Авиационные дизельные двигатели компании Junkers. Часть 3 Авиационный дизель — сгоревшая мечта

Содержание:

Предисловие редакции: Созданный компанией Junkers двигатель Jumo 205 обладал высокими рабочими характеристиками и был тем базовым вариантом, который мог быть использован для создания моторов для полетов на сверхбольших высотах. Конечным этапом этого пути стал высотный дизельный авиадвигатель Jumo 223, предназначавшийся для оснащения трансокеанского авиалайнера Ju/EF-100. Об авиационных дизельных двигателях компании Junkers рассказывает Хольгер Лоренц.

По мере увеличения крейсерской высоты полета самолеты летают все быстрее при той же мощности двигателя, что делает их все более экономичными, одновременно сокращая время нахождения в воздухе и экономя время пассажиров. Это связано с тем, что по мере высоты плотность воздуха уменьшается, что, в свою очередь, приводит к меньшему общему сопротивлению самолета. К сожалению, с уменьшением плотности воздуха также уменьшается объемный КПД поршневого двигателя, что снижает его мощность по мере увеличения высоты полета и не приводит к желаемому увеличению скорости.

В начале 1920-х годов была предпринята попытка преодолеть это противоречие с помощью так называемого «негабаритного» двигателя. Однако в этом случае масса двигателя увеличивалась непропорционально его наземным характеристикам, что вынуждало смиряться с ухудшением взлетных характеристик. Поскольку характеристики двигателя принципиально зависят от массы воздуха, которая может сжигаться в цилиндре в единицу времени, то недостаток воздуха для сгорания приводит к быстрому снижению мощности на больших высоте по сравнению с характеристиками на уровне моря. Таким образом, задача состояла в создании конструкции, которая обеспечивала поддержание постоянного поступления воздуха как на земле, так и на больших высотах. Этого можно достигнуть с помощью нагнетателя, который уже присутствовал в дизельном двигателе Jumo с оппозитными поршнями.

Дилемма бензинового двигателя

Однако, если нагнетатель приводился в действие двигателем, то мощность, необходимая для работы этого устройства, естественно, терялась из-за привода воздушного винта. Разработка компрессоров, получившая широкое распространение в конце войны, привела к тому, что в 1952 году в американских турбокомпаундных двигателях авиалайнеров Lockheed Constellation и DC-7 потери мощности удалось снизить до 40 процентов. Однако полученный за счет нагнетания рост мощности приводил к повышенному выходу из строя дополнительных блоков, делало использование подобных систем бессмысленным. С бензиновым двигателем эта дилемма не была решена, однако с работавшим на более низких температурах дизельным двигателем ситуация была ровно наоборот. Был предложен другой и гораздо более элегантный способ, который заключался в использовании работавших на выхлопных газах турбокомпрессоров, эффективность которых увеличивалась по мере увеличения высоты в той же степени, в какой уменьшалась мощность авиационного двигателя. Это происходило по следующей причине: разница в давлении воздуха между уровнем моря и увеличивавшейся высотой полета снижаем массу воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, но одновременно с этим благодаря разнице в давлении выхлопные газы расширяются гораздо сильнее, чем на земле. Таким образом, работающий на выхлопных газах турбокомпрессор, действует более синхронно с изменением высоты полета.

Однако скорость истечения выхлопных газов турбонагнетателя имеет свои ограничения по силе (абсолютная) и скорости звука (относительная). Два данных ограничения достигаются достаточно быстро, когда требуются небольшие и легкие турбокомпрессоры, потому что частоты вращения 20000 оборотов в минуту при большом рабочем объеме бензиновых авиационных двигателей все еще не обеспечивает достаточного количества воздуха для заполнения цилиндров. Кроме того, на прочность турбокомпрессора дополнительно влияет температура выхлопных газов. Тонкие стальные листы турбокомпрессора не могли слишком долго выдерживать температуры выхлопных газов бензиновых двигателей (от 900°С до 1000°С), поскольку металл под действием значительных центробежных сил и высоких температур, превышавших предел упругости, начинал деформироваться, течь и затем либо разрываться, либо, натекая на корпус, разрушать его.

Авиационный дизель компании Junkers как выход из сложившейся ситуации

С использованием дизельного двигателя проблемы сокращались вдвое. Его выхлопные газы, имевшие температуру в диапазоне 500-600°С находятся в диапазоне, где сталь все еще сохраняет свою полную прочность. Благодаря двухтактному рабочему процессу с оппозитными поршнями двухтактный дизель компании Junkers требовал вдвое меньше камер сгорания, чем четырехтактный двигатель. Небольшое количество воздуха также означает меньшие или более медленные нагнетатели – преимущества, которые предопределили использование дизельного двигателя компании Junkers для полетов на больших высотах. После того как на базе Jumo 205 были созданы высотный двигатель Jumo 207 и двигатели с улучшенными характеристиками Jumo 206 и Jumo 208, в 1938 году инженеры компании Junkers приняли вызов с целью поднять на вершину дизельного моторостроения композитный четырехугольный двигатель с турбонаддувом Jumo 223.

установка Jumo 205 на Ju 86 была легко осуществима благодаря простой конструкции двигателя без большого количества вспомогательного оборудования. Несмотря на то, что тонкий двигатель создавал небольшое сопротивление, с другой стороны, он вызывал определенную чувствительность к смещению. Снимок из коллекции М. Шиннерлинга

редкий красивый снимок двигателя Jumo 205, на котором хорошо видны многие детали конструкции авиамотора. Снимок из коллекции М. Шиннерлинга

Jumo 205, который был практически готов к серийному производству в 1935 году, стал отправной точкой для всех последующих разработок дизельных двигателей компании Junkers. Масштабное увеличение размеров было самым простым способом достижения более высоких значений, особенно в отношении вибрационных характеристик. Последние всегда влияют на все компоненты двигателя и поэтому всегда вызывают у разработчиков наибольшую головную боль. Дальнейшее повышение мощности могли быть достигнуто за счет увеличения числа оборотов двигателя, применения высотного наддува или наддува под давлением или объединение нескольких двигателей в единую силовую установку, как, начиная с 1937 года, произошло в компании Junkers с бензиновым двигателем Jumo 222 (6× Jumo 210) и дизельным двигателем Jumo 223 (4× Jumo 205).

на данном чертеже хорошо показана кинематическая схема двигателя Jumo 205. Разработка квадратного двигателя Jumo 223 с использованием данной конструктивной схемы означала возможность сэкономить половину коленчатых валов, а именно четыре вместо восьми. В то же самое время редуктор воздушного винта должен был быть совершенно новым, и это было очень важно для объединения четырех блоков цилиндров в один силовой агрегат, поскольку четыре шестерни коленчатого вала работали на центральную шестерню. Снимок из коллекции М. Шиннерлинга

время впрыска топливного насоса высокого давления двигателя Jumo 205 в градусах положения коленчатого вала. Схема из коллекции М. Шиннерлинга

В то время как должно было пройти сорок лет от начала разработки авиационных дизелей до практического использования двигателя Jumo 204, в отношении новых двигателей от начала работ в 1937 году до готовности к эксплуатации должно было пройти два-три года. Однако, прежде чем должны были быть развернуты интенсивные проектно-конструкторские работы двигатель Jumo 205 должен был в середине 1930-х годов продемонстрировать свою эффективность и надёжность.

Рекорды самолетов с двигателями Jumo 205

Имперское министерство авиации (Reichsluftfahrtministerium – RLM) приняло решение оснастить Ju 86 дизельными двигателями Jumo 205, в то время как He 111 оснащался бензиновыми Benz DB-600. В результате Ju 86 имел недостаточную мощность силовой установки. Тем не менее, гражданская версия Ju 86 с двигателями Jumo 205 C была всего на 35 км/ч медленнее варианта, оснащенного двигателями BMW 132Dc, мощность которого была на 41% выше. Вариант Ju 86 с дизельными двигателями имел бóльшую дальность полета. Это означало, что в дальнемагистральных полетах можно было обойтись без промежуточных посадок. Но самым большим преимуществом установки дизельных двигателей Jumo 205 на самолетах типа Ju 86 была стремительно увеличивающаяся дальность полета. Это привело к рекордному перелету, который Ju 86 Bückeberg совершил в 1936 году. Этот беспосадочный перелет протяженностью 5800 километров, совершенный из Лейпцига в Батерст на высоте 1800 метров, несмотря на наличие дополнительных топливных баков, ясно показал будущее дизельного двигателя компании Junkers, а именно надежное преодоление пространств, где нет возможности совершить промежуточные посадки, а именно океаны и пустыни.

с двигателями Jumo 205 гражданский самолет Ju 86 достиг дальности полета около 2200 километров. В перелете из Дессау в Батерст самолет без промежуточных посадок преодолел дистанцию 5800 километров. Снимок из коллекции М. Шиннерлинга (M. Schinnerling)

оснащенный двумя двигателями Jumo 205 персональный Ju 86 D-AKOP генерального директора компании Junkers Генриха Коппенберга (Heinrich Koppenberg) на заводском аэродроме в Дессау, снимок сделан в 1937 году. На заднем плане несколько бомбардировщиков Ju 86 K, которые, вероятно, должны были быть модернизированы. Снимок Эльзы Книс (Else Knies)

тандемное расположение двух Jumo 205 на летающей лодке Dornier Do 18 было выгодным по многим причинам. Снимок из коллекции М. Шиннерлинга

маршруты дальних перелетов, совершенных в середине 1930-х годов самолетом наземного базирования Ju 86 Bückeberg и летающими лодками Dornier Aerolus и Zephir. Все эти самолеты были оснащены дизельными двигателями Jumo 205. Схема из коллекции М. Шиннерлинга

летающие лодки Dornier Do 18 и Do 26 оснащенные дизельными двигателями Jumo 205, более ста раз пересекли Северную и Южную Атлантику в качестве почтовых самолетов. Снимок из коллекции М. Шиннерлинга

Наконец, в 1936-38 годах летающие лодки Dornier авиакомпании Deutsche Lufthansa продемонстрировали превосходство дизельных двигателей компании Junkers при перевозке авиапочты в сложных погодных условиях. Об этом свидетельствуют более 100 полетов над Северной и Южной Атлантикой. С этой уверенностью инженеры компании Junkers в 1940 году приступили к разработке трансатлантического авиалайнера, который должен был установить новые стандарты в пассажирской авиации. Ju 100 должен был быть в состоянии совершить беспосадочный трансатлантический перелет на высоте от девяти до десяти километров при встречном ветре со скоростью 90 км/ч, что соответствовало общей дальности полета в 7500 километров. Для достижения этой цели Ju 100 должен был лететь не только высоко и далеко, но и необычайно быстро, а именно на скорости 540 км/ч. Для того, чтобы полеты по данному маршруту окупались, самолет должен был перевозить не менее 50 пассажиров.

Никаких несбыточных фантазий

Ju 100 превзошел все ожидания того времени, как с точки зрения аэродинамики, так и с конструктивной точки зрения и, что не менее важно, с точки зрения силовой установки. Ju 100 отличался четырьмя принципиальными нововведениями:

• • • тонкое крыло с большим относительным удлинением и размахом 65 метров;
    • огромный герметичный салон, рассчитанный на перевозку 102 пассажиров на большой высоте, на которой в случае появления трещины существовала опасность разрыва;
    • использование передней стойки шасси;
    • использование в силовой установке нового авиационного двигателя, представляющего собой объединенные в единый силовой агрегат четыре двигателя Jumo 205 – так называемый квадратный двигатель.

чрезвычайно тонкое крыло с размахом 65 метров и относительным удлинением 11,1 должно было обеспечить необходимую большую высоту полета и приемлемую крейсерскую скорость более500 км/ч. Схема из коллекции М. Шиннерлинга

дизельные двигатели должны были позволить пассажирскому авиалайнеру Ju 100 совершать беспосадочные перелеты через Атлантический океан в Северную и Южную Америку. Снимок из коллекции М. Шиннерлинга

Все это не было несбыточными фантазиями. Победа над Францией в 1940 году обеспечила финансовую и политическую основу созданию самолета. Уже запланированная победа над Советским Союзом создала бы материальные предпосылки, то есть обеспечила бы немецкую промышленность достаточным количеством сырья, необходимого для производства высококачественных металлических сплавов.

в 1940 году после победы над Францией в компании Junkers разрабатывали трансатлантический пассажирский авиалайнер Ju 100, который должен был оснащаться дизельными авиадвигателями Jumo 223 и иметь практическую дальность 7500 километров. На снимке команда разработчиков на фоне первого тестируемого двигателя. Снимок из коллекции М. Шиннерлинга

Сердцем самолета, получившего внутрифирменное обозначение EF-100, был, разумеется, авиационный дизельный двигатель Jumo 223 – турбодизель, обладавший не только своеобразной конструкцией, но и необычно высокой для дизеля частотой вращения вала двигателя 4400 оборотов в минуту, т.е. почти в два раза больше других дизельных и бензиновых двигателей того времени. Однако первые прототипы двигателя Jumo 223, которые тестировались в Дессау на испытательных стендах с июля 1940 года, были оснащены системой поддержания давления только до высоты в пять километров, поскольку изначально речь шла только о достижении необходимой надежности. Только на втором этапе двигатель должен был быть доведен до высоты полного давления в десять километров с помощью соответствующих турбонагнетателей, работавших на выхлопных газах. В свою очередь, важной предпосылкой для этого была разработка малоизвестных двигателей Jumo 206 и Jumo 208.

схема конструкции четырехугольного двигателя Jumo 223 и сравнение его размеров с размерами рядного двигателя Jumo 204. Схема из коллекции М. Шиннерлинга

единственным недостатком квадратного двигателя Jumo 223 было большое пустое внутреннее пространство между четырьмя рядными двигателями, расположенными снаружи. Для того, чтобы хоть немного его использовать, в него был перенесен крупный редуктор воздушного винта. Снимок из коллекции М. Шиннерлинга

сразу бросается в глаза возможность использования этого двигателя в перспективных пассажирских самолетах того времени. Однако двигатель Jumo 223 также предназначался для нового перспективного дальнего скоростного бомбардировщика Ju 288 A. Снимок из коллекции М. Шиннерлинга

двигатель Jumo 223 в идеальном ракурсе. То, что выглядит как корпус редуктора воздушного винта, на самом деле является конусом, который поддерживает вал воздушного винта перед фланцем. Снимок из коллекции М. Шиннерлинга

Двигатели для экстремально больших высот

Двигатель Jumo 206 был создан в 1934 году как вариант двигателя Jumo 205 с рабочим объемом, увеличенным с 16,6 литров до 25,5 литров, но в 1938 году от него отказались в пользу созданного на его основе высотного двигателя Jumo 208. В свою очередь двигатель Jumo 208 предназначался для сверхвысотного самолета-разведчика Ju 86 R, который должен был действовать на высотах свыше 14 километров. Разработанная для этого технология турбонагнетателя, работающего на выхлопных газах, впоследствии была использована в конструкции двигателя, который Jumo 223 в то время назывался Jumo 224. Благодаря особенностям этого двигателя – турбокомпрессоров, работавших на выхлопных газах, и использованию дизельного топлива – его высотные характеристики даже должны были превосходить характеристики на уровне моря. Таким образом, использование дизельных двигателей могла бы стать своего рода связующим звеном с турбореактивными и турбовинтовыми двигателями. И если вы посмотрите Ju/EF-100, то вам тоже покажется, что вы видите современный турбовинтовой самолет. Вся конструкция Ju 100 (за исключением хвостового оперения, которое было разработано для военно-транспортного варианта с обеспечением сектора обстрела в задней полусфере) также была бы пригодна для крейсерских скоростей в диапазоне 650-700 км/ч, если было бы применено однокилевое хвостовое оперение. Но от всего этого пришлось отказаться в декабре 1941 года, потому что советский народ был готов страдать и сражаться с врагом.

Окончание Второй Мировой войны поставило крест на всех авиационных дизелях. Только в Советском Союзе была запущена разработка с десяток авиационных дизелей. Однако ни один из этих двигателей не достиг эксплуатационной готовности, необходимой для оснащения ими пассажирских самолетов. В 1946 году инженер компании Junkers Манфред Герлах (Manfred Gerlach) продолжил в Советском Союзе разработку двигателя Jumo 224, но это было безуспешно. Новый турбовинтовой двигатель Jumo 022 обещал гораздо больший потенциал развития с точки зрения высоты полета и развиваемой мощности, чем дизельный авиадвигатель. Ту 95 с его ТВД Jumo 022K продемонстрировал это.

согласно ряду утверждений данный двигатель, работавший на тяжелом топливе и имевший компоновочную схему по типу авиадизеля Junkers, использовался после войны в британских локомотивах и развивал мощность от 1000 до 2000 л.с.. Снимок из коллекции М. Шиннерлинга

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Тип: Jumo 223

Дата изготовления: 1940 год

Тип конструкции: 24-цилиндровый двигатель с оппозитными поршнями, жидкостным охлаждением, четырьмя коленчатыми валами, нагнетателем и турбокомпрессором, работающим на выхлопных газах

Рабочий объем: 29,0 литров

Диаметр цилиндра: 80 мм

Ход поршня: 120 мм

Степень сжатия: 17 к 1

Граница высотности: 5000 м (позднее 10000 м)

Взлетная мощность: 2500 л.с. при 4400 об/мин

Максимальная крейсерская мощность: 1650 л.с. при 3950 об/мин

Удельный расход топлива: 160 г/л.с.

Удельная масса: 0,64 кг/л.с.

Удельный рабочий объем: 75,8 л.с./л

Длина: 2,370 м

Ширина: 1,240 м

Высота: 1,367 м

Сухая масса: 1400 кг

Передаточное число воздушного винта: 0,26

Типы самолетов: Ju/EF-100, Ju 288 A

Источник данных таблицы: Die Deutsche Luftfahrt, Flugmotoren und Strahltriebwerke, Bernhard & Graefe Verlag, Bonn 1995

источник: Holger Lorenz «Junkers Flugdieselmotoren. Flugdiesel — ein verbrannter Traum» «Flugzeug Classic» 2023-02, Seiten 68-74

перевод впервые опубликован — https://vk.com/@710541705-aviacionnye-dizelnye-dvigateli-kompanii-junkers-chast-3