Разработка турбореактивного двигателя в РАЭ

Между 1936 и 1940 годами Алан Арнольд Гриффит разработал серию газотурбинных двигателей, которые были построены под руководством Хейна Константа в Королевском авиастроительном заводе (RAE). Конструкции были передовыми для того времени, обычно они имели «двухзолотниковую» компоновку с компрессорами высокого и низкого давления, которые индивидуально имели больше ступеней, чем типичные двигатели того времени. Несмотря на то, что двигатели были продвинутыми, их также было трудно построить, и только гораздо более простая конструкция «Фреда» когда-либо была запущена в производство, как Metrovick F.2 , а затем Armstrong Siddeley Sapphire . Большая часть новаторских разработок позже будет использована в конструкциях Rolls-Royce , начиная с чрезвычайно успешного Rolls-Royce Avon .

Ранние работы

В 1920 году У. Дж. Стерн из лаборатории министерства авиации в Южном Кенсингтоне написал отчет в ответ на запрос Комитета авиационных исследований (ARC) о возможностях разработки газотурбинного двигателя для привода воздушного винта . Его отчет был крайне негативным. Учитывая характеристики существующих турбокомпрессоров, такой двигатель оказался механически неэффективным. Помимо большого веса и плохой топливной эффективности , Стерн скептически относился к существованию доступных материалов, пригодных для использования в зонах турбины с высокими температурами.

Гриффит, который на тот момент был старшим научным сотрудником РАЭ в Фарнборо, прочитал отчет Стерна и ответил просьбой, чтобы Национальная физическая лаборатория изучила проблему материалов. Тем временем Гриффитс начал изучать вопросы конструкции компрессоров. В 1926 году он опубликовал «Аэродинамическую теорию конструкции турбин» , в которой отметил, что в существующих конструкциях компрессоров используются плоские лопатки, которые по существу «сваливаются в полете », и что эффективность можно значительно повысить, придавая им аэродинамическую форму .

В октябре Гриффит представил документ небольшой группе представителей Министерства авиации и РАЭ. Они единогласно поддержали начало проекта по изучению конструкции компрессоров Гриффитса. Первоначальные работы начались в 1927 году, а к 1929 году этот проект дошел до создания чрезвычайно простого «двигателя» диаметром 4 дюйма (100 мм), состоящего из одноступенчатого компрессора и турбины с одним рядом статоров спереди. каждого. Созданная исключительно для проверки базовой концепции, установка, тем не менее, продемонстрировала превосходную аэродинамическую эффективность, достигающую 91%.

Тогда же команда РАЭ представила «каскад», состоящий из нескольких рядов лопаток компрессора, прикрепленных к плоским пластинам. Не будучи уверенным в том, что аэродинамика одной лопатки в аэродинамической трубе будет соответствовать реальным характеристикам многоступенчатого компрессора, каскад позволил протестировать различные компоновки компрессоров, просто перемещая пластины на монтажной пластине внутри аэродинамической трубы. Это также позволяло легко изменять угол атаки путем вращения пластин относительно воздушного потока. По данным НАСА , одна из причин, по которой конструкция двигателей в Великобритании оставалась впереди США в 1950-е годы, заключалась в том, что каскадные испытания и теория широко использовались в Великобритании, но в целом игнорировались в США.

CR.1

В этот период Гриффит был назначен главным научным сотрудником лаборатории Южного Кенсингтона Министерства авиации. Здесь он вернулся к теоретической работе и в ноябре 1929 года опубликовал отчет, в котором излагались конструкция и теоретические характеристики газотурбинного двигателя мощностью 500 л.с., приводящего в движение воздушный винт. Вопреки более раннему отчету Стерна, Гриффит продемонстрировал, что, если существующую конструкцию испытательного стенда можно будет успешно масштабировать, ее характеристики будут намного превосходить существующие поршневые двигатели.

Двигатель, описанный в отчете, был довольно сложным и состоял в основном из четырнадцатиступенчатого газогенератора . В отличие от типичных конструкций, в которых компрессор и турбина разделены и соединены на валу, в конструкции CR.1 использовался ряд дисков, каждый из которых удерживал одну ступень компрессора на внутренней окружности и ступень турбины на внешней. Каждая из них была независимо установлена ​​на невращающемся опорном валу в центре и могла вращаться независимо от других ступеней. Они были расположены так, чтобы вращаться в противоположных направлениях.

Воздух всасывался в задней части двигателя, проходил через ступени компрессора в центре, попадал в новую вращающуюся камеру сгорания, затем менял направление воздушного потока на противоположное, а затем выходил из горелок через ступени турбины снаружи. Для питания воздушного винта использовалась отдельная турбина, а в более поздних конструкциях — многоступенчатый вентилятор.

В апреле 1930 года Гриффит предложил построить испытательную версию своей конструкции, но ARC пришла к выводу, что она слишком далеко превосходит нынешний уровень техники . В 1931 году Гриффит вернулся в РАЭ. В какой-то момент в этот период ему дали Фрэнка Уиттла проект двигателя с использованием центробежных компрессоров , и он получил отрицательный ответ; указав на незначительные ошибки в расчетах, он заявил, что конструкция центробежной машины неэффективна, а большой лобовой размер сделает ее непригодной для использования в самолетах. Он также заявил, что идея Уиттла использовать горячий выхлоп непосредственно для создания тяги была неэффективной и не соответствовала характеристикам существующих двигателей, несмотря на то, что Уиттл сосредоточился на использовании на высоких скоростях, где это было бы более эффективно (пропеллеры страдают от резкого падения эффективности). ниже скорости звука ( М.1 )).

Некоторое время спустя Армстронг Сиддели построил единственный экземпляр этого «противоточного турбокомпрессора», который был довольно компактным. Однако утечка воздуха между зонами компрессора и турбины была серьезной проблемой: до 50% воздуха просачивалось между уплотнениями по сравнению с прогнозируемыми 4%. Другие проблемы включали большую разницу температур вдоль одного ротора из-за того, что турбина и компрессор представляли собой единый блок. Концепция не использовалась для дальнейших разработок.

Энн и Бетти

В 1936 году ARC, теперь находившаяся под руководством Генри Тизарда , вернулась к концепции газотурбинного двигателя после того, как узнала, что Уиттл продолжает работу над своими разработками в своей новой компании Power Jets . Тизард убедил Хейна Константа вернуться в RAE из Имперского колледжа, чтобы помочь в разработке проектов Гриффита. Они приступили к созданию версии внутренней части двигателя Гриффита диаметром 6 дюймов (150 мм), известной как Энн , состоящей из ступицы и восьми ступеней компрессора без внешних частей турбины. При первом запуске из-за неисправного уплотнения масло вытекло из двигателя, а лопатки были сорваны всего через 30 секунд работы. В 1937 году, когда строилась Энн, Гриффит посетил Якоба Акерета из Брауна Бовери , еще одного пионера турбин, и убедился, что конструкция компрессора/статора превосходит его собственную концепцию противоположного вращения «всех компрессоров». После того, как он был поврежден, «Анна» была перестроена по новой компоновке и снова приступила к эксплуатации в октябре 1939 года. Она продолжала использоваться в испытаниях, пока не была уничтожена во время немецкой бомбардировки KG 54 13 августа 1940 года». День Орла ».

В этот момент возникли споры о том, как действовать после Анны. Команда, в которую входили Гриффит, Констант, Тэффи Хауэлл и Д. Картер, изучила ряд подходов к созданию полноценного двигателя, в отличие от Энн, состоящей только из компрессора. Они решили, что единственным разумным решением проблемы низкой эффективности компрессора является использование конструкции, которую сегодня называют «двухзолотниковой», с отдельными компрессорами высокого и низкого давления. Однако команда сочла концентрические валы, необходимые для этой компоновки, слишком сложными (хотя причины этого не ясны), и рассматривалась возможность использования двух совершенно отдельных секций компрессора и турбины «бок о бок». В конце концов они остановились на создании одного из двух двигателей, которые будут использоваться в такой компоновке, чтобы изучить механические проблемы.

В результате конструкция Бетти состояла из девятиступенчатого компрессора. Диаметром 1 + 1 ⁄ 2 фута, прикрепленный через муфту к четырехступенчатой ​​турбине. Значительные усилия по проектированию были затрачены на создание различных устройств для снятия механических напряжений, вызванных тепловым расширением. Например, лопатки компрессора и турбины были прикреплены к большим полым роторам, которые, по их мнению, должны были расширяться и сжиматься больше как внешний корпус двигателя, чем как серия твердых дисков, которые использовались в «Анне». Концы ротора турбины были закрыты двойными конусами, которые обладали достаточной гибкостью, чтобы расширяться вместе с ротором, оставаясь при этом прочно прикрепленными к приводному валу.

Компрессор и турбина были прикреплены друг к другу через другой ротор, что позволяло легко разделить две секции. При прикреплении они располагались «наизнанку», с впускным отверстием компрессора рядом с центром двигателя и выпускным отверстием на одном конце. Здесь он входил в две длинные трубы с камерами сгорания, по которым образовавшийся горячий воздух подавался на входной конец двигателя, где он попадал в турбину. Выход турбины находился рядом с входом компрессора. Наконец, турбина получила водяное охлаждение, поскольку считалось, что даже новейшие жаропрочные сплавы, такие как ERA/ATV Хэдфилда, со временем деформируются при постоянной работе.

Betty, также известная как B.10 , впервые была испытана как отдельные секции компрессора и турбины, использующие пар для их питания. В октябре 1940 года они впервые были запущены как единый двигатель. В ходе испытаний было решено, что водяное охлаждение не требуется, и оно было заменено системой воздушного охлаждения, а турбине разрешили работать докрасна при температуре 675°С. Эксперименты с Бетти убедили команду, что любые трубопроводы между секциями приводят к неприемлемые потери, поэтому концепция «распределенного двигателя», для тестирования которой была создана Бетти, скорее всего, окажется неэффективной. В то же время было решено, что для двигателей ближайшего будущего будет достаточно общего соотношения давлений порядка 5:1, поэтому было решено на время отказаться от двухкатушечного подхода.

Тупик

Во время строительства Констант подготовил новый отчет « Турбина внутреннего сгорания как первичный двигатель самолета» ( RAE Note E.3546). К этому моменту стало доступно несколько жаропрочных сплавов с пределом ползучести до 700 °C, и Констант продемонстрировал, что использование этих материалов в двигателе позволит создать то, что теперь будет называться турбовинтовым двигателем , который превзойдет существующие поршневые двигатели, за исключением очень малых высот. . Кроме того, дальнейшее совершенствование этих металлов позволит улучшить степень сжатия , что приведет к полному превосходству поршневых двигателей во всех отношениях. В отчете также указывалось, что такой двигатель будет значительно менее сложным, чем поршневой двигатель аналогичной мощности, и, следовательно, более надежным.

Основываясь на отчете Бетти и Константа, ARC дала команде добро на создание полноценного турбовинтового двигателя. Новая конструкция D.11 Doris состояла из увеличенной секции 17-ступенчатого компрессора и 8-ступенчатой ​​турбины, подобной Бетти, и механически отдельной 5-ступенчатой ​​турбины низкого давления для привода гребного винта. Строительство Doris, рассчитанного на мощность около 2000 л.с., началось в 1940 году.

К этому моменту конструкции центробежных компрессоров Уиттла были полностью готовы к эксплуатации, и планировалось начать производство первых моделей. Прогресс был настолько быстрым, что аргумент Уиттла о том, что центробежная конструкция механически превосходит осевую, оказался подтвержденным. Усугубляя их проблемы, в июне 1939 года Гриффит покинул команду и начал работать в Rolls-Royce . В компании Rolls он вернулся к своим более ранним «противоточным» конструкциям и в конце концов создал такую ​​конструкцию в 1944 году, но от этой концепции отказались как от слишком сложной.

Таким образом, даже когда «Дорис» строился, успехи Уиттла означали, что она считалась устаревшей, и работы продвигались медленно. Лишь в 1941 году компрессор «Дорис» начал работать, и при испытаниях он продемонстрировал ряд проблем, связанных с высокоскоростным потоком воздуха, которые нельзя было испытать в более ранней системе каскадной аэродинамической трубы. Для проверки этих проблем была построена новая высокоскоростная версия, а позже, в 1941 году, были добавлены новые лопасти, предназначенные для решения этих проблем. Затем от концепции Дорис отказались.

Ф.2

Еще до начала строительства «Дориса» команда RAE уже обратила свое внимание на проблему как можно более быстрой доставки пригодного к использованию «чистореактивного» двигателя. Более ранние конструкции были построены с учетом того, что общий поток воздуха должен быть как можно меньшим и что энергия будет извлекаться через пропеллер. Это не подходило для чистореактивного двигателя, где поток воздуха также обеспечивает тягу. Была разработана новая 9-ступенчатая компрессорная секция, известная как Freda , увеличенная в размерах до чуть более 22 дюймов в диаметре и обеспечивающая поток воздуха 50 фунтов/с и степень сжатия около 4:1.

Freda доказала свою эффективность, и в декабре 1939 года была оснащена турбинной секцией, став первым в Англии самоходным осевым турбореактивным двигателем F.1 , обеспечивающим тягу 2150 фунтов силы. Внимание сразу же переключилось на более крупную конструкцию F.1A с тягой 2690 фунтов силы. Был внесен ряд изменений в деталях, включая удаление водяного охлаждения турбины и различные расширения для увеличения массового расхода с 38 фунтов / с у F.1 до 47,5 фунтов / с, что ближе к оригинальной концепции дизайна Freda.

Когда внимание переключилось на проектирование производства, Констант начал привлекать промышленных партнеров, обладающих производственными мощностями для налаживания серийного производства. В июле 1940 года к ним присоединилась компания Metropolitan-Vickers (Metrowick), поскольку она была крупным производителем паровых турбин и идеально подходила для быстрого расширения масштабов производства. F.1A был передан Metrovick в июле 1940 года, и началось производство F.2 .

Дальнейшая работа

RAE продолжила работу над конструкцией осевого компрессора после успеха F.2. Оригинальный компрессор Freda позже был расширен до Sarah с добавлением еще пяти ступеней низкого давления в рамках сотрудничества с Армстронгом Сиддели и в конечном итоге стал ASX . Они также работали с британской компанией General Electric над серией конструкций осевых компрессоров для других целей, а также были некоторые исследования нагнетателей на основе осевых компрессоров, известных как E.5 . Однако к этому моменту британские промышленные компании взяли на себя большую часть исследований и разработок, и команда RAE больше не была жизненно важна для продолжения разработки. Позже она была объединена с национализированной компанией Power Jets и образовала Национальное предприятие по производству газовых турбин .

Ни один из проектов RAE сам по себе не стал бы успешным. Конструкция F.2 не была запущена в производство, хотя увеличенная версия, получившая название Armstrong Siddeley Sapphire, имела большой успех . Сложные конструкции Гриффита в Rolls никогда не работали должным образом, и от них отказались, но он обратил свое внимание на более простую конструкцию AJ.65 , похожую на F.2 , и выпустил еще более успешный Rolls-Royce Avon , а позже и первый в мире турбовентиляторный двигатель Rolls . -Ройс Конвей .

Библиография

• Кей, Энтони, Турбореактивный двигатель, История и развитие 1930–1960 , Том 1, Великобритания и Германия, стр. 12–20, Crowood Press, 2007. ISBN   978-1-86126-912-6