Разработка турбореактивного двигателя в РАЭ - Turbojet development at the RAE

Между 1936 и 1940 годами Алан Арнольд Гриффит разработал серию турбина двигатели, построенные под руководством Хейн Констан на Royal Aircraft Establishment (РАЭ). Конструкции были усовершенствованы для той эпохи, как правило, с двухзолотной компоновкой с компрессорами высокого и низкого давления, каждый из которых имел больше ступеней, чем типичные двигатели той эпохи. Несмотря на то, что двигатели были продвинутыми, их было также сложно построить, и только гораздо более простая конструкция «Фреда» когда-либо увидела свет, поскольку Метровик Ф.2 а позже Армстронг Сиддели Сапфир. Большая часть новаторских работ позже будет использована в Rolls-Royce дизайны, начиная с очень успешных Роллс-Ройс Эйвон.

Ранняя работа

В 1920 году W.J. Stern из Министерство авиации Лаборатория в Южном Кенсингтоне написала отчет в ответ на Комитет по авиационным исследованиям (ARC) запрос о возможностях разработки газотурбинного двигателя для привода пропеллер. Его отчет был крайне негативным. Учитывая производительность существующих турбокомпрессоров, такой двигатель оказался механически неэффективным. Помимо большого веса и плохого эффективность топлива Стерн скептически относился к наличию материалов, подходящих для использования в высокотемпературных областях турбины.

Гриффит, который в то время был старшим научным сотрудником RAE в Фарнборо, прочитал отчет Стерна и ответил с просьбой, чтобы Национальная физическая лаборатория следует изучить проблему материалов. Тем временем Гриффитс начал изучать вопросы конструкции компрессора. В 1926 г. он опубликовал Аэродинамическая теория конструкции турбины, в котором отмечалось, что в существующих конструкциях компрессоров используются плоские лопасти, которые по существу "летают" остановился "и эффективность можно было бы значительно повысить, изменив их аэродинамически.

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

В то же время команда RAE представила «каскад», состоящий из нескольких рядов лопаток компрессора, прикрепленных к плоским пластинам. Не уверен, что аэродинамика одиночной лопасти в аэродинамическая труба будет соответствовать реальным характеристикам многоступенчатого компрессора, каскад позволял тестировать различные компоновки компрессора, просто перемещая пластины на монтажной пластине внутри аэродинамической трубы. Это также позволило угол атаки легко варьироваться путем вращения пластин по отношению к воздушному потоку. В соответствии с НАСА, одна из причин, по которой британские двигатели оставались впереди США до 1950-х годов, заключалась в том, что каскадные испытания и теория широко использовались в Великобритании, а в США обычно игнорировались.^[1]

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 описывались конструкция и теоретические характеристики турбинного двигателя мощностью 500 л.с., приводящего в движение воздушный винт. Вопреки предыдущему отчету Стерна, Гриффит продемонстрировал, что если существующий проект испытательного стенда можно будет успешно расширить, его характеристики будут намного выше, чем у существующих поршневых двигателей.

Описанный в отчете двигатель был довольно сложным и состоял в основном из четырнадцати ступенчатого газогенератор. В отличие от типичных конструкций, в которых компрессор и турбина разделены и соединены на валу, в конструкции CR.1 имелся ряд дисков, каждый из которых удерживал одну ступень компрессора на внутренней окружности и ступень турбины на внешней стороне. Каждый из них был независимо установлен на невращающийся вал поддержки в центре, и может вращаться независимо от других ступеней. Они были расположены так, чтобы вращаться в противоположных направлениях.

Воздух забирался в задней части двигателя, проходил через ступени компрессора в центре, поступал в новую вращающуюся камеру сгорания, которая также меняла направление воздушного потока, а затем выходил из горелок через ступени турбины снаружи. Отдельная турбина использовалась для привода гребного винта или, в более поздних конструкциях, многоступенчатого вентилятора.

В апреле 1930 года Гриффит предложил создать испытательную версию своей конструкции, но ARC пришел к выводу, что она слишком далеко выходит за рамки нынешних. уровень развития. В 1931 году Гриффит вернулся в РАЭ. В какой-то момент в этот период ему дали Фрэнк Уиттл конструкция двигателя с использованием центробежные компрессоры и вернул отрицательный ответ; указав на незначительные ошибки в расчетах, он заявил, что центробежная конструкция неэффективна, а ее большой лобовой размер делает ее непригодной для использования в самолетах. Он также заявил, что идея Уиттла об использовании горячего выхлопа непосредственно для тяги была неэффективной и не соответствовала характеристикам существующих двигателей, несмотря на то, что Уиттл сосредоточился на использовании высоких скоростей там, где это было бы более эффективно (винты страдают от резкого падения эффективности. ниже скорость звука (M.1 )).

Некоторое время спустя, Армстронг Сиддели построил единственный пример этого «противоточного турбокомпрессора», который был довольно компактным. Однако утечка воздуха между областями компрессора и турбины была серьезной проблемой: до 50% воздуха просачивалось между уплотнениями по сравнению с прогнозируемыми 4%. Другие проблемы включали большие различия в температурах вдоль одного ротора из-за того, что турбина и компрессор были единым блоком. Концепция не использовалась для дальнейших разработок.^[2]

Энн и Бетти

В 1936 году ARC под руководством Генри Тизард, вернулся к концепции газотурбинного двигателя после того, как узнал, что Уиттл продолжает свои разработки в своей новой компании, Power Jets. Тизард убежден Хейн Констан вернуться в РАЭ из Имперский колледж чтобы помочь с разработкой дизайна Гриффита. Они приступили к созданию версии внутренней части двигателя Гриффита диаметром 6 дюймов (150 мм), известной как Энн, состоящий из ступицы и восьми ступеней компрессора без внешних частей турбины. При первом запуске неисправное уплотнение позволило маслу стечь из двигателя, а лопатки были сняты всего через 30 секунд работы. В 1937 году, когда Энн строилась, Гриффит посетил Якоб Акерет из Браун Бовери, еще один пионер турбин, и убедился, что конструкция компрессора / статора превосходит его собственную концепцию «все компрессоры с противовращением». После того, как он был поврежден, Anne был перестроен с использованием новой схемы и снова начал работать в октябре 1939 года. Он продолжал использоваться в испытаниях до тех пор, пока он не был разрушен во время немецкой бомбардировки KG 54 13 августа 1940 года ».День орла ".

В этот момент велись споры о том, как действовать после Энн. Команда, в которую входили Гриффит, Констант, Тэффи Хауэлл и Д. Картер, изучала ряд подходов к созданию полноценного двигателя в отличие от Энн, работающей только с компрессором. Они решили, что единственным разумным решением проблемы низкой эффективности компрессора было использование того, что сегодня называют «двухзолотниковой» конструкцией, с отдельными компрессорами высокого и низкого давления. Однако команда сочла концентрические валы, необходимые для этой компоновки, слишком сложными (хотя причины этого не ясны), и были некоторые соображения об использовании двух полностью отдельных секций компрессора / турбины «бок о бок». В конце концов они остановились на постройке одного из двух двигателей, которые будут использоваться в такой компоновке, чтобы изучить механические проблемы.

Результирующий Бетти конструкция состояла из девятиступенчатого компрессора1 ¹⁄₂ футов диаметром, прикрепленных через муфту к четырехступенчатой ​​турбине. Значительные усилия при проектировании были вложены в различные устройства для снятия механического напряжения из-за теплового расширения. Например, компрессор и лопатки турбины были прикреплены к большим полым роторам, которые, по их мнению, будут расширяться и сжиматься больше как внешний кожух двигателя, чем серия твердых дисков, как в Энн. 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 соединены друг с другом через другой ротор, что позволило легко разделить две секции. В прикрепленном состоянии они располагались «наизнанку», при этом вход компрессора находился в центре двигателя, а выходное отверстие - на одном конце. Здесь он вошел в две длинные трубы с камерами сгорания, направляя образовавшийся горячий воздух к входному концу двигателя, где он входил 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, в конечном итоге деформируются при постоянной работе.

Бетти, также известная как B.10, впервые были испытаны как отдельные компрессорная и турбинная секции, использующие пар для их питания. В октябре 1940 года они впервые были запущены как единый двигатель. Во время испытаний было решено, что водяное охлаждение не требуется, и его заменили системой воздушного охлаждения, а турбине позволили раскалиться докрасна при 675 ° C. Эксперименты с Бетти убедили команду, что любой вид трубопроводов между секциями приводит к неприемлемые потери, поэтому концепция «распределенного двигателя», которую Бетти создавала для тестирования, вероятно, будет неэффективной. При этом было решено, что общие отношения давлений порядка 5: 1 было бы достаточно для краткосрочных двигателей, поэтому было решено пока отказаться от двухшпиндельного подхода.

Тупик

Во время строительства Constant подготовил новый отчет, Турбина внутреннего сгорания как тягач для самолетов, Примечание RAE E.3546. К этому моменту стали доступны несколько жаропрочных сплавов с сила ползучести до 700 ° C, и Констан продемонстрировал, что использование этих материалов в двигателе приведет к тому, что теперь будет называться турбовинтовой это превзойдет существующие поршневые двигатели, за исключением очень малых высот. Кроме того, дальнейшее совершенствование этих металлов позволит улучшить степени сжатия Это привело бы к тому, что он полностью превзошел поршневые двигатели во всех отношениях. В отчете также указывается, что такой двигатель будет значительно менее сложным, чем поршневой двигатель аналогичной мощности, и, следовательно, более надежным.

Основываясь на работе с отчетом Бетти и Константа, ARC дала команде добро на создание полного турбовинтового двигателя. Новый D.11 Дорис Конструкция включала увеличенную 17-ступенчатую компрессорную / 8-ступенчатую секцию турбины в стиле Бетти и механически раздельную 5-ступенчатую турбину низкого давления для привода гребного винта. Строительство Doris, рассчитанное на мощность около 2000 л.с., началось в 1940 году.

К этому моменту центробежные компрессоры Уиттла были полностью готовы к работе, и планировалось начать производство первых моделей. Прогресс был настолько быстрым, что аргумент Уиттла о том, что центробежная конструкция механически превосходит осевые, казалось, подтвердился. Кроме того, в июне 1939 года Гриффит покинул команду и начал работать в Rolls-Royce. В Rolls он вернулся к своим более ранним конструкциям «противотока» и в конечном итоге создал такую ​​конструкцию в 1944 году, но от этой концепции отказались как от слишком сложной.

Таким образом, даже когда Дорис строилась, успехи Уиттла означали, что она считалась устаревшей, и работа продвигалась медленно. Компрессор Doris начал работать только в 1941 году, и во время испытаний он продемонстрировал ряд проблем, связанных с высокоскоростным воздушным потоком, которые не могли быть протестированы в более ранней системе каскадной аэродинамической трубы. Новая высокоскоростная версия была сконструирована для проверки этих проблем, а новые лопасти, предназначенные для решения этих проблем, были добавлены позже в 1941 году. Тогда от концепции Doris отказались.

F.2

Перед началом строительства Дорис команда RAE уже обратила свое внимание на проблему как можно быстрее поставить пригодный для использования «чисто реактивный» двигатель. Более ранние конструкции были построены с предположением, что общий воздушный поток должен быть как можно более низким и что энергия будет отводиться через пропеллер. Это не подходило для чистой струи, где воздушный поток также обеспечивает тягу. Новая 9-ступенчатая компрессорная секция, известная как Фреда был разработан, увеличиваясь в размере до чуть более 22 дюймов в диаметре, обеспечивая поток воздуха 50 фунтов / с и степень сжатия около 4: 1.

Freda оказалась успешной, и в декабре 1939 года была оборудована турбинной частью, которая стала первым самоходным осевым турбореактивным двигателем в Англии. F.1, обеспечивая 2150 фунтов-силы. Внимание сразу обратилось к немного большему дизайну, F.1A 2690 фунтов Был внесен ряд детальных изменений, включая удаление водяного охлаждения для 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 обратилось к производственному дизайну, Constant начал привлекать промышленных партнеров с производственными возможностями для организации серийного производства. В июле 1940 г. Метрополитен-Виккерс (Metrovick) присоединились к усилиям, поскольку они были крупным производителем паровых турбин и идеально подходили для быстрого масштабирования. F.1A был передан Метровику в июле 1940 года, и его производство началось как F.2.

Дальнейшая работа

RAE продолжила работу над конструкцией осевого компрессора после успеха F.2. Оригинальный компрессор Freda позже был расширен до Сара с добавлением еще пяти ступеней низкого давления в рамках сотрудничества с Армстронг Сиддели, и в итоге стал ASX. Они также работали с Британская компания General Electric на серию осевых компрессоров для других целей, и были некоторые исследования осевых компрессоров на основе нагнетатели известный как E.5. К этому моменту, однако, британские промышленные компании взяли на себя большую часть исследований и разработок, и команда RAE больше не была жизненно важной для продолжения разработки. Позже он был объединен в национализированные Power Jets, чтобы сформировать Национальное газотурбинное предприятие.

Ни один из проектов RAE сам по себе не имел успеха. Конструкция F.2 не была запущена в производство, хотя увеличенная версия имела большой успех, поскольку Армстронг Сиддели Сапфир. Сложные конструкции Гриффита в Rolls никогда не работали должным образом, и от них отказались, но он обратил свое внимание на более простые F.2-подобные. AJ.65 спроектировал и произвел еще более успешный Роллс-Ройс Эйвон, а затем и первым в мире турбовентилятор, то Роллс-Ройс Конвей.

Рекомендации

1. Двигатели и инновации: Лаборатория Льюиса и американские двигательные установки, глава 7, ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПРЕССОРОВ
2. Baxter, A.D .; Смит, К. У. Р. (июнь 1942 г.). Contrs = Тесты рядного турбокомпрессора (PDF) (Технический отчет). Министерство снабжения.

Библиография

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