Turboreactoarele avioanelor de lupta (I)

 In proiectarea motoarelor cu reactie se impun cerinte pentru performante maxime : mai multa tractiune, fiabilitate mai mare si eficienta crescuta. Totodata motoarele trebuie sa fie cat mai mici, mai usoare, usor de fabricat si cat mai ieftine.

 Avioanele militare au fost inca  de la inceputuri considerate esentiale in lupta si de aceea, in conjuctura istorica a celor doua razboaie mondiale si a inca 50 de ani de razboi rece, s-a dezvoltat rapid tehnologia constructiei motoarelor cu reactie.

                                                           

                                                     Motorul EJ 2000 Eurofughter

Motorul turboreactor echipeaza avioanele care zboara la viteze mai mari de M 0.6 .

Functioneaza ca in schema de mai  jos :

Motoarele turboreactoare pot fi clasificate folosind mai multe criterii :

- tipul de compresor : sunt echipate cu un compresor centrifugal sau compresor axial. 

- fluxul de aer : simplu flux sau dublu flux 

- postcombustia : simple sau cu postcombustie  

SCURT ISTORIC

Motorul turboreactor a fost inventat aproape simultan in anii '30 de englezul Frank Whittle si germanul Hans von Ohain, subiectul prioritatii fiind si in prezent comentat partizan.
Producatorul Ernst Heinkel a fost primul care a realizat un avion cu reactie dotat cu motor cu compresor centrifugal, realizat dupa patentul lui Ohain. Motorul s-a numit HeS3, iar avionul He 178. Acesta a efectuat primul zbor pe 27 august 1939 dar, probabil din cauza iminentei razboiului, evenimentul nu a fost anuntat oficial.
Tractiunea lui HeS3 era de 500 kgf, avand un raport de compresie de 2.8 : 1. 
Autoritatile germane nu au fost interesate de proiect. 

                                Ohain si motorul HeS3                            HE 178       

Primul avion cu reactie britanic, Gloster E28/29 , a efectuat primul zbor pe data de 15 mai 1942, fiind echipat cu motorul Power Jets W1, construit de Whittle. Acesta dezvolta o tractiune de 750 kgf. 

                                      Power Jet W1                                 Gloster E 28/29

                                                                     

Motorul a fost dezvoltat in Rolls Royce Welland, cu o tractiune de 700 kgf , echipand avionul Gloster Meteor care a zburat prima data in 27 iulie 1944. Au fost construite 4 000 de aparate. 

In cadrul programului Tizzard Mission de transfer tehnologie militara intre UK si USA, demarat in 1940, au fost dezvaluite partii americame informatiile despre motorul Whittle. Pe baza lor la baza s-a construit  turboreactorul  GE J 31 , care a echipat primul lor avion cu reactie operational Lockheed P 80 Shooting Star .

In Germania , desi nu reusise constructia unui turboreactor in 1935, Junkers a reluat programul in 1939 sub conducerea lui Anselm Franz . 

Acesta a inceput un proiect revolutionar , deosebit fata de motoarele cu compresor  centrifugale : motorul turboreactor cu compresor axial.

Avantajele unui diametru mai mic si o tractiune mai mare, au fost folosite in realizarea lui JUMO 004, al carui model se regaseste in toate turboreactoarele moderne. A fost primul turboreactor intrat in serviciu operational.

Primul prototip, numit 004A a fost construit fara restrictii de materiale strategice deficitare in Germania , in special aliajele pe baza de nichel din zona calda a motorului. Primul test a avut loc pe data de 11 octombrie 1940, dezvoltand o tractiune de 428 kgf la 9000 rot/min. Au urmat imbunatatiri si tractiunea a crescut la 1000 kgf. 

Primul test in zbor a avut loc pe 18 iulie 1942, montat pe un Messerschmitt Me 262V3 .

Echipa de proiectanti pentru acest proiect a fost de 500 specialisti.

                                         Jumo 004                                          ME 262

Dezvoltarea motorului s-a facut cu dificultate datorita complexitatii componentelor .

Temperatura din zona de intrare turbina era de 982 C , iar aprovizionarea cu aliaje pe baza de nichel, molibden si cobalt era deficitara. 

Compresorul era format din 8 trepte cu palete din aluminiu pentru rotor si otel pentru stator. 

Pentru usurinta in fabricatie, nu a fost folosita o camera de ardere inelara, ci 6 camere individuale.

Paletele stator turbina erau goale in interior, produse dintr-un aliaj Krupp numit Tindor cu 30% nichel sau o varianta mai simpla dintr-un aliaj Cromadur, fara nichel .

Deoarece rezistenta la temperatura a aliajelor folosite era redusa, timpul de exploatare a unui motor era de 25 ore, cu o reparatie la 10 ore.

In conditiile fabricatiei fara restrictii in aprovizionare, viata totala era de 150 ore.

Starterul era un motor in doi timpi care dezvolta 10 CP la 6000 rot/min.

 Productia initiala a inceput in 1942 cu o prima comanda de opt motoare 004A destinate testelor pe banc.

Folosind in cantitate mare aliaje cu nichel, cobalt , molibden, motoarele erau grele (850 kg). In final a fost redusa cantitatea acestora la jumatate, masa ajungand la 740 kg pentru 004B, cu sacrificarea fiabilitatii. Oricum aliajele erau deficitare. S-a folosit o constructie modulara pentru usurinta fabricatiei.

Tractiunea modelului 004B-1 era de 900 kgf folosind drept combustibil motorina.

Primele livrari s-au facut in iunie 1943, dar au aparut imediat  vibratii la turatie maxima. Problema s-a rezolvat crescand frecventa de vibratie proprie a paletelor si reducand turatia maxima la 8700 rot/min, iar productia a intrat in plin la inceputul lui 1944.

Modelul 004E este primul turboreactor ce folosete postcombustia, realizand o tractiune de 1200 kgf.

In total au fost construite peste 5 000 de motoare , ajungandu-se la un varf de 1500 buc/luna.

Au fost produse 1430 avioane Me 262, primul de serie zburand in aprile 1944.

  Un alt motor turboreactor cu compresor axial a fost BMW 003 a carui dezvoltare a inceput in 1940 , dar a ramas in urma lui Jumo 004. Au fost construite 500 motoare,  avioanele echipate fiind He 162 (320 buc) si bombardierul Aardo Ar 234 , primul  cvadrimotor propulsat cu reactie.

                                          He 162                                                   Ar 234

Au existat incercari in Marea Britanie cu motorul Metropolitan Vickers F2 , avand noua trepte de compresor axial . A fost testat pe un Gloster Meteor in noiembrie 1943 , dar a fost abandonat fiind considerat nefiabil.

In SUA, a fost dezvoltat J 30 Westinghouse  care a echipat un FG Corsair efectuand primul zbor in ianuarie 1944, fiind astfel primul motor cu compresor axial american,

In URSS  , proiectele lui Arkhip Lyulka  de turboreactoare atat cu compresor centrifugal cat si axial au fost la nivel de teste pana la finele WWII.

Dupa terminarea razboiului , motoarele realizate de nemti au fost studiate de aliati si au rezultat salturi tehnologice importante in productia de turboreactoare. 

Anselm Franz, cel care a realizat Jumo 004, a fost transferat alaturi de alti 1600 savanti si ingineri germani in in SUA prin operatiunea Paperclip . A lucrat pentru USAF si incepand cu 1951 a realizat pentru  Lycoming  T53,  turbopropulsorul de pe Huey. Se spune ca mult timp a fost imbracat cu haina lunga de piele a ofiterilor germani, de la care scosese insemnele.

Motorul BMW 003 a fost folosit ca model de rusi, care au preluat toata documentatia din fabricile BMW. Doua motoare complete capturate de rusi au fost montate pe primul avion sovietic cu reactie MIG 9 . Motoarele rusesti copiate dupa BMW 003 s-au numit RD 20, iar cele dupa JUMO , RD 10. 

In octombrie 1946,  a inceput deportarea savantilor germani in URSS, cu prioritate specialistii din aviatie, al caror numar a fost de 3558, din totalul de 7000.

O varianta mai mare a lui BMW 003, respectiv BMW 018 construit doar in faza de prototip, a fost folosita de francezi pentru realizarea motorului Snecma ATAR. care a echipat SuperEtandard , Mirage III , Mirage F1. Practic Marcel Dassault, l-a "transferat" pe seful de proiect de la BMW, Herman Ostrich. Acesta fusese capturat de americani intr-o fabrica subterana, iar toata documentatia a fost preluata de  Pratt&Whitney .Ostrich a a fost trimis in Anglia pentru un proiect de turboprop, dar a fost adus de serviciile franceze  la SNECMA , unde a construit ATAR.

Motoarele centrifugale au fost rapid imbunatatite . Rulmenti mai buni au adus cresterea turatiei si totodata scaderea diametrului. Sunt scurte si mai putin sensibile la ingestia de obiecte straine.

Englezii le-au construit pe scara larga si au vandut 55 Rolls Royce NENE  in URSS, unde rusii  au reusit sa le copieze si curand a aparut MIG-ul 15 echipat cu motorul Klimov VK 1 , copiat ulterior  de chinezi  dupa ce l-au  primit si ei de la rusi

Motoarele turboreactoare germane , construite intr-o perioada scurta si cu multe lipsuri materiale, au fost treptat imbunatatite si dezvoltate.

Principalele probleme erau legate de tractiunea scazuta si un consum mare de combustibil.

Cea mai eficienta solutie o constituia crestera raportului de compresie din compresor.

Raportul de compresie realizat de Jumo era de doar 3.14 : 1, iar valoarea  pentru un compresor simplu este de maxim 7.5:1 pentru  15 trepte,  Astfel de motor  este dificil de pornit si controlat la diverse regimuri.

Cel mai performant motor din aceasta generatie a fost J 47 produs de GE incepand cu 1947. Are un compresor simplu cu 12 trepte , realizand un raport de compresie de 5.35 :1 si o tractiune de 2300 kgf. A echipat F 86 Sabre, B 47  si a fost fabricat pana in 1956 in peste 30 000 exemplare. 

Alte motoare avand compresor simplu au fost : RR Viper .  RR Avon, SNECMA Atar, RD 9 (motorul MIG-ului 19), J 85  , J 58 (SR 71).

Limitarile de tractiune au fost rezolvate in 1948 de Pratt&Whitney  prin realizarea motorului bi-rotor, in care avem de fapt doua compresoare independente antrenate fiecare de rotoare diferite de turbina. Cele doua grupuri turbocompresoare sunt legate prin doi arbori montati unul in interiorul celuilalt, iar legatura intre ele este doar gazo-dinamica.

Primul motor astfel realizat a fost J 57 care a devenit operational in 1953, echipand B 52, B 707, DC 8, U2 precum si F 100, acesta fiind primul avion care depaseste viteza sunetului in zbor orizontal. Compresorul sau este format dintr-un grup de 9 trepte pentru joasa presiune si altul cu 7 trepte pentru inalta  presiune, avand un raport de compresie de 12.5 : 1 si tractiune 5000 kgf.

Alte motoare : Tumanski R 11 (Mig 21) , RR RB106 , RR Olympus ,

Motorul bi-rotor a fost un mare pas inainte, dar odata cu cresterea performantelor , au aparut problemele de pompaj ale compresoarelor. Acesta se manifesta printr-o curgere inversa in motor si reducerea tractiunii, sau prin "infundarea compresorului" . Paletele de compresor sunt in sectiune un profil aerodinamic si in mod similar cu acesta , la un unghi mare de atac si viteza prea mica, apare desprinderea stratului limita si curgerea turbulenta, fiind compromisa compresia. In aceasta situatie, presiunea din camera de ardere este mai mare si apare curgerea inversa care poate cauza inclusiv distrugerea paletelor.

Avioanele  militare  au o anvelopa de zbor care cuprinde diverse regimuri de zbor cu viteze si altitudini variate. Motorul trebuie sa isi pastreze caracteristicile functionale in toata anvelopa si sa poata accelera in orice conditii de zbor.

Primele solutii au constat in montarea unor supape de siguranta blow off valve care sa scada presiunea in compresor in cazul unor valori prea mari si sa asigure astfel curgerea laminara.

Rezolvarea acestui gen de probleme a aparut la GE , odata cu introducerea paletelor de stator compresor orientabile. Aceasta inventie a fost introdusa pe motorul J 79, care a fost montat pe F 104, primul avion care a zburat cu M2 . A mai  echipat si F 4.

  Palete stator reglabile

Motoarele tip bi-rotor si cu palete reglabile de compresor au permis dezvoltarea vitezelor supersonice pentru avioanele de lupta. 

In continuare s-a dorit cresterea tractiunii si a eficientei, solutia fiind motorul dublu flux.

Gazele arse in camera de combustie,  antreneaza turbina care actioneaza compresorul si apoi prin destinderea lor in ajutaj creeaza forta de tractiune. Prin cuplarea unui ventilator la o treapta de turbina se realizeaza o forta de tractiune suplimentara, asemanatoare unei elici cu multe pale. Aceasta solutie constructiva a dat nastere motorului dublu flux, sau turbofan, care realizeaza tractiuni maxime mult mai mari fata de motoarele simplu flux, avand si un consum mai mic de combustibil,  Este  mai silentios.

Istoric, primul motor dublu flux a fost proiectate in URSS de Arkhip Lyulka in 1941, care l-a inregistrat ca si patent, iar primul functional pe bancul de teste a fost Daimler Benz DB 670 in mai 1943 , ambele fiind abandonate din cauza razboiului.

                                                                      

  Turbofan

Una din caracteristicile acestor motoare este gradul de dilutie, care reprezinta raportul dintre debitul de aer antrenat de ventilator in fluxul secundar si debitul fluxului primar ce traverseaza motorul prin compresor.

Motoarele dezvoltate pentru avioanele de lupta au un grad de dilutie mai mic in comparatie cu cele ale avioanelor de  transport si folosesc si postcombustia.

Primul in productie a fost motorul Pratt&Whitney TF 30, care are un ventilator cu 3 trepte, un compresor cu 6 trepte de joasa presiune si 7 de inalta presiune, o treapta turbina inalta presiune si 3 trepte joasa presiune.

Tractiunea este de 6500 kgf si 11000 kgf cu postcombustie . A echipat F 111. F 14 

Motorul RR Pegasus este primul cu tractiune vectoriala si a echipat Harrier.

Aceasta solutie constructiva a motorului turboreactor dublu flux cu postcombustie s-a dovedit cea mai eficienta din 1970  pana in prezent, echipand toate avioanele de lupta generatia 4 si 5 fara alte modificari constructive majore.

Istoria turboreacoarelor militare

                                       

.

(va urma)