Metropolitan -Vickers F.2 — ранний турбореактивный двигатель и первая британская конструкция, основанная на осевом компрессоре . Это была чрезвычайно передовая конструкция для своей эпохи, [1] использующая девятиступенчатый осевой компрессор, кольцевую камеру сгорания и двухступенчатую турбину.
Впервые он был установлен на Gloster Meteor в ноябре 1943 года, превзойдя современные модели Power Jets . Несмотря на этот превосходный старт, он считался ненадежным и не нашел применения во время войны. В послевоенную эпоху новые конструкции двигателей обеспечивали гораздо более высокую производительность, и интерес к F.2 пошел на убыль.
Однако потенциал двигателя и инвестиции не пропали даром; проект был передан от Metropolitan-Vickers (Metrovick) к Armstrong Siddeley , когда Metrovick вышел из газового турбинного бизнеса. Armstrong Siddeley выпустил более крупную версию как успешный Sapphire .
Алан Арнольд Гриффит опубликовал основополагающую работу в 1926 году, «Аэродинамическая теория проектирования турбин» , которая впервые наглядно продемонстрировала, что газовая турбина может быть использована в качестве практичной и даже желательной авиационной силовой установки. Работа начиналась с демонстрации того, что существующие конструкции осевых компрессоров «летали со срывом» из-за использования в них плоских лопаток, и кардинальных улучшений можно было добиться, используя вместо них конструкции с аэродинамическим профилем . Далее в ней описывалась полная конструкция компрессора и турбины, использующая дополнительную мощность выхлопа для приведения в действие второй турбины, которая приводила бы в действие пропеллер. В сегодняшней терминологии конструкция была турбовинтовой .
Чтобы доказать конструкцию, Гриффит и несколько других инженеров из Королевского авиационного завода построили испытательный стендовый образец компрессора в 1928 году, известный как Anne , оборудование для них было построено Фрейзером и Чалмерсом . После успешного испытания Anne они планировали продолжить его с полным двигателем, известным как Betty , или B.10. Поскольку Betty был разработан для испытательных целей, он был спроектирован так, чтобы позволить секциям компрессора и турбины работать отдельно. Для этого выхлоп из компрессора находился в «передней» части двигателя, где он передавался по трубам через секцию сгорания в «конец» двигателя, где он входил в турбину. Это также означало, что приводной вал между секциями был очень коротким.
В 1929 году была опубликована диссертация Фрэнка Уиттла о чисто реактивных двигателях, и после разговора со своим командиром Уиттл был доставлен в Министерство авиации к Гриффиту. Гриффит критиковал работу Уиттла, указав на ошибку в расчетах Уиттла, отметив, что центробежный компрессор, используемый Уиттлом, был бы непрактичен для использования в самолетах из-за его большой лобовой площади, и что использование выхлопа струи непосредственно для питания было бы крайне неэффективно при данных температурах. [2] Уиттл был в отчаянии, но был убежден, что он должен запатентовать идею в любом случае. Пять лет спустя группа инвесторов убедила его начать работу над тем, что должно было стать первым рабочим британским реактивным двигателем.
Гриффит продолжил разработку собственных концепций, в конечном итоге разработав усовершенствованную конструкцию компрессора с использованием двух противоположно вращающихся ступеней, что повысило эффективность. Его партнер, Хейн Констант , начал переговоры в 1937 году с базирующейся в Манчестере компанией Metrovick, производителем паровых турбин , о производстве нового оборудования. К 1939 году эта работа разработала несколько улучшенных версий конструкции компрессора Betty, которые были включены в новую модель Freda . Кстати, Metrovick недавно объединилась с британской компанией Thomson-Houston , другим производителем турбин, который поддерживал усилия Уиттла.
В апреле 1939 года Уиттл устроил ошеломляющую демонстрацию своего экспериментального двигателя WU , запустив его на 20 минут на высокой мощности. Это привело к череде контрактов на создание конструкции серийного качества, пригодной для использования в самолетах. Руководитель конструкторского отдела Metrovick Дэвид Смит решил прекратить разработку концепций турбовинтовых двигателей и вместо этого сосредоточиться на чисто реактивных двигателях. Разработка только началась, когда Уиттл начал строить свой проект W.1 , планируя установить его для полета на Gloster E.28/39 в следующем году.
В июле 1940 года RAE подписала контракт с Metrovick на создание чистого турбореактивного двигателя летного качества на основе турбины Freda. Это появилось как концепция F.1, которая была построена в нескольких вариантах, а первый работающий двигатель был запущен на испытательном стенде в конце 1941 года. Конструкция прошла специальные летные испытания в 1942 году и впервые поднялась в воздух 29 июня 1943 года в открытом бомбоотсеке Avro Lancaster . По сравнению с конструкциями Whittle с центробежным потоком, F.1 был чрезвычайно продвинутым, используя девятиступенчатый осевой компрессор, кольцевую камеру сгорания и двухступенчатую турбину. [1]
Разработка турбореактивного двигателя F.2 продвигалась быстро, и двигатель впервые заработал в ноябре 1941 года. К тому времени на основе концепции Уиттла в разработке находилось несколько двигателей, но F.2 выглядел значительно более способным, чем любой из них. Летная версия, F.2/1, получила свой испытательный рейтинг в 1942 году. Одна была установлена на испытательном стенде Avro Lancaster (первый прототип Lancaster, серийный номер BT308 ), установленном сзади вместо задней турели, с одним воздухозаборником на верхней части фюзеляжа, перед двухкилевым хвостовым оперением. Первый полет самолета состоялся 29 июня 1943 года. [3] Серийные версии F.2 были испытаны на самолете F.9/40M ( Gloster Meteor ) с/н DG204/G , который совершил свой первый полет 13 ноября 1943 года. Они были установлены в подвесных гондолах , аналогично двигателям Messerschmitt Me 262. [ 1]
Как и ожидалось, двигатели F.2 были мощнее, чем конструкция Whittle, сначала развивая 1800 фунтов силы (8000 Н), но вскоре масштабируясь до более чем 2000 фунтов силы (8900 Н). Примерно в то же время Whittle W.2B развивал всего 1600 фунтов силы (7100 Н). Однако были сомнения относительно надежности F.2, в основном из-за проблем, связанных с горячими точками, образующимися на подшипнике турбины и камере сгорания, что приводило к деформации и разрушению входных сопел турбины.
Осевой компрессор F.2 был позже предложен компании Rolls-Royce и использовался в качестве начальной стадии Rolls -Royce Clyde . [4]
Для решения этих проблем в августе 1942 года была проведена небольшая модернизация F.2/2, в ходе которой материал турбины был изменен с Rex 75 на Nimonic 75 , а камера сгорания была удлинена на 6 дюймов (150 мм). Тяга была улучшена до 2400 фунтов силы (11 000 Н) в статике, но проблемы с перегревом остались.
Еще одна попытка решить проблемы перегрева привела к более сильно модифицированному F.2/3 в 1943 году. Эта версия заменила оригинальную кольцевую камеру сгорания на горелки типа «банок», как в конструкциях Уиттла. Похоже, это решило проблемы, увеличив тягу до 2700 фунтов силы (12 000 Н) в процессе. Однако к этому времени было решено перейти на гораздо более мощную версию двигателя.
Разработка F.2 продолжилась в версии с использованием десятиступенчатого компрессора для дополнительного воздушного потока, приводимого в движение одноступенчатой турбиной. [5] [1] Новый F.2/4 — Beryl — изначально развивал тягу 3250 фунтов силы (14,5 кН) и был испытан в Avro Lancaster Mk.II s/n LL735, прежде чем был установлен на истребителе-летающем судне Saunders-Roe SR.A/1 . Тяга уже была улучшена до 3850 фунтов силы (17,1 кН) для третьего прототипа и в конечном итоге установилась на уровне 4000 фунтов силы (18 кН).
Для сравнения, современный Derwent 5 в своей окончательной форме развивал более 3600 фунтов силы (16,0 кН) тяги. Разработка SR.A/1 завершилась в 1947 году, завершив разработку Beryl вместе с ним. Тем не менее, позже Beryl из прототипа SR.A/1 был снят и использовался Дональдом Кэмпбеллом для ранних запусков в его знаменитом гидроплане Bluebird K7 1955 года , на котором он установил семь рекордов скорости на воде между 1955 и 1964 годами.
В 1942 году MV начала работу над увеличением тяги. Получившийся в результате Metropolitan-Vickers F.3 стал первым британским турбовентиляторным двигателем, который был спроектирован, построен и испытан. Можно сказать, что F.3 был также первым трехвальным реактивным двигателем, который был построен, хотя его конфигурация полностью отличалась от конфигурации гораздо более поздней серии турбовентиляторных двигателей Rolls-Royce RB211 , поскольку вентилятор был расположен в задней части двигателя, что мало чем отличалось от такового у General Electric CJ805 -23. Используя стандартный F.2/2, MV добавила отдельный модуль в заднюю часть двигателя (прямо за турбиной HP), который включал в себя турбины LP противоположного вращения, прикрепленные к двум вентиляторам противоположного вращения. [6] За исключением направляющих лопаток сопла первой ступени, турбина LP была полностью без статора, с четырьмя последовательными ступенями ротора. Роторы один и три приводили в движение передний вентилятор по часовой стрелке (если смотреть спереди), тогда как задний вентилятор приводился в движение против часовой стрелки роторами два и четыре. Хотя передний вентилятор имел входные направляющие лопатки, между роторами вентилятора противоположного вращения не было никаких лопаток, а ниже по потоку не было никаких выходных направляющих лопаток. Основной и байпасный потоки выходили через отдельные коаксиальные сопла.
Проект в целом оказался успешным, статическую тягу удалось поднять примерно с 2400 до 4000 фунтов силы (от 11 до 18 кН) (4600 фунтов силы (20 кН) в 1947 году). Кроме того, удельный расход топлива снизился с 1,05 до 0,65 фунта/(фунт-сила-ч) (от 30 до 18 г/(кН-с)), что и было истинной целью проекта. Однако увеличение веса для всех дополнительных турбомашин и воздуховодов было значительным. Бонусом стало заметное снижение уровня шума, что стало результатом смешивания более медленного, холодного воздуха из вентилятора с быстрым, горячим выхлопом из газогенератора.
Хотя F.3 развивался успешно, разработка была ограничена давлением войны. Когда война закончилась, F.2/2 уже не был актуален, поэтому некоторые идеи были применены к более современному F.2/4, чтобы создать винтовой вентилятор Metropolitan-Vickers F.5.
Следуя за тем, на чем остановился F.3, F.5 был версией F.2/4 с открытым ротором (без воздуховода) тягового усилителя, добавленного к концу реактивной трубы, несколько удаленному от турбины высокого давления. Воздушные винты фиксированного шага диаметром 5 футов 6 дюймов, вращавшиеся в противоположных направлениях, приводились в действие четырехступенчатым безстаторным турбинным агрегатом низкого давления, аналогичным тому, что был у F.3. Статическая тяга увеличилась с 3500 фунтов силы у F.2/2 до более чем 4710 фунтов силы (21 000 Н) с соответствующим снижением удельного расхода топлива. По сравнению с исходным турбореактивным двигателем увеличение веса для этой конфигурации винтового вентилятора составило около 26% по сравнению с 53% для турбовентиляторного двигателя F.3. [7] Разработка была прекращена, когда они продали свой газовый турбинный бизнес Armstrong Siddeley в 1946 году.
Разработка F.2 завершилась в 1944 году. Однако разработка базовой концепции продолжалась, что в конечном итоге привело к созданию значительно большего F.9 Sapphire. Однако в 1947 году Metrovick оставил производство реактивных двигателей, и их команда дизайнеров перешла в Armstrong Siddeley . Sapphire превратился в успешную конструкцию, изначально превзойдя по тяге своего современника Rolls-Royce, Avon . Конструктивные особенности линейки Metrovick были внедрены в собственную линейку осевых компрессорных турбовинтовых двигателей Armstrong Siddeley, хотя Armstrong Siddeley отказалась от использования Metrovick названий драгоценных камней для своих двигателей в пользу продолжения использования названий животных, в частности змей.
Образец прототипа двигателя можно увидеть в галерее полетов Музея науки в Лондоне.
Берилл Metrovick выставлен в Фонде наследия Rolls-Royce (Дерби).
Данные Уилкинсона. [8]
Сравнимые двигатели
Связанные списки
