Bevezetés

A második világháború idején a legtöbb, fejlettnek számító vadászgép motorja a feltöltéshez kétsebességes mechanikus-feltöltőt (köznapi nevén: kompresszort) alkalmazott. Ez úgy működött, hogy felszálláskor az alacsonyabb sebességen dolgozott a feltöltő-rendszer, majd ahogyan emelkedett a repülőgép és csökkent a légnyomás, úgy átváltott a magasabba.

Ez a második világháború elején még nem volt elavult, de nem ez volt az egyetlen lehetőség és nem is a legfejlettebb. A BMW 801 legtöbb alkalmazásba került verziója ezt a feltöltési-rendszert alkalmazta.

BMW 801

A BMW 801 egy jó motor volt, de elsősorban alacsony repülési magasságon volt „versenyképes”. Ennek alapvetően az volt az oka, hogy a motor feltöltő-rendszerét (kompresszorát) alacsony repülési magasságra méretezték.

Az viszont már korán kiderült, hogy a 801-es nagy repülési magasságon veszít a teljesítményéből. Ez már 1942-re nyilvánvalóvá vált.

Lehetőségek

Amennyiben a 801-esnél maradtak volna úgy alapvetően 10 lehetőség lett volna a magassági teljesítmény növelésére:

1. A kompresszor fordulatszámának növelése
2. Új tervezésű kompresszor alkalmazása
3. 3 vagy 4 sebességes kompresszor kifejlesztése
4. Kétfokozatú (kétlépcsős) kompresszor
5. Fordulatszám-szabályozású kompresszor
6. Előperdítős kompresszor
7. Jumo 213: 3 fokozatú kompresszor
8. Turbófeltöltő
9. GM-1 teljesítményfokozó rendszer (N2O-befecskendezés, köznapi nevén nitró)
10. Nagyobb teljesítményű, teljesen új verzió tervezése

Egyszerűbb lehetőségek a kompresszor fejlesztésére

A legegyszerűbb megoldás valószínűleg az lett volna, hogyha növelték volna a kompresszor fordulatszámát (szakszerűbben fogalmazva: növelni a feltöltő-rendszer áttételét). Ezt valószínűleg néhány hónap alatt meg lehetett volna valósítani és nem kellett volna hozzá jelentősen áttervezni a motort. Viszont ez azzal járt volna együtt, hogy ugyan nagy magasságon nőtt volna a teljesítmény, de közepes magasságon visszaesett volna, mivel a kompresszor nagyobb teljesítményt szívott volna le a motorról. Ezt a verziót nem valósították meg.

Emellett a fordulatszámot nem lehetett a végtelenségig növelni, mivel hogyha egy kompresszor alkatrészei túl nagy sebességgel forogtak, akkor elérhették a hangsebességet, amely pontnál leesett a hatásfok. Ez keményen korlátozta azt, hogy egy kompresszorból mit lehetett kihozni.

Egy másik lehetőség egy új tervezésű, nagyobb kapacitású kompresszor lett volna. Ezt bonyolultabb lett volna megvalósítani, mint az előzőt, de az eredmény is jobb lehetett volna: ezzel a megoldással úgy nőtt volna a teljesítmény nagy magasságban, hogy alacsony magasságon kevésbé esett volna vissza. Ez a megoldás lényegében hasonlított ahhoz, ahogy a BMW 801-es TS-verzióját fejlesztették, mivel a TS nagyobb, újabb kompresszort kapott.

Komplikáltabb lehetőségek a kompresszor fejlesztésére

Egy további lehetőség az lett volna, hogyha 3- vagy 4-sebességes kompresszort alkalmaztak volna. Ennek a verziónak az lett volna az előnye, hogy nagyobb teljesítmény növekedést lehetett volna vele elérni, mint az előző két verzióval és úgy, hogy nem esett volna vele vissza a teljesítmény alacsony magasságban.

Viszont nagyon bonyolulttá tette volna a motort: minél több sebességes volt egy kompresszor annál bonyolultabban működött volna a motor, bár megvalósítható volt. A második világháború idején nagyon kevés olyan repülőgépmotor volt, ami 3-sebességes feltöltő-rendszert alkalmazott (pld: Jumo 213 E és Jumo 213 F) és azok is csak a háború végén jelentek meg. 4-sebességes kompresszor pedig tudomásom szerint egyáltalán nem került alkalmazásba. A 801-es szinte összes verziójánál megmaradtak a két sebességes kompresszornál.

Az mondjuk tény, hogy a BMW belekezdett a 801-es négysebességes verziójának, a BMW 801 R-nek a fejlesztésébe, de arról nincs adat, hogy meddig jutottak vele. Alkalmazásba biztos, hogy nem került.

Egy további, kompresszoros fejlesztési lehetőség a kétfokozatú (kétlépcsős) kompresszor alkalmazása lett volna. Erről a megoldásról leginkább a Rolls-Royce Merlin volt nevezetes. A kétfokozatú kompresszorokkal nagyobb nyomást lehetett előállítani, mint az egyfokozatú kompresszorokkal, ami miatt nagy magasságban jelentősen nagyobb teljesítményt tett lehetővé.

A Merlin kétfokozatú feltöltője

Viszont a kétfokozatú kompresszorokhoz szükséges volt utóhűtőt alkalmazni, ami a két kompresszor fokozattal együtt azt eredményezte, hogy igen jelentősen növelte a motor dimenzióit (méretét). Míg a Merlin korai verzióinak hossza 175 centiméter körül volt, a kétfokozatú kompresszorokkal felszerelt verziók hossza 225 centiméterre nőtt.

Emellett alacsony repülési magasságon egy egyfokozatú kompresszor is elég teljesítményt tudott biztosítani. Például pont a britek, annak ellenére, hogy 42-ben alkalmazni kezdték a Merlin kétfokozatú verzióit, még 44-ben is gyártották az egyfokozatú verziókat, mivel alacsony repülési magasságon megfelelő volt.

A Merlin kétfokozatú verzióin a jelentősebb fejlesztés amúgy nem az volt, hogy kétfokozatú volt, hanem az, hogy volt utóhűtője. Ennek az volt az oka, hogy minél nagyobb mértékben növelték a levegő nyomását, annál jobban felmelegedett. Ezért a töltőnyomás növeléséhez bizonyos mérték után szükség volt az utóhűtőre.

Még egy kompresszoros lehetőség: a Daimler-Benz féle fordulatszám-szabályozású kompresszorok

Az előbbiekkel nem merítettük ki az összes lehetőséget, mivel több még kimaradt, amiből az egyik a Daimler-Benz repülőgépmotorokon alkalmazott, hidraulikus kapcsolóval hajtott, fordulatszám-szabályozású kompresszorok.

A második világháború idején a tipikus repülőgépmotorok egy vagy két-sebességes, folytásos szabályozású kompresszorokkal rendelkeztek. Az viszonylag egyszerűen megvalósítható volt és a háború kitörésekor még nem számított elavultnak. Viszont a Daimler-Benz-féle repülőgépmotorokon fordulatszám-szabályozású kompresszorokat alkalmaztak. Ez gyakorlatilag azt jelentette, hogy a DB-motorok kompresszorai a két végpont között tetszőleges sebességen tudtak üzemelni, vagyis a többi korabeli repülőgépmotorhoz képest soksebességesek voltak.

DB 605

Ezt a lehetőséget egyértelműen fejlettebbnek tartották, mint a korban tipikusnak számító kétsebességes kompresszorokat. Ennek az az egyik oka, hogy a kétsebességes kompresszorok az átmeneti repülési magasságon veszítettek a teljesítményükből. Ezzel szemben a DB-kompresszorok a magasság növekedésével folyamatosan növelni tudták a sebességüket, ami révén a DB-motorok jóval egyenletesebb teljesítményt adtak le.

Az mondjuk tény, hogy ez nem volt annyira hatásos, mint a Merlin-motorok kétfokozatú-kompresszorai, de a BMW-motorok kétsebességes kompresszoraihoz képest egyértelműen előrelépés lett volna és német iparnak volt vele tapasztalata. Arról nincs információ, hogy a BMW miért nem vette át.

Junkers Jumo 213 A: előperdítős kompresszor

Egy további lehetőség az előperdítős kompresszor lehetett volna. Az előperdítő alapvetően a korban tipikusnak számító, fojtásos szabályozású kompresszor továbbfejlesztése volt az előperdítővel. Az előperdítő növelte a szabályozás és vele együtt a motor hatásfokát is.

A német repülőgépmotorok közül a háború végén a Junkers Jumo 213-ason alkalmazták ezt a fejlesztést.

Azt mondjuk hozzátesszük, hogy az előperdítő nem a magassági teljesítményt, hanem inkább a felszállóteljesítményt növelte.

Az, hogy a Jumo 213-as fejlettebb volt, mint a BMW 801, abban is érzékelhető volt, hogy emelkedés közben kevésbé veszített a teljesítményéből. A 801-es legtöbb verziója miközben tengerszintről felemelkedett 6 ezer méteres magasságig, nagyjából 15 százalékot veszített a teljesítményéből. Ezzel szemben a Jumo 213-as esetében ez az érték 10 százalék körül volt.

Jumo 213

Jumo 213 F: 3-fokozatú kompresszor

A Jumo 213-ast a Focke-Wulf 190-es D szériájához és az abból kifejlesztett Ta 152-höz alkalmazták. A motornak több verziója is volt, de amit most vizsgálunk, az a gyártásba került verziók közül az F verzió.

A 213-as F verziója 3-fokozatú kompresszorral rendelkezett. Ez a magassági teljesítményt tekintve igen jelentős növekedést jelentett a korban tipikusnak mondható egyfokozatú kompresszorokhoz képest.

Az F verzió abból a szempontból volt érdekes, hogy ugyan háromfokozatú volt, de utóhűtő nélkül. Ehhez azt kell tudni, hogy többfokozatú kompresszorokhoz ajánlott volt utóhűtőt alkalmazni, mivel a kompresszoron átáramló levegő nagyon felmelegedett, aminek negatív következményei lehettek.
A 213-as F verziójának ugyan nem volt utóhűtője, de egy másik módon elérték, hogy visszahűtsék a levegőt: MW-50 befecskendezéssel.

Aki beleásta magát a második világháborús német repülőgépmotorokba, az többé-kevésbe már olvasott az MW-50-ről. Ezt a teljesítményfokozó-rendszert elsősorban arra használták, hogy alacsony magasságon növelje a motor felszállóteljesítményét.

Viszont a 213-as F verziója esetén a kompresszorból kilépő levegőt hűtötték vele. Ez által lehetségessé vált, hogy utóhűtő nélkül háromfokozatú, 3-sebességes kompresszort alkalmazzanak.

A 213 F másik jelentős jellemzője az volt, hogy igen magas volt a fordulatszáma: a 3700/perc kivételesen magas értéknek számított a nagy-teljesítményű világháborús repülőgépmotorok között. Ugyan ez a fejlesztés nem specifikusan a magassági teljesítményt növelte, de ahhoz is hozzájárult, mivel ha a motor egységnyi idő alatt több ciklust végez, akkor minden magasságon nő a teljesítmény.

Más lehetőségek

A nyolcadik lehetőség a turbófelöltő lehetett volna. Egy turbós motor nagy repülési magasságban jelentősen nagyobb teljesítményt adott le, mint egy kompresszoros. A németek ki is fejlesztették a 801-es turbós verzióját, a TJ-t, de azt vadászgépen nem alkalmazták.

BMW 801 TJ

A turbó ugyan a magassági teljesítmény alapján előnyös lett volna, de a turbófeltöltők növelték a motorok és velük együtt a repülőgépek dimenzióit: míg a 801-es kompresszoros verziói 2 méteres hosszúságúak voltak, a turbófeltöltős verziók hossza 60 centivel nagyobb volt.

Egy kilencedik lehetőség a GM-1 teljesítményfokozó-rendszer volt, amit köznapi nevén nitrónak neveznek. Ez gyorsan megvalósítható volt, mivel nem kellett hozzá nagyon áttervezni a motort. A Focke-Wulf 190-es fejlesztése során ezt ki is próbálták, de nem hozta a várt teljesítményt.

Az viszont igaz, hogy a 801-es gyártásba került verziói közül a Q verziót úgy tervezték meg, hogy képes legyen a GM-1 alkalmazására. Ez a verzió ’44-től került a 190-es orrára.

Egy további lehetőséget az jelentett volna, hogyha a motornak egy olyan teljesen új verzióját fejlesztették volna ki, ami minden repülési magasságon erősebb lett volna.

A BMW 801 esetében volt is egy ilyen projekt, mégpedig az F verzió. Az F verzió esetében a felszállóteljesítmény a C verzió 1560 lóerőjéről 2400 lóerőre nőtt volna. Az F verzióval viszont az volt a probléma, hogy a háború végéig nem került gyártásba.

A 801-es teljesen új, F verziója már 43-ban létezett prototípus formájában. A Luftwaffe szándékai szerint már 44-ben alkalmazni szándékozták, de a valóságban a háború végéig nem került éles bevetésre az elhúzódó fejlesztés miatt.

Értékelés

Amennyiben a fejlesztések a rövidebb idő alatt megvalósítható verziókra fókuszáltak volna, úgy akkor talán a Q és a TS verziók lettek volna a fókuszban. A Q verzióhoz a GM-1 (nitró) rendszerrel a németek már 1940-től rendelkeztek tapasztalatokkal.

Viszont a GM-1-gyel a Focke-Wulf fejlesztői kezdetben nem voltak megelégedve.

Egy másik megvalósítható fejlesztés a TS verzió lehetett volna. Ez a verzió a gyártásba nem került E verzió kompresszorát kapta, ami 1943-ban már rendelkezésre állhatott volna. Ez a verzió nagy magasságban 20-45 km/ó sebességgel lett volna gyorsabb, mint a standard D-2 verzió.

Egy további, megvalósítható verzió az R lehetett volna. Az R a négysebességes-feltöltőjével bonyolult lehetett volna, de egyértelműen jobb lett volna, mint a kisebb magasságra optimalizált 801-es verziók. Ez a verzió nagy magasságban legalább 70 km/ó-val gyorsabb lett volna, mint a D-2.

A Luftwaffe célja viszont valószínűleg az F verzió lett volna. Az F verzióval nem csak a magassági teljesítmény, hanem a tengerszinten leadott teljesítmény is nagyobb lett volna. De ez a verzió a háború végéig nem került gyártásba.

A tökéletes megoldás a magassági teljesítményre a turbófeltöltő lehetett volna. A turbófeltöltők nagy magasságban jelentősen jobbak voltak, mint a kompresszorok.

Viszont az én véleményem szerint a turbófeltöltés fejlesztése a BMW részéről hiba volt. Ezt azért gondolom így, mivel a német ipar nem rendelkezett azokkal a nyersanyagokkal, amivel nagy mennyiségben lehetett volna turbófeltöltőket gyártani.

A BMW a 801-esnek öt különböző, turbófeltöltős verzióját fejlesztette (Ds, M, N, TJ, TQ) amik közül csak egy (a TJ) került gyártásba.

A BMW 801 jelentősebb gyártásba került verziói és prototípus verziói a háború végén

Turbó vagy kompresszor?

A fenti táblázat láttán az olvasók elgondolkodhatnak néhány dolgon. Talán, ami a táblázatban legszembetűnőbb, az az, hogy a TJ és az F verziók nagy magasságban hasonló mértékben növelték meg a sebességet, annak ellenére, hogy az F felszállóteljesítménye 30 százalékkal nagyobb volt.

Ennek az volt az oka, hogy az F kompresszoros, a TJ viszont turbós volt. Az F felszállóteljesítménye nagyobb volt, ami miatt tengerszinten gyorsabb lett volna egy F verziójú motorral ellátott vadászgép, mint egy TJ verziójú motorral ellátott vadászgép.

A TJ viszont turbós volt, ami miatt a magassági teljesítménye összemérhető volt az F verzióval. De miért is?

Ennek az volt az oka, hogy egy turbós motor nagyobb magasságig tudta tartani a töltőnyomást, mint egy kompresszoros. Míg a világháború elején egy kompresszoros motor 3-4 kilóméteres magasságig tudta tartani a töltőnyomást, a háború végén pedig 6-8 kilóméterig, a turbós motorok akár 12 kilóméteres magasságig is tudták tartani a töltőnyomást. Ezért 8-10 kilóméteres magasságban már a két verzió teljesítménye összemérhető volt.

A táblázat magassági sebesség növekedése részéhez még annyit hozzátennék, hogy pontos adatok csak a motor felső 3 verziójához vannak, a többi verzió esetén saját becslést alkalmaztam.

Jumo 213 F: motorcsere?

A fentiekből látszik, hogy 44-ben a 190-es fejlesztése okán miért fókuszáltak a Jumo-motoros verziókra. A Jumo 213-as különböző verziói egyértelműen fejlettebb felöltéssel rendelkeztek, mint a 801-es nagyobb számban készült verziói (BMW 801 D és Q).

A 190-es D szériájának az első jelentősebb, Jumo-motoros verziója a D-9 volt, ami jelentős előrelépés volt, mivel nagy magasságon jelentősen nagyobb teljesítményt adott le. A későbbi D-verziók pedig még fejlettebb Jumo-motorokat kaptak, többek között a 213-as F verzióját. A feltöltést tekintve a 213-as F verziója fejlettebb volt, mint a BMW 801-es jelentősebb verziói, a nagyobb fordulatszám pedig ellensúlyozta a 801-es lökettérfogatban meglévő fölényét.

Jumo 213 F motorral hajtott Fw 190 típusú vadászgép

A Spitfire volt gyorsabb, vagy a 190-es?

Érdeklődők körében felmerül, hogy vajon melyik vadászgép volt a jobb? Több géptípust is össze szoktak hasonlítani, az egyik klasszikus összehasonlítás a Supermarine Spitfire és a Focke-Wulf Fw 190-es összehasonlítása szokott lenni.

Aki a fentieket elolvasta és megértette, annak már lehet valami sejtése, de most leírjuk a tényeket. A 190-es alapvetően alacsony repülési magasságon volt gyorsabb, mint a Spitfire. Ennek az volt az oka, hogy mivel a kompresszort alacsony repülési magasságra méretezték, ezért úgy biztosította a motor feltöltését, hogy kevés teljesítményt vett le a tengelyről.

Ezzel szemben a Spitfire vadászgépen 1942 nyarán bevezették a kétfokozatú kompresszorokat. Ez nagy repülési magasságon nagymértékben megnövelte a motor teljesítményét, ami miatt 6 ezer méteres repülési magasság fölött a Spitfire volt gyorsabb. Viszont tengerszinten továbbra is a 190-es volt gyorsabb.

Mit csináltak a britek?

A fentiek alapján felmerül, hogy a britek hogyan fejlesztették a motorjaikat. Az egyik válasz erre a felsorolás legelső verziója volt, vagyis, hogy a motor áttételével (a kompresszor fordulatszámával) variáltak.

A britek a Merlin verzióit több különböző áttétellel gyártották. Ez által viszonylag minimális változtatással el tudták érni, hogy a motort különböző magasságra állítsák be.

Erre jó példa a Merlin 66. A legelső kétfokozatú Merlin verzió a Merlin 61 volt, ami nagyobb magasságra optimalizálták. A 66-os alapvetően a 61-esből lett kifejlesztve, az által, hogy csökkentették az áttételt. A kisebb áttétel miatt a 66-os kompresszora kisebb teljesítményt szívott le a motorról, ami miatt tengerszinten nagyjából 140 lóerővel erősebb volt, mint a 61-es.

A másik véglet: a Merlin tengerszintre optimalizált (cropped) verziói

A fenti elemzés leginkább arról szól, hogy hogyan lehetett olyan repülőgépmotort építeni, ami a magassági teljesítményt tekintve volt jobb, mint a konkurencia. Viszont felmerül a kérdés, hogy hogyan lehet a feltöltést a másik végletre, vagyis tengerszintre optimalizálni.

A britek a Merlin-ből ilyen verziókat is készítettek, amiket „cropped” néven neveztek. A Merlin cropped verziói egy szándékosan visszafejlesztett, csökkentett teljesítményű feltöltő-rendszert kaptak. Ez által tengerszinten ezek a verziók képesek voltak 1600 lóerő körüli teljesítményre, ami hasonló volt, mint a nagyobb lökettérfogatú Fw 190-es BMW 801 motorja esetében. Ennek az volt az oka, hogy a cropped verziók kompresszora úgy biztosította a motor feltöltését, hogy minimális teljesítményt szívott le a motorról.

Viszont a cropped verziók magassági teljesítménye nagyon gyenge volt. A cropped verziókat a Spitfire alacsony magasságra optimalizált (LF) verzióiba építették be.

Írta: HZS89

Források:

• Victor Bingham: Major Piston Aero Engines of World War 2
• Jason R. Wisniewsky: Powering The Luftwaffe: German Aero Engines of World War 2
• A Második Világháború Repülőgépeinek szerkezete
• http://kurfurst.org/
• www.ww2aircraftperformance.org
• https://www.defensemedianetwork.com/stories/aircraft-engines-world-war-ii/
• http://www.spitfireart.com/merlin_engines.html

Képek:

• http://powerplants.warbirdsresourcegroup.org/images/german_bmw-801_drawing.jpg
• http://www.aviation-history.com/engines/merlin-supercharger.jpg
• http://powerplants.warbirdsresourcegroup.org/images/db605-left_drawing.jpg
• http://hugojunkers.bplaced.net/media/images/jumo213-01.jpg
• http://www.warbirdsresourcegroup.org/LRG/images/lrg0660.jpg
• https://flyingheritage.org/getattachment/b43c6995-e75e-4855-8d44-bab8170cd26b/attachment.aspx