главного клапана 16-зубая шестерня поворотного клапана поворачивалась на 4 зубца. Это означало, что частота вращения поворотного клапана составляла одну четвертую частоты вращения двигателя. Каждый полый поворотный клапан имел два впускных и два выпускных отверстия.

слева показан поворотный клапан с выровненными впускными отверстиями (Fig 3). Воздушно-топливная смесь поступала в клапан через отверстия в его нижнем конце (27а). Справа находится клапан с выровненными выпускными отверстиями (Fig 5). На Fig 4 показано поперечное сечение поворотного клапана с впускными отверстиями (28), выпускными отверстиями (29) и каналами для потока охлаждающей воды (30). На Fig 8 показана зубчатая передача клапана. Коленчатый вал (7) вращал эксцентриковую шестерню (44), которая входила в зацепление (42 и 41) с шестерней, установленной на картере. В результате коническая шестерня (27) входит в зацепление с шестерней, привинченной к нижней части поворотного клапана (26 на Fig 3) и поворачивала клапан один раз за четыре оборота коленчатого вала

вид сзади на 480-сильный (358 кВт) ротативный двигатель конструкции Мориса Типса. На данном чертеже показано обширное оребрение (22), покрывавшее двигатель. Комбинация оребрения и воздушных каналов (23) превращает весь двигатель в радиатор для охлаждения воды, которая протекала через двигатель с помощью термосифонной циркуляции и центробежной силы

Воздух всасывался через карбюратор, расположенный в задней части двигателя. Воздушно-топливная смесь проходила через коллектор, прикрепленный к цилиндру болтами, и поступала в канал, ведший в камеру, расположенную вокруг нижней части поворотного клапана. Отверстия в клапане позволяли воздуху проходить вверх через его полую середину и попадать в цилиндр при совпадении впускных отверстий. При вращении клапана выпускные отверстия совмещались с отверстиями цилиндра, позволяя газам выходить из верхней части головки клапана в атмосферу. Каналы в нижней части головки поворотного клапана подводили охлаждающую воду из кожуха водяного охлаждения цилиндра. Вода текла вверх через поворотный клапан и обратно в кожух водяного охлаждения цилиндра. Поворотный клапан смазывался графитовыми прокладками и удерживался на месте спиральной пружиной и стопорным колпачком вокруг его верхней поверхности.

18-цилиндровый двигатель конструкции Мориса Типса имел диаметр цилиндра 4,5 дюйма (114 мм) и ход поршня 6,0 дюймов (152 мм). Общий рабочий объем двигателя составлял 1718 кубических дюймов (28,1 литров), и мотор при частоте вращения вала 1800 об/мин развивал мощность 480 л.с. (358 кВт). Масса двигателя составляла 850 фунтов (386 кг). На максимальной мощности двигатель потреблял 22 галлона (83 л) топлива и 3 галлона (11 л) масла в час. Для ротативного двигатель потребление масла было особенно высоким, но авиамотор Мориса Типса был крупнее и мощнее других ротативных двигателей.

В 1919 году данный двигатель был упомянут в нескольких публикациях. В 1920 году скончался технический директор компании Tips Aero Motors Лео Г. Бенуа (Leo G. Benoit). Утверждалось, что Бенуа отвечал за проектирование и изготовление двигателя. Не найдено никакой дополнительной информации об этом ротативном двигателе; также не найдено его изображений. Отсутствие информации может означать, что 480-сильный (358 кВт) ротативный двигатель Мориса Типса так и не был изготовлен. Однако, учитывая подробное описание двигателя и то, что над ним работали с 1917 по, по крайней мере, 1920 год, безусловно, существует вероятность того, что двигатель изготовлен и испытан.

Морис Типс стоит рядом с незаконченной отливкой картера 18-цилиндрового биротативного двигателя. Отверстия во внешнем диаметре картера предназначались для поворотных клапанов. Отверстия в торце картера предназначались для водяных радиаторов, а отверстия внутри картера – для цилиндров. Остается неизвестным был ли изготовлен и испытан полноценный двигатель (архив семьи Типс, снимок передан через Винсента Джекобса)

Незадолго до начала Второй Мировой войны Морис Типс вернулся в Бельгию. Он продолжал разрабатывать двигатели и в 1938 году подал заявку на получение патента на роторно-поршневой двигатель. Данный двигатель не предназначался для использования в самолётах и не имел общих черт его ранними авиационными двигателями.

Источники:

- - Les Avions Tipsy by Vincent Jacobs (2011)
  - “Valveless Rotary Combustion Engine” US Patent 1,051,290 by Maurice Tips (granted 21 January 1913)
  - “Improvements in Rotary Combustion Engines” GB Patent 191307778 by Maurice Tips (application 15 April 1913)
  - “Improvements in or relating to Rotary Combustion Engines” GB Patent 191506821 by Maurice Tips (application 8 May 1914)
  - “Rotary Valve” US Patent 1,286,149 by Maurice A. Tips (granted 26 November 1918)
  - “Internal Combustion Engine” US Patent 1,306,035 by Maurice A. Tips (granted 10 June 1919)
  - “Valve-Operating Mechanism” US Patent 1,306,036 by Maurice A. Tips (granted 10 June 1919)
  - “Internal Combustion Engine” US Patent 2,203,449 by Maurice Tips (granted 4 June 1940)
  - “The Tips 480 H.P. Aero Motor” Aerial Age Weekly (17 March 1919)
  - Airplane Engine Encyclopedia by Glenn Angle (1921)
  - http://www.vieillestiges.be/fr/rememberbook/contents/42