Okolnosti vzniku prvních proudových motorů ve Velké Británii

Autor : 🕔06.04.2018 📕3.387

Hledáme nové kolegy

Server valka.cz neustále hledá nové kolegy, kteří jsou ochotni pomoci s rozvojem a doplňováním obsahu, koordinací a kontrolou práce, moderováním příspěvků a další činností. Neváhejte a zapojte se do tvorby valka.cz v duchu hesla Čtenáři sobě :)

Přidejte se k nám!

Podobné články

Další články autora

Rozpočet tohoto webu pro rok 2018 : 85.000,- Kč / Příjmy doposud : 87.861,- Kč
♡ Chci přispět

Podivuhodný příběh zrodu proudových motorů, jehož hlavní etapa se začala psát ve třicátých letech minulého století, (pomineme-li některé další badatelské práce, uskutečněné např. ve Švédsku nebo Švýcarsku) se v podstatě nezávisle na sobě odehrával na dvou místech naší planety. Tím prvním místem byl výzkum prováděný v Německu, a to zejména u firmy Heinkel, vedený významným průkopníkem tohoto druhu leteckých pohonů Dr. Hansem von Ohainem, který nakonec vyhrál i pomyslný souboj o první vzlet letounu, poháněného výhradně proudovým pohonem.

Za druhého pomyslného otce proudového motoru můžeme považovat především Franka Whittleho, který v Anglii přibližně ve stejné době prostřednictvím svého neúnavného novátorského přístupu položil základ proudových motorů s radiálním kompresorem, které hlavně po druhé světové válce získaly věhlas po celém světě. A právě těmto okolnostem vývoje prvních funkčních anglických proudových motorů, které značně přispěly k dnešní podobě leteckých pohonů, je věnován tento článek.

 

Úvod

Letectví jako nově se rozvíjející obor, v průběhu a samozřejmě války i po I. světové válce nabývalo na svém významu. Pokud se mělo naplnit tušení, že při neustálém zvyšování požadavků na rychlost létajících prostředků, a tím samozřejmě i také na výkon jejich pohonných soustav, v budoucnu narazí jejich konstruktéři na hranici možností vrtulových pohonů s pístovým motorem, tak bylo třeba hledat v této oblasti nové principy, na kterých by bylo možno stavět. V té době již byly známy práce některých badatelů, jako např. francouzů R.Lorina, O. Morize či Mélota, nebo M.Guillaume či angličana H.S Harrise v oblasti reaktivních pohonů, podle jejichž návrhů však z různých důvodů nebylo možné sestrojit funkční proudový motor.

V roce 1918 byla britským Ministerstvem obrany založena později významná Královská letecká společnost (Royal Aircraft Establishment, zkráceně RAE) se sídlem u města Farnborough. Úkolem této organizace měl být výzkum, vývoj a testování letadel i leteckých motorů. V letech budoucích RAE značně přispěla mimo výzkumu turbokompresorů také právě k rozvoji proudových motorů.

V roce 1919 požádal vládní Letecký výzkumný výbor (Aeronautical Research Committee – ARC) Dr. W.J Sterna o zprávu k možnostem použití plynových turbín pro pohon letadel. Tato zpráva však celkově vyzněla negativně, neboť Stern ve svém hodnocení vycházel zejména z podoby tehdejších stacionárních turbosoustrojí, které se pro účely instalace do letadel z důvodu hmotnosti, rozměrů, spotřeby paliva a také absence dostatečně tepelně odolných materiálů samozřejmě nehodily. Proto tehdy chybně usoudil, že použití těchto zařízení v letectví nemá budoucnost. Tato zpráva bohužel měla do budoucna velký vliv na skeptický přístup státních orgánů k tomuto oboru.

 

Průkopnická práce A. A. Griffitha

To další tamní významný vědec Alan Arnold Griffith (13.června 1893 – 13.října 1963) byl jiného názoru. Od roku 1914 se zabýval problematikou aerodynamiky kompresorů a turbín a ve dvacátých u RAE rozvinul teorii, ve které prezentoval lopatky turbosoustrojí jako nosné aerodynamické plochy, které mohou generovat změny rychlosti a tlaku pracovní tekutiny. Výsledkem těchto úvah byla v červenci 1926 zpráva s názvem Aerodynamická teorie konstrukce turbíny, která byla také prezentována u ARC, který souhlasil se státní podporou dalšího výzkumu v této oblasti. Na rozdíl od Whittleho souběžného výzkumu (který je popsaný v druhé části tohoto textu) Griffith i přes nespornou složitost prosazoval axiální uspořádání kompresoru a turbíny.

Obrázek axiální soustavy kompresoru a turbíny, postavené u RAE v roce 1929 dle Griffithova návrhu. Plášť tohoto zařízení, po jehož obou stranách se nacházejí příruby vstupu a výstupu plynů, je v rovině souměrnosti rozšroubovaný, aby byly vidět lopatky rotoru turbosoustrojí, které mají výšku 13mm.

V roce 1929 byl u RAE zkonstruován malý větrný tunel pro testování kaskádovitě uspořádaných lopatek a také malý model axiálního turbosoustrojí s jednostupňovým kompresorem a turbínou s dosaženou velmi dobrou celkovou účinností 91 %. Toto inspirovalo A.A.Griffitha k úsudku, že plynová turbína, pohánějící vrtuli, by mohla být lehčí, menší a účinnější než pístový motor a vzápětí se přesunul do Laboratoře ministerstva letectví v Jižním Kensingtonu, kde navrhnul originální protiběžně rotující vícestupňové turbosoustrojí se spalovací komorou. Toto poměrně složité zařízení však evidentně předběhlo svou dobu a trpělo mnoha problémy, zejména průsaky pracovní látky radiálními mezerami rotujících lopatek.

Patentový obrázek Griffithova dvouproudového motoru s protiběžnými rotory vysokotlakého a nízkotlakého stupně kompresoru a chlazené turbíny, uplatněného až 8.dubna 1941. Legenda: 31-spalovací komora, 27-vysokotlaká turbína, 3-prstencový vstup vzduchu, 24-osmistupňové dmychadlo, 22-nízkotlaká turbína, 12-výstup chladného proudu, 39-sací kanál nízkotlakého kompresoru, 49-startovací motor, 26-vysokotlaký kompresor.

V roce 1931 se Griffith vrátil zpět do RAE ve Farnborough a dále pokračoval ve své práci na osových kompresorech a turbínách. V roce 1932 se do jeho týmu připojila další významná osoba, činná ve výzkumu proudových motorů - Hayne Constant (26.září 1904 – 12.ledna 1968). Tomu se později v roce 1937 podařilo přesvědčit podvýbor ARC pro letecké motory o budoucnosti plynových turbín pro pohon vrtulí svou zprávou s názvem Turbíny s vnitřním spalováním jako hlavní pohon letadel.

Fotografie průkopníků britských axiálních proudových pohonů. Uprostřed je fotografie kompresoru Anne.

 

Další axiální reaktivní konstrukce

V roce 1938 byl dokončen návrh osmistupňového kompresoru (pod označením Anne) s padesátiprocentní reakcí (tzn., že na nárůstu tlaku se podílely stejnou měrou jak lopatky statoru, tak i rotoru, což přinášelo vysokou účinnost stlačování vzduchu) dle poznatků švýcarské firmy Brown Boveri. Pokusy s tímto zařízením probíhalo až do 13.srpna 1940, kdy došlo k jeho zničení v důsledku německého bombardování během letecké bitvy o Británii.

Malý osmistupňový axiální RAE kompresor diskového typu nazývaný Anne. A je počáteční stav konstrukce, B je jeho později testovaná verze.

V tomto období vznikaly v RAE mnohé studie, jako například komplexní proudový motor s vzájemně mechanicky nezávislým vysokotlakým a nízkotlakým kompresorem, z nichž každý byl poháněn svojí vlastní turbínou přes souosé hřídele. Tato idea, která se později uplatnila v mnoha axiálních motorech, byla však tehdy pro svou složitost brzy opuštěna a dále bylo rozhodnuto věnovat se výzkumu dalších typů zařízení, u nichž se ale prozatím neřešila jejich kompaktnost, hmotnost a rozměry.

Dalším aparátem, který se ve Farnborough začal testovat v říjnu 1940, byla sestava těžkého devítistupňového bubnového kompresoru a čtyřstupňové turbíny včetně spalovací komory, pod označením B.10 Betty, jehož uspořádání, obsahující mnoho ohybů proudění pracovní látky, však způsobovalo příliš velké aerodynamické ztráty.

V roce 1940 probíhal také vývoj relativně složitého turbínového motoru D.11 Doris s velkým 17-stupňovým axiálním kompresorem, který hnala osmistupňová turbína, prstencovou spalovací komorou a pětistupňovou nízkotlakou volnou turbínou k pohonu vrtule. V roce 1941 však byla tato konstrukce opuštěna.

Graf z dobového britského časopisu Flight ze dne 20.prosince 1945, zobrazující průběh účinností některých raných axiálních proudových konstrukcí. Vodorovná osa udává tlakový poměr kompresoru, na svislé ose můžeme odečíst procentuální hodnotu maximální celkové adiabatické účinnosti pro daný motor s uvedením roku jeho vzniku a počtem stupňů kompresoru.

V červenci 1940 navázali v RAE spolupráci se strojírenskou firmou Metropolitan-Vickers Electrical z Manchesteru, která disponovala potřebnými kapacitami a možnostmi pro výrobu prototypů. Bylo rozhodnuto prozatím opustit koncept turbovrtulových motorů a soustředit se raději na čistě proudové motory. Výsledkem těchto snah byl návrh devítistupňového osového kompresoru Freda, dosahujícího celkové stlačení vzduchu 4:1. Zde se podařilo zvolit vhodný profil lopatek a díky jejich přesné výrobě i kvalitnímu materiálu bylo dosaženo velmi dobrých výsledků. Rozšířením této konstrukce o pět nízkotlakých kompresorových stupňů byl získán kompresor s názvem Sarah s účinností solidních 83 %, jenž posloužil jako základ pro zajímavý motor s označení ASX, později vyvíjený u společnosti Armstrong-Siddeley (jenž první pozemní běh prodělal v dubnu 1943).

Kompresor Freda byl použitý ve známém proudovém motoru F.2, kterému však předcházely podobné konstrukce s označením F.1 a F.1A, které navrhnul již zmíněný H.Constant. F.1 byl turbojet s kompresorem výše uvedeného uspořádání, s prstencovou spalovací komorou a vodou chlazenou jednostupňovou turbínou, dávající statický tah 9,56 kN při 9450 ot/min. Vylepšený pokusný typ F.1A měl již dvoustupňovou vzduchem chlazenou turbínu se zvýšeným průtokem vzduchu i tahem. Podklady k F.1A pak RAE předala firmě Metropolitan-Vickers, která následně vyvinula první britský axiální proudový motor Metrovick F.2 (vyobrazen v titulu tohoto článku) o tahu 3,7 kN (naměřený při prvních testech), skutečně použitelný k letovým testům, kdy tento byl upevněný v zadní části bombardéru Avro 683 Lancaster (červen 1943). Tato společnost se dále intenzívně zabývala vývojem axiálních proudových (např. F.2/4 Beryl) i turbovrtulových proudových motorů.

Podélný řez proudovým motorem Metrovick F.2/1 z roku 1940. Popis: 1-prstencový vstup vzduchu, 2-přední valivé uložení rotoru, 3-buben, nesoucí devět axiálních stupňů rotorových lopatek kompresoru, 4-plášť statoru kompresoru se statorovými lopatkami, 5-prstencová spalovací komora, 6-přívod paliva k tryskám, 7-disk dvoustupňové axiální turbíny, 8-vstup chladícího vzduchu turbínového disku, 9-výstupní tryska motoru, 10-pomocná zařízení motoru (např. palivové čerpadlo) s převodovkou.

A. A. Griffith v roce 1939 odešel k firmě Rolls-Royce, kde byl činný až do roku 1960 a podílel se tam např. na vývoji známého axiálního turbojetu Rolls-Royce Avon. H.Constant po svém velice plodném působení u Královské letecké společnosti se stal od roku 1948 do roku 1960 ředitelem Národní společnosti pro plynové turbíny (National Gas Turbine Establishment).

 

Sir F. Whittle a jeho první funkční motor

Ještě zásadnější pro vývoj leteckých proudových motorů ve Velké Británii nesporně byla postava sira Franka Whittleho, který jako první na světě provedl úspěšný pozemní test proudového leteckého motoru klasické koncepce. Tento člověk se narodil v Coventry 1.června 1907. V roce 1928 ukončil jako pilotní důstojník školu Royal Air Force v Cranwellu. Roku 1934 pak zakončil technický kurs pro důstojníky a do roku 1936 navštěvoval Univerzitu v Cambridge.

O reaktivních motorech začal Whittle přemýšlet již v roce 1928 ve své semestrální práci, věnované budoucnosti vývoje letounů. Podle svých vlastních slov ho k víře v možnou realizaci tohoto typu motorů přivedly následující úvahy:

- předpoklad, že nízké teploty ve vysokých výškách umožní velký přebytek kladné (expanze plynů) k záporné (komprese vzduchu) práci pracovního cyklu motoru při jeho určité dosažené maximální teplotě,

- jistá část komprese pracovní látky (vzduchu) může být dosažena s vysokou účinností pomocí náporového stlačení (ram efekt) při dopředné rychlosti motoru, čím se zvedá účinnost celého Braytonova pracovního cyklu,

- pouze část expanzního procesu pracovní látky bude v turbíně spotřebována k pohonu spřaženého kompresoru, zbytek expanze bude využit k vytvoření tahu proudového motoru.

Na základě tohoto uvažování zaregistroval 16.ledna 1930 F.Whittle svůj první převratný patent č. 347206 pod názvem Zlepšení pohonu letounů. Jednalo se o kombinovaný, dvoustupňový axiální a jednostupňový radiální kompresor s prstencovou spalovací komorou a dvoustupňovou axiální turbínou. Tato ideu mladý vynálezce předložil i Ministerstvu letectví, ale pro všeobecnou nedůvěru v tento koncept byla stejně jako některými dále oslovenými průmyslovými firmami odmítnuta. Tento patent však Whittle nechal v roce 1935 propadnout, neboť údajně neměl na zaplacení udržovacího poplatku ve výši 5 liber.

Doprovodný obrázek k Whittleho patentu. 1-plášť axiálního kompresoru, 2-vstup vzduchu, 3-rotor kompresoru, 4-oběžné lopatky kompresoru, 5-lopatky statoru, 7-odstředivý kompresor, 8-difuzor kompresoru, 9-koleno sběrače stlačeného vzduchu, 10-prstencová spalovací komora, 11-vstřikovač paliva, 12-sběrač plynů, 13-disk rotoru turbíny, 14-lopatky dvoustupňové turbíny, 15-lopatky statoru, 16-hřídel rotoru, spojující kompresor s turbínou, 17-divergentní prstencová výstupní tryska.

Poněvadž však neztratil víru ve svoji koncepci turbínového motoru, která vynikala svou celkovou jednoduchostí, tak založil v březnu roku 1936 ve spolupráci s bývalými důstojníky RAF R.D.Williamsem a J.C.B.Tinlingem firmu Power Jets Limited., jejímž prvotním cílem bylo zkonstruování funkčního experimentálního proudového motoru podle Whittleho představ. Do tohoto podniku vložila společnost investičních bankéřů O.T.Falk a partneři počáteční sumu 2000 liber na rozjezd činnosti, ovšem za patřičný budoucí podíl na vzniknuvších vynálezech.

Již v červnu 1936 firma Power Jets zadala společnosti British Thomson-Houston Ltd. (zkratka BTH, se sídlem v Rugby) zakázku na některé inženýrské práce a také výrobu prototypu nového motoru. Whittle zvolil z důvodu jednoduchosti a záruky rychle dosažitelných příznivých výsledků radiální konstrukci kompresoru s vědomím, že v první etapě v něm bude obtížné docílit vyšší stlačení nežli 2,5:1. Z časových důvodů bylo rozhodnuto netestovat jednotlivé komponenty plánovaného motoru samostatně, ale jako jeden funkční celek a také bylo (zejména z důvodu předpokládané hmotnosti) upuštěno od představy, že by tento motor mohl být testován za letu.

Jak sám Frank Whittle tušil, největším problémem bylo dosažení uspokojivého hoření paliva ve spalovací komoře, neboť spalovací proces v proudovém motoru vyžadoval daleko větší intenzitu spalování, než bylo obvyklé u jiných průmyslových aplikací. Proto jmenovaný navštívil Britský průmyslový veletrh, kde se však u firem, zabývajících se spalováním uhlovodíkových paliv, nesetkal se svými přísnými požadavky s pochopením. Narazil však na osobu pana Laidlawa z firmy Laidlaw, Drew and Co., který byl ochoten se do řešení nových problémů se spalováním pustit a který po mnoha experimentech získal zakázku na konstrukci a výrobu vhodné spalovací komory.

Díky možnosti postgraduálního studia a pochopení nadřízených mohl talentovaný konstruktér Whittle pokračovat ve své práci na motoru a převážně trávit čas u firmy BTH. Prvotní testování první verze experimentálního motoru (anglické označení Whittle Unit –WU) konečně začalo 12.dubna 1937, což je dnes považováno skutečně za světově první samostatný běh proudového motoru na kapalné palivo (o 5 měsíců později dosáhl podobného úspěchu Hans von Ohain v Německu). Jak se brzy ukázalo, nebyl u této velmi optimistická konstrukce uspokojivě vyřešen problém spalování paliva a také výkon kompresoru zůstal za očekáváním.

 

Charakteristiky tří verzí pokusného motoru WU

Realizovaný první model jednotky WU měl radiální kolo kompresoru z hliníkové slitiny Hiduminium RR 56 o průměr 483 mm s oboustranným lopatkováním (pro dosažení velkého průtoku vzduchu motorem) a s ohledem na výrobní možnosti měl po 30 lopatkách na jeho každé straně. Jednoduchá trubková spalovací komora byla umístěná za pravoúhlým kolenem, kterému přecházel bezlopatkový difuzor kompresoru. Horké plyny spalovacího procesu částečně expandovaly v kontroverzním spirálovitém potrubí, které ústilo do jednostupňové letmo uložené axiální turbíny, jejíž rotor z austenitické oceli Firth-Vickers Stayblade měl 66 oběžných lopatek o středním průměru 356 mm. Zajímavé je, že tato turbína ještě neměla statorové lopatky a byla chlazená vodou.

Řez prvním pokusným motorem WU s průtokem vzduchu asi 12 kg za sekundu. 1-radiální kompresor s oboustranným vstupem, 2-difuzor kompresoru se spirálovitým sběračem stlačeného vzduchu, 3-jednostupňová plynová turbína, 4-pomocná zařízení motoru, 5-výstupní tryska motoru, 6-vstup chladící vody ke chlazení turbíny, 7-výstup chladící vody

Jak už bylo řečeno, tak už první start tohoto experimentálního motoru v dubnu 1937 byl úspěšný v tom směru, že motor běžel svou vlastní silou bez vnější podpory, ale několikrát se stalo, že začal za velkého rámusu nekontrolovatelně zrychlovat až k hranici 9000 otáček za minutu. Toto bylo pokaždé zapříčiněno náhlým otevřením jehlového ventilu hořáku a hromaděním paliva na bázi nafty ve spalovací komoře, což si vyžádalo úpravu palivové soustavy. Tento motor byl namontován spolu se všemi potřebnými pomocnými zařízeními na přívěsném vozidle, aby bylo možno měřit tah motoru pomocí pružiny. Jeho kola však musela být později odstraněny.

Fotografie sestavy jednotky WU. 1-tzv. Honeycomb difuzor, 2-spalovací komora, 3-spirála pro usměrnění toku plynů do osové turbíny, 4-přístrojový panel pro sledování chodu motoru (tlakoměr paliva, teploměr výstupních plynů, otáčkoměr atd.), 5-roura výstupních plynů z turbíny

Kvůli přehřívání spalovací komory musel být zásadně změněn také spalovací systém, jehož nová podoba umožnila dosáhnout až 12 000 ot/min po dobu 4 minut, přičemž však rotor kompresoru poškodil svou skříň a testy musely být přerušeny. Pro vylepšení výkonů kompresoru se ukázala potřebnou instalace difuzorových lopatek na jeho výstupu.

Sám Frank Whittle musel konstatovat, že výsledky testů doposud nebyly zcela uspokojivé, přestože konstrukce sama vykazovala mnoho povzbudivých prvků a vcelku se tento projekt vyvíjel dobře. Bylo rozhodnuto podrobit stávající podobu motoru celkovému přepracování z těchto zásadních důvodů:

- malá účinnost kompresoru,
- neuspokojivé spalování s vysokou tvorbou karbonu spolu s nevhodným umístěním spal.komory a vysokou teplotou spalovací komory,
- nadměrné třecí (tlakové) ztráty ve velice nekonvenčním přiváděcím spirálním potrubí k turbíně.

Zařízení, umístěné ve vnějších prostorách továrny British Thomson-Houston, určené pro testování různých podob trubkových spalovacích komor. 1-výstupní roura produktů spalování z komory, 2-spalovací komora, 3-elektromotorem poháněné čerpadlo paliva, 4-barel s palivem pro spalování

Po této první sérii zkoušek, po které se testování přesunulo z důvodu bezpečnosti do budovy bývalé slévárny Ladywood poblíž města Lutterworthu, se začalo britské Ministerstvo letectví více zajímat o vývojové snahy firmy Power Jets (která již v prosinci 1937 přijala prvního zaměstnance na plný úvazek) a uzavřelo s ní kontrakt na zprávu o dosavadních výsledcích a na provádění dalších testů, ovšem nově za podmínky utajení. V roce 1939 totiž byly uveřejněny některé výkresy Whittleho patentu v německém časopise Flugsport. Po válce se také dále zjistilo, že německá ambasáda v Londýně před vypuknutím války koupila tyto podklady a distribuovala je některým německým výzkumným společnostem. V roce 1936 si Whittle mimochodem nechal patentovat své některé další návrhy, jako byla konstrukce turbovrtulového a dvouproudového motoru a přídavné spalování ke zvýšení tahu proudových pohonů. Stran Power Jets byly zároveň také získány další soukromé peníze, jejich výše však nebyla taková, aby konstruktéři nemuseli opětovně používat některé starší opotřebované komponenty z předchozích pokusů.

16.dubna 1938 byl pro nové testování připraven tzv. druhý model experimentální jednotky WU. Tato kompaktnější jednotka měla upravený kompresor o solidní účinnosti 84% s difuzorovými lopatkami, které směrovaly proud vzduchu do deseti symetricky kolem osy motoru rozmístěných trubek dále k souproudé centrální spalovací komoře s deseti palivovými tryskami v zadní části jednotky. Za jednostupňovou axiální turbínou byl proud spalin otáčen o 180° a ústil deseti tryskami do volného prostředí.

Druhá verze motoru WU v polovičním podélném řezu (šipky vyznačují tok pracovních plynů). 1-otáčkoměr, 2-plechová kolena, vedoucí stlačený vzduch kolem výstupních rour ke spalovací komoře, 3-plynová turbína, 4-plášť, nesoucí trysky výstupních plynů, 5-spalovací komora, 6-deset kusů výstupních trysek, rozmístěných kolem spalovací komory.

Tento model naběhal od 16.dubna 1938 přerušovaně pouze kolem nějakých 5 hodin, než byl 6.května 1938 zničen kvůli poruše turbínových lopatek, které byly během své činnosti kromě mechanického namáhání, vyvolávaném odstředivými silami, ohroženy také rezonančními vibracemi. Ukázalo se i za tuto krátkou dobu, že problémy spalování již byly vcelku uspokojivě zvládnuty, přičemž bylo dosaženo maximálních otáček kolem 13 000 za minutu a bylo údajně dosaženo tahu 2,1 kN.

Následně za asistence F.Whittleho u firmy BTH provedli další celkovou rekonstrukci stávajícího proudového motoru, ze kterého za použití mnoha komponent předchozích modelů vznikl třetí model pokusného motoru WU. Zásadním rysem nového uspořádání bylo rozdělení předchozí jedné spalovací komory do deseti menších, vzájemně propojených trubkových komor s reverzním tokem, ve které byl proud vzduchu pro dosažení zkrácení délky motoru otáčen o 180°, což mimo jiné umožňuje více stabilizovat tok vzduchu do primární zóny spalování a chrání lopatky turbíny před přímým plamenem. Tato spalovací komora byla později vylepšena do podoby komory typu Shell s rozprašovacím hořákem, kterážto byla výsledkem dlouhého a složitého separátního testování, které probíhalo v roce 1940 pod vedením Isaaca Lubbocka, šéfa Shell Petroleum Fulham Laboratory (další výzkumy tohoto typu nadto probíhaly v Británii také v laboratořích firmy Joseph Lucas a Asiati Petroleum) a její zavedení znamenalo velký posun v řešení problémů se spalováním. Dalším výrazným prvkem byl návrat k jedné velké výstupní trysce za turbínou, která byla samozřejmě soustředná s osou hřídele rotoru turbosoustrojí. Pozemní testování motoru bylo zahájeno na 22.října 1938 a to s mnohými přerušeními kvůli poruchám trvalo až do února 1941, kdy byl tento slibný proudový motor, po téměř 170 provozních hodinách od poslední rekonstrukce, neopravitelně zničen v důsledku poruchy turbíny.

Pozemní testovací zařízení třetí verze turbojetu WU (vlevo je startovací spalovací motor, vpravo je vidět těleso kompresoru samotné jednotky WU se skříní pomocných zařízení). Frank Whittle je osoba stojící vlevo.

 

První britský proudový letoun

Až do léta 1939 považovalo britské Ministerstvo letectví vývoj proudových motorů za dlouhodobou záležitost, avšak na základě evidentních úspěchů muselo přijmout skutečnost, že u firmy Power Jets existuje slušný základ pro letuschopnou leteckou pohonnou jednotku nového typu. Proto uzavřela 12.července 1939 s touto společností kontrakt na realizaci turbojetu, koncepčně vycházejícího z předešlých konstrukcí, schopného samostatně pohánět proudový letoun. Aby ministerstvo finančně pomohlo této slibně se rozvíjející firmě (která v lednu 1941 dosáhla počtu 144 zaměstnanců), přistoupilo na koupi onoho funkčního prototypu WU a jeho opětovnému pronájmu firmě Power Jets pro pokračování dalších pokusů. Následně dne 30.srpna 1939 podepsali zástupci zmíněného ministerstva smlouvu se známou leteckou firmou Gloster Aircraft na konstrukci a výrobu draku pokusného proudového letounu.

Křivky tahu, specifické spotřeby paliva a výstupní teploty plynů motoru W.1. Na svislé ose můžeme odečíst tyto příslušné hodnoty v závislosti na určitých otáčkách motoru (vodorovná osa). Čerchované čáry jsou parametry, předpokládané v období návrhu, plné čáry jsou skutečně naměřené hodnoty z testů.

Power Jets, jejíž hlavní postavou byl stále Frank Whittle, pověřila společnost British Thomson-Houston subdodávkou výkresů některých částí plánovaného nového motoru (označeného jako W.1) a také jeho výrobou. Oproti experimentálnímu motoru WU tato jednotka doznala zásadnějších změn na turbíně, kdy počet jejích oběžných lopatek (tentokráte z odolnějšího materiálu Rex 78 od firmy Firth-Vickers), byl při jejich stejné výšce (61 mm) zvýšen na počet 72 kusů, přičemž max. otáčky rotoru zůstaly zachovány na hodnotě 17 750 za minutu. Je zde třeba zdůraznit, že velmi důležitý vývoj nových žárupevných a žáruvzdorných materiálů a technologií pro jejich zpracování, byl pro teplotně namáhané komponenty zásadní, neboť teplota před turbínou je spolu se stupněm stlačení vzduchu kompresorem nejzásadnějším faktorem pro dosažení co nejvyššího výkonu motoru.

Rotor motoru W.1. Vlevo je oboustranný odstředivý kompresor s lopatkami, opatřenými záběrníkem a vpravo je disk turbíny s oběžnými lopatkami.

V průběhu výroby pohonné jednotky W.1 byly některé její hlavní komponenty shledány nezpůsobilými k letu a přepracovány do podoby, která nesla označení W.1X a tato byla následně podrobena několika testům.

Muzejní exponát W.1X. 1-olejová nádrž mazací soustavy motoru, 2-jedna z deseti protiproudých trubkových spalovacích komor, 3-oblast umístění palivové trysky v komoče, 4-palivové rozdělovací potrubí, 5-konvergentní výstupní tryska, 6-potrubí, vzájemně propojující spalovací komory

Mezitím byly po 15.měsících vývoje dokončeny dva prototypy experimentálního proudového letounu, nazývaného Gloster E.28/39, pod vedením šéfkonstruktéra George Cartera, který samozřejmě v otázkách instalace motoru úzce spolupracoval s F.Whittleem. Jednalo se o jednomístný dolnoplošník s příďovým podvozkem, jehož pohonná jednotka W.1X o relativně nízkém tahu 3,69 kN  a stále poměrně vysoké spotřebě paliva, byla instalována v trupu za pilotní kabinou se vstupem vzduchu v přední části letounu. Přívodní kanál se po bocích pilotní kabiny rozdvojoval, aby se poté spojil do jednoho proudu a ústil do vstupního ústrojí pohonu. Tryska výstupních plynů ústila v protáhlém konci trupu za ocasními plochami.

Dochovaný experimentální letoun Gloster E28/39 Squirt. Dva výměníky pro vodní chlazení turbíny prvního motoru W.1 byly umístěny po stranách kabiny uvnitř kanálů přívodu vzduchu k sání motoru.

Verze motoru W.1X, jež byla instalována do prvního prototypu č. W4041/G pro účely pojížděcích zkoušek (které započaly 7.dubna 1941), však zůstala daleko za očekáváním, a tak bylo rozhodnuto, upravit původní W.1 (v dnešní době vystavený ve vědeckém muzeu v Jižním Kensingtonu) na verzi W.1A (testovaný od ledna 1941, nově již se vzduchovým chlazením turbíny), pro novou instalaci do prototypu E.28/39. Poté dne 15.května 1941 (rok a téměř devět měsíců po obdobném německém počinu s proudovým letounem Heinkel He 178 a zároveň devět měsíců po vzletu nepříliš úspěšného italského termojetu Caproni-Campini C.C.2) vzlétl tento první britský výhradně proudový letoun na letišti Cranwellu ke svému prvnímu historickému sedmnáctiminutového letu, pod vedením továrního testovacího pilota Gerryho Sayera. Tento letoun, dosáhl pak ve výšce 3000 metrů max. rychlosti 750 km/h a během dalších dvou týdnů vykonal 17 letů v celkovém trvání 10 hodin a 28 minut. Jeho motor o hmotnosti 283 kg, který měl na kontě 40 motohodin, byl poté rozebrán a bylo konstatováno, že je ve výborném stavu. Později byly v obou prototypech E.28/39 testovány další výkonnější verze Whittleho motorů a 19.dubna roku 1943 byl dokonce předveden ministerskému předsedovi W. Churchillovi.

Na základě tohoto velkého úspěch i pod vlivem probíhající II.světové války (a také v reakci na kusé zprávy o německém pokroku v reaktivní technice) chtělo Ministerstvo letectví (později Ministerstvo letecké výroby) co nejdříve zkonstruovat proudovou stíhačku, kterou by bylo  možno ve válce operačně nasadit. Proto tato instituce provedla následující kroky:

- Power Jets byla pověřena návrhem vyspělejšího motoru (označen zkratkou W.2),
- firma Gloster Aircraft dostala pokyn zkonstruovat dvoumotorový proudový stíhací letoun (ozn. F9/40, z kterého později vzešel sériově vyráběný Meteor),
- došlo k uzavření přímé smlouvy se společností BTH a některými dalšími firmami na vývoj a výrobu různých typů proudových motorů,
- bylo rozhodnuto o přeměně společnosti Power Jets na výzkumnou a vývojovou organizaci, která bude poskytovat pomoc ostatním firmám při vývoji proudových motorů.

 

Další vývoj proudových motorů Whittle

Výkresy nového motoru W.2, jenž byl u Power Jets částečně konstruován již před úspěchem motoru W.1, byly pokynem ministerstva předány smluvní společnosti Rover z města Coventry, která pak vypomáhala s výrobou prototypu a provedla také několik vylepšení pod typovým označením B26, nezávisle na Whittleho mínění, který měl s touto firmou mnoho neshod. Dále byla firma BTH téměř paralelně pověřena zhotovením IV verze tohoto proudového motoru. Kvůli určitým sporům v konstrukčních záležitostech vé-dvojky byla po Whittleově celkové analýze konstrukce navržena upravená verze pod označením W.2B o plánovaném tahu kolem 4,5 kN, jehož prototypy byly vyrobeny právě u Roveru, který oproti původní představě, že bude tyto motory sériově vyrábět, později obor proudových motorů z technických i politických důvodů opustil.

Motor W2.B s vylepšeným materiálem turbínových lopatek, které byly nově vyrobeny z žáruvzdorného materiálu Nimonic 80 s teplotní odolností do 800°C, vyvinutého firmou Mond Nickel, jenž obsahoval vysoký podíl niklu a měl dobrou odolnost proti tečení za vysokých teplot. Na obou stranách vstupu vzduchu k oběžnému kolu kompresoru jsou patrné vodící lopatky pro usměrnění proudu nasávaného vzduchu.

V oblasti proudových motorů se mimo společnosti Power Jets, která u svého nově zkonstruovaného vylepšeného motoru W.2/500 (po 6 měsících od začátku jeho vývoje) dosáhla 13.září 1942 tahu 8 kN při teplotě 606°C za turbínou, začal silně angažovat známý anglický výrobce pístových leteckých motorů Rolls-Royce. Po dvou předchozích jednáních mezi Whittleem a důležitou postavou RR, panem Ernestem W. Hivesem byly továrně ve městě Derby (region East Midlands) jako silné společnosti s vysokým vývojovým potenciálem začátkem roku 1943 předány podklady k motoru W.2B. Tento motor, který v květnu téhož roku u RR prodělal úspěšný 100 hodinový test, byl následně rozvinut pod vedením tamního šéfkonstruktéra Stanleyho Hookera do podoby jednoho z prvních zástupců turbínových motorů třídy River, a to konstrukce W.2B/23 pod názvem RR Welland, který se stal první pohonnou jednotkou v řadě pro již uvedenou legendární první britskou stíhačku Gloster Meteor (poprvé odstartovala 5 března 1943), která však do konce války byla operačně nasazena pouze převážně území VB. Následující motor Rolls-Royce Derwent (který už dostal malý radiální ventilátor k dodávce chladícího vzduchu) a také jeho výkonnější bratr Nene (1944) již razily cestu modernější souproudé podoby spalovací komory, kterou začala prosazovat již společnost Rover a jež byla po všech stránkách výhodnější.

Mechanici při práci na levémkřídelním  proudovém motoru Rolls-Royce stíhacího letounu Gloster Meteor.

V neposlední řadě je třeba vedle společnosti Bristol Engine zmínit zejména i úspěchy další významné letecké továrny de Havilland, která se vedle výroby letounů pustila i do vlastního vývoje proudových motorů na bázi Whittleho koncepce, jako byl v první fázi de Havilland Goblin (typický svým radiálním kompresorem s jednostranným vstupem vzduchu) konstruktéra Franka Halforda, určený především pro moderní jednomotorový  stíhací letoun DH.100 Vampire (první vzlet 20.září 1943). Ale tyto konstrukce jsou už součástí další slavné kapitoly britského letectví.

 

Závěr

Studií parametrů jednotlivých motorů odstředivé koncepce můžeme vysledovat, že od typu W.1 se během čtyř let obtížného vývoje podařilo při zachování rozměrů těchto proudových pohonů ztrojnásobit jejich tah a snížit měrnou spotřebu paliva.

Koncepce výše zmíněných radiálních proudových motorů se zejména v poválečném období velmi rozšířila v podobě různých licencí do mnoha zemí světa. V rámci spojenecké výpomoci byla na podzim roku 1941 uzavřena úmluva mezi vládami Velké Británie a Spojených států, kde byl tehdy vývoj proudových motorů poněkud opožděn, na jejímž základě byl společnosti General Electric se sídlem v Lynn předán jeden prototyp W.1X a kompletní sada výkresů motoru W.2B. Do USA přijelo i několik britských inženýrů hlavně od firmy Power Jets (3-14.června 1942 navštívil firmu GE sám Whittle), kteří napomohli velmi razantnímu rozjezdu dalšího vývoje a výroby motorů podle této zavedené a osvědčené ostrovní koncepce. Výsledkem tamních snah o proudový letoun byl experimentální letoun Bell XP-59 Airacomet, jehož první let byl realizován 1.října 1942.

Pokusný americký dvoumotorový letoun Bell XP-59, který dosáhl maximální rychlosti 663 km/h, poháněný motory GE-J31, uloženými po stranách trupu, každý o tahu 8,9 kN (v popředí).

Dalším státem, který velmi těžil z průkopnické práce britských inženýrů, byl Sovětský svaz. V rámci válečného spojenectví se do této země dostalo několik kusů proudových motorů Rolls-Royce, které byly po počátečních pokusech s využitím kořistních německých axiálních motorů posléze okopírovány do podoby motorů RD-500 a RD-45 a následně jejich vylepšená verze Klimov VK-1 se velmi osvědčila v moderním sovětském stíhacím letounu MiG-15.

Sám Frank Whittle, neustále svádějící boj o prosazení proudových pohonů, měl vlekoucí se problémy se zdravím. Jeho posledním a nejvýkonnějším motorem, o jehož vývoj se osobně velkou měrou zasadil, byl motor W.2/700 (v letounu Gloster Meteor poprvé vzlétl 19.října 1944), produkující tah 11,3 kN, avšak společnost Power Jets byla v roce 1944 znárodněna a jejím ředitelem se stal letecký inžený Roxbee Cox (vedoucí Ústavu pro výzkum plynových turbín ve Whetstone u města Leicester) a F.Whittle byl ustanoven hlavním technickým poradcem. Výzkumný a vývojový potenciál této společnosti, využívaný nyní již spíše ve všeobecném zájmu, bohužel začal upadat a od konce roku 1944 začala Power Jets ztrácet své zaměstnance, až se tato v roce 1946 zcela rozpadla. Po válce sám Whittle v roce 1948 odešel ze služeb RAF. Dále pracoval v oblasti plynových turbín, kde měl na svém kontě mnoho dalších patentů. V roce 1976 odešel do Spojených států, kde přijal pozici profesora v Námořní akademii USA. Dne 9.srpna 1996 ve věku 89 let tento geniální člověk 20.století a držitel mnoha ocenění za svůj obrovský přínos letectví v Marylandu zemřel.

Proudový motor W2/700, nesoucí zřetelné stopy Whittleho konstruktérského rukopisu. V levé části u tělesa kompresoru můžeme vidět dva pásy ocelového pletiva na vstupu vzduchu, chránící motor před nasátím nežádoucích předmětů.

Toto pojednání o vynikajících výsledcích houževnatého tvůrčího ducha mnoha výjimečných lidí, pracujících na vývoji leteckých proudových pohonů v Britském království, nemohlo obsáhnout všechny známé okolnosti, neboť tento článek je svým rozsahem omezen. Je jasné, že zavedení proudových letounů na straně spojenecké V.Británie již nijak zásadně k vítězství spojenců nepřispělo. To kontrastuje se situací nacistického Německa, kde velmi intenzivní činnost taktéž neobyčejně vynalézavých lidských mozků v oblasti reaktivních pohonů bohužel posloužila na špatné straně tohoto ničivého konfliktu k prodlužování válečného utrpení. Přesto snad pomohla tato stať alespoň částečně osvětlit složitou cestu britské konstrukční školy, která vedla k dnešní podobě dosti dokonalých proudových motorů tak, jak je můžeme dnes vidět na většině létajících prostředků.

 

Použitá literatura

Turbojet history and development 1930-1960, Volume 1, Anthony L. Kay, GB, 2007
„River class“ Evolution, časopis Flight, GB, 1946
The historical evolution of turbomachinery, Cyrus B.Meher-Homji, USA, 2000
Jet propulsion for aircraft, G.Geoffrey Smith, časopis Flight, GB, 1941
Gas turbines and jet propusion aircraft, G.Geoffrey Smith, USA, 1946
Metro-Vick gas turbine, časopis Flight, GB, 1946
The Whittle Jet Propulsion Gas Turbine, F.Whittle, časopis The Engineer, GB, 1945
British aircraft gas turbine, Roxbee Cox, časopis Flight, GB, 1945
Svět křídel, II díl, P.Beneš, CZ, 1949
https://www.midlandairmuseum.co.uk/jet.php
https://www2.eng.cam.ac.uk/~bcb/whittle/whitt-r.htm
https://www.frankwhittle.co.uk
Autor : 🕔06.04.2018 📕3.387

Komentáře Disqus

Komentáře Facebook

Sociální sítě

Reklama

Poslední komentáře