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10.10.2017
Erschienen in: 01/2017  Klassiker der Luftfahrt

Triebwerk mit langer GeschichteRolls-Royce Merlin - Kolbentriebwerk aus der Ära des Zweiten Weltkriegs

Spricht man über Flugzeugkolbentriebwerke aus der Ära des Zweiten Weltkriegs, so fallen sofort zwei Begriffe: Mercedes-Benz DB 601/605 und Rolls-Royce Merlin. Beide Aggregate haben in der Ahnengalerie der großen Triebwerke ihren SpitzenPlatz verdient.

Merlin – damit ist nicht der landläufig bekannte mythische Zauberer gemeint, sondern ein Raubvogel aus der Gattung der Falken. Rolls-Royce benannte seine Triebwerke traditionell nach Greifvögeln. Der britische Kolbenmotor kann auf eine lange Produktionsdauer zurückblicken. Der erfolgreiche, flüssigkeitsgekühlte Zwölfzylinder wurde zwischen 1935 und 1950 rund 168 000-mal gebaut. Das Kraftpaket fand Anwendung sowohl in wendigen Jagdflugzeugen wie auch in Bombern und Transportflugzeugen; selbst nach dem Krieg wurde das einst militärische Triebwerk noch in  Airlinern der 50er Jahre genutzt.

Die Merlins sind allesamt mit Kompressoren (Supercharger) aufgeladen. Es wurden einstufige und zweistufige Lader, gepaart mit Eingang- oder Zweiganggetriebe verbaut. Die Gemischaufbereitung erfolgt über eine Vergaseranlage, die genutzten Flugbenzine hatten eine Oktanzahl zwischen 87 und 150.  Die Merlins gaben ihre Kraft mittels gerade verzahntem Reduktionsgetriebe (0,47/1 Merlin 60er-Serie) an den Propeller ab. Hauptsächlich wurden die Motoren als „right hand tractor“ gebaut, die Drehrichtung ist also von hinten gesehen im Uhrzeigersinn.

Große Entwicklungsschritte beim Basismotor gab es kaum. Entscheidend in der Weiterentwicklung der Triebwerke war die kontinuierlich veränderte und auch verbesserte Kompressorbestückung, die die Leistungskurve von anfangs 750 PS steil bergauf bis zur stärksten Version mit 2060 PS trieb. Durch die unterschiedlichen Ladersätze konnte das Triebwerk auf die jeweilige Einsatzhöhe angepasst und damit auch optimiert werden.

Flugzeugmotoren kein unbeschriebenes Blatt, stellte man doch den sehr erfolgreichen Kestrel mit 21 Litern Hubraum her. Der Arbeitstitel für den im Jahr 1930 angedachten Nachfolgemotor lautete PV-12, wobei PV für „Private Venture“, also „privates Risikokapital“ steht. Rolls-Royce entwickelte das Triebwerk also auf eigene Faust, ohne einen Regierungsauftrag oder gar öffentliche Gelder in der Tasche zu haben. Die Konstruktion war als Zwölfzylinder-60-Grad-V-Motor mit 27 Litern Hubraum ausgelegt. Je zwei Einlass- und Auslassventile pro Zylinder sorgten für den Gaswechsel, wobei die Auslassventilschäfte zur besseren Kühlung natriumgefüllt waren. Das Vergasertriebwerk wurde mit einem einstufigen Lader (single stage, single gearbox) beatmet, als Ladedruck wurden 6 psi beaufschlagt (ca. 0,4 bar). Die Kühlung des Aggregats erfolgte durch Glykol.

Die Geburt des Falken und die Baureihen

kl 01-2017 Rolls-Royce Merlin (01)

Wartungsarbeiten am offenen Herzen. Gut zu sehen sind die mit einem Metallgeflecht ummantelten Zündkabel. Foto und Copyright: Matthias Dorst

Der erste PV-12 wurde am 15. Oktober 1933 gezündet und entwickelte auf dem Prüfstand bereits über 740 PS. Erstmals in die Luft ging es am 21. März 1935 in einer Hawker Hart. Das daraus entstandene Serientriebwerk wurde Merlin B benannt. Der 950 PS starke Motor war mit „ramp heads“ ausgerüstet, die Einlassventile standen im 45-Grad-Winkel zum Zylinder. Die ursprünglich angedachte Verdunstungskühlung mit Ethylenglykol wurde nach zwei Triebwerken aber wieder verworfen.

Der Nachfolger, Merlin C, erfuhr einige konstruktive Änderungen. Das Kurbelgehäuse und die Zylinderblöcke waren nun als einzelne Gussteile ausgearbeitet. Die Zylinderköpfe wurden mit den Blöcken verschraubt. Dies erlaubte eine einfachere und schnellere Fertigung und einen schnellen Wechsel der einzelnen Komponenten bei Triebwerksschäden. Anstatt der unzuverlässigen Verdunstungskühlung wurde auf eine normale Flüssigkeitskühlung gesetzt. Der Merlin C lieferte wie die B-Version rund 950 PS Leistung. Er flog erstmals am 21. Dezember 1935. Nach kleineren Modifikationen erhielt das Triebwerk die Bezeichnung „Typ E“ und wurde im ersten Supermarine-Spitfire-Prototyp verbaut, ein Ritterschlag!

Der Merlin F beziehungsweise Merlin I wurde in einer kleinen Serie von 172 Stück gefertigt und trieb das Kampfflugzeug Fairey Battle an. Mit dem ab dem 10. August 1937 lieferfähigen Merlin II wich man von den „ramp heads“ ab und verbaute fortan die vom Rolls-Royce Kestrel bekannten „parallel heads“ (Ventile stehen parallel). Supermarine rüstete damit die Spitfire Mk I und Hawker die Hurricane aus. Neben den beiden klassischen Jägern erhielten auch die Boulton Paul Defiant und die Fairey Battle das leistungsstarke Triebwerk. Der Merlin III erfuhr nur marginale Veränderungen gegenüber dem Vorgänger. Mit 100-Oktan-Sprit und einem erhöhten Ladedruck von 12 psi leistete der V12 fortan 1310 PS.

Modifikationen an der Propellerwelle erlaubten auch den Anbau von Propellern diverser Hersteller. Durch Veränderungen in der Laderbestückung, Erhöhung des Ladedrucks und der Verwendung von 150-Oktan-Benzin wuchs die Leistung kontinuierlich bis auf 1645 PS beim Merlin 32, welcher für die Marinefliegerei entwickelt wurde. Das Low-Level-Triebwerk erreichte die Maximalleistung in 760 m Höhe bei einem Ladedruck von 18 psi.

Die Triebwerke wurden für Jagdflugzeuge wie auch für Bomber hergestellt. Der Merlin X erhielt einen Lader mit zwei Getriebestufen, um auch in größerer Höhe genügend Druck aufbauen zu können. Die Leistung lag anfänglich bei 1145 PS mit 10 psi Ladedruck, beim Merlin XX 1480 PS in 1830 m Höhe bei 14 psi Ladedruck. Das Triebwerk fand beispielsweise Verwendung in der berühmten Avro Lancaster Mk I.

Hohe Nachfrage während des Zweiten Weltkriegs

Die nächste größere Veränderung im Layout erfuhr der Merlin mit der Baureihe 60. Er erhielt einen neuen Zweistufenlader mit Zweiganggetriebe nebst Ladeluftkühler. Diese Bestückung ergab beim Merlin 61 mit 15 psi Ladedruck eine erhebliche Leistungssteigerung in mittleren Höhen. In 3700 Metern Höhe standen bei 3000 Umdrehungen pro Minute rund 1570 PS an, und selbst in größerer Höhe von 7100 Metern leistete das Aggregat noch 1390 PS.

Es stand ab März 1942 zur Verfügung und trieb die Supermarine Spitfire Mk IX zu Höchstleistungen an. Die Merlin-60er-Serie dürfte wohl die bekannteste Produktionsreihe gewesen sein. Diese Motoren (61, 63 und 66) leisteten mit unterschiedlicher Laderbestückung bis zu 1720 PS und standen vornehmlich den Spitfire-Baureihen Mk VIII und Mk IX zur Verfügung. Mit dem Merlin 66 begann auch die Erfolgsgeschichte der North American P-51 Mustang.

Erwähnenswert sind noch der Merlin 76/77 und Merlin 130/131. Beide Baureihen sind optimierte Antriebe für schnelle zweimotorige Jäger wie die de Havilland Mosquito und Westland Whirlwind. Deren Leistungsspitze lag bei rund 2050 PS bei 25 psi (1,72 bar) Ladedruck. Die Motoren gab es als „left hand tractor“. Last, but not least sei der Merlin 620 genannt. Das zivile Aggregat lieferte je nach Ladedrücken zwischen 8 und 20 psi Leistungen von 1175 PS bis 1795 PS. Verwendet wurde es in frühen Airlinern und Transportflugzeugen wie der Avro Tudor und Avro York.

Rolls-Royce benötigte während des Zweiten Weltkriegs dringend weitere Produktionskapazitäten, um der großen Nachfrage nach den starken V12-Motoren nachzukommen. Man wandte sich an Henry Ford und vergab im Juni 1940 einen Auftrag zur Produktion von 6000 Triebwerken als Lizenznehmer. Das Abkommen sah vor, dass weitere 3000 Motoren für die US-Streitkräfte produziert werden dürften. Der Deal platzte jedoch, Henry Ford war nicht bereit, für Großbritannien Motoren zu bauen.

Man fand Ersatz in der Packard Motor Car Company, und der Lizenzvertrag wurde im September 1940 unterzeichnet. Packard produzierte daraufhin ab August 1941 den Merlin XX als V-1650-1. Das amerikanische Kontingent kam dem Hersteller Curtiss zugute, welcher damit das Jagdflugzeug P-40F Warhawk ausrüstete. Der nachfolgende Merlin 61 wurde unter der Bezeichnung Packard Merlin V-1650-3 ab Oktober 1942 gefertigt und diente als Antrieb für die P-51 Mustang. Packard fertigte im Ganzen rund 55 000 Triebwerke.

Lizenzproduktion Bei Packard

Oft liest und hört man, dass der Packard der bessere Merlin sei. Massenproduktion in den USA, Handarbeit bei Rolls-Royce. Dem Packard wird in Großbritannien allgemein eine kürzere Haltbarkeit nachgesagt, in den USA ist es genau andersherum. Bekannt ist, dass die Lader- und auch die Vergaserbestückung beider Aggregate unterschiedlich sind. Packard hat den Merlin für die Fließbandproduktion überarbeitet und gewisse, nach heutigem Maß, Selbstverständlichkeiten einfließen lassen. So wurden zum Beispiel sämtliche Schrauben und Bolzen produktionsseitig mit einer Drehmomentvorgabe versehen; bei der Rolls-Royce-Produktion reichte indes die Angabe „fest und nach Gefühl“.

Einhellig wird konstatiert, dass der beste Merlin eine Kombination aus einem Packard-Block mit 600er Rolls-Royce-„Transporter Heads“ sei. Diese Mischung ist ein Garant für die Stärke der Race-Mustangs bei den Reno Air Races, wenngleich auch diese Aggregate aus der Nachkriegsproduktion stammen. In die mit einer Aluminiumlegierung (R.R.50) gegossenen, zweiteiligen Zylinderblöcke sind Zylinderbuchsen aus gehärtetem Stahl mit hohem Kohlenstoffanteil gesetzt. Während einlassseitig gusseiserne Ventilsitze Verwendung finden, setzte Rolls-Royce auslassseitig auf Ventilschaftführungen aus Phosphorbronze mit Ventilsitzen aus legiertem Stahl. Die Silchrome-Ventilsitze können bei Verschleiß ausgetauscht werden.

Die Schmiedekolben haben drei Kolbenringe und zwei Ölabstreifringe. Die aus Nickelstahl geschmiedeten Pleuel haben kolbenseitig eine schwimmende Phosphorbronze-Lagerung, kurbelwellenseitig ein Lager aus einer Bleibronze-Legierung in einer Nickelstahl-Lagerschale. Die feingewuchtete Kurbelwelle ist einteilig und besteht aus stickstoffgehärtetem Chromnickel-Molybdän-Stahl.

Das Kurbelwellengehäuse ist zweiteilig ausgeführt, wobei sich im unteren Teil der Ölsumpf mit den Ölpumpen und Filtern befindet. Auf der oberen Hälfte sitzen die Zylinderbänke. In dem komplizierten Gussteil aus Aluminiumlegierung befinden sich auch die sieben Kurbelwellenhauptlager. Stirnseitig ist das Reduktionsgetriebe für den Propeller verbaut. Das rückseitige Gehäuse besteht aus Aluminiumguss und nimmt den Antrieb für die Nockenwellen, Magnete, Kühlmittel- und Ölpumpen auf. Dazu gesellen sich Lader, Lichtmaschine und Starter.

Kühlung durch Wasser und Ethylenglykol

genüberliegenden Zündkerzen pro Brennraum mit der Zündfolge 1A-6B-4A-3B-2A-5B-6A-1B-3A-4B-5A-2B. A steht für die rechte Zylinderbank von hinten gesehen, B für die linke. Auf der A-Bank sitzt auch der Öldruckregler. Jede Zylinderbank hat einen eigenen Zündmagneten, wobei der A-Magnet die einlassseitigen Zündkerzen ansteuert, der B-Magnet die auslassseitigen. Die Ventile werden mit doppelten Schraubenfedern in Position gehalten. Pro Zylinderbank steuert eine siebenfach gelagerte Nockenwelle 24 untergebaute Kipphebel an, die sogenannten Merlin-Fingers, die die Ventile ansteuern. Die Kipphebel auf der einlassseitigen Welle betätigen die Auslassventile und umgekehrt. Die gesamte Ventilansteuerung ist als komplette Einheit abnehm- und austauschbar. Die Kontaktpunkte der Merlin-Fingers zu den Ventilen, die sogenannten „contact pads“, sind hartverchromt, um deren Haltbarkeit zu verlängern.

Die Ölversorgung des Triebwerkes erfolgt durch eine Trockensumpfschmierung mit einer zentralen Ölpumpe und drei Rückförderpumpen. Das mit Überdruck beaufschlagte Kühlsystem (Serie 61-66 / V-1650) ist mit einer Mixtur von 70 Prozent Wasser und 30 Prozent Ethylenglykol befüllt. Der Kühlkreislauf beginnt bei den Zylinderblöcken und führt zu einem kleinen Tank an der Motorvorderseite und von dort zu den entsprechenden Flächen- oder Rumpfkühlern. Durch den Druckaufschlag auf das Kühlsystem erreicht man eine Verschiebung des Siedepunktes der Kühlflüssigkeit nach oben, dadurch können kleinere Kühler verwendet werden.

Zu Beginn der Entwicklung wog man ab, ob das Gemisch nun mit einer Vergaseranlage aufbereitet werden sollte oder eben über ein Direkteinspritzsystem. Man sprach aber einer Vergaseranlage bei niedrigeren Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit eine höhere Leistungsausbeute zu. Der Nachteil gegenüber einer Einspritzanlage war, dass bei negativen g-Belastungen das Benzin aus der Schwimmerkammer gedrückt wurde und die Kraftstoffversorgung abriss. Ein scharfes Abtauchen in den Sturzflug aus dem Luftkampf war also nicht möglich. Als Notlösung musste der Pilot das Flugzeug auf den Rücken rollen und mit positiver Belastung in den Sturz gehen. Es wurden sowohl S.U.- als auch Stromberg-Vergaseranlagen verbaut, wobei die Vergaser ab 1943 mit 0,34 bar Druck beaufschlagt wurden. Mit der Entwicklung der Vergaseranlagen wurde auch bald der Malus der Unverträglichkeit von negativen Belastungen ausgemerzt.
Eine Fußnote sollten auch die sogenannten „ejector exhausts“ wert sein. Ein großes und starkes Triebwerk hat unter Volllast einen enormen Luftdurchsatz. Pro Minute zieht das Triebwerk ein Luftvolumen, das dem Rauminhalt eines Schulbusses entspricht. Der Ausstoß der Abgase erfolgt mit einer Geschwindigkeit von rund 2000 km/h. Die Kraft dieses Ausstoßes wurde früher eher vernachlässigt.

Man legte nun die Auspuffstutzen in leichten Bögen nach hinten und nutzte so die Ausströmgeschwindigkeit als zusätzliche Kraft- und Schubquelle. Die „ejector exhausts“ waren geboren. Bei einer Fluggeschwindigkeit von 300 km/h wurde durch diesen Kniff eine Extrapower von rund 70 PS generiert. Das hört sich nicht nach viel an, brachte aber ein Geschwindigkeitsplus von fast 20 km/h, und das wiederum war reichlich.

Und heute? Viele dieser Zwölfzylinder-Motoren wurden nach dem Krieg zweckentfremdet und verheizt, sei es in Powerboat-Rennen oder Tractor-Pulling-Meisterschaften. Es gab sie im Überfluss zu kleinen Preisen. Mittlerweile hat sich das Blatt gewendet, die Merlins werden rarer und damit auch teurer. Heute werden die Aggregate restauriert, gehegt und gepflegt. Und jedes Mal, wenn solch ein 27-Liter-Monster gezündet wird und das Triebwerk in den Merlin-typischen seidenweichen Lauf fällt, wird Geschichte lebendig und zaubert dem Zuhörer ein gewisses Lächeln ins Gesicht.

Klassiker der Luftfahrt Ausgabe 01/2017

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