Silniki – historia i budowa cz.2 (silniki turboodrzutowe)

Silnik tłokowy był jeszcze daleki od doskonałego i wielu konstruktorów próbowało znaleźć najlepszy sposób udoskonalenia go szukając coraz bardziej nietypowych rozwiązań. Niektórzy wybrali inną drogę – turbinę – urządzenie odbierające energię przepływającego powietrza i zamieniającą ją w ruch obrotowy. W porównaniu z silnikiem tłokowym gdzie konieczne są dodatkowe elementy (korbowód z wałem zamieniające ruch posuwisto-zwrotny cylindra na ruch obrotowy) turbina jest wyjątkowo elegancka w swej prostocie – powietrze przepływając popycha łopatki, które kręcąc się napędzają wał.

Boeing 707 linii Pan Am. Jeden z pierwszych pasażerskich odrzutowców – w ciągu kilku lat odrzutowce wyparły samoloty tłokowe.
(zdjęcie: Mike Freer / Wikipedia / licencja GNU)

Idąc tym tropem – doszli do silnika turboodrzutowego – w którym turbina napędza sprężarkę (dzięki czemu silnik działa w pełnym cyklu – sprężanie, spalanie, praca), a uchodzące spaliny siłą odrzutu popychają silnik do przodu.

Początki były trudne, a pierwsze silniki odrzutowe pracowały niestabilnie – mimo to technologia okazała się przełomowa. Mniej niż dwadzieścia lat po pierwszym locie eksperymentalnego odrzutowca – samoloty pasażerskie z silnikami odrzutowymi zaczęły odbierać rynek samolotom tłokowym. Nieporównywalnie bezpieczniejsze, bardziej ekonomiczne i szybsze umożliwiły rozwój masowej komunikacji lotniczej. Wyeliminowanie tłokowej konkurencji na głównych liniach zajęło raptem kilka lat.

Nomenklatura

Silniki odrzutowe to formalnie grupa silników wykorzystujących zjawisko odrzutu – należą do nich silniki turboodrzutowe z ich odmianami, a także silniki pulsacyjne, strumieniowe i rakietowe.

Powszechnie jednak nazwą „odrzutowe” określa się silniki turboodrzutowe (czyli takie jakie występują w większości samolotów). W tym i innych tekstach będę używał terminów „odrzutowy” i „turboodrzutowy” jak synonimów.

Początki silników odrzutowych

Turbina gazowa Ægidiusa Ellinga.
(zdjęcie: Norsk Teknisk Museum / public domain)

Podwaliny pod konstrukcję silników odrzutowych i turbośmigłowych położono, w tym samym roku (1903) kiedy bracia Wright wykonali swój pierwszy lot. Norweski inżynier Ægidius Elling, po prawie 20 latach prac, skonstruował działającą turbinę gazową – osiągnęła moc 11 koni mechanicznych. W zbudowanym przez niego silniku, cały cykl pracy odbywał się nieprzerwanie – sprężarka sprężała (i podgrzewała) powietrze, które kierowane było do komory spalania, a po spaleniu paliwa gazy spalinowe obracały turbinę (ta przez wał napędzała sprężarkę).

Kolejne turbiny (niezależnie od siebie) konstruowali we Francji bracia Armengaud i w Niemczech Hans Holzwarth. We wszystkich tych przypadkach pomysły wyprzedzały dostępne technologie i trzeba było poczekać do lat trzydziestych kiedy firma Brown Boveri and Company (z nią przed pierwszą wojną związani byli bracia Armengaud) skonstruowała działającą przemysłową turbinę gazową.

Frank Whittle
(zdjęcie: Wielka Brytania / public domain)

Hans von Ohain (zdjęcie powojenne, prawdopodobnie z lat sześćdziesiątych lub siedemdziesiątych – Ohain pracując nad silnikami odrzutowymi był przed trzydziestką)
(zdjęcie: USAF / public domain)

Tym bardziej niezwykłe wydają się prace prowadzone w Wielkiej Brytanii przez Franka Whittle’a i w Niemczech przez Hansa von Ohaina, którzy równolegle, wykorzystując koncepcję turbiny gazowej, skonstruowali silniki odrzutowe nadający się do napędzania samolotów.

Zasada działania silnika odrzutowego i turbiny gazowej

Silnik turboodrzutowy wykorzystuje te same zjawiska, które wprawiają w ruch silnik spalinowy – sprężanie, spalanie, rozprężanie. O ile jednak silnik tłokowy pracuje w cyklach (sprężanie, spalanie, rozprężanie i wydech) to w silniku odrzutowym proces jest ciągły. Dzięki temu silnik jest bardziej wydajny, a jego konstrukcja – prostsza.

Silnik odrzutowy. Podpisy od lewej – wlot powietrza (inlet), sprężarka (kompresor), wał (shaft),  komora spalania (burner), turbina (turbine), dysza (nozzle).
(zdjęcie: NASA / public domain)

Budowa silnika odrzutowego (podobnie jak turbiny gazowej) opiera się na kanale, w którym kolejno ułożone są sprężarka, komora spalania (lub komory spalania), turbina i dysza wylotowa. Sprężarka obracając się realizuje pierwszy etap – spręża zassane powietrze (wraz ze wzrostem ciśnienia – wzrasta temperatura). Sprężone powietrze następnie wpada do komory spalania gdzie podawane jest paliwo i następuje spalanie. Gorące spaliny trafiają na łopatki turbiny, wprawiając je w ruch. Turbina poprzez wał napędza sprężarkę. Ta część gazów spalinowych, które minęły turbinę uchodzi przez dyszę silnika realizując główne założenie – tworząc zjawisko odrzutu.

Tak działa silnik turboodrzutowy (turbo – bo ma turbinę, odrzutowy – bo wykorzystuje odrzut). Zasada działania turbiny gazowej (z naszej symulatorowej perspektywy interesują nas jej dwie odmiany – silnik turbośmigłowy i turbowałowy) jest identyczna z silnikiem turboodrzutowym aż do turbiny. Zassane powietrze jest sprężane, następnie trafia do komory spalania, ulega spaleniu i do turbiny. Różnica polega na tym, że w silniku turboodrzutowym jedyną rolą turbiny jest zasilenie sprężarki i ewentualnie innych urządzeń (generatora), a pozostała energia gazów ma dać odrzut. W turbinie gazowej sprężarka ma za zadanie przejąć jak największą część energii. Dzięki temu turbina może napędzać jednocześnie sprężarkę i przez reduktor – śmigło (w silnikach turbośmigłowych) lub cały napęd śmigłowca (w silnikach turbowałowych) lub generator (w turbinie gazowej np. w elektrowni). Dysza wylotowa służy w tym wypadku jedynie odprowadzeniu spalin i nie generuje odrzutu (dlatego nie musi być skierowana do tyłu).

Silnik turboodrzutowy

He 178 – pierwszy samolot odrzutowy w historii.
(zdjęcie: National Museum of the USAF / public domain)

Whittle i von Ohain mieli podobne warunki pracy – obaj szli pod prąd i obaj spotkali się z nieufnością konserwatywnych konstruktorów i decydentów. Pomysł Whittle’a został szczegółowo przeanalizowany przez brytyjskie Ministerstwo Lotnictwa i odrzucony jako niemożliwy do realizacji. Podobne opinie zebrał 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 – Whittle trafił do na studia do Cambridge na koszt ministerstwa, a von Ohain objął stanowisko konstruktora u Hainkla. Obaj pierwszy sukces osiągnęli w 1937 roku – uruchomili działające turbiny gazowe. W Niemczech od tego momentu projekt dostał gwałtownego przyspieszenia, von Ohain powiększył swój dział w zakładach Hainkla, a w lipcu 1939 jego pierwszy silnik odrzutowy został wypróbowany w locie (doczepiony do prototypowego bombowca He 118). Tuż przed wybuchem wojny, 27 sierpnia, udało się wypróbować w locie pierwszy samolot odrzutowy – He 178.

Gloster E.28/39 – brytyjski prototyp zbudowany do testów silnika odrzutowego (1941).
(zdjęcie: RAF / public domain)

Wydawało by się, że te postępy i wybuch wojny powinny przyspieszyć prace Whittle’a i równolegle rozwijany od 1937 program Alana Griffitha. A jednak – na przełomie 1939 i 1940 roku Whittle pracował z raptem dziesięcioosobowym zespołem, często po 16 godzin na dobę wspomagając się tabletkami benzedryny (dostępna wtedy w aptekach odmiana amfetaminy). W 1940 był na skraju zapaści nerwowej, a jego firma na skraju bankructwa. Dopiero wizyta przedstawiciela Ministerstwa Lotnictwa – Davida Randalla Pye zmieniła sytuację – Whittle dostał dofinansowanie i zamówienie na silnik, który będzie można przetestować w samolocie Gloster.

1940 to rok kiedy projektowanie silników odrzutowych nabrało rozpędu. W Niemczech po sukcesach von Ohaina kilka firm lotniczych (przede wszystkim BMW i Junkres) rozpoczęło własne prace. W Wielkiej Brytanii Whittle dostał pieniądze na badania i został zauważony co doprowadziło szybko do współpracy z firmą Rover. Griffith w tym okresie pracował już nad silnikami odrzutowymi w Rolls-Royce. Wkrótce dział „odrzutowy” Rovera dołączył do RR.

Początek lat czterdziestych to również spóźniony start Amerykanów w wyścigu do silnika odrzutowego. Whittle, odesłany za ocean, pomógł rozpocząć amerykańskie badania.

Zastosowanie bojowe

Messerschmitt Me 262.
(zdjęcie: NASA / public domain)

Efektem tych prac było pojawienie się jeszcze przed zakończeniem drugiej wojny światowej samolotów bojowych z silnikami odrzutowymi.

Gloster Meteor – pierwszy odrzutowiec RAFu.
(zdjęcie: NASA / public domain)

Jako pierwsi do jednostek samolot odrzutowy wprowadzili Brytyjczycy. Gloster Meteor napędzany był dwoma turboodrzutowymi silnikami Rolls-Royce Derwent ze sprężarką odśrodkową. Spalanie odbywało się w dziesięciu komorach spalania. Spaliny napędzały jednostopniową turbinę osiową. Podobną konstrukcję miał silnik J33 zastosowany w amerykańskim myśliwcu P-80 (który na wojnę już nie zdążył).

Przekrój Rolls Royce Nene (następca RR Derwent). Z przodu (po lewej) wyraźnie widać duży dysk sprężarki odśrodkowej.
(ilustracja: NASA / public domain)

Niemcy we wprowadzonym tylko minimalnie później (i użytym w znacznie większej skali) Me 262 (w FSX dostępny w wykonaniu Flight 1) zastosowali silniki Jumo 004, w którym wykorzystano ośmiostopniową sprężarkę osiową, sześć komór spalania i jednostopniową (również osiową) turbinę.

Niemiecka technika trafiła do USA. Jumo 004 badany przez Amerykanów. Wyraźnie widać odsłoniętą sprężarkę osiową.
(zdjęcie: NASA / public domain)

To rozwiązanie – choć dziś dominujące – zostało wprowadzone zbyt pośpiesznie i pokazało w sposób dotkliwy wszystkie słabe strony silników turboodrzutowych. Najsłabszym elementem Jumo 004 była sprężarka osiowa – wirujące z dużą prędkością wieńce łopatek nie wytrzymywały ogromnych naprężeń. Zawiniły słabe materiały (III Rzesza nie miała dostępu do niezbędnych składników stopowych) i zły projekt. Po wojnie Brytyjczycy i Amerykanie potwierdzili, że projekt nie był dopracowany – Whittle na przykładzie swoich silników i Jumo 004 pokazywał różnicę w podejściu – Brytyjczycy poszli na ustępstwa, zarówno pod względem osiągów jak i czasu wdrożenia, aby uzyskać bardziej niezawodną konstrukcję, Niemcy postawili na osiągi i szybkość wdrożenia.

Z punktu widzenia użytkownika różnica była dramatyczna. Jumo 004 miał resurs (określoną przez producenta żywotność) na poziomie od 25 do 35 godzin, ale ze względu na braki materiałowe i niewłaściwe użytkowanie na ogół nie osiągał nawet 10 godzin pracy. Dla porównania brytyjski RR Derwent osiągał bez większych problemów zakładane 125 godzin (początkowo – później resurs Derwentów wzrósł do kilkuset godzin pracy).

Silniki ze sprężarką osiową cierpiały również bardziej z powodu większej podatności na pompaż czyli oderwanie strugi powietrza od wlotu silnika lub łopatki sprężarki. Skutkiem zaburzenia przepływu powietrza wewnątrz sprężarki był chwilowy spadek mocy, zgaśnięcie silnika lub (w najbardziej drastycznych przypadkach kiedy sprężone powietrze wyrzucane było z powrotem w kierunku wlotu silnika) – zniszczenie sprężarki.

Wszystkie ówczesne silniki odrzutowe wymagały od pilota delikatnej i uważnej obsługi. Szybkie ruchy przepustnicy były niedopuszczalne, zarówno gwałtowny wzrost dopływu paliwa, jak i jego spadek prowadziły do gaśnięcia silnika na z powodu radykalnej zmiany składu mieszanki paliwowo powietrznej w komorze spalania (ilość powietrza zmieniała się z opóźnieniem – dopiero po tym jak sprężarka zwolniła).

Sprężarki osiowe i odśrodkowe

Od końca lat trzydziestych do dziś silniki turboodrzutowe wykorzystują dwa rodzaje sprężarek – odśrodkowe i osiowe.

Wirnik sprężarki odśrodkowej.
(zdjęcie: NASA / public domain)

Sprężarka odśrodkowa wykorzystuje wirnik, w którym łopatki kierują zassane centralnie powietrze na zewnątrz. W ten sposób możliwe jest uzyskanie sprężu na poziomie 1:3, a nawet nieco większego. Ze względu na konstrukcję wirnika – jest on znacznie mocniejszy niż wieniec sprężarki osiowej, a jednocześnie ma mniejszą wrażliwość na zaburzenia przepływu powietrza. Sprężarki odśrodkowe charakteryzują się wysoką sprawnością w szerokim zakresie prędkości obrotowych.

Sprężarka osiowa – w tym wypadku dwunastostopniowa sprężarka silnika J73.
(zdjęcie: USAF / public domain)

Sprężarka osiowa składa się z kilku (czasem kilkunastu i więcej) wieńców łopatek, które sprężają przepływające powietrze. W porównaniu do sprężarki odśrodkowej – jeden wieniec łopatek ma niski spręż (1:1,12-1:6 dla sprężarek poddźwiękowych i 1:2-1:2,5 dla naddźwiękowych) – dlatego sprężarki odśrodkowe w silnikach turboodrzutowych budowane są wielostopniowo (wspomniany wcześniej Jumo 004 napędzający myśliwiec Me 262 miał 8 wieńców sprężarki). Największą zaletą sprężarki osiowej jest jej bardzo wysoka sprawność przy nominalnych obrotach oraz dobre parametry pracy przy wysokich prędkościach.

Pierwsze doświadczenia i pierwsze problemy

Bojowe wykorzystanie samolotów odrzutowych pozwoliło błyskawicznie (w porównaniu do tempa wcześniejszych badań) wypracować odpowiednie procedury użytkowania i opisać występujące problemy.

W porównaniu z wcześniej używanymi samolotami tłokowymi największą zmianą był całkowity zakaz wykonywania zakrętów z przeciągnięciem i korkociągu. W obu przypadkach mogło dojść do silnego pompażu i uszkodzenia silników.

Ryzyko pompażu zachodziło również w czasie wznoszenia (szczególnie z małą prędkością) – wymagana była w takiej sytuacji redukcja dopływu paliwa przy pierwszych oznakach tego zjawiska i odczekanie aż do unormowania przepływu powietrza przez silnik przed powolnym zwiększeniem mocy (dopływu paliwa). Dla prawidłowego wznoszenia ustalono optymalną (w tym wypadku – również dla silników) prędkość, której pilot musiał się trzymać (w przypadku Gloster Meteor było to M0,63 – prędkość wyrażona liczbą Macha).

Również dla lotów w turbulencji wyznaczono precyzyjnie prędkości lotu. Na przykładzie Gloster Meteora – 215-225 węzłów do wysokości 20tys. stóp, a wyżej M0,5, aż do wysokości, na której M0,5 odpowiada prędkości 195 węzłów (IAS). Powyżej tej wysokości – 195 węzłów. Te ograniczenia wynikały z konieczności zapewnienia najlepszego przepływu powietrza przez silnik.

Wczesne silniki turboodrzutowe były fatalnie chłodzone – jednym z najważniejszych parametrów pracy była temperatura. Przekroczenie dopuszczalnej wymuszało redukcję mocy.

Jeśli samolot wpadł w korkociąg – pierwszym ruchem pilota musiała być redukcja dopływu paliwa do minimum.

Instrukcje zwracają uwagę na konieczność utrzymywania relatywnie wysokich obrotów na podejściach do lądowania – tak aby zapewnić możliwość odejścia na drugi krąg. Ówczesne silniki miały bardzo dużą bezwładność i szybkie zwiększenie mocy nie było możliwe (za to mogło doprowadzić do zgaśnięcia silnika).

Me 262. Przy wszystkich mankamentach wczesnych silników odrzutowych – samolot ten był śmiertelnym zagrożeniem dla każdego wroga jeśli tylko pracował w warunkach do których był stworzony (czyli latając szybko i wysoko).
(zdjęcie: USAF / public domain)

Wszystkie te mankamenty znacznie ograniczały możliwość zastosowania bojowego samolotów odrzutowych. Sprawdzały się one rewelacyjnie w warunkach kiedy wykonywały loty z dużą prędkością. Im wolniej leciały tym gorzej wyglądały na tle samolotów tłokowych. Charakterystyczne jest to, że niemieckie myśliwce tłokowe eskortowały startujące i lądujące Me 262 – te, ze względu na małą dynamikę, były praktycznie bezbronne w tych fazach lotu.

Zimnowojenny rozwój

Rolls Royce Nene. Silnik zastosowany do napędzania w co najmniej kilkunastu brytyjskich samolotach. Amerykańska kopia (licencyjna) napędzała pierwsze odrzutowce pokładowe US Navy (F9F Panther), a radziecka kopia – myśliwce MiG-15.
(zdjęcie: JAW / licencja GNU)

Tuż po wojnie silniki odrzutowe stosowano praktycznie wyłącznie w samolotach wojskowych. Po kilku raptem latach politycznej współpracy między wschodem a zachodem (Brytyjczycy w tym czasie zdążyli sprzedać Sowietom swój doskonały silnik odrzutowy RR Nene) konkurencja między mocarstwami zaczęła nabierać tempa. Konflikt – nawet zimny – podtrzymał rozwój silników.

Napędzany silnikiem Klimow WK-1 (radziecki RR Nene) MiG-15.
(zdjęcie: NARA / public domain)

Podstawowym problemem z jakim musieli zmierzyć się konstruktorzy była niestabilna praca silników ze sprężarkami osiowymi i słabe parametry sprężarek odśrodkowych przy dużych prędkościach. Na to ostatnie rozwiązania nie znaleziono i do dziś sprężarki odśrodkowe stosuje się wyłącznie w silnikach samolotów poddźwiękowych. Wyraźnie było jednak widać potencjał sprężarki osiowej. Trudność rozwijania tej konstrukcji polegała na konieczności uporządkowania przepływu powietrza w każdych warunkach pracy silnika.

Aż do przełomu czterdziestych i pięćdziesiątych silnik turboodrzutowy ze sprężarką osiową najlepiej pracował na granicy maksymalnych obrotów i przy bardzo dużej prędkości lotu. Idea pracy wielostopniowej sprężarki osiowej polega na tym, że każdy stopień sprężarki dostarcza odpowiednią ilość powietrza do następnego stopnia. Jeśli ilość powietrza dostarczona przez pierwszy stopień jest zbyt duża – następuje zakłócenie przepływu. W sprężarkach osiowych optymalna ilość powietrza na każdym wieńcu łopatek występuje jedynie przy pracy z nominalnymi obrotami i przy dużej prędkości lotu. Przy niższych obrotach – pierwsze wieńce pompują zbyt wiele powietrza i trzeba je upuszczać zaworami na zewnątrz. Wykonana praca (sprężanie powietrza) marnuje się.

J47, a w tle F-86. Wyraźnie widać komory spalania i osłonę termiczną turbiny.
(zdjęcie: USAF)

Początkowo poprawę działania uzyskano dopracowując technikę wykonania i sterowania silnikiem. Ideą amerykański General Electric J47 nie różnił się szczególnie od niemieckiego Jumo 004. W detalach – były to zupełnie różne silniki. Kilka lat badań nad aerodynamiką przepływu powietrza przez sprężarkę pozwoliło zmniejszyć zdecydowanie ryzyko poważnego pompażu (i choć samego zjawiska nie wyeliminowano to prawdopodobieństwo uszkodzenia silnika przez niewłaściwą obsługę spadło radykalnie), wyeliminowano również ryzyko zgaśnięcia silnika przez poprawione sterowanie dopływem paliwa. Jak się okazało J47 do dziś utrzymuje rekord najliczniej produkowanego silnika turboodrzutowego w historii – głównie za sprawą masowo produkowanego myśliwca F-86 Sabre.

Dopalacz

Efekt wstrzyknięcia paliwa w strumień gazów wylotowych.
(zdjęcie: US Navy / public domain)

Kiedy uporano się z zawodnością i ograniczeniami jakie wynikały z niedoskonałości pierwszych silników odrzutowych wypracowano metodę znacznego zwiększenia ciągu silnika (kosztem dużej ilości paliwa).

Dopalacz to system wstrzykujący paliwo w strumień gorących spalin za turbiną. Na skutek spalania – prędkość spalin wzrasta podnosząc znacznie ciąg silnika.

Rozwiązanie to jest odpowiednie do silników samolotów wojskowych, które powinny mieć niewielki rozmiar (i masę), a jednocześnie generować wysoki ciąg w czasie walki. W przeciwieństwie do silników samolotów bojowych – w lotnictwie cywilnym bardziej liczy się ciąg, który silnik może wytwarzać przez bardzo długi czas – bardziej optymalnym rozwiązaniem prowadzącym do tego jest stworzenie większego silnika.

Dwa wały

Silnik dwuwałowy (na przykładzie nowoczesnego silnika turbowentylatorowego).
Kolorem szarym zaznaczono sprężarkę niskiego ciśnienia, wał wewnętrzny i turbinę niskiego ciśnienia. Kolorem czarnym – sprężarkę i turbinę wysokiego ciśnienia oraz łączący je wał.
(ilustracja: NASA / public domain)

J47 mógł być silnikiem bardzo dobrym, ale nie był przełomem. Amerykańskie F-86 nad Koreą spotkały MiGi-15 – napędzane radziecką wersją (kopią) brytyjskiego RR Nene – wersji rozwojowej Derwenta z czasów wojny. Oba silniki, przy minimalnych różnicach koncepcyjnie tkwiły w połowie lat czterdziestych. To się miało zmienić – Pratt & Whitney oraz General Electric pracowały nad dwoma rozwiązaniami, które miały pchnąć rozwój silników odrzutowych na zupełnie nowe tory.

J57
(zdjęcie: USAF / public domain)

P&W stworzyło silnik J57 zmieniając cały układ. J57 miał dwie turbiny zamontowane na oddzielnych wałach (jeden wewnątrz drugiego). Każda turbina, przez swój wał napędzała oddzielną sprężarkę (kilkustopniową). Powstał układ dwuwałowy, z oddzielnym zestawem turbiny i sprężarki niskiego ciśnienia (przednia sprężarka i tylna turbina) oraz turbiny i sprężarki wysokiego ciśnienia (tylna sprężarka i przednia turbina). W tym układzie energia turbiny była lepiej wykorzystywana i zmniejszono straty niepotrzebnie sprężonego powietrza. Silniki J57 wykorzystano w pierwszych naddźwiękowych samolotach bojowych (F-100 Super Sabre), bombowcach strategicznych B-52 i wielu innych maszynach wojskowych. Cywilna wersja J57 (bez dopalacza) posłużyła za napęd Boeinga 707 i DC-8 – samolotów, które zrewolucjonizowały transport pasażerski wypierając w krótkim czasie maszyny tłokowe.

F-100 – pierwszy myśliwiec przekraczający prędkość dźwięku w locie poziomym.
(zdjęcie: USAF / public domain)

Kierownice gazów

Siedemnaście stopni sprężarki J79. Kierownice gazów zamontowane były do obudowy, między wieńcami turbiny.
(zdjęcie: Wikipedia / licencja GNU)

General Electric rozwijało układ jednowałowy. W J79 zastosowano rozbudowaną, siedemnastostopniową sprężarkę osiową, której wydajną pracę zapewniły zastosowane po raz pierwszy ruchome kierownice gazów – aerodynamiczne łopatki zamontowane między wieńcami sprężarki, których położenie reguluje prędkość powietrza i kierunek jego zawirowań, poprawiając rozkład ciśnienia wewnątrz sprężarki i uniemożliwiając zbyt dużej ilości powietrza osiągnięcie kolejnych wieńców. Rezultaty były tak dobre, że przy pierwszych próbach prototypu konstruktorzy podejrzewali nieprawidłowe wskazania przyrządów pomiarowych. Pomiary były prawidłowe – dzięki 17-stopniowej sprężarce silnik ten świetnie nadawał się do napędzania samolotów, które miały osiągać wielkie prędkości. Zastosowano go w F-104, B-58, F-4 Phantom, A-5 Vigilante.

Animacja pokazująca łopatki turbiny i kierownice gazów.
(animacja: NASA / public domain)

Dwa przepływy

Po naszej stronie Atlantyku Brytyjczycy szli swoją drogą. Kiedy Amerykanie rozwijali J57 i J79, Rolls Royce wybrał początkowo rozwiązanie podobne go General Electric – prototypy silnika RR Avon korzystały z ruchomych kierownic gazów, jednak nie udało się osiągnąć efektywności porównywalnej z J79. Zrezygnowano więc z większości ruchomych kierownic, pozostawiając jedynie stałe elementy prowadzące strugę gazów i ruchomą kierownicę przed pierwszym stopniem sprężarki. Kierowania strugą powietrza zastąpiono upustem powietrza. RR Avon znalazł zastosowanie w pasażerskich odrzutowcach Comet i Caravelle. Zanim rozwój Avona dobiegł końca Rolls Royce pracował już nad nową konstrukcją, która miała wskazać kierunek na przyszłość.

RR Conway
(zdjęcie: Nimbus227 / Wikipedia / public domain)

Silnik RR Conway był rozwinięciem Avona w technologii dwuwałowej. Brytyjczycy wprowadzili przy okazji modyfikację, która dziś jest standardem – za sprężarką niskiego ciśnienia podzielili powietrze na dwa przepływy – zewnętrzny i wewnętrzny, w którym powietrze sprężane jest przez sprężarkę wysokiego ciśnienia i trafia do komory spalania. Dzięki takiemu podziałowi sprężarka niskiego ciśnienia generowała część ciągu silnika (zachowując się niczym wielołopatowe śmigło).

Z tym silnikiem wiąże się użyte po raz pierwszy pojęcie stosunku dwuprzepływowowści – czyli stosunku między masą powietrza przepływającego przez zewnętrzny kanał do masy powietrza przepływającego kanałem wewnętrznym. Conway był silnikiem o niskim stosunku dwuprzepływowości.

Ilustracja silnika bardzo podobnego do RR Conway. W tym wypadku siedem stopni sprężarki niskiego ciśnienia, osiem stopni sprężarki wysokiego ciśnienia, jednostopniowa turbina wysokiego ciśnienia i dwustopniowa turbina niskiego ciśnienia. Conway różnił się jedynie tym, że posiadał 7-stopniową sprężarkę niskiego ciśnienia.
(ilustracja: NASA / public domain)

Dzisiaj przyjmuje się, że silnik turbowentylatorowy to taki, który ma co najwyżej 2 lub 3 stopnie niskiego ciśnienia lub pojedynczy wentylator. Conway był jednak bezpośrednim poprzednikiem tych silników i pierwszym silnikiem dwuprzepływowym.

Amerykańską odpowiedzią na Rolls Royce Conway był zmodyfikowany silnik J57 czyli JT3D. Upraszczając nieco opis – od J57 różnił się przede wszystkim dodaniem wentylatora o większej średnicy przed sprężarką niskiego ciśnienia (na tym samym wale). JT3D charakteryzował się mniejszym zużyciem paliwa niż J57 i szybko został przyjęty w rozwojowych wersjachBoeinga 707, DC-8 i B-52.

Osiem silników JT3D (parami po dwa) w B-52.
(zdjęcie: USAF / public domain)

To jeden z ostatnich silników, który został masowo zastosowany w samolotach cywilnych i bojowych. Od tego momentu rozwój silników poszedł dwiema wyraźnymi drogami.

Silniki samolotów bojowych

Pratt & Whitney TF30 jest idealnym przykładem silnika samolotu bojowego z początku lat sześćdziesiątych. Silnik turbowentylatorowy, o niskim stosunku dwuprzepływowości, z dopalaczem. Zastosowany w F-111 i F-14 zapewniał ekonomiczną eksploatację (w relacji do wcześniejszych wojskowych silników odrzutowych) i pozwalał na uzyskanie prędkości naddźwiękowej. TF30 zbudowany był w układzie 3 stopni wentylatora, 6 stopni sprężarki niskiego ciśnienia (wentylator i sprężarka niskiego ciśnienia na jednym wale) i 7 stopni sprężarki wysokiego ciśnienia – widoczne jest podobieństwo do wspomnianego wcześniej JT3D.

F-100 – nowoczesny silnik turbowentylatorowy napędzający samoloty F-16 i F-15.
(ilustracja: Pratt & Whittney)

W produkowanych później silnikach samolotów myśliwskich i szturmowych zrezygnowano oddzielnego wentylatora i sprężarki niskiego ciśnienia. F-100 (napęd F-15 i F-16) posiada trzystopniowy wentylator i 10 stopniową sprężarkę wysokiego ciśnienia. F-101 (bombowiec B-1B) – dwustopniowy wentylator i dziewięciostopniową sprężarkę wysokiego ciśnienia. F-119 (myśliwiec F-22 Raptor) – 3-stopniowy wentylator i 6 stopniową sprężarkę wysokiego ciśnienia. Identyczny układ ma F-135 (samolot wielozadaniowy F-35 – Joint Strike Fighter).

We wszystkich tych silnikach główny nacisk położono na zwiększenie efektywności sprężarki (dzięki temu zredukowano ilość stopni – przypomnę tylko, że J79 miał siedemnastostopniową).

Wojskowi trzymają się koncepcji silnika o niskim stosunku dwuprzepływowości ponieważ umożliwia on lot z prędkościami naddźwiękowymi. Cywilne silniki turbowentylatorowe o dużym stosunku dwuprzepływowości nie są w stanie osiągać prędkości naddźwiękowych.

Dwuprzepływowy a turbowentylatorowy

Przy okazji silników wojskowych warto wspomnieć o małym zamierzaniu w nazewnictwie. W języku angielskim termin „turbowentylatorowy” dotyczy właściwie wszystkich silników dwuprzepływowych. Jeśli jest jakaś formalna granica między jednym a drugim to dotyczy ilości stopni wentylatora. Przyjmuje się, że turbowentylatorowy ma maksymalnie trzy wieńce łopatek. Jednocześnie zaznacza się stosunek dwuprzepływowości (niski lub wysoki).

Silnik turbowentylatorowy o wysokim współczynniku dwuprzepływowości.
(ilustracja: K. Aainsqatsi / Wikipedia / licencja GNU)

Silnik turbowentylatorowy o niskim stosunku dwuprzepływowości.
(ilustracja: K. Aainsqatsi / Wikipedia / licencja GNU)

W języku polskim podział jest mniej klarowny i często rozróżnia się silniki turbowentylatorowe (na ogół silniki z pojedynczym wentylatorem o dużym stosunku dwuprzepływowości) i dwuprzepływowe (z wielostopniowym wentylatorem, o niskim stosunku dwuprzepływowości).

W tym tekście trzymam się zasadniczo definicji anglojęzycznych – tak aby swobodnie rozróżniać silniki dwuprzepływowe (J57) i turbowentylatorowe (JT3D i późniejsze).

Silniki samolotów cywilnych i transportowych

W latach sześćdziesiątych w lotnictwie cywilnym dominowały silniki dwuprzepływowe i turbowentylatorowe o niskim stopniu dwuprzepływowości. Nie były szczególnie ekonomiczne i nie pozwalały na budowę ciężkich samolotów, które mogły by pokonywać długie trasy (Boeing 707 latający m. in. na trasach atlantyckich miał kabinę porównywalną z aktualnie latającymi 737).

C-5 Galaxy. Pierwszy samolot napędzany silnikami turbowentylatorowymi o wysokim stosunku dwuprzepływowości.

Na początku lat sześćdziesiątych amerykańskie lotnictwo opisało specyfikację strategicznego samolotu transportowego przyszłości. Po przedstawieniu wstępnych projektów Boeing, Douglas i Lockheed otrzymały roczny kontrakt na prace projektowe nad płatowcem, a General Electric i Pratt & Whitney na pracę nad silnikami. Samolot wielkością i ładownością miał przyćmić wszystko co zbudowano wcześniej, a to wymagało silników, które będą silniejsze i bardziej ekonomiczne od dostępnych na rynku (koncepcję samolotu sześciosilnikowego na tym etapie już wykluczono).

Latające stanowisko badawcze – B-52E. Zamiast dwóch silników J57 zamontowano pojedynczy TF39. Zwraca uwagę różnica wielkości.
(zdjęcie: USAF / public domain)

Wynikiem tych prac ze strony Lockheeda był C-5 Galaxy, do którego General Electric dostarczył napęd. Silnik TF39 był równie niezwykły jak samolot, który miał napędzać – po raz pierwszy zastosowano wentylator o dużej średnicy (jednostopniowy). Po raz pierwszy ciąg generowany przez wentylator był większy niż ciąg powodowany odrzutem. Turbina pracowała w rekordowych jak na tamte czasy temperaturach i wymagała wymuszonego chłodzenia powietrzem (które było możliwe dzięki masom powietrza tłoczonym przez wentylator). Silnik osiągał 205kN (kilo niutonów) ciągu. Dla porównania – opisane wcześniej J79 – 53kN, JT3D ok 100kN.

Boeing 747-100 z silnikami JT9D.
(zdjęcie: Eduard Marmet / Wikipedia / licencja GNU)

Boeing, choć odpadł z konkursu na transportowiec, kontynuował prace nad swoim samolotem  szerokokadłubowym. Konstrukcja samolotu pasażerskiego zmieniła się bardzo w porównaniu z tym co proponowano siłom zbrojnym, ale niecały rok po pierwszym locie C-5 Lockheeda, pierwszy prototyp Boeinga 747 wzniósł się w powietrze. Napędzały go silniki Pratt & Whitney JT9D – przygotowana w ramach tego samego programu badawczego konkurencja tych, które wykorzystano w C-5.

Douglas również nie pogrzebał wyników prac. W 1970, rok po Boeingu 747 wystartował do pierwszego lotu trzysilnikowy DC-10. Dwa lata opóźnienia w stosunku do C-5 pozwoliły wykorzystać rozwinięcie silnika TF39 czyli CF6.

W 1972 do gry weszli Brytyjczycy. Ich Rolls-Royce RB211 napędzał Lockheed L-1011 Tristar. W RB211 Brytyjczycy wykorzystali aż trzy wały napędzające sprężarkę wysokiego ciśnienia, sprężarkę średniego ciśnienia i wentylator. Tej koncepcji RR trzyma się do dziś (w silnikach Trent), choć nie znalazła ona uznania u amerykańskich producentów.

Lockheed Tristar.
(zdjęcie: © www.tijets.com)

Skonstruowanie tych trzech silników pchnęło głównych producentów do ostrej konkurencji. Podobieństwa między równolegle rozwijanymi liniami silników pozwalają liniom lotniczym wybierać praktycznie dowolnego producenta silników do swoich samolotów – praktycznie wszyscy główni producenci samolotów korzystają obecnie z silników GE, P&W i RR.

Nie zmienia się również ogólna koncepcja silnika turbowentylatorowego o dużym stopniu dwuprzepływowości. Układ z pojedynczym wentylatorem o dużej średnicy, sprężarką średniego  ciśnienia (wentylator traktowany jest jak sprężarka niskiego ciśnienia) i sprężarką wysokiego ciśnienia (na dwóch lub trzech wałach).

Silniki różnią się napędem sprężarek i wentylatora. W najprostszym układzie dwuwałowym – wewnętrzny wał napędza sprężarkę średniego ciśnienia i wentylator. W bardziej skomplikowanym układzie (Rolls Royce) – trzy wały napędzają dwie sprężarki i wentylator. W niektórych silnikach stosuje się przekładnię, która redukuje obroty wentylatora.

GEnx – wyraźnie widoczny ogromny wentylator.
(zdjęcie: Olivier Cleynen / Wikipedia / CC Attribution-Share Alike)

Podobnie jak w przypadku opisanych wcześniej silników wojskowych – silniki cywilne przez ostatnie 40 lat zachowały w zasadzie ten sam układ. Ich rozwój obecnie polega przede wszystkim na zwiększaniu wydajności wentylatora, sprężarek i turbin. Wyraźnie widać wzrost średnicy wentylatora – 92 cale w JT9D i 111 cali w GEnx napędzającym Boeinga 787 i 747-8.

Wczesny Boeing 737 – charakterystyczne podłużne silniki.
(zdjęcie: NASA / public domain)

Silniki turbowentylatorowe o dużym stosunku dwuprzepływowości szybko znalazły zastosowanie w mniejszych samolotach. Niemały wpływ na to miał kryzys paliwowy z 1973 roku, który wymusił poszukiwanie oszczędności w transporcie lotniczym. Nowe typy samolotów łatwo rozpoznać – podłużne „rury” silników zaczepione pod skrzydłami (np. Boeing 737-100) zmieniły się w pękate silniki, które kojarzymy z obecnie używanych samolotów (od 737-300 do najnowszych modeli).

Boeing 737-300 – pierwsza seria 737 z silnikami turbowentylatorowymi i wysokim stosunku dwuprzepływowości.
(zdjęcie: Arpingstone / Wikipedia / public domain)

Zastosowanie wentylatora, poza obniżeniem zużycia paliwa, wpływa również na ograniczenie hałasu powodowanego przez silnik. Im większa część ciągu jest wytwarzana przez wentylator tym mniej silnik hałasuje. Popularyzacja takich silników umożliwiła stopniowe zaostrzanie przepisów dotyczących ograniczenia hałasu wokół lotnisk.

Rozwiązania specjalne

Nakreślone wyżej kierunki rozwoju konstrukcji silników nie są jedynymi stosowanymi. Pomimo słabych parametrów silników jednoprzepływowych (i jednowałowych) w szerokim zakresie osiągów – mają one niszę, w której znajdują się świetnie. Tam gdzie potrzebna jest ogromna prędkość na dużym pułapie – są idealne. Takie silniki napędzały Concorde’a i radzieckie myśliwce MiG-25 (najszybsze samoloty myśliwskie w historii). Należy jednak pamiętać, że oba samoloty (delikatnie mówiąc) ekonomiczne nie były.

Concorde – zastosowano silniki jednoprzepływowe.
(zdjęcie: Arpingstone / Wikipedia / public domain)

Przykład MiGa-25 i jego silników Tumański R-15BD-300 pokazuje jednak ograniczenia silników turboodrzutowych. Zamontowane silniki zapewniały nieporównywalną z żadnym zachodnim myśliwcem prędkość wznoszenia i najwyższą prędkość maksymalną. Z tą prędkością jest zresztą związane kilka ciekawostek. Najwyższa zanotowana prędkość MiGa-25 to M3,2. Taką prędkość osiągnął syryjski MiG-25 uciekając przed atakiem izraelskich myśliwców. Syryjczycy po tym locie mieli wymienić silniki na nowe. Według radzieckiego pilota-uciekiniera Wiktora Bielenko, który uprowadził MiGa-25 do Japonii w 1976 roku, prędkość maksymalna wszystkich wersji była ograniczona instrukcją do M2.83. Taką prędkość osiągały samoloty obciążone uzbrojeniem, a maszyna nadal miała zapas mocy. Prędkość w tym wypadku ogranicza konstrukcja silnika, który w okolicach prędkości M3.0 zaczyna pracować jak silnik strumieniowy. Amerykanie ten sam problem napotkali konstruując SR-71 Blackbird – ale w nich zastosowano zupełnie inne silniki (które opiszę w innym tekście).

MiG-25 – dwa silniki jednoprzepływowe o ogromnej mocy zapewniały prędkość do 3 Mach.
(zdjęcie: US Army / public domain)

Koncepcje radzieckie

Sowieci do konkurencji w dziedzinie silników odrzutowych przystąpili dopiero po wojnie, za sprawą silników zdobytych na Niemcach. Jak-15 i MiG-9 były pierwszymi radzieckimi samolotami odrzutowymi – wykorzystywały radzieckie kopie niemieckich silników Jumo 004 i BMW 003 (te same silniki posłużyły Francuzom jako punkt wyjścia ich prac badawczych).

W czasie wojny koreańskiej radzieckie myśliwce MiG-15 napędzane były silnikami pochodzącymi z brytyjskich Rolls Royce’ów, a wprowadzone w latach pięćdziesiątych MiGi-17 korzystały z radzieckiej wersji rozwojowej RR Nene.

Dopiero Jak-25 i MiG-19 otrzymały skonstruowane od podstaw radzieckie silniki Tumański RD-9 (wczesna nazwa – Mikulin AM-5).

Tu-154M – trzy silniki turbowentylatorowe o niskim stosunku dwuprzepływowości nie były ani ciche ani ekonomiczne. Trzeba jednak przyznać, że jest to najszybszym pasażerski samolot poddźwiękowy.
(zdjęcie: Eduard Marmet / Wikipedia / licencja GNU)

Sowieci nie mieli większych problemów z konstruowaniem silników dwuwałowych, a od początku lat siedemdziesiątych – trzywałowych. W radzieckich silnikach turbowentylatorowych (o niskim stosunku dwuprzepływowości) dominuje rozwiązanie trzywałowe – wentylator napędzany jest trzecią turbiną. Nie udało się jednak przez dłuższy czas wprowadzić silników turbowentylatorowych o wysokim stopniu dwuprzepływowości – z tego powodu wszystkie radzieckie samoloty pasażerskie, łącznie z szerokokadłubowym Iłem-86 napędzane były silnikami technologicznie trzymającymi poziom dużo starszych silników zachodnich. To uderzało w ekonomię eksploatacji, a od momentu wprowadzenia ograniczeń hałasu – zamknęło zachodnie lotniska dla wielu radzieckich samolotów.

Ił-96 – rosyjski samolot pasażerski napędzany silnikiem PS-90. To pierwszy rosyjski silnik o wysokim stopniu dwuprzepływowości. Pierwszy lot – 1992.
(zdjęcie: Kirill Naumenko / Wikipedia / CC Attribution-Share Alike)

Silniki turbowentylatorowe o dużym stosunku dwuprzepływowości pojawiły się na wschodzie tuż przed upadkiem Związku Radzieckiego, a na większą skalę – dopiero w latach dziewięćdziesiątych.

Sprężarka odśrodkowa ponownie

Wraz z rozwojem techniki skomplikowane technologie tanieją i upowszechniają się. Równolegle do samolotów komunikacyjnych mniejsze silniki turboodrzutowe trafiały do samolotów dyspozycyjnych. Wraz z pojawieniem się na rynku lekkich odrzutowców takich jak Cessna CJ series konstruktorzy wrócili do koncepcji sprężarki odśrodkowej. Silniki takie jak Williams FJ44 zastępują osiową sprężarkę wysokiego ciśnienia sprężarką odśrodkową (zachowując osiową sprężarkę niskiego ciśnienia i wentylator).