Historia silników odrzutowych

WSZYSTKO O OSTRZACH

HISTORIA SILNIKÓW ODRZUTOWYCH

‍

Zanim przejdziemy do rozwoju łopatek silników odrzutowych, musimy najpierw przyjrzeć się, gdzie i jak to wszystko się zaczęło.

Na rok 2021 prognozowano 22,2 mln globalnych lotów lotniczych. Jest to gwałtowny spadek w stosunku do 40,3 mln prognozowanych na rok 2020, ze względu na pandemię COVID-19. Loty te przewiozły szacunkowo 2,8 mld pasażerów. Ilu z tych pasażerów kiedykolwiek pomyślało o innowacji i technologii łopatki turbiny odrzutowej i o tym, jak działa silnik odrzutowy?

Silnik odrzutowy jest zespołem napędowym współczesnych samolotów odrzutowych. Wytwarza on nie tylko ciąg, który napędza samolot, ale także energię, która zasila wiele innych systemów samolotu. Silniki odrzutowe działają zgodnie z trzecim prawem ruchu Newtona, które mówi, że każda siła działająca na ciało wywołuje równą i przeciwną siłę. Silnik odrzutowy zasysa część powietrza, przez które porusza się samolot, spręża je, łączy z paliwem, podgrzewa i w końcu wydala powstały gaz z taką siłą, że samolot jest napędzany do przodu i zabiera Cię do ulubionego miejsca wypoczynku lub zaplanowanej podróży służbowej.

‍

‍

WRÓĆMY DO HISTORII SILNIKÓW ODRZUTOWYCH, GDZIE WSZYSTKO SIĘ ZACZĘŁO, I PRZYJRZYJMY SIĘ, JAK EWOLUOWAŁY ŁOPATKI TURBIN.  

‍

HISTORIA ŁOPATEK TURBINOWYCH

Można sięgnąć aż do egipskich aeolipoli opracowanych przez Bohatera Aleksandra w 150 roku p.n.e. Chińska technologia rakietowa z lat 30. XII wieku, "kominowy" rożen Leonarda Da Vinci, impulsowa turbina włoskiego inżyniera Giovanniego Branca do młyna stemplowego. Nie wspominając już o zasadzie Bernoulliego, którą można również bezpośrednio wyprowadzić z drugiego prawa ruchu Newtona, i choć wszystko to miało wpływ, dopiero pierwsza wojna światowa przeniosła go na wyższy poziom, a pośród wszystkich zniszczeń i zakłóceń przyspieszyła powstanie lotnictwa i rozwój turbin odrzutowych, co jest bezpośrednio związane z rozwojem łopatek turbinowych.

‍

‍

PRZEŁOMOWE WYDARZENIA I TWÓRCY HISTORII SILNIKA ODRZUTOWEGO

Szwajcarski inżynier Alfred Buchi opatentował turbosprężarkę w 1910 roku, ale urządzenie nie powiodło się w testach lotniczych we Francji. General Electric (GE) skupiał się wówczas głównie na budowie turbin i innych urządzeń dla elektrowni, ale w listopadzie 1917 roku rząd USA chciał opracować własną wersję turbosprężarki i poprosił firmę o pomoc w opracowaniu urządzenia dla amerykańskiego wojska.

Zadanie zarządzania tajnym projektem przypadło inżynierowi turbiny gazowej GE o nazwisku Sanford Moss.

Moss zbudował turbosprężarkę, która wykorzystywała gorące spaliny z silnika lotniczego do obracania zaprojektowanej przez niego turbiny promieniowej i sprężania powietrza wchodzącego do silnika.  

Przełom nastąpił w 1930 roku, kiedy to Royal Air Force Lt. Frank Whittle zgłosił patent na turbinę gazową z napędem odrzutowym. Jego silnik, z jednostopniową sprężarką odśrodkową połączoną z jednostopniową turbiną, został pomyślnie przetestowany w kwietniu 1937 roku i stanowił podstawę nowoczesnego silnika odrzutowego.

Tymczasem w Niemczech Hans von Ohain sformułował swoją teorię napędu odrzutowego w 1933 r. podczas kończenia doktoratu na Uniwersytecie w Getyndze. Von Ohain i dr Max Hahn opatentowali w 1936 r. silnik odrzutowy, a 27 sierpnia 1939 r. w Rostoku odbył się pierwszy czysty lot odrzutowy.

‍

‍

W NIEMCZECH ODBYŁ SIĘ PIERWSZY LOT Z NAPĘDEM ODRZUTOWYM

W 1939 roku Ministerstwo Lotnictwa przyznało Power Jets Ltd (firmie, w której Whittle miał udziały) kontrakt na opracowanie silnika lotniczego. 15 maja 1941 roku silnik W1 Whittle'a wykonał swój dziewiczy lot w samolocie Gloster Model E28/39. Samolot ten osiągnął prędkość 370 mph (595 km/h) w locie poziomym z siłą ciągu 1000 funtów. Po sukcesie silnika Whittle'a Brytyjczycy natychmiast wysłali prototyp do swoich sojuszników w Stanach Zjednoczonych, gdzie General Electric natychmiast rozpoczął produkcję egzemplarzy. W tym czasie grupa inżynierów GE zwana Hush-Hush Boys opracowała nowe części do silnika, przerobiła go, przetestowała i dostarczyła ściśle tajny prototyp roboczy zwany I-A o ciągu 1300 funtów!

ERA ODRZUTOWCÓW W USA I EUROPIE BYŁA W PEŁNYM ROZKWICIE.

CHODZI O OSTRZA

Jak wiele innowacji technologicznych, silnik odrzutowy potrzebował czasu, aby rozwinąć się od koncepcji do projektu i wykonania, ale dwie wojny światowe przyćmiły inżynierię aeronautyczną. Pod koniec II wojny światowej wprowadzono nowoczesne silniki turbinowe, w tym chłodzenie łopatek, zapobieganie oblodzeniu i dyszę wylotową o zmiennym przekroju.

W 1930 roku prototypy Sir Franka Whittle'a zostały wykonane w całości ze stali. Stal jest świetna pod względem wytrzymałości i twardości powierzchni, ale jeśli potrzebujesz wydajności w wysokich temperaturach, powinieneś szukać gdzie indziej, ponieważ maksymalna temperatura stali to 450-500 °C.

Głównym czynnikiem ograniczającym we wczesnych silnikach odrzutowych była wydajność materiałów dostępnych dla gorącej części (komory spalania i turbiny) silnika. Potrzeba lepszych materiałów pobudziła szeroko zakrojone badania nad stopami i technikami produkcji, a badania te doprowadziły do powstania długiej listy nowych materiałów i procesów, które umożliwiają powstanie nowoczesnych turbin gazowych.

‍

‍

Oprócz udoskonalania materiałów i stopów, jednym z przełomów był rozwój procesów krzepnięcia kierunkowego (DS) i monokryształu (SC) oraz rozwój powłok termoizolacyjnych. Poszukiwanie wysokowydajnych materiałów, innowacyjny projekt i ulepszone metody produkcji w rozwoju łopatek zostaną szczegółowo omówione w przyszłym tygodniu w blogu Łopatki turbin odrzutowych część 2. Rozwój na przestrzeni lat i ciągłe doskonalenie nie jest możliwe bez pomiarów.

‍

PRODUKCJA I METROLOGIA

Budowa i montaż elementów silnika odrzutowego trwa około dwóch lat, po fazie rozwoju i testów, która może trwać do pięciu lat dla każdego modelu. W trakcie całego procesu budowy silnika komponenty i zespoły są sprawdzane pod kątem dokładności wymiarowej, odpowiedzialnego wykonania i integralności materiału.  

Od 1968 roku firma WENZEL dąży do zapewnienia lepszych rozwiązań pomiarowych dla przemysłu wytwórczego dzięki swoim innowacjom w zakresie technologii pomiarowej. Dla łopatek turbin o różnych rozmiarach oferowane są najnowocześniejsze systemy pomiarowe. Złożone krzywizny łopatek turbin mają krytyczne wymiary, które muszą być mierzone w wielu miejscach, co jest ograniczone zasięgiem konwencjonalnych systemów dotykowych. Typowe pomiary obejmują przekroje łopatek w wielu miejscach, a to również jest bardzo szczególnym wyzwaniem. Dotyczy to głównie pomiaru promieni na krawędzi wiodącej, krawędzi spływu, kształtu korzenia oraz położenia i wielkości otworów chłodzących. (Dowiedz się więcej o funkcjach turbin i łopatek w przyszłotygodniowym wpisie na blogu).

Ograniczone przez średnicę trzpienia, odchylenia kształtu i defekty na małych elementach nie mogą być wykryte. Sonda dotykowa ma wpływ na pomiar jak filtr mechaniczny i może sprawić, że wyniki wydadzą się lepsze lub gorsze niż są w rzeczywistości.

Jako alternatywę można zastosować optyczne systemy pomiarowe. Powierzchnie odblaskowe muszą być w wielu przypadkach przygotowane i pokryte specjalnym proszkiem. Ta procedura dodaje dodatkowy materiał do części i prowadzi do nieprawidłowych wyników podczas oceny małych cech. Ponadto nie każda metoda jest w stanie wykryć małe promienie lub nawet zmierzyć cechy trudno dostępne.

WENZEL opracowała CORE , optyczny system pomiarowy, który spełnia wszystkie te wymagania. Dzięki innowacyjnemu czujnikowi nie jest konieczne przygotowanie powierzchni odbijających i polerowanych. Punkty pomiarowe są rejestrowane za pomocą małej plamki świetlnej o średnicy 35 μm. Dzięki temu systemowi pomiarowemu można szczegółowo mierzyć nawet małe promienie z dużą liczbą punktów i analizować odchylenia kształtu oraz wady.

‍

PRZESZLIŚMY DŁUGĄ DROGĘ!  

Podróż łopatek turbin odrzutowych rozpoczęła się od determinacji, aby iść szybciej i przez następne dwa tygodnie przyjrzymy się technicznym aspektom i konstrukcji łopatek turbin odrzutowych. Wystarczy spojrzeć, jak daleko zaszliśmy w ciągu ostatnich sześciu dekad. Od pierwszego samolotu odrzutowego w 1939 roku o ciągu 1100 lbf, poprzez ciąg typowego silnika samolotu odrzutowego na poziomie 5 000 lbf (22 000 N) (de Havilland Ghost Turbojet) w latach 50-tych XX wieku, do 115 000 lbf (510 000 N) (General Electric GE90 Turbofan) w latach 90-tych XX wieku, nie wspominając już o znacznie wyższej niezawodności w zakresie wyłączeń na 100 000 godzin lotu silnika.

W połączeniu z gwałtownym spadkiem zużycia paliwa, umożliwiło to na przełomie wieków rutynowe loty transatlantyckie dwusilnikowymi samolotami komercyjnymi (ETOPS), które wcześniej wymagałyby kilkukrotnego tankowania.  

Obecnie technologia turbin gazowych nadal się rozwija dzięki nowym silnikom, które oferują jeszcze większą wydajność paliwową i znacznie niższy poziom hałasu. Dwa z największych silników turbinowych, jakie kiedykolwiek zbudowano, weszły do służby w Airbusie A380 - Rolls-Royce Trent 900 i GP 7200 z Engine Alliance (partnerstwo GE i Pratt & Whitney). Te masywne silniki generują 70 000 funtów ciągu każdy.  

‍

W PRZYSZŁOŚCI, INTERESUJĄCE BĘDZIE ZOBACZYĆ, JAKA BĘDZIE KOLEJNA FAZA ROZWOJU SILNIKÓW TURBIN GAZOWYCH.

Śledź nas na naszej platformie i dołącz do naszej serii All About Blades, podróży, której nie można przegapić! Nasz zespół i zewnętrzni eksperci podzielą się więcej na temat łopatek turbin odrzutowych, geometrii i wyzwań w produkcji, jak również zapewnienia jakości. Nie możemy się doczekać, aby podzielić się z Wami #allaboutblades !

‍