Kraków 3.01.2017r.

 

An aircraft engine. Part 14

 

Silniki turboodrzutowe germańskie

 

Hans von Ohain

 

               Pierwszym na świecie klasycznym samolotem z napędem turboodrzutowym był germański Heinkel He.178. To jest stwierdzenie nad którym nie będę dyskutował. Sukces ma wielu ojców, porażka jest sierotą. Z tego powodu wiele laboratoriów, fabryk i zespołów konstruktorskich w germanii uzurpuje sobie prawo do palmy pierwszeństwa w tej dziedzinie. Informacji jest tak wielki gąszcz, że trudno się w tym rzetelnie zorientować. Dlatego skupię się na kilku istotnych faktach, które wydają się być niepodważalne.

                Nie da się mówić o germańskich silnikach turboodrzutowych nie wspominając o inżynierze doktorze Hans von Ohain (1911-1998). Hans Joachim Pabist von Ohain urodził się w germanii. Był germańskim fizykiem i twórcą pierwszego tak zwanego operacyjnego silnika turboodrzutowego. W 1933 roku sformułował teorię napędu odrzutowego. Także w 1933 roku Hans von Ohain napisał pracę doktorską na uniwersytecie w Getyndze, na temat mikrofonu optycznego, dzięki któremu możliwe jest nagrywanie dźwięku bezpośrednio na taśmę filmową. Firma Siemens kupiła ten patent. Hans von Ohain wykorzystał uzyskane w ten sposób pieniądze na swoje zainteresowania, czyli turbiny gazowe.

                Hans von Ohain jeździł swoim samochodem do warsztatu gdzie poznał mechanika Max Hahn. W 1934 roku Hans von Ohain zaproponował temu mechanikowi wspólną budowę turbiny gazowej i zapłatę za tę pracę w wysokości 1 000 RM. Propozycja została przyjęta i w garażu powstała pierwsza wersja germańskiego silnika. Testy były udane, mimo słabej wytrzymałości termicznej użytych metali i szybkiego zużywania się podzespołów.

               W 1935 roku Hans von Ohain uzyskał kolejny tytuł doktora w dziedzinie fizyki i aerodynamiki na uniwersytecie w Getyndze i został młodszym asystentem profesora Robert Pohl. W 1936 roku Hans von Ohain opatentował koncepcje silnika turboodrzutowego. Dzięki profesorowi Robert Pohl, Hans von Ohain uzyskał kontakt z fabrykantem Ernest Heinkel, który zainteresował się projektem. Na lotnisku Marienehe koło Rostoku zorganizowano niewielkie laboratorium. Do projektu wprowadzono kilka zmian i tak powstał germański silnik Heinkel-Strahltriebwerk 1 w skrócie HeS 1. Później ten silnik określano jako Heinkel Jet Engine 1.

               Silnik był bardzo prosty i wykonany głównie ze stalowej blachy. Był niezwykle krótki, bo sprężarka i turbina były umieszczone blisko siebie, plecami do siebie. Sprężarka i turbina były typu odśrodkowego (promieniowe). Komory spalania umieszczono na zewnątrz po okręgu. Dzięki temu silnik był bardzo pękaty. Pracował na wodorze.

 

 

 

              Budowa silnika rozpoczęła się we wrześniu 1936 roku, a ukończono ją w marcu 1937 roku. Pierwsze uruchomienie nastąpiło we wrześniu 1937 roku. Silnik nie nadawał się do zabudowy w samolocie, ale ponad wszelką wątpliwość był dobrą podstawą do zbudowania lotniczego napędu. Konstruktorzy mieli problemy ze stabilnością spalania i utrzymaniem optymalnych obrotów turbiny. Często zapłon paliwa następował poza komorami spalania. Płomienie wychodzące z dyszy wylotowej przegrzewały silnik elektryczny, który służył do rozpędzenia turbiny. W toku dalszych prac wymieniono wodór na benzynę.

               Kolejnym etapem programu był silnik HeS.3, który zaprojektowano już jako napęd statku powietrznego. Główna zmiana konstrukcyjna polegała na odsunięciu od siebie sprężarki i turbiny i w powstałą przestrzeń wsunięcie komór spalania. Zmniejszeniu uległ przekrój poprzeczny całego silnika. Drugą różnicą było znaczne powiększenie całego silnika dla uzyskania większego ciągu, aby silnik był zdolny do wzniesienie samolotu w powietrze. Z czasem w modelu HeS.3b zmieniono kształt komór spalania paliwa, aby skrócić odcinek między sprężarką, a wtryskiwaczami paliwa. Silnik HeS.3b był dojść zwarty. Jego pierwsze uruchomienie nastąpiło w lipcu 1939 roku. Pierwszy egzemplarz silnika HeS.3b dojść szybko się przepalił, ale był już na ukończeniu drugi egzemplarz i on został zamontowany w płatowcu Heinkel He 178. Pierwszy lot wykonano w dniu 27 sierpnia 1939 roku. pilotem był Erich Warstiz. Zbudowano dwa prototypy. Silnik zamontowano tuż za środkiem ciężkości płatowca, w rejonie skrzydeł.

 

 

               Nie czarujmy się. Samolot He 178 latał bardzo kiepsko. Ledwo odrywał się od ziemi. Skręty wykonywał z niewielkim przechyłem, bo groziło przepadnięcie. Zresztą wszystkie samoloty germańskie z napędem turboodrzutowym z okresu wojny latały bardzo słabo. Nie dziwmy się więc, że zainteresowanie projektem było znikome. Mimo to zakłady Heinkel przystąpiły do prac nad silnikiem HeS.6, czyli powiększony HeS.3b oraz HeS.8, z pierścieniową komorą spalania. Silnik HeS.8 miał być użyty w myśliwcu He 280. Prace nad silnikami się jednak przeciągały.

              Początkowy brak zainteresowania silnikami turboodrzutowymi przez władze germanii spowodowało znaczne ograniczenie dalszych prac prowadzonych przez Hans von Ohain, który nie miał wystarczającej siły przebicia. Jednak inni konstruktorzy dostrzegli potencjał silnika turboodrzutowego i zaczęli opracowywać własne konstrukcje, które z czasem przyćmiły sukcesy Hans von Ohain. Żaden silnik Hans von Ohain nie wszedł do produkcji seryjnej i nie został wykorzystany użytkowo.

             Frank WhittleHans von Ohain mieli podobne trudne warunki pracy. Obaj szli pod prąd i obaj spotkali się z nieufnością konserwatywnych konstruktorów i decydentów. Pomysł Frank Whittle został szczegółowo przeanalizowany przez brytyjskie Ministerstwo Lotnictwa i odrzucony jako niemożliwy do realizacji. Podobne opinie zebrał Hans von Ohain, kiedy przedstawił swoje koncepcje zespołowi konstruktorów w zakładach Heinkel. Obaj jednak mieli wystarczająco duże zdolności przekonywania, by znaleźć kilku sojuszników i otrzymać częściową pomoc. Frank Whittle trafił na studia do Cambridge na koszt ministerstwa, a Hans von Ohain objął stanowisko samodzielnego konstruktora w firmie Hainkel. Obaj pierwszy sukces osiągnęli około 1937 roku, uruchamiając pierwsze turbiny gazowe przeznaczone do napędu samolotów.

             W 1947 roku Hans von Ohain został przewieziony do USA w ramach operacji spinacz „Paperclip”, gdzie zaczął pracować dla Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej. W 1956 roku został dyrektorem Air Force Aeronautical Research Laboratory, a w 1975 roku szefem naukowym Aero Propulsion Laboratory.

 

            Pierwszy lot He 280 z silnikami HeS.8 nastąpił w dniu 2 kwietnia 1941 roku. W dniu 5 kwietnia 1941 roku samolot He 280 zademonstrowano władzom. Wszyscy byli pod wrażeniem i dopiero wówczas popłynęły zamówienia i fundusze.

 

Kolejne silniki

 

Heinkel HeS30

 

             Jednak w tym momencie na rynku byli kolejni gracze. Junkers z silnikiem Jumo 004, BMW z silnikiem BMW 003 oraz HeS.30 ze sprężarką osiową (nie realizowany przez Hans von Ohain). Silnik HeS.8 nigdy nie uzyskał dojrzałości do produkcji seryjnej i na wiosnę 1943 roku został porzucony. Znawcy tematyki germańskiej twierdzą, że główną przyczyną niepowodzenia programu HeS.8 było jednoczesne prace nad innymi projektami. W 1940 roku firma Heinkel pracowała nad silnikami ramjet oraz silnikami pulsacyjnymi. Uruchomiono także osobny program dla opracowania sprężarki osiowej. W efekcie poszczególne zespoły niezdrowo konkurowały ze sobą, a w to wszystko wchodziła polityka. Ustalono między innymi, że samolot He 280 będzie napędzany dwoma silnikami albo HeS.6 o ciągu 550 kG każdy lub w przyszłości HeS.8 o ciągu 700 kG każdy lub konkurencyjnym HeS.30 ze sprężarką osiową. Samolot He 280 został zbudowany w 9 prototypach. Testowano na nim różne silniki. Podczas pierwszego lotu we wrześniu 1940 roku pierwszy prototyp został utracony. Nie zdołał oderwać się od ziemi.

Podczas gdy silnik HeS.8 oferował ciąg 700 kG to nowy konkurent, silnik Heinkel HeS.30 rozwijał pewne 860 kG już w październiku 1941 roku. Mało tego, była perspektywa zwiększenia ciągu do 1 000 kG. Mimo to dyrekcja firmy Heinkel zdecydowało o porzuceniu prac nad tymi silnikami uznając je za pierwszą generację i nakazało przystąpić do programu, którego celem będzie silnik o ciągu 1 300 kG. Chodziło o wyraźne wyprzedzenie firm Junkers i BMW. Ten nowy silnik nigdy nie powstał.

 

BMW 003

 

Meserrschmitt Me 262

 

             Meserrschmitt Me 262 jest o tyle istotnym samolotem z napędem turboodrzutowym, że został użyty operacyjnie i był zbudowany w dużej ilości.

            Nie wiadomo dlaczego w 1938 roku ministerstwo lotnictwa rzeszy złożyło zamówienie na samolot z napędem turboodrzutowym w firmie Messerschmitt. Przecież musiano wiedzieć, że w koncernie Heinkel działało laboratorium zajmujące się silnikami turboodrzutowymi i przystąpiono już do budowy doświadczalnego samolotu, który w sierpniu 1939 roku został oblatany.

            Samolot firmy Messerschmitt miał być napędzany dwoma silnikami firmy BMW. Płatowiec oznaczono P.1065, a cały samolot Me 262. Płatowiec był ukończony z końcem 1940 roku. Jednak silniki BMW 003 były w powijakach. Nie ulega wątpliwości, że główni decydenci żarli się jak psy. Zarzucano projektowi nierealność. Blokowano fundusze. Wpływały protesty. Pierwszy samolot Me 262 odbył lot w dniu 18 kwietnia 1941 roku, a napędzał go jeden konwencjonalny silnik Junkers Jumo 210G o mocy 700 KM zamontowanym na dziobie maszyny. Pierwszy lot z silnikami BMW 003 odbył się w dniu 25 marca 1942 roku i to z zachowanym silnikiem tłokowym. I to uratowało prototyp, bo silniki turboodrzutowe tuż po starcie przestały pracować. Awarii uległy łopatki sprężarki. Podejrzewa się że z powodu pompażu. Trzeci prototyp Me 262 wyposażono w silniki Junkers Jumo 004, które okazały się bardziej niezawodne. Był to pierwszy samolot bez dodatkowego silnika tłokowego. Jego oblot nastąpił w dniu 18 lipca 1942 roku.

             Początkowo samolot miał klasyczne podwozie z kołem ogonowym. Lecz wówczas spaliny z silników turboodrzutowych zrywały darń i niszczyły nawierzchnię pola wzlotów. Dlatego zastosowano podwozie z kołem przednim, co wypoziomowało samolot, a przy okazji poprawiło widoczność z kabiny załogi. Z różnych powodu produkcja seryjna Me 262 ruszyła dopiero w 1944 roku. Pomimo swych wad i niedopracowania Me 262 był sygnałem nadejścia nowej ery.

              Silnik BMW 003 napędzał takie samoloty jak Me 262, Heinkel He 162, Arado Ar 234. Prace nad nim rozpoczęto przed konkurentem Jumo 004, ale z uwagi na napotkane problemy ukończono później. Prace nad silnikiem rozpoczęto pod koniec 1938 roku w firmie Bramo w berlinie jako projekt P3302 (109-002). Jednocześnie firma BMW prowadziła własny program 109-003. Program firmy Bramo był bardziej obiecujący, ale firma została przejętą przez koncern BMW, dlatego powstał jeden program, który ostatecznie został oznaczano BMW 003.

              W połowie 1940 roku silnik przechodził testy, jako dodatkowy napęd na samolocie Messerschmitt Bf 110. Wyniki były rozczarowujące. Noszono się nawet z zamiarem porzucenie programu. Lecz w tym czasie silnik HeS.3b odnosił kolejne sukcesy i działał. Prawdopodobnie w tym czasie silnik BMW 003 całkowicie przeprojektowano. Silnik otrzymał sprężarkę osiową, aby opór czołowy był jak najmniejszy. W okresie 1939-1941 zbudowano około dziesięciu prototypów. Według zapowiedzi firmy BMW silnik dawał ciąg 800 kG, podczas gdy w rzeczywistości max ciąg wynosił 500-600 kG, czego jednak nie można było zweryfikować. Gra szła o bardzo dużą stawkę, więc kłamstwo było w użyciu. Z początkiem 1942 roku silnik ponowienie przeprojektowano. Został powiększony tak, aby sprężarka przepuszczała o 30 % więcej powietrza niż dotychczas. W 1943 roku udało się uzyskać pełne 800 kG ciągu. Pierwszy zadowalający silnik BMW 003 przetestowano na samolocie Ju-88 w październiku 1943 roku. W 1944 roku silniki BMW 003 zamontowano na samolocie Arado Ar 234. Samolot nie osiągnął rewelacyjnej prędkości, ale zdobył pułap 13 000 m, co było znakomitym wynikiem. Produkcja seryjna ruszyła z końcem 1944 roku, ale z różnych powodów nie udało się uzyskać pełnej zdolności produkcyjnej.

 

 

 

               Dane silnika BMW 003: Silnik BMW 003 ma jeden wał. Sprężarka osiowa składa się z 7-stopni. Łopatki wykonane ze stali. Komora spalania pierścieniowa z 16-wtryskiwaczami paliwa. Turbina 1-stopniowa. Długość 3,635 m, średnica 0,69 m, ciąg 7,84 kN (800 kG), przy 9 500 obrotów/min, masa 620-623 kg. Temperatura spalin za turbiną 620 stopni C. Paliwo benzyna lotnicza o liczbie oktanowej 87, oznaczone jako B4. Zużycie paliwa 1,48 kg/kp.h (151 kg/kN.h). Stosunek ciągu do masy 1,29 kp.kg (0,01265 kN/kg).

              Plany silnika BMW 003 trafiły do Japonii gdzie powstała wersja Ishikawajima Ne-20, przeznaczona dla samolotu Nakajima Kikka.

 

Junkers Jumo 004

 

            Silnik Junkers Jumo 004 zaczął być opracowywany nieznacznie później niż silnik BMW 003. Oba silniki mają konstrukcje bardzo zbliżone do siebie. Pierwsze uruchomienie silnika Junkers Jumo 004 na stanowisku naziemnym nastąpiło w 1940 roku. Konstruktorzy Junkers szybciej poradzili sobie z napotkanymi trudnościami i dlatego silnik jako pierwszy skutecznie trafił do napędu samolotu Messerschmitt Me 262 oraz Arado Ar 234. Później zasilał także inne konstrukcje. Odmiany silnika Junkers Jumo 004 były produkowane seryjnie w państwie moskiewskim i Czechosłowacji.

              Laboratorium silników turboodrzutowych w firmie Junkers utworzono z początkiem 1940 roku. na czele zespołu stanął dr Anselm Franz. Program został zatwierdzony przez ministerstwo RLM i otrzymał oznaczenie RLM 109-004. Prefiks 109 ministerstwo nadawało wszystkim konstrukcjom silników odrzutowych. Nawet silnikom rakietowym przeznaczonym dla statków powietrznych pilotowanych.

              Silnik Jumo 004 także otrzymał sprężarkę osiową. Jej średnica była o około 10 cm mniejsza niż silnika BMW 003. Dla ułatwienia budowy i produkcji obudowa stojana w rejonie sprężarki składał się z dwóch połówek, zamiast jednolitego cylindra. Za to rozwiązanie Anselm Franz był krytykowany, ale w czasie produkcji przyznano mu rację. Kolejną różnicą było zastosowanie sześciu puszek płomieniowych (komór spalania) zamiast pierścieniowej komory spalania. Takie rozwiązanie w rzeczywistości uprościło produkcję, mimo, że jest mniej efektywne w takim układzie spalanie. W trakcie produkcji silnika okazało się, że jest ona znacznie prostsza niż produkcja silników tłokowych. Na zbudowanie jednego silnika seryjnego Jumo 004 potrzeba było niecałych 400 roboczo-godzin, podczas gdy silniki tłokowe wymagały ponad 1 000 roboczo-godzin. Uboższy jest także park maszynowy. W rzeczywistości silnik można było budować narzędziami przeznaczonymi do budowy karoserii samochodowych. Oczywiście trwałość i niezawodność silników turboodrzutowych Jumo 004 była dużo poniżej oczekiwań. Ale tutaj problemem był brak wysokotemperaturowych metali.

             Zarówno silnik Jumo 004 jak i BMW 003 do rozruchu wykorzystywały identyczny rozrusznik. Rozrusznik to 2-cylindrowy, dwusuwowy silnik, typu bokser o mocy 10 KM (7,5 kW), konstrukcji Norberta Riedel. Procedura uruchamiania silników turboodrzutowych była także podobna.

              Pewnym problemem dla konstruktorów był wybór paliwa. Pierwszy silnik Jumo 004 uruchomiony w październiku 1940 roku pracował na oleju napędowym. Ostatecznie silnik był przewidziany do zasilania przez trzy różne paliwa: olej napędowy, benzyna syntetyczna produkowana z węgla kamiennego (J-2), benzyna lotnicza. Najlepsze dla silnika było paliwo J-2. Benzyna lotnicza miała zbyt wysoką temperaturę spalania, co powodowało szybsze zużywanie się silnika. Olej napędowy powodował powstawanie nagaru z sadzy na wtryskiwaczach.

            Z początkiem 1941 roku silnik Jumo 004 osiągnął moc 430 kG (950 lbf), ale ministerstwo żądało minimum 600 kG (1 300 lbf). To wymaganie wynikało z masy bojowej jaką przewidziano dla samolotu Me 262.

Konstruktorzy musieli zmierzyć się z problemem zbyt dużych drgań w rejonie sprężarki. Stojan sprężarki początkowo wykonany z aluminium zastąpiono wykonanym ze stali.

              Ostateczna konfiguracja silnika wyglądała następująco: silnik niemal całkowicie wykonany ze stali. Było to także związane z brakiem strategicznych surowców: niklu, kobaltu czy molibdenu. Tylko łopatki turbiny wykonywano ze stopu Cromadur opracowanego przez zakłady Krupa, a zwierającego: 12 % chromu, 18 % manganu i 70 % żelaza. Wszystkie elementy silnika były łączone metodą spawania lub skręcania na śruby i wkręty. Sprężarka osiowa 8-stopniowa. Komora spalania złożona z sześciu puszek płomieniowych chłodzonych z zewnątrz opływem powietrza. Turbina jedno-stopniowa z łopatkami pustymi w środku, a przez nie przepływało powietrze chłodzące. Tak skonfigurowany silnik w grudniu 1941 roku przeszedł 10-godzinny test ciągłej pracy, generując ciąg na poziomie 9,8 kN (2 200 lbf). Pierwsze testy w locie przeprowadzono w marcu 1942 roku przy pomocy Messerschmitt Bf 110. W dniu 18 lipca 1942 roku w powietrze z silnikami Jumo 004 wystartował Me 262. Wówczas podjęto decyzje o zamówieniu 80 silników.

            Seryjny silnik Jumo 004 ważył około 800 kg. Po przeprowadzonych testach naziemnych silnik otrzymał certyfikat żywotności 100 godzin pracy z okresem między remontowym 50 godzin. Jak się okazało była to teoria. W 1943 roku potwierdziło się, że rzadko który silnik wytrzymywał 20 godzin pracy. Zwykle dochodziło do uszkodzenia łopatek turbiny. Te awarie powodowały wstrzymywanie produkcji seryjnej. Konstruktorzy przyczyn poszukiwali w wadach materiałowych lub wadliwym spawaniu. Okazało się jednak, że przyczyną jest częstotliwość drgań. W wyniku analiz postanowiono skrócić łopatki turbiny o 1 mm. W wyniku tego zabiegu spadły obroty szpuli z 9 000 obr/min do 8 700 obr/min i spadł także ciąg silnika z deklarowanych 9,8 kN do 9,2 kN.

            Dopiero w 1944 roku produkcja seryjna mogła ruszyć pełną parą. Ocenia się, że zbudowano 5 000 – 8 000 silników Jumo 004. Sami germańscy nie podają wiarygodnej liczby. Ale co z tego, kiedy pogorszeniu uległa stal z której zaczęto wytwarzać silniki. W tym okresie trwały już dywanowe naloty bombowe na Zagłębie Rury i huty często przerywały pracę. Silnik miały żywotność 10-25 godzin i zwykle nie nadawały się do żadnego remontu. Te 25 godzin było osiągane pod warunkiem, że za sterami siedział doświadczony pilot, który potrafił płynni operować gazem. Zbyt gwałtowne dodanie gazu powodowało dostarczenie zbyt dużej ilości paliwa, zanim turbina nabrała większych obrotów. Efekt był taki, że część paliwa spalała się już poza komorą spalania, w rejonie łopatek turbiny, przegrzewając je.

            Dla silnika Jumo 004 opracowano regulowaną dyszę wylotową. Zmiana powierzchni przekroju wylotowego była realizowana przez centralny stożek, który miał kształt cebuli. Było on poruszany po-osiowo na długości około 0,40 m, za pomocą mechanizmu elektrycznego.

Po drugiej wojnie światowej silnik Jumo 004 produkowano w Czechosłowacji jako Avia M-04 i w państwie moskiewskim jako Tumański RD-10.

 

 

 

            Dane podstawowej wersji Jumo 004B: długość 3,86 m, średnica 0,81 m, masa 720 kg, 8-stopniowa sprężarka osiowa, 6-puszek płomieniowych, pojedyncza turbina, regulowana dysza wylotowa. Ciąg max 8,8 kN. Kompresja sprężarki 3,14:1. Zużycie paliwa 1.39 N/(N·hr). Stosunek ciągu do masy 1.25 (12.2 N/kg).

 

Opracował Karol Placha Hetman