Гигантский 4000-сильный двигатель компании BMW. Сдвоенный 28-цилиндровый двигатель BMW 803

Данный материал был переведен уважаемым коллегой NF и доработан мной. Перевод был выполнен в июле 2020 года.

Содержание:

Предисловие редакции журнала «Flugzeug classic»: До 1944 года в компании BMW работали над созданием гигантского 28-цилиндрового авиационного двигателя. Данный авиационный мотор с расчетной мощностью 4000 л.с. предназначался для установки на различные проекты ударных самолетов и дальних бомбардировщиков. О программе создания гигантского 28-цилиндрового авиационного двигателя BMW 803 рассказывает Рихард Фалтермайр (Richard Faltermair).

К началу Второй Мировой войны производившихся большими сериями авиационные двигатели, например, такие как Jumo 211, DB 601, Rolls-Royce Merlin, Allison V-1710, Nakajima Sakae, Микулин AM-35 или Gnôme & Rhône 14N, развивали мощность на уровне примерно 1200 л.с.. Более мощные двигатели разрабатывались или были близки к стадии серийного производства. В компании BMW в большой спешке работали над двигателем BMW 801, развивавшим очень большую мощность и оснащенным революционной системой управления. До конца Второй Мировой войны было изготовлено почти 30000 двигателей этого типа. При создании двигателя BMW 801 был использован опыт, полученный при разработке двигателя BMW 139. Моторостроительная компания Brandenburgischen Motorenwerke (Bramo), Berlin-Spandau, в октябре 1938 года в соответствии с распоряжением Имперского министерства авиации (Reichsluftfahrtministerium; RLM) вошла в состав компании BMW. Это было сделано для концентрации сил по разработке радиальных авиационных двигателей с воздушным охлаждением. К массе унаследованных компанией BMW разработок относился проект, который был принят с небольшим энтузиазмом и из которого позднее возник BMW 803. В компании BMW даже планировала полностью отказаться от этой разработки в пользу девятицилиндрового двигателя BMW 800, а также в пользу 14-ти цилиндрового BMW 801 и 18-ти цилиндрового BMW 802 двигателей.

В конкурсе по созданию авиационного двигателя мощностью 4000 л.с. приняла участие не только компания BMW, но так же и многие другие. Компании Argus, Daimler-Benz, Junkers, Klöckner-Humboldt-Deutz и Техническая школа Штутгарта (Профессор Камм [Prof. Kamm]) были вовлечены в создание так называемых «Предельных двигателей», характеристики которых находились на границе технических возможностей того времени. До испытаний удалось дойти только двигателям DB 613 и BMW 803.

Длинный путь

В декабре 1937 года в технической документации компании Bramo впервые упоминается о разработке многорядного звездообразного двигателя с золотниковым распределением и рабочим объемом каждого из цилиндров 3 литра. Проект этого сдвоенного двигателя получил обозначение P 3031. В конструкции данного двигателя было решено отказаться от обычного воздушного охлаждения и использовать водяное охлаждение: это позволило бы разрешить проблему охлаждения задних звезд цилиндров и за счет отказа от ребер охлаждения, необходимых для двигателей с воздушным охлаждением, получить свободное пространство. Расположение двух цилиндров последовательно друг за другом делало возможным отказаться от газораспределительной системы с кулачковыми барабанами и толкающими штангами в пользу привода с главным вертикальным валом. Таким образом, возникла оптимальная возможность сделать выбор между золотниковым распределением и механизмом газораспределения с верхним распределительным валом. Это должен быть сдвоенный двигатель, который должен был состоять из двух последовательно расположенных, но абсолютно автономных силовых агрегатов. Для каждого автономного силового агрегата был предусмотрен свои собственные топливный насос, нагнетатель, магнето, насосы подачи охлаждающей жидкости и масла. Общим был только стартер. Так же каждый двигатель имел свой воздушный винт. Винты были соосными и имели противоположное вращение. Так при выходе из строя одного автономного силового агрегата двигатель мог продолжить работу. Мощность от заднего автономного силового агрегата передавалась на редуктор и винт семью промежуточными валами, расположенными между рядами цилиндров переднего двигателя. Один вал от переднего автономного силового агрегата шел назад к лафету для размещения оборудования и передавал мощность необходимую для привода нагнетателя. Еще один такой же вал передавал мощность для привода прочих агрегатов. Для девятицилиндровой звезды не представлялось возможным органично разместить приводные валы, трубопроводы для подачи воздуха к двигателям цилиндров и выхлопную систему, и поэтому были выбраны семицилиндровые звезды с размещением их в автономных силовых агрегатах последовательно друг за другом (14 цилиндров в переднем агрегате и 14 в заднем). Соотношение диаметра цилиндра к ходу поршня было выбрано равным 1:1, и при 156 мм (как у двигателя BMW 801) рабочий объем был равен 84 литра. Высотность двигателя с одноступенчатым нагнетателем составляла 6000 метров. Разработка двухступенчатого нагнетателя и турбонагнетателя были отложены.

передняя часть заднего автономного силового агрегата с приводом главным вертикальным валом и с семью валами; сзади расположен корпус нагнетателя

С самого начала двигатель задумывался в качестве быстросменного устройства. Стальные сварные цилиндры в компании BMW стали традиционными с 1917 года и помимо других типов двигателей хорошо зарекомендовали себя на находившихся в массовом производстве двигателях типа BMW VI. Данное техническое решение было использовано в конструкции нового двигателя.

В июне 1939 года этапы разработки концепции двигателя были и предварительного проектирования нового завершены. С апреля 1940 года по ноябрь 1941 года были проведены испытания одноцилиндрового агрегата, во время которых удалось добиться стабильной работы технологически очень трудоемкого стального сварного цилиндра. Затем для экономии времени сразу перешли к 14-цилиндровому автономному силовому агрегату, работавшему с редуктором и лафетами для крепления оборудования от двигателя Bramo 329. Картер силового агрегата изготавливался из стали и весил 977 кг. Первый автономный силовой агрегат (АСА-1) был поставлен в январе 1941 года, и до июля были поставлены агрегаты АСА-2 и АСА-3. Ожидаемые проблемы со сварными цилиндрами возникли на всех силовых агрегатах. Тем не менее, АСА-1 до февраля 1942 года отработал 385 часов. Первоначально не удалось реализовать предложение объединить в единое целое два расположенных один за другим цилиндра одного силового агрегата. Далее последовали агрегаты АСА-4 – АСА-9, у которых уже можно было использовать взаимозаменяемые цилиндры так, как это предусматривалось изначально. Так же на этих силовых агрегатах можно было применять общий для обоих двигателей редуктор и новый нагнетатель. В феврале 1942 года на агрегат АСА-5 установили золотниковый газораспределительный механизм. В апреле золотниковый газораспределительный механизм установили на АСА-4. В феврале 1942 года для АСА-8 и, вероятно, для АСА-9 изготовили отлитые из алюминия блоки цилиндров.

автономный силовой агрегат АСА-1 двигателя BMW 803 с редуктором воздушного винта компании Bramo на испытательном стенде

В октябре 1941 года из агрегатов АСА-6 и АСА-7 собрали первый комплектный двигатель BMW 803 V-I (масса двигателя 2300 кг). В ноябре и декабре 1941 года в соответствии с планом работ должны были последовать опытные двигатели BMW 803 V-2 и BMW 803 V-3. Однако отсутствуют подтверждения дат поставок этих авиамоторов. Во время испытаний снова возникли неполадки стальных цилиндров и тряска двигателя.

Опытные двигатели с BMW 803 V-4 по BMW 803 V-6 с новыми блоками цилиндров и нагнетателем с высотностью 8000 метров собирали с июля 1941 года. Поставка этих двигателей должна была быть произведена в феврале и апреле 1942 года. Однако с некоторого времени в компании BMW стало известно, что приоритет двигателя BMW 803 был снижен, и поэтому сборка этих авиамоторов не была завершена. Несмотря на это счет за BMW 803 V-4 был предъявлен RLM, что вызвало в министерстве определенное недовольство. В некоторых документах опытные двигатели с BMW 803 V-4 по BMW 803 V-6 ошибочно обозначались двигателями серии «А».

Впрочем имелось еще одно неотложное дело: BMW 803 A. Этот двигатель представлял собой полностью новую конструкцию, в которой была перенята основная концепция BMW 803. Разработка проекта этого двигателя получившего номер Р 8051, велась с декабря 1940 года. На этом двигателе должен был устанавливаться нагнетатель с высотностью 12000 метров. Возможность дальнейшего развития опытных двигателей BMW 803 А V-1 – BMW 803 А V-4 не была реализована. В общей сложности было собрано семь автономных силовых агрегатов, из которых в ходе испытаний пять полностью вышли из строя.

двигатель варианта BMW 803 A V-1 – BMW 803 A V-3 на испытательном стенде. Сдвоенный двигатель мощностью 4000 л.с. приводил в движение два соосных винта противоположного вращения

макет неработоспособного двигателя варианта BMW 803 A V-1 – BMW 803 A V-4

С апреля по декабрь 1942 года конструкторское бюро вело интенсивные работы над опытными образцами BMW 803 А V-5 – BMW 803 А V-8. Эти двигатели имели лишь небольшое сходство со своими предшественниками. То, что внешне выглядело как редуктор воздушного винта, являлось двумя масляными баками емкостью по 75 литров каждый, располагавшихся спереди и сзади понижающего редуктора с передаточным числом 3:8. В картер, который отливался из сплава силумин-гамма (корпус блока цилиндров имел вид барабана [Trommelgehäuse]) были интегрированы воздуховоды подачи воздуха для нагнетателя, маслопровод и трубопровод подачи охлаждающей жидкости; также в блоке цилиндров просверлены отверстия для «мокрых» гильз цилиндров. Две расположенные друг за другом гильзы цилиндров имели общую головку, которая была отлита из легкого сплава и которая крепилась к картеру при помощи болтов. Оба картера были идентичны. Отлитый из сплава «электрон» полый лафет для размещения оборудования одновременно служил воздухозаборником нагнетателя. Справа и слева от корпуса привода нагнетателя располагались два двухступенчатых четырехскоростных центробежных нагнетателя. Над нагнетателями были размещены сдвоенные магнето компании Bosch и топливные насосы высокого давления той же компании. Излишки тепловой энергии в количестве 900000 Ккал/ч отводились расположенным перед двигателем секционным кольцеобразным радиатором.

В октябре 1943 года был изготовлен опытный двигатель BMW 803 A V-5 путем сборки агрегатов АСА-9 и АСА-10. В начале 1944 года от использования агрегата АСА-9 по непонятным причинам отказались, и на опытном двигателе BMW 803 A V-5 остался только агрегат АСА-10 с одним валом воздушного винта. За агрегатом АСА-10 располагался пустой картер. В феврале 1944 года из агрегатов АСА-11 и АСА-12 был собран опытный двигатель BMW 803 A V-6, но уже в мае 1944 года этот авиамотор, наработавший к этому времени 28,5 часов, был поврежден бомбардировщиками союзников. Двигатель получил серьезные повреждения, и восстанавливать его не стали. Из деталей АСА-11 и прочих агрегатов был собран BMW 803 A V-5, но этот полностью собранный двигатель не мог работать. Сейчас этот мотор находится в Авиационном музее «Ангар Шлайсхайм» (Flugwerft Schleißheim), филиале Немецкого музея в Мюнхене.

двигатель BMW 803 A V-6 был единственным полностью работоспособным мотором типа BMW 803

двигатель BMW 803 A V-6 с лафетом для размещения агрегатов двигателя; вид сзади

В феврале и марте 1944 года были изготовлены агрегаты АСА-13 и АСА-14, из которых должен был быть собран опытный двигатель BMW 803 A V-7. К апрелю 1944 года агрегат АСА-13 отработал 12 часов, но затем в документах этот агрегат уже не упоминается. Это позволяет предположить, что АСА-13 получил повреждения, не позволившие его отремонтировать. Агрегат АСА-14 начали переделывать в самостоятельный двигатель с золотниковым газораспределительным механизмом. В июне 1944 года, когда АСА-14 был уничтожен бомбами союзников, его переделка еще не была завершена. Для опытного двигателя BMW 803 A V-8 еще были изготовлены детали, но после мая 1944 года уже не представлялось возможным найти свободный испытательный стенд. Между тем литейный комплекс компании Rautenbach, Золинген, стал жертвой бомбардировок союзников, и его нечем было заменить. Для опытных двигатели BMW 803 A V-9 – BMW 803 A V-12 детали не производили. Эти опытные авиамоторы было решино переделать в двигатели с золотниковым распределением и упрощенной конструкцией.

28 января 1944 года в RLM было принято решение все имеющиеся материалы и детали опытных двигателей BMW 803 использовать для разработки турбореактивных двигателей 801 E и 802. 30 апреля 1944 года компания BMW сообщила:

«Работы по BMW 803 прекращены. Незначительные исследования еще будут вестись до середины августа».

Нагнетатель

С начала работ над двигателем BMW 803 планировалось, что его окончательный вариант будет оснащен турбонагнетателем. Работы над турбонагнетателями велись постоянно, но своих целей разработчики не достигли. От нагнетателя двигателя Bramo 329, который был установлен на первом опытном двигателе BMW 803 V-1, перешли к трехскоростному центробежному нагнетателю с высотностью 6000 метров. Опытные двигатели BMW 803 V-4 и BMW 803 V-5 должны были получить нагнетатели с высотностью 8000 метров. Нагнетатели должны размещаться последовательно друг за другом на лафете, предназначенном для размещения оборудования. У двигателя BMW 803 A нагнетатели располагались рядом друг с другом. Максимальное давление наддува составляло 1,55 атм. при частоте вращения вала двигателя 2959 об/мин.; максимальная частота вращения составляла 24150 об/мин.. В конечном итоге механический нагнетатель избежал проблем с регулировкой и производственными материалами, а потеря мощности при его использовании компенсировалась высокой тягой, получаемой благодаря реактивным выхлопным патрубкам.

Управление работой двигателя

При разработке двигателя BMW 801 компания BMW применила свою передовую разработку: механико-гидравлический блок регулирования Kommandogerät KG 801, предназначенный для контроля работы силовой установки и управлявшийся посредством одного рычага. Kommandogerät KG 801 оптимально регулировал работу двигателя и воздушного винта. Однако в производстве Kommandogerät KG 801 был сложен, и на его изготовление требовалось очень много времени. Для двигателя BMW 803 требовалось создать более простой вариант устройства Kommandogerät KG 803, при работе с которым пилот регулировал необходимое давление наддува, обороты двигателя, момент зажигания, количество впрыскиваемого в цилиндры двигателя топлива и устанавливал нужный угол лопастей воздушного винта. Включение и выключение устройства Kommandogerät KG 803 осуществлялось рычагом, расположенным на борту самолета. Переключения скоростей, привод дросселей и управление спрямляющими (выходными направляющими) аппаратами (Austrittsleitapparat) нагнетателей для всех моторов осуществлялось одним общим устройством. Масса Kommandogerät KG 803 по сравнению с Kommandogerät KG 801 была снижена на 10 кг и составляла 13 кг. В феврале 1944 года началась проверка работоспобности устройства Kommandogerät KG 803, но до установки на двигатели дело не дошло.

Механизм золотникового газораспределения

После того как было начато исследование различных конструкций, компания BMW обратилась в Немецкий НИИ авиации (Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt – DVL) с просьбой помочь разработать плоский вращающийся золотник. Предварительные испытания стальных цилиндров были прекращены в феврале 1941 года. В марте 1942 года были получены удовлетворительные результаты с блоками цилиндров, отлитыми из легких сплавов. В конце 1942 года за счет увеличения давления наддува на одном цилиндре удалось получить мощность 195 л.с. (т.е. мощность двигателя должна была составить × 28 = 5460 л.с.). Эти испытания продолжались до августа 1944 года. При полном давлении наддува удалось добиться повышения мощности двигателя на 4%. Расход топлива при этом возрос на 3%, давление выхлопных газов было на 5% ниже чем у двигателей с клапанным газораспределительным механизмом. Преимущество двигателя с золотниковым газораспределительным механизмом в основном заключалось в меньшей площади поперечного сечения двигателя, снижении количества деталей механизма и снижении массы.

блок цилиндров с двумя гильзами цилиндров и головкой цилиндров для двигателя BMW 803 с разработанным в DVL золотниковым газораспределительным механизмом

коллаж из двух чертежей позволяет сравнить варианты двигателя BMW 803 с клапанным и золотниковым газораспределительными механизмами

Производственные планы

Летные испытания должны были проводиться на специально модифицированном транспортном самолете Ju 252, на котором тестируемый двигатель планировалось установить на месте фюзеляжного двигателя. Затем данный двигатель должны были испытать на бомбардировщиках Ju 288 и He 177. В декабре 1943 года у авиакомпании Lufthansa для испытаний автономного силового агрегата двигателя BMW 803 был готов транспортный самолет Ju 52. Однако моторная рама оказалась недостаточно подходящей для установки такого двигателя, и в феврале 1944 года должна была быть установлена моторная рама новой конструкции. Остается неизвестным: была ли изготовлена новая моторная рама. В качестве силовой установки двигатели BMW 803 планировалось использовать на следующих проектах: восьмимоторной летающей лодки Blohm und Voss P.200 с взлетной массой 210 тонн, на одномоторном штурмовике Blohm und Voss P.163 и на дальнем четырехмоторном бомбардировщике Fw 238. Так же имели место соответствующие идеи по установке этих двигателей на дальнем бомбардировщике Ме 264. Возможно были еще проекты самолетов, на которых планировалось устанавливать двигатели BMW 803 и BMW 803 А.

передняя часть фюзеляжа транспортного самолета Junkers Ju252, предназначенного для испытаний двигателя BMW 803

схема проекта трансокеанской летающей лодки Blohm und Voss P 200, предназначенной для перевозки 120 пассажиров. Гидросамолет должен был иметь силовую установку из восьми двигателей типа BMW 803, размах крыла 85 метров и взлетную массу 210 тонн

схема проекта многоцелевого самолета Blohm und Voss P 163.02 с силовой установкой в виде одного двигателя BMW 803; лето 1942 года

схема проекта дальнего бомбардировщика компании Focke-Wulf. Самолет должен был иметь силовую установку из четырех двигателей типа BMW 803; 1942 год. Взлетная масса 126,5 тонн, дальность полета с пятью тоннами бомб 13000 километров

Для оснащенного двумя двигателями BMW 803 бомбардировщика He 177 (Ju 288) с полетной массой 22 тонны (21 тонна) на высоте 13000 метров расчетная скорость была равна 718 км/ч (730 км/ч).

При взлетной масса 50 тонн дальний бомбардировщик Ме 264, оснащенный двумя двигателями BMW 803, при средней скорости 602 км/ч и высоте полета 14800 метров должен был иметь дальность полета 8900 километров.

Производственные планы

В соответствии с датированным началом 1943 года планом производство двигателей в количестве 5 единиц в месяц должно было начаться в апреле 1944 года и к апрелю 1945 года планировалось производить по 75 двигателей в месяц. Для производства планировали привлекать французскую компанию Gnôme et Rhône.

Дальнейшие проекты

В документах 1941-1942 годов упоминается проект 36-цилиндрового двигателя Р 8052 с основой автономного силового агрегата в виде девятицилиндровой звездой, рабочим объемом 120 литров, взлетной мощностью 5600 л.с. и с турбонагнетателем, приводимым выхлопными газами двигателя. Дальнейшим развитием был проект двигателя, разработанного на базе авиамоторов BMW 803/Р 8052, которые в нем должны были стать смонтированных один за другим автономными силовыми агрегатами. Такой 56-цилиндровый или 72-цилиндровый двигатель должен был развивать 8000 и 1000 л.с.. Из описания проекта следует, что длина такого двигатель (без вала воздушного винта) должна была составлять по меньшей мере 4,5 метра. С высокой долей вероятности можно было ожидать, что вряд ли длина масляного резервуара, редуктора винта и лафета для размещения оборудования была бы такой же, как у BMW 803 А.

Двигатель BMW 803 A V5

Сегодня двигатель BMW 803 A V5 – единственный сохранившийся экземпляр двигателя типа BMW 803 – находится в Авиационном музее «Ангар Шлайсхайм» (Flugwerft Schleißheim), филиале Немецкого музея в Мюнхене. В конце Второй Мировой войны этот двигатель находился на предприятии компании BMW, расположенном в мюнхенском районе Мильберсхофен (Milbertshofen), и вместе с другими трофеями был отправлен в США на авиабазу ВВС Райт-Паттерсон. Там двигатель был разобран, и его конструкция была проанализирована. Позднее этот двигатель пропал и позднее каким-то образом оказался экспонатом расположенного в Сан-Фернандо частного музея владельца компании Autoflug. Для защиты от коррозии двигатель был покрыт толстым слоем алюминиевой пудры. Двигатель был смонтирован на повернутом на 180° оригинальном каркасе. Компания BMW получила сведения об этом двигателе и обратилась к владельцу. Переговоры о возврате двигателя затянулись на целое десятилетие из-за абсурдной цены, которую американская сторона запросила за авиамотор, и из-за юридических проблем, так как возвращение этого двигателя в Германию представляло собой повторный вывоз трофея. Однако в конечном итоге стороны смогли прийти к соглашению, и в 1988 году двигатель можно было перевезти в Германию. Специалисты из Немецкого выдали компании BMW заказ на реставрацию и консервацию двигателя, которые потребовали примерно 4800 рабочих часов. Затраты на выполнение работ по реставрации и консервации двигателя превзошли цену покупки. Во время реставрационных работ было обнаружено, что задний автономный силовой агрегат был собран из целого ряда отработавших свое деталей других двигателей. Часть деталей была разрушена, и двигатель был неработоспособен. В 1991 году все работы были завершены. Топливные насосы найти не удалось, и они были заменены изготовленными по оригинальным чертежам макетами. До сих пор последний двигатель BMW 803 ждет, когда будет изготовлена поврежденная при перевозке проводка зажигания.

современное состояние находящегося в Авиационном музее «Ангар Шлайсхайм» (Flugwerft Schleißheim), филиале Немецкого музея в Мюнхене, двигателя BMW 803 A V-5 без топливного насоса и без проводов системы зажигания

Технические характеристики

Тип: BMW 803 A V-5 – BMW 803 A V-8

Назначение: авиационный двигатель

Статус: опытный

Конструкция: 28-цилиндровый четырехтактный радиальный спаренный двигатель (2×14 цилиндров)

Размеры цилиндров:

диаметр цилиндра 156 мм
ход поршня 156 мм
рабочий объем 84 литра
диаметр проходного сечения клапана:
• впускного 79 мм
• выпускного 72 мм
ход клапана
• впускного 15 мм
• выпускного 15,4 мм

Степень сжатия: 8:1

Топливо: бензин марки С3 с октановым числом 95 единиц

Нагнетатели: два двухступенчатых центробежных четырехскоростных нагнетателя

Винты: два соосных винта противоположного вращения VS 15, передаточное число редуктора винта 3:8

Непосредственный впрыск топлива, циркуляционная смазка под давлением каждого из автономных силовых агрегатов двигателя

Зажигание:

• спаренный прерыватель-распределитель (Zwillingshöhenzünder)
• порядок зажигания в цилиндрах: 1-6-11-2-7-12-3-8-13-4-9-14-5-14

Система охлаждения двигателя: жидкостная под давлением

Система охлаждения масла: теплообменный аппарат системы смазки двигателя

Общие размеры:

длина двигателя без вала воздушного винта 2650 мм
диаметр двигателя 1340 мм
длина от противопожарной перегородки включая обтекатель втулки винта 3758 мм
максимальный диаметр капота двигателя 1770 мм

Масса:

комплектного двигателя 2600 кг
комплектного двигателя с 6 мм бронированием: 4200 кг

Развиваемая мощность:

взлетная на уровне моря при 2950 об/мин – 4000 лс.. + реактивная тяга патрубков 150 кгс
на боевом режиме на уровне моря при 2500 об/мин – 3500 л.с.
продолжительная на уровне моря при 2300 об/мин. – 2900 л.с.
на боевом режиме на высоте 12000 метров при 2500 об/мин. – 2650 л.с.
продолжительная на высоте 12000 метров при 2300 об/мин. – 2300 л.с.

Удельный расход топлива на взлетной мощности: 270-290 г/(л.с.×ч)

источник: RICHARD FALTERMAIR «BMW-Gigant mit 4000 PS. Doppeltriebwerk BMW 803 mit 28 Zylindern» «FLUGZEUG CLASSIC» 3/2006, стр.50-55