HISTOIRE, SAGA, GENÈSE du R-3350

Wright R-3350 “Cyclone 18” - By Kimble D. McCutcheon

Traduit avec l'aide de www.DeepL.com/Translator - Document originalAvec l'aimable autorisation de Kimble D. McCutcheon - Merci à lui


Le 29 septembre 1946, un P2V1 Neptune de la Marine, baptisé “Truculent Turtle”, quitta Perth, en Australie, et parcourut 11 236 milles sans ravitaillement jusqu'à Columbus, en Ohio, un record qui tiendra jusqu'au vol Voyager autour du monde à l'automne 1986. Le P2V1 était motorisé par deux Wright R-3350 Cyclone. Il est difficile de croire qu'un moteur qui a établi un record comme celui-ci a connu l'un des développements les plus difficiles de tous les moteurs d'avion en production. Cela était dû en grande partie à un horaire extrêmement serré qui essayait de faire en deux ans ce qui prenait habituellement cinq ans. Le développement a également eu lieu en public alors que normalement les douleurs de croissance d'un nouveau moteur se produisent derrière les portes fermées des cellules d'essai, des laboratoires de développement et des essais en vol privés.

HISTOIRE

Les travaux sur le R-3350 ont commencé en janvier 1936, soit près de 18 mois avant que le moteur sur lequel il était basé, le R-2600, ne réussisse son essai de certification. Le R-2600 a été le premier radial à deux étoiles de Wright. En 1930, il était devenu clair que les moteurs radials à une étoile avaient atteint une limite de déplacement d'environ 1 860 in³ et que les cylindres de plus de 207 in³ étaient irréalistes. La clé des gros moteurs refroidis à l'air était d'empiler des rangées de cylindres. Pratt & Whitney et Wright avaient expérimenté les moteurs à plusieurs rangées dans les années 1930 et avaient progressivement résolu les nombreux problèmes de construction de vilebrequin, de refroidissement et de vibration (c'est du moins ce qu'ils pensaient).

En novembre 1935, Wright était prêt à s'attaquer au développement du R-2600, son premier moteur à deux rangées avec plus de cylindrée que le R-1820 à une seule rangée. Le R-2600 utilisait initialement la même conception de cylindre (chambre de combustion hémisphérique à deux soupapes) et le même diamètre (6,125") que le Cyclone R-1820, mais avec une course réduite de 6,312". Sept cylindres ont été utilisés dans chaque rangée. Puisque Wright avait déjà certifié le R-1820 et quelques quasi-accidents et défaillances à son crédit, le développement du R-2600 s'est déroulé sans heurts. Il a réussi son essai de certification le 10 juin 1937 et était en production à la fin de l'année. Il produisait initialement 1 500 HP au décollage à 2 300 tr/min et 42 inHG de pression au collecteur. À la fin de la Seconde Guerre mondiale, le R-2600 produisait 1 900 HP Le R-2600 a été utilisé dans les B-25 nord-américains, les Boeing 314 Clippers, les TBF Avengers de la Marine et les Douglas A-20 Havocs. La production du R-2600 s'est arrêtée à la fin de la Seconde Guerre mondiale.

La Wright Company, à la fin des années 1930, n'était nullement préparée à ce qui allait arriver avec les hostilités de la Seconde Guerre mondiale et en particulier avec le développement du R-3350 sur une courte durée. Bien qu'ils aient cessé la production de moteurs refroidis par liquide en 1936, en 1939, ils s'y sont remis avec le développement du R-2160 Tornado refroidi par liquide, l'un des moteurs d'avion les plus complexes jamais conçus. Ce moteur de 42 cylindres a dépassé les règles de l'art, a accaparé le talent des ingénieurs du R-3350, et a finalement été abandonné lorsque le projet du R-3350 s'est mis en difficulté en 1943. Wright avait également poursuivi vigoureusement la production et la vente de R-1820 sur le marché intérieur des DC-2 et DC-3. Elle s'était étendue à six usines dans la région de Paterson, au New Jersey, et avait construit une nouvelle usine dans l'Ohio exclusivement pour la production de R-2600. Ils avaient autorisé un certain nombre d'autres sociétés à construire des Whirlwinds et des Cyclones à rangée unique.

Lorsque l'armée a demandé des propositions pour un bombardier capable de frapper des cibles au Japon, les cinq soumissionnaires ont proposé le R-3350. L'Armée de terre a finalement choisi le Boeing XB-29 Superfortress et le Consolidated XB-32 Dominator pour la production. Wright s'est soudainement retrouvé avec le plus grand et le plus important programme moteur de la guerre. Plus de 30 000 moteurs seraient nécessaires pour le programme B-29, plus d'autres pour le B-32 et la Marine. Pour compliquer davantage les choses, de nombreux matériaux stratégiques tels que le mica1 et le ”core sand”2 étaient en rupture de stock en raison des hostilités en Inde et à Madagascar. Bien que des matériaux de remplacement aient été trouvés, il a fallu de nombreuses heures d'ingénierie pour prouver l'efficience de ces produits de remplacement. Le R-3350 était en service chez Wright depuis 1936 et certains avaient participé à des programmes d'essais expérimentaux navals et industriels, mais seulement sept moteurs avaient été livrés à l'Armée de l'air pour le projet XB-19 avant l'ordre B-29 du 15 avril 1941. Ces premiers R-3350 avaient eu un rendement acceptable, mais ils n'avaient pas effectué beaucoup d'heures de vol et tout le temps accumulé l'avait été à basse puissance et à basse altitude. Quand ils sont arrivés aux programmes de bombardiers XB-29 et XB-32, une image tout à fait différente en émergeait.

Avec le raid sur Pearl Harbor le 7 décembre 1941 et l'assaut sur les Philippines en janvier 1942, le Japon a pris le contrôle de toutes les îles près proches. Il est devenu clair que la guerre contre le Japon devrait être menée depuis la Chine, et que la priorité du programme B-29 doit être la plus élevée possible. Les États-Unis ont fait appel à la Chine pour construire une base pour soutenir les raids de B-29 sur les îles contrôlées par le Japon et dépendaient des forces navales et marines pour tenir le Pacifique entre-temps. Le mois de mars 1944 a été fixé comme date cible pour que les B-29 soient opérationnels en Chine. Cinquante mille coolies chinois ont commencé la construction de la base tandis que les avions, les moteurs, l'entraînement et le soutien logistique pour les 175 avions de l'unité initiale ont commencé à progresser lentement aux États-Unis. Le général Hap Arnold a vu personnellement que rien n'entravait la réalisation de cet objectif. La machinerie de production, l'outillage et les sous-traitants ont été mis en place avant le vol du XB-29 ou du XB-32.

Entre-temps, Wright se préparait avec de nouvelles usines et des sous-traitants pour le R-3350. L'usine n°7 a été construite à Woodridge, au New Jersey. Chrysler Dodge a construit une nouvelle usine à Chicago pour fabriquer les moteurs sous licence. Toute cette capacité de production chez Boeing, Wright et Chrysler était mise en place avant que la conception du moteur “de combat” ne soit finalisée. De nombreux changements seraient apportés à la conception du moteur avant sa mise en production. Entre-temps, les B-29 roulaient sur la chaîne de montage de Wichita, au Kansas, sans moteur. Ces moteurs ont ensuite été installés à l'extérieur dans des conditions hivernales épouvantables par un groupe d'héroïques membres du personnel de production des B-29 qui se sont employés à bombarder le Japon en temps opportun.

CONCEPTION ET DÉVELOPPEMENT

MODÈLE ORIGINAL

Le R-3350 utilisait 9 cylindres par rangée (18 au total) avec le même alésage et la même course que le R-2600, qui en utilisait 7 (14 au total). Cylindres employant des canons en acier forgé, vissés et rétractés dans des têtes en fonte d'aluminium avec deux soupapes et une chambre de combustion hémisphérique. Les soupapes d'échappement étaient refroidies au sodium. Les orifices d'échappement des cylindres avant étaient orientés vers l'avant et les orifices de la rangée arrière étaient orientés vers l'arrière. Contrairement aux ailettes de refroidissement traditionnelles en acier usiné sur les cylindres, Wright a appliqué son système breveté "W", qui utilise des segments d'ailettes en tôle d'aluminium très minces qui sont sertis dans des rainures dans le cylindre en acier. Cela augmentait la surface de refroidissement (3 900 in² par cylindre) et donnait la possibilité de réparer les dommages de combat par le remplacement des ailettes.

On a utilisé un carter de vilebrequin en trois pièces divisées le long des centres des rangées de cylindres. Les boîtiers initiaux étaient en aluminium, puis en acier forgé. Le carter du vilebrequin supportait un vilebrequin en trois pièces à deux rangées sur trois gros roulements à rouleaux (avant, centre, arrière). On a utilisé des bielles maîtresses d'une seule pièce avec des roulements argent-plomb-indium. Chaque bras de vilebrequin était équipé d'un contrepoids dynamique. Les contrepoids dynamiques doubles avaient été suffisants pour amortir les vibrations des moteurs à deux rangées précédentes, qui étaient tous inférieurs à neuf cylindres par rangée. Une fois que les neuf cylindres par rangée ont été introduits, une méchante vibration de second ordre (deux fois la fréquence de rotation du vilebrequin) est apparue, ce qui a entraîné des défaillances par fatigue de l'arbre porte-hélice.

Les moteurs radiaux, utilisant le système de bielles maîtresse, présentent un déséquilibre secondaire dû au mouvement différent de chaque piston. Dans les moteurs à une rangée, cela tend à faire tourbillonner le moteur dans un cercle excentrique par rapport au vilebrequin. Cette tendance s'aggrave à mesure que le nombre de cylindres par rangée augmente. Les moteurs à deux rangées ont le même mouvement dans chaque rangée, mais les deux cercles tourbillonnants sont déphasés l'un par rapport à l'autre et ont tendance à faire osciller le moteur autour de son palier principal central. Par conséquent, l'hélice essaie constamment de changer son plan de rotation, en pliant l'arbre de l'hélice jusqu'à ce qu'il finisse par se briser. Le remède consiste en une ou plusieurs masses d'équilibrage secondaires pour chaque rangée tournant à deux fois la vitesse du vilebrequin. Ces masses rotatives s'opposent à l'oscillation inhérente. Les équilibreurs secondaires initiaux ont été fabriqués à la hâte et n'ont nécessité que peu de modifications aux pièces de moteur existantes. Les modèles ultérieurs ont été considérablement simplifiés.

Wright a utilisé un compresseur de suralimentation développé en interne pour le R-3350, améliorant considérablement ceux précédemment conçus par General Electric. Un carburateur Chandler-Evans monté sur le dessus alimentait le compresseur. Les premiers R-3350 avaient des coudes d'entrée de suralimentation très aigus, ce qui nuit à l'efficacité du compresseur. Le coude a été redessiné dans les moteurs ultérieurs. Ceci, ainsi que d'autres améliorations systématiques résultant d'expérimentations intensives, a produit des compresseurs de suralimentation à la fin de la guerre avec une efficacité aussi bonne que n'importe quel autre dans le monde.

PROGRAMME INITIAL D'ESSAIS EN VOL

En septembre 1942, Wright avait expédié 65 moteurs et le Lockheed Ventilation (un avion d'essai bimoteur) aux programmes d'essai XB-29, XB-32. Peu de ces moteurs se ressemblaient, en raison de la nature dynamique du programme de développement de Wright et des exigences différentes des utilisateurs. Les trois avions ont volé pour la première fois en septembre. Les problèmes furent immédiats et généralisés. Les moteurs XB-32 avaient une consommation d'huile très élevée, et une équipe de techniciens de Wright devait réparer tous les moteurs expédiés avant le 1er octobre 1942. Les fuites d'hélices ont été tracées jusqu'à de petits passages d'huile dans le carter avant et il a fallu concevoir une solution de contournement. La carburation et l'allumage n'étaient pas satisfaisants, et les fournisseurs ont été changés. Il y a eu des incendies dûs aux gaz d'échappement, des incendies après l'arrêt à cause d'un excès de carburant, des démarrages difficiles en raison des verrous hydrauliques. Des défaillances du réducteur ont commencé à se produire pendant les montées prolongées, forçant l'ajout de conduites d'huile externes depuis le carter d'accessoires jusqu'au carter de nez pour compenser la faible pression d'huile du carter de nez. Le refroidissement des cylindres était un problème.

Quatre mois d'essais en vol se sont passés avec seulement 365 heures de vol sur quatre avions et 26 moteurs différents. Un avion, le XB-29 N°1, a eut besoin de 17 moteurs juste pour enregistrer 99 1/2 heures !

Le 18 février 1943, le deuxième prototype du XB-29 a pris feu et s'est écrasé. Tous les avions équipés du R-3350 ont été cloués au sol pendant qu'une enquête était en cours. Un comité d'enquête du Sénat, présidé par le sénateur Harry S. Truman, a attribué les problèmes du programme XB-29 au R-3350 et a porté des accusations de malfaçons et de lacunes de contrôle. En fin de compte, l'écrasement a été attribué à la conception du réservoir de carburant de Boeing, et non au R-3350.

En raison de l'enquête entourant l'écrasement du XB-29 no 2, toutes les pannes moteur ont été analysées et de nombreux changements ont été proposés pour le R-3350. Seuls les plus critiques ont été adoptés. D'autres changements qui ont affecté le calendrier de déploiement critique de 1944 ont été retardés. L'une des propositions de modification acceptées visait à résoudre les problèmes d'engrenage réducteur et de carter de nez par le biais d'un carter de nez redessiné avec des parois plus épaisses, des passages d'huile plus larges et des modifications de l'engrenage réducteur pour resserrer les tolérances de fabrication. Un changement qui n'a pas été approuvé à cause du coût. Wright voulait utiliser des culasses forgées à la place des culasses coulées. Cela aurait permis un meilleur refroidissement et des rendements plus élevés. Néanmoins, la capacité de forgeage des États-Unis était insuffisante à l'époque et de nombreux avions et équipages ont été sacrifiés en conséquence.

Tous les participants voulaient remplacer les carburateurs par l'injection directe de carburant. Les gros moteurs suralimentés avec des systèmes d'induction géants remplis de vapeur explosive comprimée sont susceptibles d'être gravement endommagés par les retours de flamme. Même si les retours de flamme étaient généralement causés par des équipes inexpérimentées, tout le monde savait qu'une formation adéquate prendrait trop de temps et retarderait le programme. La solution évidente était de mélanger le carburant avec l'air au dernier moment possible, de préférence dans le cylindre. Malheureusement, les tolérances de fabrication des pompes à injection directe étaient trop strictes pour les États-Unis à l'époque, et un certain nombre d'autres solutions ont été essayées. La première qui a fonctionné était d'adapter les carburateurs à pression Bendix-Stromberg existants pour servir d'unités de contrôle, en dosant le carburant vers deux pompes d'injection à neuf cylindres. Deux pompes ont été utilisées pour permettre aux ingénieurs d'ajuster le mélange carburant-air entre les rangées de cylindres avant et arrière et de compenser les différences dans la quantité d'air fournie à chacun par le système d'admission imparfait.

Les améliorations résultant de l'enquête XB-29 N°2 après l'écrasement, jumelées à d'autres changements identifiés lorsque le R-3350 est finalement entré en service, ont forcé les constructeurs de moteurs et les sous-traitants à effectuer un nombre presque incroyable de 48 500 changements d'ingénierie et d'outillage. Le cauchemar logistique que représente la simple gestion de ce niveau de changement est effrayant. Mais ces changements indispensables ont finalement été incorporés, bien qu'ils aient entraîné des retards dans le programme.

LE RENOUVELLEMENT DU PROGRAMME D'ESSAIS EN VOL ET DE LA FORMATION

Le crash et son enquête subséquente ainsi que les corrections apportées à la cellule et au moteur ont retardé considérablement le programme, mais la date de déploiement de mars 1944 est restée ferme. Bien que tout le monde savait que le R-3350 souffrirait de problèmes de refroidissement, ils ont été contournés dans une certaine mesure par des changements dans le fonctionnement, les limites de puissance, les limites de temps de marche au sol et l'utilisation des volets de capot.

Les avions et les moteurs pour la formation des pilotes, des équipages, des mécaniciens et du personnel au sol étaient en retard. Seulement 21 B-29 avaient été livrés aux unités opérationnelles au 1er octobre 1943, et le temps de vol moyen de ces appareils n'était que d'environ 70 heures. Gardez à l'esprit que ces types étaient censés larguer des bombes sur le Japon dans six mois ! Malgré tous les programmes de formation accélérée, les équipages étaient jeunes et extrêmement inexpérimentés.

MISE EN SERVICE

En coupant tous les obstacles possibles en matière d'entraînement et de soutien logistique, en acceptant des moteurs loin d'être parfaits et en supportant des conditions météorologiques et des installations horribles, les deux premiers B-29, chacun avec un R-3350 de rechange dans sa soute à bombes, ont atterri en Chine le 24 avril 1944. Le temps chaud et les mauvaises pistes ont forcé l'utilisation de réglages de puissance extrêmement élevés pour le décollage et la montée. Cette situation, conjuguée à la nécessité de fermer les volets du capot (et de surchauffer les moteurs) pour pouvoir voler en formation à haute altitude, a causé de nombreuses pannes de moteur et des pertes d'avion. Les B-29 effectuaient des missions de douze heures de vol, dont six de ces heures avec un réglage de puissance de 80 % ou plus. Des efforts persistants ont finalement produit des solutions acceptables pour la surchauffe sous la forme de techniques opérationnelles révisées, de déflecteurs plus serrés, de meilleurs collecteurs d'échappement avant, d'un étalonnage minutieux de l'indicateur de température de la culasse et de sacrifices de performance. Le plus important était peut-être un changement de stratégie, passant d'une formation en haute altitude à des raids à basse altitude. Comme les moteurs n'eurent pas à supporter la longue montée jusqu'à l'altitude, ils s'en sont mieux tirés.

En octobre 1944, une base B-29 fut établie à Saipan dans les Mariannes. Cela a permis les raids tant attendus sur Tokyo. Au début, il s'agissait de raids en haute altitude avec de lourdes pertes dues à des problèmes mécaniques. Finalement, la stratégie a été changée pour un bombardement à basse altitude, avec une amélioration marquée du succès.

Les B-29 et R-3350 ont contribué de façon incommensurable à la guerre du Pacifique et ont finalement largué les deux bombes atomiques qui ont mis fin au conflit. Après la guerre, le R-3350 est resté en production et a été affiné pour devenir peut-être le pinacle des moteurs à pistons. Il était équipé d'une avance à l'allumage variable et de trois “turbo” sur les échappements dont les arbres de sortie étaient adaptés au vilebrequin par l'intermédiaire de coupleurs hydrauliques. Cela a ajouté environ 600 HP à la puissance nominale de décollage. Au début du service, les R-3350 avaient une moyenne d'environ 100 heures avant la révision. Ce nombre est passé à 400 à la fin de la guerre. Dans le service aérien, il est devenu fiable (dans certains cas avec un temps entre deux révisions de 3500 heures) et a produit plus de puissance que n'importe quel autre avec une puissance finale au décollage de 3700 HP. Ces puissances élevées ont été obtenues avec la meilleure consommation de carburant spécifique de tous les moteurs d'avion à essence - environ 0,38 lb/hp/hr. Les pilotes qui ont piloté le R-3350 à bord des Douglas Skyraiders ainsi que ceux qui les utilisaient en service aérien ont signalé des problèmes occasionnels de réducteur. Douglas, lorsqu'ils ont introduit le DC-7, est passé du R-2800 du DC-6 au R-3350. Afin d'obtenir les performances des Super Constellations Lockheed (également motorisés par le R-3350), Douglas a utilisé des réglages de très haute puissance. Une vieille blague parmi les pilotes de ligne qui volaient sur les deux était : "Un DC-6 est un avion à quatre moteurs avec des hélices à trois pales, tandis qu'un DC-7 est un avion à trois moteurs avec des hélices à quatre pales !

1 Mica : Utilisé pour la partie isolante des bougies.

2 Le “Core sand” est un matériau réfractaire utilisé pour la fabrication de moules pour les pièces métalliques complexes.

Kimble D. McCutcheon


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MÀJ : 02 novembre 2020

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