Napier Sabre (lentomoottori)

Napier Sabre oli brittiläinen vuonna 1940 käyttöön otettu 24-sylinterinen mäntämoottori. Moottoria valmisti ja kehitti Napier & Son toisen maailmansodan aikana. Moottori suunniteltiin n. 2000:n hevosvoiman teholuokkaan, ja viimeisissä prototyypeissä teho oli jopa 5 500 hv(4 100 kW). Sen rakenne oli epätavallinen H-rivimoottori, jossa kaksi 12-sylinteristä blokkia on sijoitettuna päällekkäin. Vastakkaiset sylinteriryhmät kumoavat värinän. Moottorin suunnitteli majuri Frank Halford.

Napier Sabre

Sabrea käyttäviä hävittäjiä olivat Hawker Typhoon ja Hawker Tempest. Moottori asennettiin ensimmäisenä Napier-Heston Racer -koneeseen, joka suunniteltiin nopeuden maailmanennätyksen saavuttamiseksi. Muut Sabrella varustetut lentokoneet olivat prototyyppi ja tuotantomuunnelmat Blackburn Firebrandista, Martin-Baker MB 3 -prototyyppi sekä Hawker Furyn prototyypit. Suihkumoottorien kehitys toisen maailmansodan jälkeen johti Sabren nopeaan hylkäämiseen ja Napier keskittyi suihkumoottorin suunnitteluun.

Suunnittelu

Ennen Sabren suunnittelua Napier oli työskennellyt suurten lentomoottoreiden parissa jo jonkin aikaa. Heidän tunnetuin moottorinsa oli Lion, joka oli ollut erittäin menestyksekäs moottori 1. maailmansodan jälkeen. Lion-moottoria käytettiin useissa Schneider Trophy nopeuskilpailu -koneissa vuosien 1923 ja 1927 välillä, sekä maanopeusennätyksen saavuttaneissa autoissa. 1920-luvun lopulla Lion ei ollut enää kilpailukykyinen.

Lionia seurasi kaksi uutta ilmajäähdytteistä H-lohkoa, H-16 Rapier ja H-24 Dagger. Näihin Napier valitsi ilmajäähdytyksen. Käytössä takimmaiset sylinterit osoittautuivat vaikeiksi jäähdyttää riittävästi ja tämä johti melko heikkoon luotettavuuteen. Dagger-moottoria käytettiin Handley Page Hereford - pommikoneessa, joka oli Handley Page Hampden Dagger- moottoreilla. Heikon luotettavuuden ohella moottoreiden pakoääni oli miehistölle rasittava pitkillä lennoilla.

Kehitys

Ensimmäinen Sabrella varustettu lentokone oli Napier-Heston Racer, joka tuhoutui ensimmäisten koelentojen aikana.

1930-luvulla suunnittelijat pyrkivät ennakoimaan vaatimuksia moottoreille. Kokemus osoitti tarpeen moottorista, joka pystyisi tuottamaan yhden hevosvoiman kuutiotuumaa kohti (noin 45 kW/l). Tällainen voimanlähde tarvitiin potkurilentokoneeseen suurien polttoainekuormien kuljettamiseen pitkillä lennoilla. Oli selvää ettei tällaista ollut helppo toteuttaa.Aikakaudelle tyypillinen suuri moottori Pratt & Whitney R-1830 Twin Wasp kehitti 1 200 hv (895 kW) 1,820 kuutiotuuman / 30 litran tilavuudesta. 1930- luvun puolivälin jälkeen useat tehtaat alkoivat suunnitella 2000 hv:n teholuokan moottorieta. Näitä olivat esimerkiksi Rolls-Roycen Vulture, Sabre, sekä yhdysvaltalainen Pratt & Whitney R 2800.^lähde?

Vuonna 1927 Harry Ricardo julkisti luistiventtiilimoottorin konseptin. Hänen mielestään perinteiset lautasventtiilimoottorit rasittuisivat liiaksi yli 1 500 hv:n tehoilla (1 100 kW), joka näytti olevan kehityksen suunta. Luistiventtiileitä voitaisiin käyttää iskutilavuuden kasvattamiseen, venttiilien lämpötila ei muodostuisi ongelmaksi ja nakutusherkkyys olisi pienempi tasaisemman sylinterin täytöksen sekä kuuman venttiililautasen puuttumisen ansiosta suurilla tehoasetuksilla. Myös edestakaisin liikkuvien venttiilien massan aiheuttama kierrosluvun rajoittuminen poistuisi. Nakutus oli ongelma tuonaikaisten polttoaineiden alhaisen oktaaniluvun vuoksi.

Halfordin toimisto sijaitsi Ricardon vieressä Lontoossa,[citation needed] ja Ricardon aloitettua työt Bristol Enginesillä luistiventtiileiden parissa, Halford aloitti työskentelyn Napierin tehtaan kanssa käyttäen Daggerin lohkoa lähtökohtana. H-lohkon sisäinen tasapaino ja Sabren verrattain lyhyt isku mahdollistivat moottorin suuremman pyörimisnopeuden ja tehon pienemmällä siirtymällä,mihin luistiventtiilit kykenivät.^lähde? Toinen tärkeä syy sylinterien määrän kasvattamiseen on mäntien poikkipinta-alan suurentaminen ja tämä myös auttaa suuremman tehon saavuttamisessa.^lähde?

Napier päätti kehittää ensimmäisenä 24-sylinterisen, nestejäähdytteisen moottorin joka tuottaisi vähintään 2 000 hv (1 491 kW) 1935 vuoden lopulla. Yritys kuitenkin jatkoi suunnittelua käänteisellä Dagger moottorin lohkolla,jossa sylinterilohkot olivat pystysuunnassa ja se käytti luistiventtiileitä. Kaikki apulaitteet asennettiin lohkojen ylä- ja alapuolelle, mikä oli poikkeuksellista, sillä tavallisesti ne olisi sijoitettu etu- ja takapuolelle

Ensimmäiset Sabret olivat valmiita testattavaksi tammikuussa 1938, tosin teho oli rajoitettu 1 350 hv:an (1 000 kW. Maaliskuussa ne läpäisivät testit 2 050 hv:lla (1 500 kW), ja kesäkuussa 1940, kun moottori läpäisi ilmailuministeriön 100-tunnin testit, ensimmäiset tuotantoversiot toimitettiin 2 200 hv:n teholla (1 640 kW) 2 238 kuutiotuuman (37 l) tilavuudella. Vuoden loppuun mennessä moottorit tuottivat 2,400 hp (1 800 kW). Vertailun vuoksi samana vuonna Rolls-Royce Merlin II kehitti vain 1 000 hv (750 kW).

Tuotanto

Hawker Typhoon oli ensimmäinen operatiivinen Sabrella varustettu lentokone ja se tuli Kuninkaallisten ilmavoimien palvelukseen vuoden 1941 puolivälissä. Ongelmat molempien moottoriversioiden ja koneen rungon kanssa lähes johtivat Typhoonin poistamiseen palveluksesta.

Ongelmat alkoivat yhtä pian kuin tuotanto oli päässyt vauhtiin. Prototyyppimoottoreiden valmistuttua Napierin työntekijöiden oli vaikea omaksua liukuhihnatyöskentelyä,sillä moottorit oli tehty aiemmin puhtaasti käsityönä. Yleensä venttiilit rikkoutuivat mikä johti moottorin pysähtymiseen. Vika aiheutti yksinomaan Martin-Baker MB 3:n tuhoutumisen. 18 eri materiaalin kokeilun ja venttiilien nitraamisen,sekä uudelleenmuotoilun jälkeen ongelma ratkesi.

Laadunvalvonta oli myös suuri ongelma. Moottorit toimitettiin usein huonosti puhdistetuilla valuilla,murtuneilla männänrenkailla,ja moottorin sisälle oli jäänyt lastuja koneistuksesta. Mekaanikot olivat sodassa ylityöllistettyjä jatkuvasti ja kylmällä säällä moottoria täytyi käyttää kahden tunnin välein jotta moottoriöljy ei jähmettyisi. Näiden ongelmien selvittämisessä kului liikaa aikaa ja moottori alkoi saada huonon maineen.Lisäksi mekaanikot sekä lentäjät moittivat Sabrea ongelmista jotka todellisuudessa johtuivat väärästä käsittelystä. Tämä loka tuli suurimmalta kilpailijalta Rolls-Roycelta,joka tavoitteli markkinoita itselleen. 1944 Rolls-Royce valmisti oman vastaavan version nimeltä Eagle.

Vuonna 1942 suuren lentokorkeuden suorituskykyä yritettiin parantaa lisäämällä 3-nopeuksinen ja 2-asteinen ahdin,mutta tämän jälkeen perusmoottori ei enää käynyt luotettavasti. Joulukuussa 1942 English Electric Company osti Napierin ja ahdinprojekti jäädytettiin saman tien.Sen jälkeen koko yritys paneutui tuotannon ongelmiin ja tilanne parani nopeasti.

Vuonna 1944 Sabre V tuotti 2,400 hv (1 800 kW), ja moottorin maine alkoi parantua. Tämä oli viimeinen palveluskäytössä ollut versio, muun muassa Hawker Typhoonissa ja sen edeltäjässä Hawker Tempestissä. Ilman kehittynyttä ahdinta moottorin suorituskyky heikkeni merkittävästi yli 20 000 jalan (6 100 m) korkeudella ja näin ollen lenjäjät ohjeistettiin käydä kaartotaisteluita vain tämän korkeuden alapuolella.Matalalla lennettäessä molemmat koneet olivat erittäin pelottavia vastuksia muun muassa FW 190 vastaan. Luftwaffen tuhon jälkeen 1944 Typhooneja käytti etupäässä hävittäjäpommittajina RAF: Second Tactical Air Force. Tempestistä tuli ensisijainen torjunta-ase V1-ohjusta vastaan (Fieseler Fi 103), sillä se oli liittoutuneiden nopein hävittäjä matalalla lennettäessä. Myöhemmin Tempestillä tuhottiin noin 20 Messerschmitt Me 262 -suihkuhävittäjää.

Suunnittelu jatkui, ja Sabre VII tuotti 3 500 hv (2 600 kW) uudella mekaanisella ahtimella varustettuna. Viimeisimmissä testikappaleissa saatiin irti peräti 5 500 hv (4 100 kW) at 45 lb/in2 boost. Toisen maailmansodan loppuun mennessä saman teholuokan moottoreita oli muutamia. The Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major tuotti aluksi 3 000 hp (2 280 kW) ja myöhemmät mallit 3 800 hp (2 834 kW), tosin ne vaativat lähes kaksinkertaisen iskutilavuuden eli 4 360 kuutiotuumaa (71 litraa. Variants

• Sabre I (E.107) (1939) 2 000 hevosvoimaa (1 490 kW).
• Sabre II (1940) 2 300 hevosvoimaa (1 715 kW). Experimental 0.332:1 potkurin välityssuhde.
• Sabre II (production variant) 2 200 hevosvoimaa (1 640 kW). Alennusvaihteen välityssuhde 0.274:1: pääasiassa Hawker Typhoonissa.
• Sabre IIA 2 235 hevosvoimaa (1 665 kW). Revised sytytysjärjestelmä: maximum boost +9 lbs.
• Sabre IIB 2 400 hevosvoimaa (1 790 kW). Nelikurkkuinen S.U. kaasutin: Pääosin Hawker Tempest V:ssä.
• Sabre IIC 2 065 hevosvoimaa (1 540 kW). Vastaava kuin Mk VII.
• Napier Sabre III
• Sabre III 2 250 hevosvoimaa (1 680 kW). yhtäläinen Mk IIA kanssa,räätälöitiin Blackburn Firebrandiin: 25 kpl valmistettiin ja asennettiin.
• Sabre IV 2 240 hevosvoimaa (1 670 kW). Kuten Mk VA Hobsonin polttoaineruiskulla: preliminary flight development engine for Sabre V series. käytetty Hawker Tempestissä I.
• Sabre V 2 600 hevosvoimaa (1 940 kW). Parannettu MK II, uudelleensuunniteltu mekaaninen ahdin ja sytytysjärjestelmä.
• Sabre VA 2,600 hevosvoimaa (1 940 kW). Mk V varustettuna Hobson-R.A.E polttoaineruiskulla, yhdistetty tehon ja potkurinsäätökahva: käytetty Hawker Tempest VI:ssa.
• Sabre VI 2 310 hevosvoimaa (1 720 kW). Mk VA Rotol-jäähdyttimellä: used in 2 Hawker Tempest Vs modified to use Napier designed annular radiators; myös experimental Vickers Warwick V.
• Sabre VII 3 055 hevosvoimaa (2 278 kW). Mk VA vahvistettu,jäähdytys vesi-metanoliruiskutuksella.Suurempi ahdinpyörä.
• Sabre VIII 3 000 hevosvoimaa (2 240 kW). Intended for Hawker Fury; tested in the Folland Fo.108.
• Sabre E.118 (1941) 3-nopeuksinen, kaksiasteinen ahdin, contra-rotating potkuri;koelennetty in Fo.108.
• Sabre E.122(1946) 3 500 horsepower. Intended for Napier 500 mph tailless fighter

Sovellutukset

Moottoria on käytetty monissa lentokoneissa, kuten kahdessa laajalti käytössä olleessa hävittäjässä.

Sovellutukset, laajalti käytetyt

• Hawker Tempest
• Hawker Typhoon

Lentokoneet - rajoitettu tuotanto sekä prototyypit

• Blackburn Firebrand, only in 21 early production aircraft
• Fairey Battle, testbed
• Folland Fo.108, testbed
• Hawker Fury, prototype
• Martin-Baker MB 3, prototype
• Napier-Heston Racer, prototype
• Vickers Warwick, prototype

Entisöinnit ja näytteillä olevat moottorit

Napier Sabre-moottorit entisöitävänä:

• National Aeronautics Museum Argentina, one Sabre on restoration project
• Canadian Aviation Heritage Centre, Macdonald Campus, McGill University, Montréal.[13]

Preserved Napier Sabre engines julkisessa esittelyssä:

• London Science Museum
• Royal Air Force Museum London
• Solent Sky

Sectioned Napier Sabre engines on public display:

• Imperial War Museum, Duxford
• Birmingham Museum of Science and Industry
• Cambridge University Engineering Department
• RNZAF Museum, Wigram
• Canadian Aviation and Space Museum (Ottawa)

Specifications (Sabre VA)

Data from Lumsden

Perustiedot

• Tyyppi: 24-sylinterinen, mekaanisella ahtimella, nestejäähdytyksellä varustettu H-tyypin lentomäntämoottori
• Sylinteri: 5.0 tuumaa (127 mm)
• iskunpituus: 4,75 in (121 mm)
• iskutilavuus: 2 240 kuutiotuumaa (36.65 L)
• pituus: 82,25 in (2 089 mm)
• leveys: 40 in (1,016 mm)
• korkeus: 46 in (1,168 mm)
• kuivapaino: 2 360 paunaa (1 070 kg)

Osat

• Venttiilityyppi: Luistiventtiili
• Ahdin: Torsion shaft drive to gear-driven, yksiasteinen, kaksinopeuksinen keskipakoahdin
• Polttoainejärjestelmä: Hobson-R.A.E injection-type kaasutin
• Polttoainelaatu: 100/130 oktaaninen petroli
• Öljyjärjestelmä: Korkeapaine: Öljypumppu ja vapaavirtaussuodatin kolmella paluuöljypumpulla
• Jäähdytysjärjestelmä: Nestejäähdytys: 70 % vettä ja 30 % etyleeniglykolin seos, paineistettu.

Suorityskyky

• Teho:
  • 2 850 hevosvoimaa (2 065 kW) at 3,800 rpm and +13 psi (0.9 bar, 56") intake boost
• *3 040 hevosvoimaa (2 200 kW) at 4,000 rpm sotateholla
• Specific power: 1.36 hp/in³ (59.9 kW/L)
• Painesuhde: 7:1
• Polttoaineenkulutus: 117 gallonaa/tunti (532 L/h) maksiminopeudella, F.S supercharger gear; 241 gallonaa/hour (1,096 L/hr) taisteluteholla, F.S supercharger
• Öljynkulutus: 47 pinttiä/h (27 L/h) maksiminopeudella 3 250 rpm and +7 psi (0.48 bar, 14"); 71 pinttiä/hour (40 L/hr) sodanajan hätäteholla
• Teho-painosuhde: 1,29 hp/pauna (2,06 kW/kg)