Turbojet-Entwicklung bei der RAE - Turbojet development at the RAE
Zwischen 1936 und 1940 entwarf Alan Arnold Griffith eine Reihe von Turbinentriebwerken , die unter der Leitung von Hayne Constant im Royal Aircraft Establishment (RAE) gebaut wurden. Die Entwürfe wurden für die Ära weiterentwickelt und enthielten typischerweise ein "Zwei-Spulen" -Layout mit Hoch- und Niederdruckkompressoren, die einzeln mehr Stufen hatten als typische Motoren der Ära. Obwohl fortschrittlich, waren die Motoren auch schwer zu bauen, und nur das viel einfachere "Freda" -Design würde jemals produziert werden, wie der Metrovick F.2 und später der Armstrong Siddeley Sapphire . Ein Großteil der Pionierarbeit wurde später in Rolls-Royce- Designs verwendet, beginnend mit dem äußerst erfolgreichen Rolls-Royce Avon .
Frühe Arbeit
1920 verfasste WJ Stern vom Labor des Luftfahrtministeriums in South Kensington einen Bericht als Antwort auf eine Anfrage des Aeronautical Research Committee (ARC) über die Möglichkeiten der Entwicklung eines Gasturbinentriebwerks zum Antrieb eines Propellers . Sein Bericht war äußerst negativ. Angesichts der Leistung bestehender Turbokompressoren schien ein solcher Motor mechanisch ineffizient zu sein. Neben dem hohen Gewicht und der schlechten Kraftstoffeffizienz war Stern skeptisch, dass Materialien verfügbar waren, die für den Einsatz in den Bereichen mit hoher Hitze der Turbine geeignet wären.
Griffith, der zu diesem Zeitpunkt der leitende wissenschaftliche Mitarbeiter der RAE in Farnborough war, las Sterns Bericht und antwortete mit der Bitte, dass das National Physical Laboratory das Materialproblem untersuchen sollte. Griffiths begann unterdessen, die Probleme mit dem Kompressordesign zu untersuchen. 1926 veröffentlichte er eine aerodynamische Theorie des Turbinendesigns , in der festgestellt wurde, dass bei bestehenden Kompressorkonstruktionen flache Schaufeln verwendet wurden, die im Wesentlichen "fliegend blockiert " waren, und dass die Effizienz durch aerodynamische Formgebung dramatisch verbessert werden konnte .
Im Oktober präsentierte Griffith das Papier einer kleinen Gruppe des Luftfahrtministeriums und der RAE. Sie unterstützten einstimmig den Start eines Entwicklungsprojekts zur Untersuchung der Kompressorkonstruktionen von Griffiths. Die ersten Arbeiten begannen 1927, und bis 1929 war dieses Projekt so weit fortgeschritten, dass ein extrem einfacher "Motor" mit 4 Zoll Durchmesser (100 mm) gebaut wurde, der aus einem einstufigen Kompressor und einer Turbine mit einer einzelnen Reihe von Statoren vor ihm bestand von jedem. Das Rig wurde ausschließlich zum Testen des Grundkonzepts entwickelt und zeigte dennoch hervorragende aerodynamische Wirkungsgrade von bis zu 91%.
Gleichzeitig führte das RAE-Team die "Kaskade" ein, die aus mehreren Reihen von Kompressorschaufeln besteht, die an flachen Platten befestigt sind. Da die Kaskade nicht davon überzeugt war, dass die Aerodynamik eines einzelnen Flügels in einem Windkanal der tatsächlichen Leistung eines mehrstufigen Kompressors entsprechen würde, konnten verschiedene Kompressorlayouts getestet werden, indem die Platten einfach auf einer Montageplatte im Windkanal bewegt wurden. Dadurch konnte auch der Anstellwinkel leicht durch Drehen der Platten in Bezug auf den Luftstrom variiert werden. Laut NASA war einer der Gründe, warum das britische Motorkonzept bis in die 1950er Jahre vor den USA blieb, dass die Kaskadentests und -theorien in Großbritannien weit verbreitet waren, während sie in den USA im Allgemeinen ignoriert wurden.
CR.1
Während dieser Zeit wurde Griffith zum wissenschaftlichen Hauptbeauftragten des South Kensington Laboratory des Luftfahrtministeriums befördert. Hier kehrte er zur theoretischen Arbeit zurück und veröffentlichte im November 1929 einen Bericht, in dem das Design und die theoretische Leistung eines 500-PS-Turbinentriebwerks, das einen Propeller antreibt, beschrieben wurden. Im Gegensatz zu Sterns früherem Bericht zeigte Griffith, dass das vorhandene Testbed-Design, wenn es erfolgreich skaliert werden könnte, eine Leistung aufweisen würde, die den vorhandenen Kolbenmotoren weit überlegen wäre.
Der im Bericht beschriebene Motor war recht komplex und bestand hauptsächlich aus einem vierzehnstufigen Gasgenerator . Im Gegensatz zu typischen Konstruktionen, bei denen Kompressor und Turbine getrennt und auf einer Welle verbunden sind, gab es bei der CR.1-Konstruktion eine Reihe von Scheiben, die jeweils eine einzelne Kompressorstufe am Innenumfang und eine Turbinenstufe am Außenumfang enthielten. Jeder war unabhängig an einer nicht rotierenden Stützwelle in der Mitte montiert und konnte sich unabhängig von den anderen Stufen drehen. Sie waren so angeordnet, dass sie sich in entgegengesetzte Richtungen drehten.
Luft wurde am Heck des Motors angesaugt, durch die Kompressorstufen in der Mitte geleitet, trat in eine neuartige rotierende Brennkammer ein, kehrte auch die Richtung des Luftstroms um und trat dann über die Turbinenstufen außen aus den Brennern aus. Eine separate Turbine wurde verwendet, um den Propeller oder in späteren Konstruktionen einen mehrstufigen Lüfter anzutreiben.
Im April 1930 schlug Griffith vor, eine Testbed-Version seines Entwurfs zu bauen, doch der ARC kam zu dem Schluss, dass dieser einfach zu weit über den aktuellen Stand der Technik hinausging . 1931 kehrte Griffith zur RAE zurück. Irgendwann in dieser Zeit erhielt er Frank Whittles Motorkonstruktion unter Verwendung von Radialkompressoren und gab eine negative Antwort zurück; Nachdem er auf geringfügige Fehler in den Berechnungen hingewiesen hatte, stellte er fest, dass das Zentrifugaldesign ineffizient war und aufgrund seiner großen Frontgröße für den Einsatz in Flugzeugen ungeeignet wäre. Er erklärte auch, dass Whittles Idee, den heißen Auspuff direkt für den Schub zu verwenden, ineffizient sei und nicht mit der Leistung bestehender Motoren übereinstimmen würde, obwohl Whittle sich auf den Hochgeschwindigkeitseinsatz konzentriert, wo er effektiver wäre (Propeller leiden unter einem dramatischen Wirkungsgradabfall unterhalb der Schallgeschwindigkeit ( M.1 )).
Einige Zeit später baute Armstrong Siddeley ein einziges Beispiel für diesen "Gegenstrom-Turbokompressor", der recht kompakt war. Luftaustritt zwischen dem Kompressor und den Turbinenbereichen war jedoch ein erhebliches Problem, da bis zu 50% der Luft zwischen den Dichtungen austraten, verglichen mit vorhergesagten 4%. Weitere Probleme waren die großen Temperaturunterschiede entlang eines einzelnen Rotors, da Turbine und Kompressor eine Einheit bilden. Das Konzept wurde nicht für Weiterentwicklungen verwendet.
Anne und Betty
1936 kehrte ARC, jetzt unter der Leitung von Henry Tizard , zum Turbinentriebwerkskonzept zurück, nachdem er erfahren hatte, dass Whittle seine Entwürfe in seiner neuen Firma Power Jets vorantrieb . Tizard überzeugte Hayne Constant , vom Imperial College zur RAE zurückzukehren , um bei der Entwicklung von Griffiths Entwürfen zu helfen. Sie begannen mit dem Bau einer 150 mm-Version des inneren Teils des Griffith-Motors, bekannt als Anne , bestehend aus der Nabe und acht Kompressorstufen ohne die äußeren Turbinenabschnitte. Bei seinem ersten Lauf ließ eine fehlerhafte Dichtung das Öl aus dem Motor ablaufen, und die Schaufel wurde nach nur 30 Sekunden Betrieb entfernt. Während Anne gebaut wurde, besuchte Griffith 1937 Jakob Ackeret von Brown Boveri , einem anderen Turbinenpionier, und war überzeugt, dass das Kompressor / Stator-Design seinem eigenen gegenläufigen "All Compressor" -Konzept überlegen war. Nachdem es beschädigt worden war, wurde Anne unter Verwendung des neuen Layouts wieder aufgebaut und im Oktober 1939 wieder in Betrieb genommen. Es wurde weiterhin in Tests verwendet, bis es bei einem deutschen Bombenangriff der KG 54 am 13. August 1940, " Eagle Day ", zerstört wurde.
Zu diesem Zeitpunkt gab es einige Debatten darüber, wie nach Anne vorgegangen werden sollte. Das Team, zu dem Griffith, Constant, Taffy Howell und D. Carter gehörten, untersuchte eine Reihe von Ansätzen zum Bau eines kompletten Motors im Gegensatz zur Nur-Kompressor-Anne. Sie entschieden, dass die einzig vernünftige Lösung für einen niedrigen Kompressorwirkungsgrad darin bestand, ein sogenanntes "Zwei-Spulen" -Design mit getrennten Hoch- und Niederdruckkompressoren zu verwenden. Das Team hielt die für diese Anordnung erforderlichen konzentrischen Wellen jedoch für zu komplex (obwohl die Gründe dafür nicht klar sind), und es wurde erwogen, zwei vollständig getrennte Kompressor- / Turbinenabschnitte "nebeneinander" zu verwenden. Schließlich beschlossen sie, einen der beiden Motoren zu bauen, die in einem solchen Layout verwendet werden würden, um die mechanischen Probleme zu untersuchen.
Die sich ergebende Betty Design bestand aus einem neunstufigen Verdichter 1 1 / 2 Fuß im Durchmesser über eine Kupplung an einer vierstufigen Turbine. In verschiedene Geräte wurde ein erheblicher Konstruktionsaufwand investiert, um mechanische Spannungen aufgrund der Wärmeausdehnung abzubauen. Zum Beispiel wurden die Verdichter- und Turbinenschaufeln an großen Hohlrotoren befestigt, von denen sie glaubten, dass sie sich eher wie das äußere Motorgehäuse ausdehnen und zusammenziehen würden als eine Reihe von Vollscheiben, wie sie in Anne verwendet wurden. Die Enden des Turbinenrotors wurden mit Doppelkegeln verschlossen, die genügend Flexibilität hatten, um sich mit dem Rotor auszudehnen, während sie fest an der Antriebswelle befestigt blieben.
Der Kompressor und die Turbine waren durch einen anderen Rotor miteinander verbunden, so dass die beiden Abschnitte leicht getrennt werden konnten. Wenn sie angebracht waren, waren sie "von innen nach außen" angeordnet, wobei sich der Kompressoreinlass nahe der Mitte des Motors und sein Auslass an einem Ende befand. Hier trat es in zwei lange Rohre mit den Brennkammern ein und leitete die entstehende heiße Luft zum Eingangsende des Motors, wo es in die Turbine eintrat. Der Turbinenauslass befand sich neben dem Kompressoreinlass. Schließlich wurde die Turbine wassergekühlt, da angenommen wurde, dass sich selbst die neuesten Hochtemperaturlegierungen wie Hadfields ERA / ATV im Dauerbetrieb verformen würden.
Betty, auch bekannt als B.10 , wurde zuerst als separate Kompressor- und Turbinenabschnitte mit Dampf getestet. Im Oktober 1940 wurden sie erstmals als ein einziger kompletter Motor betrieben. Während des Tests wurde entschieden, dass die Wasserkühlung nicht benötigt wurde und durch ein Luftkühlsystem ersetzt wurde und die Turbine bei 675 ° C glühend heiß laufen durfte. Experimente mit Betty überzeugten das Team, dass jede Art von Rohrleitung zwischen Abschnitten dazu führte Inakzeptable Verluste, daher wäre das Konzept "Distributed Engine", das Betty zum Testen entwickelt hat, wahrscheinlich ineffizient. Gleichzeitig wurde entschieden, dass Gesamtdruckverhältnisse in der Größenordnung von 5: 1 für Kurzzeitmotoren ausreichen würden, weshalb beschlossen wurde, den Zwei-Spulen-Ansatz vorerst aufzugeben.
Eine Sackgasse
Während des Baus erstellte Constant einen neuen Bericht, Die Verbrennungsturbine als Antriebsmaschine für Flugzeuge , RAE Note E.3546. Zu diesem Zeitpunkt waren mehrere Hochtemperaturlegierungen mit einer Kriechfestigkeit von bis zu 700 ° C verfügbar , und Constant zeigte, dass die Verwendung dieser Materialien in einem Motor einen sogenannten Turboprop erzeugen würde, der vorhandene Kolbenmotoren außer in sehr geringen Höhen übertreffen würde . Darüber hinaus würden fortgesetzte Verbesserungen dieser Metalle Verbesserungen der Verdichtungsverhältnisse ermöglichen , die dazu führen würden, dass sie Kolbenmotoren in jeder Hinsicht völlig überlegen sind. In dem Bericht wurde auch darauf hingewiesen, dass ein solcher Motor erheblich weniger komplex als ein Kolbenmotor mit ähnlicher Leistung und daher zuverlässiger wäre.
Basierend auf der Arbeit mit dem Bericht von Betty und Constant gab ARC dem Team die Erlaubnis, einen kompletten Turboprop-Motor zu bauen. Das neue D.11 Doris- Design bestand aus einem vergrößerten Betty-ähnlichen 17-stufigen Kompressor / 8-stufigen Turbinenabschnitt und einer mechanisch getrennten 5-stufigen Niederdruckturbine zum Antrieb des Propellers. Der Bau von Doris mit einer Leistung von rund 2.000 PS begann 1940.
Zu diesem Zeitpunkt waren die Konstruktionen des Radialkompressors von Whittle voll funktionsfähig, und es war geplant, mit der Produktion früher Modelle zu beginnen. Der Fortschritt war so schnell gewesen, dass Whittles Argument, dass die Zentrifugalanordnung mechanisch überlegen war als die axialen Konstruktionen, bestätigt zu werden schien. Im Juni 1939 verließ Griffith das Team und begann seine Arbeit bei Rolls-Royce . Bei Rolls kehrte er zu seinen früheren "Contraflow" -Designs zurück und produzierte schließlich 1944 ein solches Design, aber das Konzept wurde als zu komplex aufgegeben.
Selbst während Doris gebaut wurde, bedeuteten die Erfolge von Whittle, dass es als veraltet galt, und die Arbeit ging langsam voran. Erst 1941 lief der Doris-Kompressor an und zeigte beim Testen eine Reihe von Problemen im Zusammenhang mit dem Hochgeschwindigkeitsluftstrom, die im früheren Kaskadenwindkanalsystem nicht getestet werden konnten. Eine neue Hochgeschwindigkeitsversion wurde konstruiert, um diese Probleme zu testen, und neue Klingen zur Behebung der Probleme wurden später im Jahr 1941 hinzugefügt. Das Doris-Konzept wurde dann aufgegeben.
Die F.2
Vor Baubeginn für Doris hatte sich das RAE-Team bereits dem Problem zugewandt, so schnell wie möglich ein brauchbares "Pure-Jet" -Triebwerk zu liefern. Die früheren Konstruktionen wurden unter der Annahme gebaut, dass der Gesamtluftstrom so gering wie möglich gehalten werden sollte und dass die Energie durch einen Propeller entnommen würde. Dies war für einen Reinstrahl nicht geeignet, bei dem auch der Luftstrom den Schub liefert. Ein neuer 9-stufiger Kompressorabschnitt namens Freda wurde entworfen, der auf etwas mehr als 22 Zoll Durchmesser vergrößert wurde und einen Luftstrom von 50 lb / s und ein Kompressionsverhältnis von etwa 4: 1 bietet.
Freda erwies sich als erfolgreich und wurde im Dezember 1939 mit einem Turbinenabschnitt ausgestattet, der als erster selbstlaufender axialer Turbostrahl in England, der F.1 , 2.150 lbf lieferte. Die Aufmerksamkeit richtete sich sofort auf ein etwas größeres Design, das F.1A von 2.690 lbf. Es gab eine Reihe von Detailänderungen, einschließlich der Entfernung der Wasserkühlung für die Turbine und verschiedener Vergrößerungen, um den Massenstrom von 38 lb / s des F.1 auf 47,5 lb / s zu erhöhen, was näher am ursprünglichen Freda-Konstruktionskonzept liegt.
Als sich die Aufmerksamkeit einem Produktionsdesign zuwandte, begann Constant, Industriepartner mit der Fähigkeit zur Herstellung der Serienproduktion zu organisieren. Im Juli 1940 schloss sich Metropolitan-Vickers (Metrovick) den Bemühungen an, da sie ein bedeutender Hersteller von Dampfturbinen waren und sich ideal für ein schnelles Scale-up eignen würden. Die F.1A wurde im Juli 1940 an Metrovick übergeben, und die Produktion begann als F.2 .
Weitere Arbeit
Die RAE arbeitete nach dem Erfolg von F.2 weiter an der Konstruktion des Axialkompressors. Der ursprüngliche Freda-Kompressor wurde später im Rahmen einer Zusammenarbeit mit Armstrong Siddeley um weitere fünf Niederdruckstufen zu Sarah erweitert und schließlich zum ASX . Sie auch mit der gearbeitet britischem General Electric Company auf einer Reihe von axialen Verdichterkonstruktionen für andere Zwecke, und es gab einige Exploration von Axial-Kompressor basierte Ladern als bekannt E.5 . Zu diesem Zeitpunkt hatten die britischen Industrieunternehmen jedoch einen Großteil der Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen übernommen, und das RAE-Team war für die weitere Entwicklung nicht mehr von entscheidender Bedeutung. Es wurde später in die verstaatlichten Power Jets gefaltet, um das National Gas Turbine Establishment zu bilden .
Keines der RAE-Designs würde für sich allein ein Erfolg werden. Das F.2-Design wurde nicht in Produktion genommen, obwohl eine vergrößerte Version als Armstrong Siddeley Sapphire sehr erfolgreich war . Griffiths komplexe Entwürfe bei Rolls funktionierten nie richtig und wurden aufgegeben, aber er wandte sich dem einfacheren F.2-ähnlichen AJ.65- Design zu und produzierte den noch erfolgreicheren Rolls-Royce Avon und später den ersten Turbofan der Welt , den Rolls -Royce Conway .
Verweise
Literaturverzeichnis
- Kay, Antony, Turbojet, Geschichte und Entwicklung 1930-1960 , Band 1, Großbritannien und Deutschland, S. 12–20, Crowood Press, 2007. ISBN 978-1-86126-912-6