Серийный авиационный дизельный двигатель Jumo-205. Германия

В продолжение статьи Как забуксовал дизельный вермахт, предлагаю вам давнюю статью, посвящённую дизельным немецким авиадвигателям.

Презентация авиационного дизельного двигателя фирмы Junkers со встречно движущимися поршнями Jumo-204 на моторостроительном предприятии в Дессау.1931 год. Слева на переднем плане со шляпой в правой руке глава фирмы Хуго Юнкерс (3.02.1859-3.02.1935)

В 1927 году у руководства фирмы Junkers возникла идея в ближайшие годы разработать двигатель нового типа, который был бы меньше и легче, чем ранее созданный FO 4/Jumo-204. Снижение рабочего объёма предполагалось компенсировать за счет более высоких оборотов и ряда прочих доработок. В теории развиваемую новым двигателем меньшего объёма мощность даже можно было увеличить. Анализ последних исследований в части гражданских авиаперевозок в мире и консультации, проведённые с немецкой авиакомпанией Lufthansa (DLH), свидетельствовали о том, что дизельный двигатель со сравнительно малым рабочим объёмом имел большие шансы быть востребованным на мировом рынке. В итоге в Дессау окончательно решили разрабатывать именно такой дизельный двигатель со сравнительно небольшим рабочим объёмом и параллельно с довод­кой Jumo-204 приступили к проектированию нового дизеля, получившего позднее обозна­чение Jumo-205.

Оставалось решить лишь вопрос, касающийся оплаты за проведённые исследования и разработки. Это было определено письмом RVM L 6.9917a/31 научно-исследовательскому центру фирмы Junkers от 24.12.1931 года. К этому времени новый двигатель уже был практически создан, чему способ­ствовал опыт, полученный при разработке предшественника. Возникшие в ходе разработки недо­статки в течение года были устранены. Профессор Юнкерс лично контролировал ход разработок, но умер незадолго до начала серийного производства нового дизельного двигателя. Первое пробное испытание на стенде двигатель Jumo-205 прошел под руководством А. Гимма (A. Gimm) 1.12.1932 года. Весной 1933 года на испытательном стенде этот двигатель развил мощность в 540 л.с. (по другим данным 550 л.с./ 405 кВт при 2100 об/мин). Показатели развиваемой двига­телем мощности и оборотов были выше, чем у предшественника. Сначала для предот­вра­ще­ния значительного износа стенок цилиндров и возможного повреждения коленчатого вала обороты двигателя в ходе испы­таний не превышали определённой границы. В итоге в будущем имелась возможность постепенно улучшать параметры двигателя. Заключительные испытания Jumo-205 проводила DLH на FW „Möve“ и на многих транспортных Ju-52. В 1936 году данный двигатель начали устанавливать как серийную силовую установку на Ju-86 и Do-18.

Конструктивно двигатель Jumo-205 представлял собой уменьшенный вариант Jumo-204 с повы­шен­ными оборотами . Диаметр цилиндра нового двигателя составлял 105 мм, ход поршня 2×160 мм. Рабочий объём был равен 16,62 литра, что составляло всего лишь 60% от рабочего объёма пред­ше­ственника. Первые модификации Jumo-205 развивали мощность 500 л.с., что было несколь­ко меньше, чем у предшественника, но последняя модификация, производившаяся в 1940 году, по развиваемой мощности уже превосходила Jumo-204. Увеличение развиваемой двигателем мощ­ности было получено за счет увеличения оборотов, доработки поршней и еще ряда доработок.

Известны следующие основные модификации Jumo-205:

• Jumo 5 А, В, С – мощность 405 кВт (550 л.с.) при 2100 об/мин, разработанные в 1933 году. Эти модификации различались понижающим числом редуктора воздушного винта (0,613/ 0,602/ 0,724). Испытания данных предсерийных модификаций, выпускавшихся малой серией, были завершены в конце 1933 года.
• Jumo-205 А, В, С – получивший окончательное обозначение Jumo 5 А, В, С. Мощность 440 кВт (600 л.с.) при 2200 об/мин с демпферами, гасящими колебания коленчатого вала. Начиная с 4-го модельного ряда в системе охлаждения двигателя применялся гликоль.1934 год.
• Jumo-205D – 650 кВт (880 л.с.) при 2800 об/мин. 1940 год. Противовесы на коленчатом валу. Данный вариант с увеличенными оборотами, развиваемой мощностью и более эффективной продувкой цилиндров. Сначала у данного варианта для снижения износа стенок цилиндров максимальная мощность была снижена до 865 л.с.
• Jumo-205 E, G – 515 кВт (700 л.с.) при 2500 об/мин. Данный вариант производился малой серией по заказу авиакомпании Lufthansa с 1939 года. Параметры двигателя намеренно в целях увеличения моторесурса до 1000 и более часов были снижены.

Данный авиационный двигатель еще не раскрыл всех своих потенциальных возможностей. Впервые фирме Jumo на этом двигателе удалось получить удельный вес для авиадизеля меньше 1 кг/л.с. (1,36 кг/кВт) и удельную мощность примерно 35 л.с./л (25 кВт/л). С увеличением макси­маль­ных оборотов и эффективного среднего давления, доработкой поршней и системы наддува разви­ва­емая двигателем мощность постепенно увеличивалась до варианта Jumo-205D.

Двигатель Jumo-205 стал первым быстроходным дизельным двигателем с довольно высокими для того времени эксплуатационными показателями и, из за необходимости иметь такой двигатель, – первым быстроходным авиационным дизельным двигателем в мире, производимым крупной серией, и большим успехом научно-исследовательского и испытательных центров фирмы Junkers и немецкого авиационного двигателестроения в целом.

С улучшением лётных характеристик самолётов гражданской авиации возникла необходимость увеличения развиваемой двигателем Jumo-205 продолжительной мощности до бóльших значений, чем полученные до сих пор 600 л.с. Доктор Гастерштадт (Gasterstädt), занимавшийся решением данной проблемы, основательно пересмотрел весь ход всего рабочего процесса и нашел резервы дальнейшего увеличения мощности за счет ранее уже известных методов: более интенсивный газообменный процесс, увеличение максимальных оборотов двигателя с одновременным увели­чением прочности поршней, увеличение давления воздуха на входе в воздухозаборник турбо­ком­прессора, т.е. более мощный наддув.

Хорошо подобранное сочетание этих параметров в итоге привело к успеху. Продувка цилиндров была удачно разработана профессором Юнкерсом уже почти десятилетие назад. Но и тут также имелись еще некоторые резервы. В этом существенную помощь оказал специалист фирмы Junkers по части патентов Л. Вагензайль (L. Wagenseil). По его предложению забор свежего воздуха извне для подачи к двигателю должен был осуществляться через воздухозаборники с большим входным отверстием, не создававшим сопротивления потоку воздуха. Таким образом в глубине воздухо­заборника возникал быстро вращающийся цилиндр из свежего воздуха. Этот поток воздуха в сочетании с движущимся параллельно ему потоком выхлопных газов усиливал поток сжатого воздуха на выходе из турбокомпрессора.

В интересах оптимизации вышеуказанного процесса проводились многочисленные эксперименты с воздухозаборниками с круглым сечением. В ходе экспериментов для получения более ясной картины того, как воздух проходит по воздуховоду по всей его длине на одноцилиндровом агрегате, в поток засасываемого воздуха подмешивали порошкообразный тальк. Это сделало видимым процесс прохождения воздушного потока по воздуховоду и в конце концов позволило оптими­зи­ровать весь процесс газообмена.

Серьёзной проблемой, с которой столкнулись в ходе разработки и испытаний двухтактных дизель­ных двигателей со встречно движущимися поршнями, стала недостаточная прочность поршней при продолжительной работе двигателей. Профессор Мадер (Mader) нашел способ устранить столь нежелательное явление при помощи установки специального уплотнительного кольца и плиты, препятствующих прорыву раскалённых газов вниз в картер между стенками цилиндров и поршнями. Двигатели Jumo-204 при 1800 об/мин и Jumo-205 при 2200 об/мин с подобными доработками работали надёжно. Но до обеспечения такой же бесперебойной работы при 3000 об/мин было еще очень далеко.

Принципиальная схема дизельных авиационных двигателей фирмы Junkers со встречно движущимися поршнями.

Дальнейшие доработки поршней, как сообщает Х. Беркнер (H. Berkner), привели сначала к некото­рым ошибкам, но тем не менее указали путь к решению проблем. Последние варианты поршней отличались наличием стягивающей шпильки которая служила своего рода демпфером гасящим продольные напряжения. Одновременно удалось выполнить поршни более компактными. Фирма Götze в Буршайде (Burscheid) разработала отвечающий предъявляемым требованиям жаропрочный износостойкий материал Götze К9, из которого изготавливались эти уплотнительные кольца.

Разработанная М. Герлахом (M. Gerlach) стягивающая шпилька была компактной и очень прочной. Таким образом, в итоге удалось добиться нормальной работы двигателя на 3000 об/мин. Для обес­печения более надёжного наддува двигатель получил новый нагнетатель. Доработанный двигатель по инициативе М. Герлаха в конце 1936 года на испытательном стенде развил 1000 л.с. (736 кВт), что вдвое превышало заданную проектом мощность. Достигнутый успех позволил в 1940 году при­сту­пить к серийному производству наиболее совершенного варианта Jumo-205D – 650 кВт (880 л.с.) при 2800 об/мин.

Доктор Гастерштадт, еще недавно возглавлявший на фирме Junkers разработку дизельных двига­телей, из-за тяжелой болезни мог лишь издалека наблюдать за ходом всех работ и в начале 1937 года умер. М. Герлах был назначен руководителем работ по дизельным двигателям и отвечал за испытания двигателей. Х. Беркнер стал руководителем конструкторского отдела. Применявшиеся в гражданской авиации варианты двигателя Jumo-205 зарекомендовали себя как очень надёжные.

Во время войны из за тяжелых условий эксплуатации и ряда нарушений при эксплуатации и техни­ческом обслуживании моторесурс двигателей снизился с 200 до 70 часов. Но в случаях, когда на самолётах летали опытные пилоты и двигатели обслуживались такими же опытными техниками, моторесурс доходил до 200 часов и Jumo-205 по своей надёжности превосходил все немецкие поршневые авиационные двигатели того времени.

Серийное производство Jumo-205 осуществлялось с 1933 по 1943 год. Удельный расход топлива на экономичном режиме работы двигателя был примерно на 25% ниже, чем у бензиновых моторов, и составлял 160 г/л.с×час (218 г/кВт×час), а иногда и 155 г/л.с.×час (211 г/кВт×час), что позволяло использовать данный двигатель для полётов на большие расстояния, в чем были заинтересованы DHL и RLM.

В 30-е годы DHL стала играть важную роль в авиасообщениях в Европе, и к тому времени уже имелись далеко идущие планы по организации авиаперелётов в Азии и Америке, где экономичные двигатели Jumo-205 были бы незаменимы. DHL желала закупить большое количество Jumo-205: 12 двигателей были получены в 1934, 30 в 1936 и 40 в 1938 годах. В общей сложности в 1938 году DHL располагала 141 дизельным двигателем Jumo-204 и Jumo-205, что составляло 17,4 % всех двига­телей, имевшихся в её распоряжении. Jumo-204 и Jumo-205 получили у персонала DHL высокую оценку.

В 1937 году DHL располагала 21 самолётом с дизельными двигателями, которые выполнили 7 % всех авиаперевозок. Применение Jumo-205 на самолётах Ju-52, Ju-86, Do-18, Do-24, Do-26, Ha-139 и BV 138 значительно снижало стоимость авиаперелётов. В 1936 году Do-18 осуществлял перевозку почты через Атлантический океан из Западной Африки в Южную Америку. В том же 1936 году Ju-86 произвёл 20-часовой беспосадочный перелёт по маршруту Дессау – Батерст (Bathurst, Гамбия) протяженностью в 5800 км, а осенью того же года состоялись и перелёты двух Do-18 через Север­ную Атлантику в Нью-Йорк и обратно. В феврале 1937 года – многоэтапный 68-часовой перелёт по маршруту Дессау – Мельбурн протяженностью в 22 000 км. В марте 1938 года – беспосадочный 43-часовой перелёт Do-18 по маршруту Плимут – Каравелас (Caravelas, Бразилия) протяженностью в 8400 км, в мае того же года – беспосадочный перелёт Do-26 из Лиссабона в Нью-Йорк протяжен­ностью в 5600 км. Значение перелётов через Северную Атлантику осенью 1936 года было оценено обоими экипажами, руководителем DHL фон Габленцем (v.Gablenz) и руководителем отдела перевозок через Северную Атлантику фон Будденброком (v.Buddenbrock), которые при­ступили к организации вспомогательных пунктов техобслуживания на Азорских и Бермудских островах.

Даже после организации этих вспомогательных пунктов для перелёта самолётам при перелёте через Атлантику приходилось преодолевать над океаном расстояние 3300–3900 км, для чего двух­моторному Do-18 требовалось примерно 20 часов. В 1937 году началась разработка четырёх­мотор­ных (c Jumo-205) Do-26 и Ha-139, которые DHL планировала использовать для перевозки почты на расстояния до 9000 км. К концу 30-х – началу 40-х гг. осуществление регулярных авиаперелётов через Атлантику для DHL было вполне реальным, но начавшаяся Вторая Мировая прервала осу­ще­ств­ление всех этих далеко идущих и очень важных для гражданских авиаперевозок планов.

Ниже расположенная таблица наглядно показывает, каким образом развивались основные пара­метры рядных авиационных дизельных двигателей со встречно движущимися поршнями фирмы Junkers. Рабочий объём этих двигателей стал меньшим, но развиваемые ими обороты увеличи­вались, и в итоге средняя скорость поршня новых двигателей приблизилась к отметке 15 м/с. Также увеличивалась и развиваемая двигателем мощность.

Подобным образом в то время велись доработки и прочих авиационных двигателей. Удельный вес, приходящийся на единицу развиваемой мощности новых двигателей, постепенно, но постоянно снижался и приближался к тому, что удалось получить на бензиновых авиационных двигателях. B сравнении с первым дизельным двигателем подобного типа FO4 у Jumo-205 удельная мощность увеличилась в 3 раза.

Так улучшились основные параметры рядных авиационных дизельных двигателей со встречно движущимися поршнями фирмы Junkers за примерно десятилетний период. И это еще не было пределом в развитии двигателей подобного типа. Несмотря на успешное применение двигателей Jumo-205 в гражданской авиации, в Люфтваффе поначалу с этими двигателями всё обстояло не очень удачно.

Увеличение максимальных оборотов и продолжительность работы на этих высоких оборотах у двига­телей, применявшихся в Люфтваффе, зачастую неблагоприятные метеорологические условия, плохой уход на ними, недостаток хорошо обученного персонала были причиной целого ряда неполадок и отказов. Но опять-таки следует вспомнить, что данные двигатели разрабатывались в первую очередь для гражданской авиации в которой, как уже упоминалось, они зарекомендовали себя хорошо.

По имеющимся в нашем распоряжении данным, всего было изготовлено немного более 3000 двига­телей Jumo-205 серии С. Помимо предприятия в Дессау их производили еще в Кётене (Köthen) и Лейпциге. В качестве двигателей, приспособленных для выполнения дальних перелётов, единст­вен­ные серийно производимые авиадизели Jumo-205 вполне оправдали себя, став незаменимыми для выполнения дальних перелётов и для развития технологии авиационного двигателестроения, особенно в разработке поршней, цилиндров, систем впрыска топлива, смесеобразования, охлаж­дения и наддува воздуха. В данном случае ряд разработок в дальнейшем сыграл свою немало­важ­ную роль не только при разработке более совершенных дизельных двигателей, но и бензиновых. На этом фоне следует заметить, что RLM не проявляло к дизельным авиационным двигателям особого интереса, отдавая предпочтение бензиновым двигателям, и в Люфтваффе авиадизели нашли ограниченное применение для выполнения ряда специальных задач.

Поскольку Германия развязала войну, потребности гражданской авиации в чем-либо в Германии во время войны были ограничены до минимума. Jumo-205 получили высокую оценку и за рубежом. Лицензии на их производство были закуплены Францией и Англией, хотя британский его вариант, получивший название «Gutlass», так и не вышел из стадии стендовых испытаний. В 1937 году разра­батывался вариант спаренного двигателя, состоявшего из двух Jumo-205, работавших на общий редуктор. Но после исследований, несмотря на необходимость получения более мощных силовых установок, фирма Jumo отказалась от данных разработок и приступила к исследованиям других вариантов мощных дизельных силовых установок, которые из за тяжелой ситуации, вызванной ВМВ, не были доведены до завершающей стадии испытаний и организации серийного производ­ства, несмотря на ряд полученных многообещающих достижений в этой области.

Двигатель Jumo-204 в музее г. Кобленц

Для сравнения – двигатели Jumo-205 (слева) и Jumo-204

Jumo-205

Топливный насос двигателя Jumo-205

Jumo-205 во время реставрации

Реставрация Jumo-205 почти завершена

Ju-86 c двигателями Jumo-205

Ha 139 фирмы Blohm & Voss c 4-мя двигателями Jumo-205

Ha 139 над Нью-Йорком

Первая версия поршня двигателя Jumo-205 с двумя маслосъёмными кольцами и 5-ю уплотнительными поршневыми кольцами. Такие поршни использовались на версии С 4

Вторая версия поршня двигателя Jumo-205 с одним маслосъёмным кольцом и 4-мя уплотнительными поршневыми кольцами. Такие поршни использовались на версиях С 4 и D

Роликовый подшипник поршня с 80-ю роликами

Поршень без огнестойкой платы

Огнестойкая плата поршня

Огнестойкая плата с огнестойким уплотнительным кольцом

Законтренные гайки шпилек двигателя Jumo-205D, при помощи которых к днищу поршня крепилась огнестойкая плата

Заворачивание при помощи динамометрического ключа гаек шпилек, крепящих огнестойкую плату к днищу поршня

Детали поршня и шатуна двигателя Jumo-205

Разработанная М. Герлахом стягивающая шпилька двигателя Jumo-205 обеспечивала эластичное крепление огнестойкой платы к днищу поршня

Источник: Reinhard Müller: Junkers Flugtriebwerke, AVIATIC Verlag, 2006