Historie proudového motoru - History of the jet engine - Wikipedia

Další informace: Časová osa tryskového výkonu

Předchůdci

Proudové motory lze datovat od vynálezu aeolipile kolem 150 před naším letopočtem. Toto zařízení využívalo parní energii směrovanou dvěma tryskami, aby způsobilo, že se koule rychle točí kolem své osy.[1] Pokud je známo, nebyl použit pro dodávání mechanické energie a potenciální praktické aplikace tohoto vynálezu nebyly rozpoznány. Bylo to prostě považováno za kuriozitu.

Archytas, zakladatel matematické mechaniky, jak je popsáno ve spisech Aulus Gellius pět století po něm, byl pokládaný k navrhl a postavil první umělé, samohybné létající zařízení. Toto zařízení byl model ve tvaru ptáka poháněný proudem pravděpodobně páry, který údajně letěl asi 200 metrů.

Osmanský Lagari Hasan Çelebi se říká, že vzlétl v roce 1633 s tím, co bylo popsáno jako kuželovitá raketa, a poté sklouzl křídly do úspěšného přistání a získal pozici v Osmanská armáda. To však byl v podstatě kaskadérský kousek. Problém byl v tom, že rakety jsou při nízkých rychlostech jednoduše příliš neúčinné, než aby byly užitečné pro všeobecné letectví.

První pracovní pulsejet byl patentován v roce 1906 ruským inženýrem V.V. Karavodin, který dokončil funkční model v roce 1907. Francouzský vynálezce Georges Marconnet patentoval svůj bezventilový pulsejetový motor v roce 1908 a Ramon Casanova v r. Ripoll, Španělsko patentovaný pulsejet Barcelona v roce 1917 poté, co postavil jeden začátek v roce 1913. Robert Goddard vynalezl v roce 1931 motor pulsejet a předvedl ho na jízdním kole s tryskovým pohonem.[2]Inženýr Paul Schmidt propagoval efektivnější konstrukci založenou na úpravách sacích ventilů (nebo klapek) a získal mu vládní podporu německého ministerstva letectví v roce 1933.[3]

Ramon Casanova a motor pulsejet, který zkonstruoval a patentoval v roce 1917

Některé rané pokusy o dýchací proudové motory byly hybridní konstrukce, ve kterých externí zdroj energie nejprve stlačoval vzduch, který byl poté smíchán s palivem a spálen pro tryskový tah. V jednom takovém systému zvaném a termojet podle Secondo Campini ale častěji motorjet, vzduch byl stlačován ventilátorem poháněným běžným pístovým motorem. Mezi příklady patří Caproni Campini N.1 a Japonci TSU-11 motor určený k pohonu Ohka kamikadze letadla na konci roku 2006 druhá světová válka. Žádný nebyl zcela úspěšný a CC.2 skončil pomaleji než stejný design s tradičním motorem a vrtule kombinace.

Albert Fonó je ramjet - dělová koule z roku 1915

V roce 1913 francouzský letecký inženýr René Lorin patentoval design jako první na světě ramjet, ale nebylo možné vyvinout funkční prototyp, protože žádný existující letoun nemohl dosáhnout dostatečné rychlosti, aby mohl fungovat, a koncept tak zůstal teoretický.

Inženýři ve 30. letech si uvědomili, že maximální výkon pístových motorů je omezený,[4] tak jako hnací účinnost odmítl, když se špičky čepele blížily k rychlost zvuku. Aby se výkon motoru zvýšil za tuto bariéru, bylo by třeba najít způsob, jak radikálně zlepšit konstrukci pístového motoru, nebo by bylo nutné vyvinout zcela nový typ pohonné jednotky. To by mohly dělat motory s plynovou turbínou, běžně nazývané „proudové“ motory.

Albert Fonó Německý patent na proudové motory (leden 1928 - udělen 1932). Třetí ilustrace je a proudový

Klíčem k praktickému proudovému motoru byla plynová turbína používaná k získávání energie ze samotného motoru k pohonu kompresor. The plynová turbína nebyl nápad vyvinutý ve třicátých letech: patent na stacionární turbínu byl udělen společnosti John Barber v Anglii v roce 1791. První plynová turbína, která úspěšně fungovala samostatně, byla postavena v roce 1903 norským inženýrem Ægidius Elling. Omezení v konstrukci a praktickém inženýrství a metalurgii zabránily tomu, aby se tyto motory dostaly do výroby. Hlavními problémy byly bezpečnost, spolehlivost, hmotnost a zejména trvalý provoz.

v Maďarsko, Albert Fonó v roce 1915 navrhl řešení pro zvýšení dosahu dělostřelectva, zahrnující projektil vystřelený ze zbraně, který měl být spojen s pohonnou jednotkou ramjet. To umožnilo dosáhnout dlouhého dosahu s nízkými počátečními rychlostmi ústí hlavně, což umožnilo vystřelit těžké granáty z relativně lehkých zbraní. Fonó předložil svůj vynález rakousko-uherské armádě, ale návrh byl zamítnut. V roce 1928 požádal o německý patent na letadla poháněná nadzvukovými tryskami, který byl udělen v roce 1932.[5][6][7]

První patent na použití plynové turbíny k pohonu letadla podal v roce 1921 Francouz Maxime Guillaume.[8] Jeho motor byl proudový s axiálním tokem.

V roce 1923 Edgar Buckingham amerického Národního úřadu pro standardy zveřejnil zprávu[9] vyjadřující skepsi, že proudové motory budou ekonomicky konkurenceschopné s letadly poháněnými vrtulovým pohonem v nízkých nadmořských výškách a rychlostech období: „v současné době se nezdá, že by to byla jakákoli vyhlídka, ať už bude mít jakýkoli proudový pohon takového druhu, jaký zde bude považován, praktickou hodnotu , dokonce i pro vojenské účely. “

Místo toho do 30. let 20. století pístový motor v mnoha různých formách (rotační a statické radiální, vzduchem chlazené a kapalinou chlazené řadové vedení) byl jediným typem pohonné jednotky, který měli konstruktéři letadel k dispozici. To bylo přijatelné, pokud byla vyžadována pouze letadla s nízkým výkonem a skutečně vše, co bylo k dispozici.

Před druhou světovou válkou

The Whittle W.2 / 700 motor letěl v Gloster E.28 / 39, první britské letadlo létající s proudovým motorem, a Gloster Meteor.

V roce 1928 RAF College Cranwell kadet [10] Frank Whittle formálně předložil své nápady týkající se turboproudu svým nadřízeným. V říjnu 1929 dále rozvíjel své myšlenky.[11] Dne 16. ledna 1930 v Anglii Whittle předložil svůj první patent (udělený v roce 1932).[12] Patent ukázal dvoustupňový axiální kompresor krmení jednostranně odstředivý kompresor. Praktické axiální kompresory byly umožněny nápady od A.A. Griffith v seminární práci z roku 1926 („Aerodynamická teorie designu turbín“). Whittle se později z různých praktických důvodů soustředil pouze na jednodušší odstředivý kompresor. Whittle měl svůj první motor spuštěný v dubnu 1937. Byl kapalným palivem a zahrnoval samostatné palivové čerpadlo. Whittleův tým zažil téměř paniku, když se motor nezastavil, a zrychlil i po vypnutí paliva. Ukázalo se, že palivo uniklo do motoru a hromadilo se v bazénech.

Heinkel He 178, první letadlo na světě létající čistě na proudové energii.

V roce 1935 Hans von Ohain zahájil práci na podobném designu v Německu a často se tvrdí, že o Whittleově práci nevěděl.[13] Ohain řekl, že nečetl Whittleův patent a Whittle mu věřil (Frank Whittle 1907–1996 ). Patent Whittle však byl v německých knihovnách a Whittleův syn měl podezření, že Ohain o něm četl nebo o něm slyšel.[Citace je zapotřebí ]

O několik let později to přiznal von Ohain ve své biografii [14] že to tak bylo. Autorka Margaret Connerová uvádí: „Ohainův patentový zástupce se stal patentem Whittle v letech, kdy byly formulovány von Ohainovy ​​patenty.“ Von Ohain je citován slovy: „Cítili jsme, že to vypadá jako patent nápadu „„ Mysleli jsme si, že se na tom vážně nepracuje. “ Protože Ohainův patent byl podán až v roce 1935, toto přiznání jasně ukazuje, že si přečetl Whittleův patent a dokonce ho podrobně kritizoval před podáním vlastního patentu a asi 2 roky před spuštěním vlastního motoru.

VON OHAIN: „Naše patentové nároky musely být ve srovnání s Whittle's zúženy, protože Whittle ukázal určité věci.“ „Když jsem viděl Whittleův patent, byl jsem téměř přesvědčen, že to má něco společného s kombinacemi sání mezní vrstvy. Měl dvouproudový, duální vstupní radiální kompresor, který z hlediska motoru vypadal příšerně. Jeho obrácení toku vypadalo pro nás to byla nežádoucí věc, ale ukázalo se, že to nebylo tak špatné poté, co to způsobilo drobné problémy s nestabilitou. “

Jeho první zařízení bylo přísně experimentální a mohlo běžet pouze pod externí energií, ale dokázal předvést základní koncept. Ohain byl poté představen Ernst Heinkel, jeden z největších leteckých průmyslníků té doby, který okamžitě viděl příslib konstrukce. Heinkel nedávno koupil motorovou společnost Hirth a Ohain a jeho hlavní strojník Max Hahn zde byla zřízena jako nová divize společnosti Hirth. Měli první HeS 1 odstředivý motor běžící v září 1937. Na rozdíl od Whittleho designu použil Ohain vodík jako palivo dodávané pod vnějším tlakem. Jejich následné návrhy vyvrcholily benzínovým pohonem HeS 3 5 100 kN (1100 lbf), který byl namontován na Heinkelův jednoduchý a kompaktní On 178 drak letadla a letěl kolem Erich Warsitz brzy ráno dne 27. srpna 1939 od Rostock -Marienehe letiště, působivě krátká doba pro vývoj. He 178 byl prvním letounem s proudovým motorem na světě, který letěl.[15]

První na světě turbovrtulový byl Jendrassik CS-1 navrhl maďarský strojní inženýr György Jendrassik. Byl vyroben a testován v Ganz továrna v Budapešť mezi lety 1938 a 1942. Bylo plánováno, aby se vešly do dvoumotorového průzkumného bombardéru Varga RMI-1 X / H navrženého László Vargou v roce 1940, ale program byl zrušen. V roce 1937 navrhl Jendrassik také malý turbovrtulový motor o výkonu 75 kW.

Whittleův motor začal vypadat užitečně a jeho Elektrické trysky Ltd. začal přijímat Ministerstvo vzduchu peníze. V roce 1941 začala létat verze motoru s názvem W.1, schopný tahu 1 000 lbf (4 kN), byl namontován na Gloster E28 / 39 drak letadla speciálně postavené pro něj a poprvé vzlétlo 15. května 1941 v RAF Cranwell.

Obrázek raného odstředivého motoru (DH Goblin II ) v řezu, aby se zobrazily jeho vnitřní součásti.

Britský konstruktér leteckých motorů, Frank Halford, vycházející z Whittleových myšlenek, vyvinul „přímou“ verzi odstředivého paprsku; jeho design se stal de Havilland Goblin.

Jeden problém s oběma z těchto raných návrhů, které se nazývají odstředivý tok motorů, bylo to, že kompresor pracoval tak, že zrychloval vzduch ven z centrálního sání na vnější obvod motoru, kde byl vzduch poté stlačován pomocí rozbíhajícího se potrubí a přeměňoval jeho rychlost na tlak. Výhodou tohoto návrhu bylo, že již byl dobře pochopen, protože byl implementován odstředivě kompresory, pak v širokém použití na pístových motorech. Vzhledem k časným technologickým omezením otáček hřídele motoru však potřeboval kompresor k výrobě požadovaného výkonu velmi velký průměr. To znamenalo, že motory měly velkou čelní plochu, díky čemuž byla díky aerodynamickému odporu méně užitečná jako pohonná jednotka letadla. Další nevýhodou dřívějších konstrukcí Whittle bylo to, že proud vzduchu byl obrácen přes spalovací sekci a znovu k turbíně a výfuku, což zvyšovalo složitost a snižovalo účinnost. Nicméně tyto typy motorů měly hlavní výhody nízké hmotnosti, jednoduchosti a spolehlivosti a vývoj rychle postupoval k praktickým letovým návrhům.

Výřez motoru Junkers Jumo 004.

rakouský Anselm Franz z Junkers „motorová divize (Junkers Motoren nebo Jumo) řešil tyto problémy zavedením kompresor s axiálním průtokem. V zásadě se jedná o turbínu obráceně. Vzduch přicházející v přední části motoru je vyfukován směrem k zadní části motoru pomocí stupně ventilátoru (konvergentní kanály), kde je stlačován proti sadě neotáčivých lopatek zvaných statory (odlišná potrubí). Tento proces není zdaleka tak silný jako odstředivý kompresor, takže řada těchto párů ventilátorů a statorů je umístěna v sérii, aby se dosáhlo potřebné komprese. I přes veškerou přidanou složitost má výsledný motor mnohem menší průměr, a tedy aerodynamičtější. Jumo bylo přiděleno další číslo motoru v RLM sekvence číslování, 4, a výsledek byl Jumo 004 motor. Po vyřešení mnoha menších technických obtíží byla v roce 1944 zahájena masová výroba tohoto motoru jako pohonné jednotky pro první stíhací letoun na světě, Messerschmitt Me 262 (a později první tryskové bombardovací letadlo na světě, Arado Ar 234 ). Z důvodů spiknutí ke zpoždění dostupnosti motoru toto zpoždění způsobilo, že stíhačka dorazila příliš pozdě na to, aby rozhodujícím způsobem ovlivnila postavení Německa ve druhé světové válce. Bude si jej však pamatovat jako první použití proudových motorů v provozu.

The Heinkel-Hirth letecká pohonná firma se také pokusila vytvořit silnější proudový motor, Heinkel HeS 011 s téměř 3000 liber tahu při plném výkonu, velmi pozdě ve válce, aby se zlepšily možnosti pohonu dostupné pro nové německé vojenské návrhy proudových letadel a zlepšil se výkon stávajících návrhů. Využila jedinečnou „diagonální“ kompresorovou sekci, která kombinovala vlastnosti uspořádání odstředivých i axiálních kompresorů pro proudové elektrárny, ale zůstala na zkušebním stavu, kdy bylo vyrobeno pouze několik devatenácti příkladů.

Ve Velké Británii, jejich první motor s axiálním tokem, Metrovick F.2, běžel v roce 1941 a poprvé vzlétl v roce 1943. Ačkoli bylo ministerstvo v té době výkonnější než odstředivé konstrukce, považovalo jeho složitost a nespolehlivost za válečnou nevýhodu. Práce v Metrovicku vedly k Armstrong Siddeley Sapphire motor, který by byl v USA vyráběn jako J65.

Po druhé světové válce

Po skončení války byla německá proudová letadla a proudové motory podrobně studována vítěznými spojenci a přispěla k práci na počátku Sovětského svazu (viz Arkhip Lyulka ) a americké stíhačky. Dědictví motoru s axiálním tokem je vidět ve skutečnosti, že jsou prakticky všechny proudové motory zapnuty letadla s pevnými křídly se inspirovali tímto designem.

Motory s odstředivým průtokem se od svého zavedení zlepšily. Se zlepšením technologie ložisek se zvýšily otáčky hřídele motoru, což výrazně zmenšilo průměr odstředivého kompresoru. Výhodou této konstrukce zůstává krátká délka motoru, zejména pro použití ve vrtulnících, kde je celková velikost důležitější než přední oblast. Jelikož jsou jejich součásti motoru robustnější, jsou také méně náchylné poškození cizích předmětů než axiální kompresorové motory.

Ačkoli německé designy byly pokročilejší aerodynamicky, kombinace jednoduchosti a nedostatku potřebných vzácných kovů pro nezbytnou pokročilou metalurgii (jako např. wolfram, chrom a titan ) pro vysoce namáhané součásti, jako jsou lopatky turbíny a ložiska, atd. znamenalo, že později vyráběné německé motory měly krátkou životnost a musely být vyměněny po 10–25 hodinách. Britské motory byly také široce vyráběny na základě licence v USA NÁS (vidět Tizard mise ) a byly prodány sovětskému Rusku, které je zpětně připravilo pomocí Nene dál pohánět slavné MiG-15. Americké a sovětské konstrukce, nezávislé typy axiálního toku, se z větší části snažily dosáhnout vynikajícího výkonu až do 60. let, ačkoli General Electric J47 poskytoval vynikající služby v F-86 Sabre v padesátých letech.

V padesátých letech byl proudový motor v bojových letadlech téměř univerzální, s výjimkou nákladu, spojovacích prostředků a dalších speciálních typů. V tomto bodě byly některé z britských návrhů již schváleny pro civilní použití a objevily se na časných modelech jako de Havillandská kometa a Avro Canada Jetliner. V šedesátých letech byla všechna velká civilní letadla poháněna také tryskovým motorem, takže pístový motor zůstal v takových nízkonákladových specializovaných rolích, jako náklad lety.

Neúprosná vylepšení v turbovrtulový zcela vytlačil pístový motor (spalovací motor) z hlavního proudu a nechal jej obsluhovat jen ten nejmenší všeobecné letectví vzory a některé použití v drone letadla. Stoupání proudového motoru na téměř univerzální použití v letadlech trvalo necelých dvacet let.

Příběh však nebyl úplně na konci, protože účinnost proudových motorů byla stále spíše horší než pístové motory, ale v 70. letech s příchodem vysoký bypass proudové motory, inovace, kterou nepředpokládali první komentátoři Edgar Buckingham, při vysokých rychlostech a vysokých nadmořských výškách, které jim připadaly absurdní, až poté konečně překonala účinnost paliva u nejlepších pístových a vrtulových motorů,[16] a sen o rychlém, bezpečném a ekonomickém cestování po celém světě konečně dorazil a jejich zarputilost, byla-li pro danou dobu opodstatněná, předpovědi, že proudové motory nikdy nebudou moc, byla navždy zabita.

Viz také

Reference

  1. ^ Historie proudového motoru Archivováno 19. února 2011 v Wayback Machine. Citováno: 29. června 2010.
  2. ^ US Patent 1980266
  3. ^ George Mindling, Robert Bolton: Taktické střely amerického letectva: 1949–1969: Průkopníci, Lulu.com, 200: ISBN  0-557-00029-7. pp6-31
  4. ^ účinnost vrtule Archivováno 25. května 2008 v Wayback Machine
  5. ^ Patent číslo 554 906
  6. ^ Gyorgy, Nagy Istvan, „Albert Fono: Průkopník tryskového pohonu“, Mezinárodní astronautický kongres, 1977, IAF / IAA
  7. ^ Dugger, Gordon L. (1969). Ramjets. American Institute of Aeronautics and Astronautics, str. 15.
  8. ^ Maxime Guillaume, „Propulseur par réaction sur l'air“, francouzský patent č. 534 801 (podáno: 3. května 1921; vydáno: 13. ledna 1922). K dispozici on-line (ve francouzštině) na: http://v3.espacenet.com/origdoc?DB=EPODOC&IDX=FR534801&F=0&QPN=FR534801 .
  9. ^ "sod1280.tmp" (PDF). Citováno 26. března 2010.
  10. ^ „Chasing the Sun - Frank Whittle“. PBS. Citováno 26. března 2010.
  11. ^ „Historie - Frank Whittle (1907–1996)“. BBC. Citováno 26. března 2010.
  12. ^ Frank Whittle, „Vylepšení týkající se pohonu letadel a jiných vozidel,“ britský patent č. 347 206 (podáno: 16. ledna 1930). Dostupné online na: http://v3.espacenet.com/origdoc?DB=EPODOC&IDX=GB347206&F=0&QPN=GB347206 .
  13. ^ Historie proudového motoru - Sir Frank Whittle - Hans Von Ohain
  14. ^ „Elegance In Flight“ (Hans von Ohain: Elegance in Flight (Reston, Virginie: American Institute for Aeronautics and Astronautics, Inc.), 2001)
  15. ^ Warsitz, Lutz: PRVNÍ JET PILOT - Příběh německého zkušebního pilota Ericha Warsitze (str. 125), Pen and Sword Books Ltd., Anglie, 2009
  16. ^ "ch10-3". Hq.nasa.gov. Citováno 26. března 2010.