Logowanie

Zdjęcie dnia

  • Jacek Grześkowiak

    Jacek Grześkowiak

Newsletter

Cotygodniowa porcja informacji lotniczych

JOOMEXT_TERMS

Pogoda

 


Dołącz do nas !

FB TW google-plus-ikona-2012 YT 

 


Pierwszy odrzutowy silnik lotniczy zastosowany w samolocie

 

Za konstruktora i twórcę pierwszego lotniczego silnika odrzutowego powszechnie uważany jest Frank Whittle. Zaprojektował on i opatentował ten silnik w 1937 a prototyp wykonał w 1939. Jego absolutne nowatorstwo polegało na ty, że wprowadził do konstrukcji tego typu silnik turbinę gazową, napędzającą sprężarkę odśrodkową. Lecz nim ten projekt się pojawił, lotniczy silnik odrzutowy już istniał od wielu lat, a jego historia rozpoczęła się w roku 1908- była to idea, którą najtrafniej oddaje nazwa: MOTORJET. Jest to naprawdę interesujący i fascynujący kawał historii lotnictwa i ludzi z nim związanych, często wyprzedających pomysłami i rozwiązaniami technicznymi swoją epokę.

W historię tego silnika zaangażowani byli najsławniejsi konstruktorzy w historii lotnictwa. Co ciekawsze, sam Frank Whittle, nim dokonał rewolucyjnego przełomu w konstrukcji silnika odrzutowego, wprowadzają turbinę gazową, w 1936 zbudował bardzo ciekawy motorjet, który z zewnątrz, w odróżnieniu od poprzednich konstrukcji, przypominał współczesne silniki turboodrzutowe. Ale idea, jak wspomniałem, powstała dużo wcześnej, w roku 1908 za sprawą francuskiego konstruktora Rene Lorina, a zrewolucjonizował ją rumuński oficer arterii, inżynier i wynalazca pracujący we Francji – Henry Coanda. On też zbudował pierwszy samolot napędzany lotniczym silnikiem odrzutowym, który uniósł się w powietrze i to Henry’emu Coandzie przypada miano ”ojca lotniczego napędu odrzutowego”. Ale po kolei.

 

  1. CO TO JEST MOTORJET

Jeżeliby pokusić się o definicję ogólną tego pojęcia, jako urządzenia technicznego, można powiedzieć, że jest to wentylator kanałowy z dopalaczem (Afterburning Ducted Fan). Jako napęd lotniczy, w największy skrócie, jest to odmiana, a właściwie pierwszy, odrzutowy silnik lotniczy, który został skutecznie zastosowany w samolotach napędzając je przy pomocy strumienia odrzutu gorących gazów, wytwarzanych w komorze spalania. Jedną z głównych jego cech jest zastosowanie klasycznego silnika tłokowego do napędu sprężarki. Idea i zasada działania, którą jako pierwszy częściowo opisał Francuz, Rene Lorin w 1908 a w ostatecznej formie opracował Henry Coanda jest następująca: silnik tłokowy napędza poprzez wał sprężarkę a skompresowane powietrze - tzw. zimny ciąg - kierowane jest do komory spalania (która w zasadzie jest komorą dopalania), do której wtryskiwane jest paliwo oraz inicjowany zapłon wytworzonej mieszanki paliwowo-powietrznej. Dalej działają już zasady termodynamiki: zapłon i gwałtowne spalanie powodują nagły wzrost temperatury gazów, które gwałtownie rozszerzając się, podnoszą ciśnienie i wydostają z dużą prędkością z silnika poprzez dyszę wylotową w postaci strumienia na zewnątrz –tworząc tzw. gorący ciąg-i napędzają samolot na zasadzie odrzutu. Schemat blokowy klasycznego silnika typu motorjet przedstawia rysunek poniżej.

 

 

Schemat_blokowy_motorjet

 

Jak widać na rysunku, głównymi elementami składowymi są:

  1. silnik tłokowy

  2. wał napędowy sprężarki

  3. sprężarka (w tym przypadku odśrodkowa, ale były też motorjety ze sprężaką osiową)

  4. komora spalania (combustion chamber)

  5. system wtrysku paliwa

  6. dysza wylotowa (nozzle)

Cały zespół generował ciąg o mocy zależnej od mocy silnika tłokowego oraz wielkości, układu i rozmieszczenia komory (lub częściej komór) spalania. Generalnie siła ciągu takich silników wynosiła od 2,4 kN (200kg) do maksymalnie 12,26 kN (1250kg), aczkolwiek średnia moc tego typu silników wynosiła najczęściej 2,6kN (220kg) –3kN (250kg). Nazwa zaś pochodzi od połączenia nazw dwóch typowych tylko dla tych silników układów generujących moc: silnika tłokowego (ang. motor) oraz głównej siły napędowej – odrzutu (ang. jet).

Konstrukcje motorjeta ewoluowały, głównie w okresie międzywojennym i II w.św. Najprostszym (i pierwszym) typem motorjeta była wspomniana już konstrukcja Rene Lorina z 1908. Jego założeniem było wykorzystanie ciśnienia gazów spalinowych wywołanych pracą silnika spalinowego bezpośrednio do wytworzenia ciągu odrzutowego. Był to o tyle nietypowy układ, że nie posiadał komory spalania, tylko odpowiednio ukształtowaną dyszę rozprężającą i przyspieszającą gazy spalinowe.

 

 

Motorjet_Rene_Lorina_1908

 

 

Ze względy na obecność i wykorzystanie komory spalania (lub jej brak) motorjety możemy podzielić na:

  1. Posiadające komorę spalania, gdzie następuje zapłon mieszanki paliwa i dostarczonego przez kompresor powietrza oraz wyrzut gorących gazów na zewnątrz (generujących tzw. gorący odrzut)

  2. Nie posiadających komory spalania, tylko dyszę odpowiedniego kształtu, przez którą skompresowane przez sprężarkę, napędzaną silnikiem tłokowym, powietrze wydostaje się na zewnątrz tworząc siłę ciągu (tzw. zimny odrzut).

  3. Nieposiadających sprężarki i komory spalania. Ciśnienie gazów i odrzut wytwarzany jest przez tylko przez silnik tłokowy, z którego spaliny pod ciśnienie są wyrzucane na zewnątrz i tworzą ciąg. Tu jedynym znanym przykładem jest motorjet Lorina. Choć może się to wydawać dziwne, przez wielu jest on uważany nie za tłokowy, a właśnie za odrzutowy silnik lotniczy.

Najczęściej konstruowany i wykorzystywany do napędu samolotów był pierwszy typ motorjeta. Z wiadomych względów: mógł wytworzyć największą siłę ciągu i w zasadzie silniki tego typu można nazwać klasycznymi motorjetami. Silniki typu B generujące tylko zimny odrzut, czyli ciąg poprzez sprężanie zassanego powietrza i wyrzut go na zewnątrz (bez efektu termicznego rozszerzania i wzrostu ciśnienia, a tym samym prędkości gazów wylotowych), wytwarzały ciąg mniejszy, zwłaszcza, jeśli zestawimy go z masą całego zespołu. Gorący odrzut tworzy się właśnie w komorze spalania, gdzie trafia sprężone powietrze i gdzie zimny ciąg na skutek domieszki paliwa i zapłonu zamieniany jest na odrzut gorący.

Podziału motorjetów możemy również dokonać na podstawie konstrukcji i umiejscowienia poszczególnych elementów silnika. I tak wyróżniamy następując typy:

  1. Posiadające sprężarkę czołową, od frontu silnika tłokowego, a biorąc pod uwagę konstrukcję samolotu, w jego dziobie, który jest jednocześnie wlotem powietrza (czasem również regulatorem ilości zasysanego powietrza) – przykładem może tu być pierwszy samolot z tego typu napędem, Coanda-1910.

  2. Posiadające sprężarkę umieszczoną od tyłu silnika tłokowego, a w konstrukcji samolotu w środku lub tylnej części kadłuba – za przykład mogą służyć radziecki MiG-3 lub japoński samolot Kugisho Ohka 22 (używany jako kamikadze).

  3. Dwu sprężarkowe – posiadające dwie sprężarki: jedną od czoła drugą od tyłu silnika tłokowego. W tym wypadku jeden silnik napędza dwie sprężarki, pompujące powietrze do tych samych komór spalania (motorjet Whittle’a z 1936) .

 

Również konstrukcje samolotów napędzanych silnikiem typu motorjet możemy podzielić na dwa rodzaje:

  1. Samoloty napędzane wyłącznie za pomocą ciągu generowanego przez odrzut z dyszy wylotowej (samolot Caproni Campini CC.2).

  2. Samoloty z napędem podwójnym: śmigłowo-odrzutowym. W tym przypadku silnik tłokowy motorjeta oprócz sprężarki napędza również klasyczne śmigło, stanowiące także źródło ciągu (samolot MiG-13).

 

Podzielność motorjeta na dwa zespoły silnikowe powodowała, że niektórzy określali go mianem odrzutowego silnika hybrydowego, a to z tego powodu, że był kombinacją cieplnego silnika tłokowego z cieplnym silnikiem odrzutowym. Łączył więc i wykorzystywał termodynamiczne rozprężanie gazów w dwóch procesach: rozprężanie wewnątrz cylindra powodujący ruch tłoka i pracę silnika tłokowego (piston engine) oraz rozprężanie gazów w komorze spalania i generowanie ciągu poprzez wyrzut gazów na zewnątrz (jet engine). Dwa w jednym – czyż nie wspaniała idea? Wbrew pozorom motorjet był dość skomplikowanym tworem lotniczej inżynierii silnikowej.

Może też i z tego powodu, odmiennie niż np. silniki turboodrzutowe, pulsacyjne czy strumieniowe, które mają swoje stałe nazwy, przyjęcie jednej, uniwersalnej nazwy dla silników typu motorjet okazało bardzo trudne. W obiegu były różne określenia, takie jak: silniki tłokowo-odrzutowe, dwuczłonowe, zespolone, reakcyjne. Pojawiło się nawet określenie thermojet, które jest chyba najbardziej nieszczęśliwym i mylnym określeniem, ponieważ nie odnosi się w żaden sposób do silnika tłokowego, który, de facto, jest sercem motorjeta. Daje raczej do zrozumienia, że silnik posiada głównie komorę spalania i odnosi się raczej do zasady pracy odrzutowego silnika pulsacyjnego.

Dlatego najprzejrzyściej będzie pozostać przy nazwie motorjet.

Lecz pomijając sprawę nazwy są trzy zasadnicze cechy wyróżniające i definiujące motorjeta. Są to:

  1. Powietrze jest mechanicznie sprężane przez sprężarkę z oddzielnym źródłem napędu

  2. Zapłon zimnego, sprężonego powietrza następuje w komorze spalania, w wyniku czego powstaje strumień gazów wyrzucany w tył dyszą wylotową tworząc gorący odrzut, stanowiący ostateczne źródło napędu.

  3. Gorące gazy rozprężają się i przyśpieszają, przelatując przez część wyrzutową silnika a tym samym zwiększają ciąg wstępnie wygenerowany przez sprężarkę doładowującą.

Przyjmuje się, że komora spalania motorjeta wytwarza trzecią część ciągu, choć według innych źródeł powietrze skompresowane przez sprężarkę wytwarza połowę ciągu silnika (lub celniej byłoby powiedzieć zespołu silnikowego).

W technice napędów lotniczych była to, jak na owe czasy (a przypomnijmy, że historia motorjetu rozpoczyna się 6 lat przed I w.św.) rewolucja. Zalety tego rozwiązania były niewątpliwe. Przy dobrze dobranej mocy silnika i dopasowanej do niego wydajności sprężarki oraz odpowiedniemu ukształtowaniu komory spalania i dyszy wylotowej, moc ciągu uzyskiwana przez motorjet była większa niż ciąg, jaki osiągnąłby dany silnik tłokowy napędzając tylko śmigło. Biorąc pod uwagę fakt, że ówczesna wiedza i technologia z zakresu metalurgii w zasadzie uniemożliwiała budowanie turbin gazowych, mogących sprawnie i bezawaryjnie pracować przez dłuższy czas w środowisku ekstremalnie wysokiej temperatury i ciśnienia, tak, jak to się dzieje w obecnych silnikach turboodrzutowych, był to doskonały pomysł na praktyczną realizację i budowę lotniczego silnika odrzutowego, mającego rozsądny okres żywotności. Dodatkowo ówczesna wiedza inżynierska z zakresu konstrukcji i budowy sprężarek miała swoje ograniczenia. Dlatego też w silnikach typu motorjet używano głównie sprężarek odśrodkowych (promienistych) jako dostatecznie wydajnych, trwałych i niezawodnych. Trzeba podkreślić, że nawet w latach II w.św., kiedy zaznaczył się ogromny postęp w dziedzinie konstrukcji silników lotniczych, w tym odrzutowych, w zasadzie tylko Niemcy eksperymentowali z zastosowaniem sprężarek osiowych, bardzo trudnych technologicznie do wyprodukowania i zastosowania w praktyce. Pozostałe kraje jeszcze dość długo stosowały sprężarki odśrodkowe, jako znacznie łatwiejsze w produkcji i trwalsze. Również, jeżeli chodzi o technologię materiałową ograniczenia były znaczne: resursy silników turboodrzutowych tego okresu nie przekraczały kilku lub kilkunastu godzin. Co ograniczało motorjeta? W zasadzie resurs zastosowanego silnika tłokowego i wytrzymałość komory spalania. Mógł więc pracować znacznie dłużej, zaś typy używające tylko „zimnego ciągu” były w zasadzie ograniczone tylko trwałością silnika i sprężarki.

 

Motorjet_Harrisa

 

Scheman budowy klasycznego motorjeta wczesnej generacji– widok z gory i od czoła. Ten silnik zaprojektował, zbudował i opatenował J.H. Harrisa of Esher z miejscowości Surrey w Anglii w 1917.

 

 

A - dwucylindrowy, rzędowy silnik tłokowy

B - sprężarka odśrodkowa

C - komora spalania

D - zbiornik paliwa

E - system wtryski paliwa do komory spalania

F – kanał odprowadzający gorący odrzut zakończony dyszą

wylotową odrzutu

 

 

Jednak motorjet miał też swoje niewątpliwe wady, które wyeliminowały go z dalszego rozwoju po zakończeniu II w.św. Przede wszystkim brak turbiny gazowej i konieczność zastosowania osobnego źródła napędu kompresora w postaci silnika tłokowego powodowało znacznie zwiększenie masy całego zespołu i komplikowało konstrukcję. Miało to znaczenie zwłaszcza po 1945. Bo trzeba sobie zdać sprawę, czym był wówczas lotniczy silnik tłokowy, rzędowy lub gwiazdowy (bo i takie stosowano w motorjetach). Było to potężne monstrum z mnóstwem mechanizmów i ruchomych części, ciężkie i wymagające dość skomplikowanej obsługi. Już wtedy wiadomo było, że w zastosowaniu do napędu statków powietrznych jest to technologia schyłkowa, bo każda komplikacja konstrukcji powodowała nieproporcjonalny do wzrostu mocy przyrost masy jednostki napędowej. No i co najistotniejsze, w porównaniu z silnikiem turboodrzutowym, motorjet miał mniejszą moc i wydajność. Schyłek zainteresowania tym typem napędu na dobre rozpoczął się wtedy, kiedy nastąpił znaczy postęp w metalurgii (właśnie w latach 1945 – 1950), co pozwoliło na budowę żaroodpornych i żarowytrzymałych turbin gazowych, które z powodzeniem mogły zastąpić silniki tłokowe. Sprężarki, odśrodkowe lub osiowe (które coraz lepiej ułożyskowane znacznie zyskały na trwałości), otrzymały więc nowe, wydajniejsze źródło napędu.

Reasumując, motorjet łączył dwie epoki rozwoju napędów lotniczych, stare i nowe technologie. To było jego siłą a jednocześnie słabością, bo szybko stał się przestarzały. Co by o nim nie powiedzieć, był jednak ważnym ogniwem w historii lotnictwa, i tak do końca jego znaczenie i historia wcale definitywnie się nie zakończyły. Zimny ciąg nadal jest wykorzystywany w nowoczesnych silnikach turboodrzutowych dwuprzepływowych (turbowentylatorowych), gdzie, oprócz tego, że wytwarza znaczą część mocy, ogranicza hałas wytwarzany przez silniki tej generacji.

Samoloty napędzane silnikami typu motorjet latały, w niewielkich ilościach, w lotnictwie wojskowym do początków lat 50. Nigdy nie zostały użyte w działaniach bojowych. W następnych częściach przedstawię krótką historię i przegląd najważniejszych konstrukcji tych silników i samolotów przez nie napędzanych. Zgodnie z przysłowiem, że historia pisana jest przez zwycięzców, motorjety przegrały konkurencję z silnikami turboodrzutowymi i zapewne dlatego ich idea jest tak słabo pamiętana. Niemniej, wbrew niektórym historykom lotnictwa, określającymi te silniki jako prymitywne, należy chyba oddać należny im szacunek.

 

Maciej Ługowski