Article Index

 

Budowa, zasada działania, charakterystyki

 

Ponieważ turboodrzutowe silniki lotnicze Generacji 1 powstawały w latach 40 i 50, ich zaawansowanie technologiczne i konstrukcyjne było dostosowane do wiedzy i możliwości naukowo-technicznych tamtych lat. Z dzisiejszego punktu widzenia wydają się one nam dość proste, ale trzeba pamiętać, że na ówczesne czasy były szczytem technologii napędu lotniczego. A ogólna zasada działania silnika turboodrzutowego była i jest taka sama. Powietrze wpadające od przodu przez wlot powietrza dostaje się do kompresora, gdzie ulega termodynamicznemu sprężeniu. Następnie pod ciśnieniem jest tłoczone do komory spalania, gdzie miesza się z wtryśniętym paliwem, inicjowany jest zapłon i mieszanka paliwowo-powietrzna ulega gwałtownemu, wybuchowemu spaleniu (czyli utlenieniu). W wyniku wzrostu temperatury zwiększa się objętość i energia kinetyczna powstałych gazów. Dzięki temu gazy z dużą prędkością wydostają się do kanału wylotowego, gdzie trafiają na turbinę. W silnikach turboodrzutowych gazy oddają tylko część swojej energii turbinie (częściowo tylko się na niej rozprężając, w przeciwieństwie do silników turbośmigłowych i turbowałowych!). Wprawiona w ruch obrotowy turbina, za pomocą wału napędza sprężarkę. Za turbiną rozpędzone gazy, posiadające nadal dużą energię kinetyczną, wydostają się przez dyszę wylotową, generując ciąg, który jest źródłem napędu dla statku powietrznego.

 

Czym konstrukcyjnie charakteryzują się silniki Generacji 1 o których mówimy? Elementów jest kilka. Przede wszystkim zastosowana jest w nich sprężarka odśrodkowa (a nie osiowa, jak w nowocześniejszych silnikach turboodrzutowych). Technologicznie jest ona prostsza w budowie i zastosowaniu, niż sprężarka osiowa. Generalnie rzecz biorąc sprężarka odśrodkowa (inaczej promieniowa) to taka, w której przepływ sprężanego powietrza następuje prostopadle do osi obrotu sprężarki. Sprężanie dynamiczne gazu następuje poprzez odrzucanie go na zewnątrz (na obwód) przez łopatki (promienie) na skutek działającej siły odśrodkowej (stąd nazwa „sprężarka promieniowa” lub „odśrodkowa”). Stopień sprężania nie przekracza 3, jest to najczęściej ok. 2 – 2,5. Najczęściej są to sprężarki jednostopniowe, ponieważ ze względów konstrukcyjnych i aerodynamicznych jest to układ najbardziej optymalny. Próbowano stosować w silnikach układy wielostopniowe tych sprężarek, ale nie zdało to egzaminu (największą ilością stopni były 3, ale powodowało to takie komplikacje, że zarzucono projekt). Znaleziono kompromisowe rozwiązanie: stopień sprężarki (dysk) miał promienie po obu stronach, więc wydajność masowa, czyli objętość tłoczonego powietrza w przeliczeniu na jego masę, była dwa razy większa. Ze względu na zastosowanie tego typu sprężarki, również budowa wlotu powietrza była inna, niż ta, którą znamy obecnie w silnikach turboodrzutowych. Mógłby to być wlot centralny albo boczny, który stosowano na początku. Wówczas powietrze było zasysane nie od czoła silnika, tylko przez perforowane pierścienie otaczające sprężarkę. W przypadku, gdy stosowano sprężarkę dwustronną, wlot był również podwójny, a powietrze było zasysane na łopatki po obu stronach dysku sprężarki. Następnie oba strumienie wędrowały jednym kanałem do komór spalania.

 

Sprężarki odśrodkowe, pomimo prostoty konstrukcyjnej, miały swoje swoje niewątpliwe wady. Główną niedogodnością była duża średnica, co wpływało generalnie na gabaryty silnika (był krótki i „pękaty”) i brak możliwości sprzęgnięcia ich w agregaty wielostopniowe, co skutkowało mocno ograniczonym stopniem sprężania. Można by sobie zadać pytanie, dlaczego od razu nie zastosowano sprężarek osiowych? Odpowiedź jest prosta – ograniczenia technologiczne lat 40. i 50. Sprężarka osiowa ma niższą zdolność sprężu na pojedynczym stopniu, niż sprężarka promieniowa, ale można ją zestawiań w agregaty wielostopniowe. Jednak, gdy taka wielostopniowa sprężarka osiowa rozkręcała się do wysokich obrotów roboczych ( a masę miała sporą) pojawiały się problemy z jej wyważeniem. Powstałe drgania bardzo szybko wybijały łożyska, aż do ich zniszczenia. Efekt był taki, że pierwsze silniki ze sprężarkami promieniowymi miały żywotność kilkudziesięciu godzin, a gdy próbowano zastosować sprężarkę osiową, silnik miała co prawda wyższy ciąg, ale jego żywotność sięgała zaledwie… kilku godzin. Długo nie radzono sobie z problemem wyważenia wielostopniowych sprężarek osiowych. Dopiero firma Junkers, tworząc silnik Jumo 004B z 8 stopniową sprężarką osiową, napędzający myśliwiec Me-262, częściowo poradziła sobie z tym problemem. Jedna i tak żywotność tego silnika była dużo niższa, niż stosowanych wówczas silników ze sprężarką odśrodkową.

 

Kolejnym elementem budowy były komory spalania. Celowo używam liczby mnogiej, ponieważ każdy silnik zawierał ich kilka: od 8 aż po 16. I nie były to komory spalania powszechne we współczesnych lotniczych silnikach turboodrzutowych (czyli pierścieniowe). Zarówno Frank Whittle, jak i Hans Ohain oraz pozostali konstruktorzy budujący wczesne silniki bazowali na tzw. układzie wielokomorowym (multi-combuston chamber). Podstawową jednostką tego układu jest tzw. can flame, czyli komora spalania typu dzbanowego. Są to pojedyncze, podłużne, autonomiczne komory o kształcie cylindrycznym, z których każda posiada własny wtryskiwacz paliwa, układ inicjacji zapłonu zamknięty w niezależnej obudowie. Komory rozmieszczone są promieniście wokół centralnej części silnika, tuż za sprężarką, a gazy spalinowe powstałe w każdej z komór łączą się w jeden strumień w kanale wylotowym i trafiają na turbinę.

 

Pojedyncza, dzbanowa komora spalania zbudowana jest z dwóch podstawowych części: stalowego płaszcza zewnętrznego oraz z umieszczonej wewnątrz tzw. rury ogniowej (zwanej też rurą żarową) wykonanej z żaroodpornego stopu. Rura ogniowa stanowi główny element, w którym zachodzi cały proces spalania. Jest ona zamknięta od góry i odpowiednio ukształtowana tak, że wtłaczane do niej powietrze ulega wyhamowaniu, zawirowaniu, mieszając się z wtryskiwanym paliwem. Powstała mieszanka paliwowo-powietrzna jest stabilizowana i inicjowany jest zapłon. Rura ogniowa posiada na obwodzie otwory. Jest kilka pierścieni z takimi otworami schodzącymi w dół rury ogniowej, a im niżej się one znajdują, tym otwory maja średnicę większą. Wiąże się to z drugim zadaniem rury ogniowej, jakim jest podtrzymanie i rozwijanie procesu spalania przez dostarczenie liniowo coraz większej ilości powietrza. Powietrze ze sprężarki tłoczone jest do każdej komory spalania w przestrzeń pomiędzy płaszczem zewnętrznym a rura ogniową. Powietrze pierwotne, czyli trafiające do wnętrza rury ogniowej u jej szczytu miesza się z paliwem, aby nastąpił zapłon. Reszta powietrza (tzw. powietrze wtórne) przepływając wzdłuż rury tłoczona jest do jej wnętrza, dostarcząjąc tlen i powodując cały czas wzrost energii procesu spalania (a więc coraz większe zapotrzebowanie na tlen), powodując w konsekwencji wzrost ciśnienia termodynamicznego. Powietrze tłoczone wzdłuż komory spalania chłodzi ją, tworząc nie jako przy okazji izolację termiczną (tzw. film powietrzny) pomiędzy rura ogniową a płaszczem zewnętrznym, co zapobiega zbytniemu nagrzewaniu się zewnętrznych elementów silnika oraz płatowca. Podstawowym elementem ograniczającym efektywność oraz moc pierwszych silników turboodrzutowych była temperatura. Wiadomo: im wyższa temperatura gazów wyrzutowych, tym mają one większą energię kinetyczną, więc i większą prędkość wyrzutu i generują większy ciąg. Jednak stopy metali przełomu lat 40/50 nie były tak doskonałe jak obecnie i mniej odporne na temperaturę. O ile ściany komory spalania muszą być w zasadzie głównie żaroodporne, czyli znosić wysoką temperaturę nie ulegając odkształceniom i zniszczeniu, o tyle łopatki turbiny muszą być i żaroodporne i żarowytrzymałe, czyli jednocześnie mieć zdolność do przenoszenia obciążeń przy ekstremalnie wysokich temperaturach (te elementy są bowiem cały czas w ruchu i poddawane naprężeniom). Temperatura gazów przed turbiną nie mogła być wyższa niż 700-750oC. Powyżej tej temperatury łopatki traciły swój profil, turbina sprawność, a cały silnik moc. To był m. in. jeden z głównych powodów, dla których tak skonstruowane silniki miały stosunkowo niewielki ciąg i były bardzo ograniczone w tym zakresie. Jednak układ wielokomorowy oprócz widocznych ograniczeń, miał też swoje zalety. Stosunkowo łatwo było uruchomić taki silnik. Rury ogniowe poszczególnych komór były ze sobą połączone kanałami ogniowymi, więc jeśli silnik posiadał np. 9 komór, wystarczyło, że układ rozruchowy uruchamiał tylko dwie lub trzy. Na pozostałe komory płomień sam się rozprzestrzeniał i dalszy proces spalana we wszystkich komorach był już ciągły. Poza tym układ ten okazał się bardzo łatwy w utrzymaniu i serwisowaniu. Awaria jednej, dwóch lub trzech komór nie powodowała konieczności demontowania całej sekcji spalania – wymieniało się po prostu konkretne, uszkodzone komory. Jednak trzeba pamiętać, że sekcja niezależnych komór waży jednak więcej niż pojedyncza komora typu pierścieniowego (typ stosowany obecnie), co znacząco pogarszało stosunek masy silnika do jego ciągu czyli zwiększało obciążenie mocy. Dodatkowo spadek ciśnienia w układzie wielokomorowym jest jednak wyższy niż w jednokomorowym i może wynieść do 7 % (lub wyżej, co jest też uzależnione od długości kanału wylotowego).

 

Stosowane turbiny miały zazwyczaj jeden, rzadziej dwa lub trzy stopnie. Pojedynczy wał łączył turbinę ze sprężarką. Silnik posiadał również pozostałe układy i agregaty potrzebne do jego prawidłowej pracy. Jednym z ważniejszych był układ olejowy, którego zadaniem było smarowanie łożysk turbosprężarki, wału i turbiny. Dodatkowo olej chłodził też wał, który bardzo intensywnie nagrzewał się od łopatek turbiny. Układ olejowy musiał być wyposażony w wydajną pompę oraz chłodnicę oleju. Pozostałymi układami były, jak w każdym silniku, układ zasilania (paliwowy) i rozruchowy (zapłonowy). Na wyposażeniu były też czujniki i mierniki rozmieszczone w poszczególnych częściach silnika: temperatury (oleju, na wylocie sprężarki, przed turbiną), ciśnienia ojeju czy prędkości obrotowej.

 

Rysunek_3_jpg