Legendärer Bomber-Motor Wright R-3350 Duplex Cyclone - der König der Doppelsterne

Flugplatz Hahnweide, Oldtimertreffen anno 2009: der erste Besuch einer Hawker Sea Fury bei dieser legendär tollen Airshow. Es handelt sich um die F-AZXL von Frédéric Akary, und sie hat anstelle des originalen Bristol Centaurus einen mächtigen Wright R-3350 Duplex Cyclone unter der Cowling. 18-Zylinder-Doppelstern mit 54,9 Liter Hubraum oder, anders gesagt, gigantische 3048 Kubikzentimeter pro Topf. Ich stehe an der Flightline, nur wenige Meter von der Maschine entfernt. Beim Anlassen hüllt sich das Triebwerk sternmotortypisch in eine riesige Rauchwolke, sie verzieht sich rasch, und Akary gönnt dem Boliden mit lockeren 800/min die nötige Warmlaufzeit. Der Sound des gegenüber dem Centaurus noch einmal rund 300 PS stärkeren US-Aggregats ist hammermäßig, Triebwerk und Zelle geraten bei dieser Drehzahl offenbar in einen ganz speziellen Resonanzbereich. Ungelogen, die Vibrationen gingen über den Grasboden direkt ins Zwerchfell – ein unvergesslicher Eindruck von Kraft und Akustik in perfekter Harmonie!

Entwicklung des Doppelsternmotors

Übernahmen oder anderweitige Zusammenschlüsse waren schon in der Frühphase der Luftfahrt gang und gäbe. 1929 fusionierten die Firmen der berühmten US-Pioniere Gebrüder Wright und ihres großen Rivalen Glenn Curtiss zur Curtiss-Wright Corporation; ein Umstand, der noch zu Lebzeiten des bereits 1912 verstorbenen Wilbur Wright undenkbar gewesen wäre. Wright wie auch Curtiss bauten schon früher Flugmotoren, innerhalb des neuen Unternehmens hieß die Triebwerkssparte fortan Wright Aeronautical Division. Um 1930 herum erkannten die Ingenieure, dass einreihige Sternmotoren bei rund 30 Litern ihre sinnvolle Hubraumgrenze erreichen und beim Viertakter Zylinder-Einzelgrößen von über 3,3 Litern technisch wie ökonomisch wieder nachteilig sind. Die Lösung hieß Doppelsternanordnung, der 42 Liter große R-2600 mit zwei Reihen à sieben Zylindern war das erste Wright-Triebwerk in diesem Strickmuster. Zylinderköpfe und Bohrungsgröße wurden naheliegenderweise vom bewährten einreihigen 9-Zylinder R-1820 Cyclone übernommen, somit verlief die Entwicklung des R-2600 vergleichsweise problemlos. Anfang 1936 begannen dann die Arbeiten am großen Bruder R-3350 Duplex Cyclone, im Jahr darauf erfolgten die ersten Prüfstandsversuche. Um nicht anderweitig benötigte Manpower und Ressourcen zu binden, köchelte das Projekt wie so oft anfänglich auf kleiner Flamme. Die ersten, für diverse Prototypenmuster ausgelieferten Motoren (noch ohne Abgasturbolader) performten mit ihren bereits deutlich über 2000 PS durchaus ordentlich, wurden aber auch nur meist mit niedrigen Powersettings und in geringen Höhen betrieben.

Erprobung für die B-29

Als das USAAC Ende 1939 die Ausschreibung für einen neuen strategischen Bomber fixierte, fand sich außer dem R-3350 mit den ausgewählten B-11/B-31-Abgasturboladern von General Electric keine Alternative vergleichbarer Leistung – zumal sich das Hubraummonster Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major noch im Reißbrettstadium befand. Mit dem Ausscheiden von Douglas und Lockheed kamen dann Boeings XB-29 Superfortress und Consolidated mit der XB-32 Dominator, quasi als Backup, zur Auswahl beziehungsweise Prototypenphase. Nach dem japanischen Angriff auf Pearl Harbor am 7. Dezember 1941 erlangte das B-29-Projekt allerhöchste Priorität. Das hatte enorme Konsequenzen für Wright, sah man sich doch plötzlich mit dem größten und wichtigsten Motorenprogramm jener Zeit konfrontiert. Allein für die avisierte Stückzahl und Nutzungsdauer der B-29 waren mehr als 30 000 Triebwerke veranschlagt, andere potenzielle Abnehmer noch gar nicht eingerechnet. Die unter enormem Zeitdruck stehende, extrem anspruchsvolle Erprobung sowie nachfolgend erste Einsatzerfahrungen mit der B-29 förderten eklatante Schwachstellen des unausgereiften Duplex Cyclone zutage. Es gab Probleme mit Propellergetriebe, Kühlung, Schmiersystem und Gemischaufbereitung. Neben zahlreichen Motorschäden kam es vermehrt auch zu Triebwerksbränden, und jene waren wegen der vielen Magnesiumteile teils recht heftig. Ein schwieriger Start ins Leben also – zweifellos mit der schwierigste von allen Spitzenmotoren überhaupt.

Zylinderbauweise

Im Vergleich etwa zu Pratt & Whitney zeigen die Wright-Zylinder eine spezielle Bauart. Es gibt keinen Kühlrippenkörper mit separater Laufbuchse, sondern nur den geschmiedeten Stahlzylinder. Auf dessen Außenseite sind viele umlaufende Nuten eingearbeitet, darin eingepresst dünne Alulamellen. Sie stellen die eigentlichen Kühlrippen dar und können bei Beschädigungen wie zum Beispiel durch Beschuss erneuert werden. Am gegossenen Alu-Zylinderkopf mit halbkugelförmigem Brennraum und zwei via Stoßstangen und Kipphebel betätigten Ventilen (Auslass natriumgekühlt) sind die üblichen ausgesägten Kühlrippen zu sehen, der Zylinder ist wie immer in den Kopf eingeschraubt und eingeschrumpft. Für die erwähnte Überhitzungsproblematik in der B-29 machte Wright unter anderem auch die Gusslegierung verantwortlich. Geschmiedete Zylinderköpfe sind steifer, hier können die Kühlrippeneinschnitte tiefer ausgeführt werden, was eine größere Oberfläche und damit bessere Wärmeabfuhr erlaubt. Aufgrund von Kapazitätsengpässen bei den Schmieden wurde dies aber anfänglich untersagt, auch der R-3350 konnte erst später umgestellt werden.

Lader, Gehäuse und Getriebe

Das Kurbelgehäuse besteht aus vier einzelnen, miteinander verschraubten Segmenten; bei den frühen Baureihen aus Alu, später aus geschmiedetem Stahl. Innen dreht sich in drei riesigen Rollenlagern eine "gebaute" (aus mehreren Einzelteilen bestehende) Kurbelwelle mit den üblichen beweglich gelagerten Einsätzen in den Kurbelwangen. Unterstützt wird dieses System zur Vibrationsdämpfung zusätzlich noch durch pro Stern jeweils ein im Bereich der Nockentrommel platziertes, mit doppelter Kurbelwellendrehzahl rotierendes Ausgleichsgewicht. Die beiden Hauptpleuel für vorderen und hinteren Stern sind mit Blei-Silber-Indium-beschichteten Gleitlagern bestückt. Zwei Kompressions- und drei Ölabstreifringe an den geschmiedeten Kolben notieren wir als gewohntes Konstruktionsmerkmal. Eher ungewöhnlich, dass sich der Kolbenbolzen nur von einer Seite einführen lässt: aufwendiger zu bearbeiten, dafür ist nur eine Verschlusskappe nötig. Der vordere Gehäuseteil besteht aus Magnesium und beherbergt das Planetengetriebe zur Luftschraubenwelle, je nach Baureihe in den Untersetzungen 1 zu 0,44, 0,56 oder 0,66. Des Weiteren befinden sich darin der Antrieb für die zwei Niederspannungs-Zündmagnete, für die Nockentrommel des vorderen Sterns, die frontseitigen Schmierstoff-Rückförderpumpen und die Pumpe zur Propellerblattverstellung. Die beiden Gehäuseteile des Laders und der Abschlussdeckel mit den Aggregaten sind ebenfalls aus Magnesium. Hinten unten am Motorblock befindet sich die Hauptölpumpe des Trockensumpfschmiersystems, doppelt ausgeführt mit Druck- und Saugseite. Bei einer Drehzahl von 2600/min arbeitet der Druckkreislauf mit 4,5 bis 5,2 bar, im Leerlauf bei 800 bis 1000/min ist es 1 bar. Der interne Lader des R-3350 ist grundsätzlich einstufig ausgelegt, es gab ihn mit ein oder zwei Gängen. Bei Letzterem betrug die Übersetzung im Bodengang die 6,46-fache und im Höhengang die 8,67-fache Kurbelwellendrehzahl. Anfänglich war die Krümmung einiger Ansaugrohre zu eng gewählt, was die Effizienz des Laders beeinträchtigte. Nach einer Überarbeitung des Rohrverlaufs konnte diese Problematik ad acta gelegt werden.

Turbo-Compound-Prinzip

1942 begann die Wright-Entwicklungsabteilung mit Studien zu sogenannten Compound Engines. Darunter versteht man die Kombination von zwei oder mehr energieerzeugenden Aggregaten in einem Gesamtverbund Kraftwerk beziehungsweise in diesem Fall Motor. Keine grundsätzlich neue Idee, Ähnliches wird schon lange angewandt, um den Wirkungsgrad von Dampfmaschinen zu erhöhen. Mitte 1946 war das von der US Navy geförderte Projekt zu einem Endergebnis gekommen, am vielversprechendsten erschien das "Turbo Compound”-Prinzip (TC). Hier treibt der Abgasturbolader kein Vorverdichtergebläse an, sondern ist mit der Kurbel-welle gekoppelt und generiert quasi direkt Wellenleistung. Daraus ergeben sich Vorteile wie mehr Power und günstigere Verbräuche im gesamten Betriebsbereich, ohne grundsätzliche Innereien – vom hinteren Teil des Motors mal abgesehen – neu konstruieren zu müssen. Natürlich gerät das Aggregat dadurch komplexer, schwerer und wartungsintensiver, aber betreffs Triebwerksbedienung und -überwachung ändert sich nichts. Verglichen mit konventionellen Abgasturboladern hat das TC-System, hochkalkuliert auf gleiche Motorleistung, durch seine kleineren Turbinen auch in Sachen Leistungsgewicht die Nase vorn. Zudem wurde bereits angedacht, die an den TC-Gebläsen austretende restliche Strömungsenergie nochmals gesammelt per weiterem Abgasturbolader zu "verwerten”. Dies hat später Pratt & Whitney beim R-4360 zumindest versuchsmäßig noch einmal aufgegriffen. Erste Tests führte man mit einer an einen 9-Zylinder Cyclone angebauten einzelnen Turbine durch. Wenig später wurde der Duplex Cyclone modifiziert, anfänglich mit nicht weniger als sechs Turbinen. Bald stellte sich heraus, dass mittels geschickter Bündelung der Abgasrohre auf drei Turbinen verzichtet und so annähernd 100 Kilogramm an Masse eingespart werden konnte. Ein Kegelradsatz, eine vom Motorschmiersystem versorgte hydraulische Kupplung und eine weitere Untersetzung regeln die (bei Startleistung mit 19 000/min rotierende) Laderwelle auf die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle ein. Ungleichförmige, auf die Laderschaufeln treffende Abgasimpulse können unerwünschte torsionale Vibrationen im System erzeugen. Die Kupplung verhindert einerseits, dass diese Vibrationen zur Kurbelwelle übertragen werden als auch umgekehrt Kurbelwellenschwingungen zum Turbinenrad; außerdem werden etwaige Kraftspitzen bei starken Drehzahländerungen gedämpft. Sie ist so dimensioniert, dass unvermeidbarer Schlupf auf ein bis zwei Prozent begrenzt wird. Im März 1950 startete die Serienproduktion, als anfängliche Leistungswerte sind 3250 PS ohne und 3500 PS mit Wassereinspritzung genannt. Unterm Strich also ein erkleckliches Leistungsplus von 500 bis 600 PS gegenüber den kräftigsten Baureihen ohne diese Technik. Der zweimotorige Seefernaufklärer Lockheed P2V-4 Neptune war das erste Muster, das einen R-3350 TC bekam. In den kommenden Jahren erhielten ihn weitere Maschinen wie zum Beispiel der Transporter Fairchild C-119, das Wasserflugzeug Martin P5M und die Langstrecken-Airliner Douglas DC-7 und Lockheed Super Constellation. In den letzten Versionen (siehe "Technische Daten", dieser Motor wurde in der Passagiermaschine Lockheed L-1649A Starliner verwendet) konnte die Leistungsausbeute nochmals signifikant gesteigert werden. Im Automobilbereich war der Turbo Compound schon aus reinen Platzgründen nie eine Option, im Lkw-Sektor dagegen hat er sich etabliert und wird nach wie vor von einigen Herstellern verwendet.

Druckvergaser von Chandler Evans

Stichwort Benzindirekteinspritzung: Die bekannten Vorteile wurden hier schon bei den deutschen Motoren erläutert. Fakt ist jedoch auch, dass solche Systeme mehr Bauteile benötigen und diffiziler sind als ein Druckvergaser – beim Duplex Cyclone stammt jener vom Hersteller Chandler Evans. Sicher mit ein Grund, dass sie bei US-Militärs mit ihrer traditionellen "Keep it simple"-Einstellung erst nach dem Krieg richtig auf den Schirm geriet. Zudem hatten deren auf Vergaser spezialisierte Zulieferer wohl anfänglich Probleme mit den geforderten engen Fertigungstoleranzen für Hochdruck-Einspritzdüsen, was das Ganze weiter verzögerte. Die für den R-3350 von Bendix-Stromberg entwickelte Direkteinspritzung kam dann hauptsächlich bei zivilen TC-Triebwerken zum Einsatz und besteht aus den drei Hauptbaugruppen Master-Control-Einheit (in etwa vergleichbar dem deutschen Motorbediengerät), zwei Einspritzpumpen und 18 Einspritzdüsen. Die kastenförmige Master Control hat identische Abmessungen und sitzt an der gleichen Stelle wie der Druckvergaser, darin integriert neben diversen Regelorganen die beiden Drosselklappen. Oben links und rechts im hinteren Bereich des Motors befinden sich die mechanisch angetriebenen Einspritzpumpen, die rechte Pumpe versorgt alle Zylinder des vorderen Sterns, die linke die des hinteren. Davon ausgehend Leitungen zu den Düsen im Brennraum, eingespritzt wird im Ansaugtakt mit 33 bis 36 bar Arbeitsdruck.

Bis heute in der Luft

Heutzutage ist der bis 1957 rund 33 000 mal gebaute Duplex Cyclone noch erfreulich präsent, fast alle in den USA fliegenden Hawker Sea Furies wurden dank guten Ersatzteilbestands und viel Expertise seitens der Motorenspezialisten damit umgerüstet; die Douglas Skyraider hat ihn eh serienmäßig. Als nach dem Koreakrieg die Ära der großvolumigen Kolbenmotoren zu Ende ging, versuchte Curtiss-Wright mit dem Lizenzbau eines britischen Strahltriebwerks auch in diesem Sektor Fuß zu fassen. Aber gegenüber dem übermächtigen Konkurrenten Pratt & Whitney geriet man rasch ins Hintertreffen und gab dieses wie auch das Thema Turboprop alsbald wieder auf. Heute beschäftigt die Firma cirka 9000 Mitarbeiter und ist in verschiedenen Geschäftsfeldern der Luftfahrt-Zulieferindustrie sowie im Energiesektor tätig.

Technische Daten

Wright R-3350 Turbo Compound, Typ 981TC18EA1 (Stand: 1957)

Bauart: Doppelstern, 2 mal 9 Zylinder

Kühlung: luftgekühlt

Hubraum: 54,9 Liter (Bohrung x Hub 155 x 160 mm)

Verdichtung: 6,7 zu 1

Ventiltrieb: Nockentrommel und Stoßstangen, 2 Ventile pro Zylinder

Start-/Notleistung: 3400 PS (2500 kW) bei 2900/min und 1,93 bar Ladedruck in 0 m Höhe, mit Wassereinspritzung 3700 PS (2720 kW) bei 2,01 bar Ladedruck

Aufladung: internes Schleudergebläse, zwei Gänge; drei TC-Abgasturbinen

Zündung: zwei Zündmagnete Bendix-Scintilla DLN-9, kontaktgesteuert

Gemischaufbereitung: Bendix PR 58-18-S2-Direkt- einspritzung

Kraftstoff: 115 Oktan

Verbrauch: ca. 660 Liter/h bei 75 Prozent Motorleistung

Schmierstoff: Einbereichsöl SAE 50

Ölverbrauch: ca. 20 Liter/h bei 75 Prozent Leistung

Anlasser: Eclipse E-160, elektrisch

Trockengewicht (mit Anlasser): 1665 kg