Kezdőlap A katonai repülés múltja Gázturbinás hajtóműfejlesztés a második világháború idején Németországban

Gázturbinás hajtóműfejlesztés a második világháború idején Németországban

Kategória

A sugárhajtású korszak beköszönte előtt, dugattyús motorok voltak a repülőgépek erőforrásai. Alkalmazásuk során a velük szemben támasztott követelmények (teljesítmény, megbízhatóság, sérülés érzékenység) a technikai tudományok fejlődésével együtt folyamatosan nőttek. A ’30-as években a repüléskutató mérnökök felismerték, hogy a dugattyús motorok alkalmazásuk határához értek. A dugattyús motor-légcsavar kombináció önmagában hordozta a korlátot, ugyanis a légcsavar hatásfoka egy bizonyos határon túl ugrásszerűen csökken. A kutatók számára egyértelművé vált, hogy a repülési sebesség további növelése csak egy radikálisan új megoldással képzelhető el. A választ a sugárhajtómű adta meg, mely mint később kiderült legalább olyan jelentőségű volt, mint a Wright fivérek első repülése.

Az első sugárhajtómű egy hibrid volt, melynél egy „külső erőforrás”, egy dugattyús motor gondoskodott a centrifugál kompresszor hajtásáról, majd az összesűrített levegőhöz üzemanyagot fecskendeztek, és a kiáramló gázok biztosították a tolóerőt. A kulcs, ami ekkor még hiányzott, a turbina, ahol a gáz leadhatta volna az energiájának egy részét, és a tengely, amely összekötötte a turbinát a kompresszorral. A folyamat így válik önfenntartóvá. Az első önfenntartó üzemmódban működni képes gázturbinás hajtóművet Aegidius Elling norvég mérnök építette meg 1903-ban.  

Németországban a gázturbinás hajtóművek fejlesztése a ’30-as években kezdődött el az állam bőkezű támogatásával, így Németország lett az első ország, ahol felemelkedhetett az első sugárhajtású repülőgép. A gázturbinás hajtómű igazi technikai újdonság volt akkor, de még rengeteg finomításra volt szükség ahhoz, hogy ez a hajtóműtípus repülőgépek megbízható erőforrásává válhasson. A tudósok az 1920-as években még csupán elméleti szinten kezdtek ismerkedni a gázturbinás hajtóművek működésével.

Az elképzelés viszonylag egyszerű volt: ha a centrifugál kompresszor által összesűrített levegőhöz egy, vagy több, égőtérben üzemanyagot porlasztanak, a megnövekedett nyomású és hőmérsékletű gázok egy szűkülő csövön felgyorsulva a szabadba távoznak, akkor a nagy sebességgel kiáramló gázok reakcióereje előre mozgatja a repülőgépet. Az égőtér mögött elhelyezett turbina lapátjai annyi energiát vesznek el a gázoktól, amennyi elegendő a turbinával összekötött kompresszor és a hajtóműhöz kapcsolt segédberendezések meghajtására.

Németországban Hans–Joachim Pabst von Ohain 1936-ban kereste meg Ernst Heinkelt, az egyik legnagyobb repülőgyár tulajdonosát, és vázolta elképzelését az új hajtómű alkalmazási lehetőségeiről. Heinkel nagy érdeklődést tanúsított a terv iránt, érdekelte a nagysebességű repülés, és meglátta az új hajtóműben rejlő lehetőségeket. Alkalmazta von Ohaint és munkatársát Max Hahn gépészmestert, majd megvásárolta a Hirth motorgyárat, és von Ohain vezetésével létrehozta a Hirth új divízióját. Első hajtóművüket, a HeS 1-est 1937 szeptemberében tesztelték első ízben próbapadon. A hajtómű szerkezetileg nagyon egyszerű volt, üzemanyagaként hidrogéngázt alkalmaztak, amitől rövid idő alatt elégtek a fúvócső elemei, de ezzel az egységgel pusztán az elképzelés helyességét kívánták bizonyítani. A következő HeS 3-as hajtómű tervezése során számos módosítást vezettek be, így a hidrogén helyett benzint alkalmaztak, ami kisebb hőterhelést jelentett a hajtómű elemeire. A földi próbák során a hajtómű tolóereje elérte az 5000 N-t, amit beépítettek a He 178-as sárkányszerkezetbe és 1939 augusztus 27-én a marienei repülőtér betonjáról felszállt az első sugárhajtású repülőgép.

Prof. Dr. Herbert Wagner[ 1935-ben elkészítette a világ első axiális gázturbinás hajtóművét a Junkers magdeburgi üzemében, majd Ing. Dr. Anselm Franz folytatta a hajtómű fejlesztését, ami végül elvezetett a Jumo 004-es hajtóműhöz. Anselm Franz a Junkers Motoren osztrák származású tervezője egy megfontolt fejlesztési programot állított fel, melyben nem a maximális teljesítményt állította legfontosabb prioritásul, hanem a rendszer működőképességét kívánta igazolni, és a tovább lépéshez szükséges mérési eredményeket megszerezni. A technikai jellegű megfontoltság mellett fontos volt az előrelátása politikai szempontból is. Egy kudarc nagyon gyorsan negatívan befolyásolhatta volna az RLM szűklátókörű vezetőinek a programhoz való hozzáállását, és a Junkers könnyen elveszíthette volna a pénzügyi támogatást.

A kutatáshoz Franznak minden a rendelkezésére állt: berendezések, laboratóriumok, és a Junkers magassági kamrája, azért hogy, a hajtóművek működését megfelelő körülmények között vizsgálhassák. Az első hajtóművet – Jumo 004A – Franz úgy tervezte, hogy akkor nem volt lényeges a születendő gép tömege, a hajtóműbe épülő anyagok minősége, és a gyártástechnológia, hanem a számítások helyessége és a megbízható működés volt fontos.

Annak ellenére, hogy Franz komoly tapasztalatokkal rendelkezett a centrifugális feltöltők terén, az új hajtóművet axiál kompresszorral tervezte, amit akkoriban fejlesztett a göttingeni Aerodynamische Versuchsanstalt.  Úgy vélte, hogy a hajtómű homlok-ellenállása és keresztmetszeti mérete alapvető fontosságú a repülőgép sárkányszerkezetbe történő beépítéshez  a magas hatásfok érdekében. A Jumo 004A kompresszorának hatásfoka elérte a 78%-ot, a nyolc fokozat sűrítési viszonya 3,14:1, levegőfogyasztása pedig 21,14 kg/s volt. A kompresszorlapátok tervezéséhez a berlini AEG vállalat adott segítséget, támaszkodva a gőzturbináknál alkalmazott tapasztalatokra. Franz két különböző égőtér típus működését vizsgálta. A gyűrűs égőtér lenyűgözte az égés során tapasztalt viszonylag homogén hőmérsékletmezővel és magas hatásfokkal, de a gyakorlatban mégis a csöves égőtér alkalmazása mellett döntött, annak problémamentesebb működése és a különálló tűzcső egyszerűbb tesztpadi ellenőrizhetősége miatt.

A Junkers szakemberei 1940 tavaszán indították be először a Jumo 004A hajtóművet, fokozatosan emelték a teljesítményét, míg 1941 januárjában a hajtómű a maximális 9000 1/n fordulatszámon dolgozott, tolóereje pedig elérte a 4,2 kN-t. A hajtóműpróbák során, egy bizonyos fordulatszámon, az állólapátok erős vibrációba kezdtek. A probléma megoldására Max Bentelét, a neves vibráció specialistát hívták segítségül. Az állórész újra tervezését követően 1941 augusztusában a hajtómű tolóereje elérte az 5,9 kN-t, majd decemberben egy tíz órás mérés során ez 9,8 kN-ig nőtt. A hajtómű első valódi körülmények közötti vizsgálatára 1942. március 15-én úgy került sor, hogy egy Messerschmitt Bf 110-esre építve, a levegőben mérték a paramétereit különböző üzemmódokon. Július 18-án két hajtóművet beépítettek egy Me 262-es sárkányszerkezetébe, és megtörtént az első közös repülés, amit az RLM 80 darabos szériagyártásra vonatkozó megrendeléssel díjazott.

A Jumo 004A egy kísérleti hajtómű volt, ahol figyelmen kívül hagyták a hajtómű tömegét, és a felhasznált hőálló alapanyagok minőségét, így azonban a hajtómű sorozatgyártásra alkalmatlan volt. A továbbfejlesztett Jumo 004B hajtóműben a kompresszortól elvezetett levegővel hűtötték a turbinalapátokat. Módosították a kompresszor tárcsákat és a turbinaház belépő keresztmetszetének alakját. Az első széria változat 100 kg-al könnyebb lett, mint a kísérleti hajtómű, mely 1943-ban többszáz órás teszt során bizonyította alkalmasságát és megbízhatóságát.

A német acélipar számára számos fontos ötvözőanyag nem volt elérhető a háború folyamán, ami kényszerhelyzetbe hozta a tervezőket. A gázturbinás hajtómű tartós működéséhez szükség volt a magas hőmérsékletű helyeken a speciális nagyszilárdságú hőmérséklettűrő ötvözetekre. A hajtóművön belül a turbinalapát volt a komplex erőhatásoknak leginkább kitett alkatrész. A lapátok nagy húzó igénybevételnek voltak kitéve az egyidejű magas hőmérséklet és centrifugális erő miatt. Ezeknek az alkatrészeknek a gyártásához nikkel és króm ötvözőanyagokra volt szükség. A szériagyártású Jumo 004B-1es hajtómű gyártása során tinadur, vagy az alternatív cromadur fantázianevű ausztenites rozsdamentes acélt használták a magas hőmérsékletnek kitett alkatrészek gyártásához. A tinadur 6% titánt, 18% nikkelt, és 12% krómot, valamint egyensúlyi ötvözeteket tartalmazott, míg a cromadur egy nagyon ritka nikkel-mangán ötvözet volt 18% krómmal, 15% mangánnal, nagyon kevés nikkellel, továbbá egyensúlyi ötvözőkkel.

A Jumo 004A prototípus nagy hőmérsékletnek kitett alkatrészeinek gyártásakor még rendelkezésre álltak hőálló alapanyagok, így abban a hajtóműben a turbinalapátok hűtése nem okozott gondot, bár ezzel együtt is a teljes üzemideje mindössze 140 óra volt. A hőálló alapanyagok egyre fokozódó hiánya arra késztette a tervezőket, hogy kivételes megoldásokat alkalmazzanak, így került képbe a lapátok hűtésének lehetősége és a tűzcsövek zománcbevonata. A hajtómű égőtér lemezből hajlított tűzcsöveit zománcbevonattal óvták meg a korrózió és magas hő hatásától. Az új szerkezeti anyagokra történő átállás azonban jelentős időveszteséggel járt, figyelembe véve az új eljárások ellenőrző tesztelésére fordított időt.

A Jumo 004B-4-es hajtómű turbinalapátjait kétféle anyagból és két különböző technológiával üreges szerkezetűre készítették. Az első technológia szerint tinadur síklemezből először mélyhúzással csövet készítettek, majd több egymást követő alakítással hozták létre a megfelelő lapátprofilt. A másik technológia szerint a cromadur lemezből többszörös hajlítás során alakították ki a megfelelő formájú profilt, majd a lapát kilépő élénél összehegesztették a lemezt, így biztosítva a zárt szelvény szilárdságát és merevségét. Az alkalmazott technológiák során mindkét acél figyelmes, precíz hőkezelést igényelt, hogy megszüntessék az anyagban maradó káros feszültségeket. A hajtómű működése során nyert adatok alapján az alacsonyabb minőségűnek ítélt hegesztett szerkezetű cromadur acél felhasználásával készített lapát bizonyult jobbnak, szemben a mélyhúzott tinadur lapáttal. Az új technológiák alkalmazása lehetővé tette a hajtómű üzemidejének 25 óráról 60 órára való növelését.

A Junkers Motoren JUMO 004-B hajtómű

A korai gázturbinás hajtóművek tervezőinek egyik legnagyobb problémája az volt, hogy miként lehet az üzemanyag befecskendezés mennyiségét megfeleltetni a repülési helyzetnek és a levegő paraméterek (sűrűség, hőmérséklet, nyomás) változásának. A hajtóműpróbák alkalmával számos újdonság mellett nyilvánvalóvá vált, hogy repülés során a gázturbinás hajtómű sok tekintetben másként viselkedik, mint a dugattyús motor. A gázturbinás hajtóműnél nem kell számolni a légcsavaros gépeken manőverezés közben ébredő giroszkópikus nyomatékkal, azonban jelentős negatívumként kell kezelni a hajtómű hosszú reakcióidejét. Az a jelenség, hogy a hajtómű viszonylag sokára reagált a gázkar elmozdulására, teljesen eltért a dugattyús motoroknál megszokott azonnali reakciótól.     

A Jumo 004B-4-es hajtóművekben Barman típusú fogaskerék-szivattyú állította elő a szükséges üzemanyag mennyiségét és nyomását a hajtómű fordulatszámának függvényében. Az üzemanyag-szabályozó rendszeren belül a gázkar képezte az alapjelet, a hajtóművek teljesítményének beállításához, és ehhez kapcsolódott egy centrifugális fordulatszám szabályozó, ami egy áteresztő szelepet vezérelt. A hajtómű gyorsítására nem készítették fel az üzemanyag automatika rendszert, így gyorsításkor ha a gázkart túl nagy sebességgel tolták előre, túl sok üzemanyag kerülhetett a hajtóműbe és az vagy kigyulladt, vagy a turbinalapátok égtek el. A pilótákra nagy felelősség hárult a hajtómű üzemmódjának repülés közbeni változtatásakor. Ez nagy felkészültséget és figyelmet igényelt, ami harcfeladat közben komoly figyelemmegosztást követelt a tőlük.

1943 végén a hajtóművek egy szériájánál ismét vibrációs problémák jelentkeztek. A fejlesztők megint Max Benteléhez fordultak segítségért, aki elemezve a problémát csekélységnek tűnő változtatásokat végzett a lapátokon és 9000 1/n-ről 8700 1/n-re csökkentette a hajtómű fordulatszámát mellyel megszűntette a lapátok vibrációját. A változtatás végre megoldotta a problémát, de erre 1944 tavaszáig kellett várni, majd elkezdődött a szériagyártás.

Az RLM felismerve a gázturbinás hajtóműben rejlő potenciált felhívta az összes repülőgép-motorgyártó figyelmét, hogy kezdjék el saját sugárhajtómű fejlesztő programjukat. Így a Brandenburgische Motorverke Hermann Österich irányítása alatt hozzákezdett saját fejlesztési programjához, melyhez az RLM a 109-003-as jelölést adta. A Bramo két hajtómű projektet indított el, de a 109-002-est rövid időn belül leállította bonyolultsága miatt. 1939-ben a Bayerische Motorwerke[ megvásárolta a Bramot és még azon a nyáron Bruno Bruckmann vezetésével hozzákezdtek a tervezési munkákhoz.

A BMW ugyanúgy, ahogy a Junkers mérnökei Prof. Dr. Enckéhez fordultak, aki a Göttingeni Egyetemen létrehozta az első axiális kompresszort, hogy adjon segítséget a gyakorlati tervezéshez. A munka elkezdődött, de a BMW tervezői rövid időn belül áttervezték a Dr. Encke féle kompresszort és a továbbiakban Dr. Östrich tervei szerint haladt a munka.

A fejlesztés során a BMW 003-as különböző változatait hozták létre, amelyek között nem voltak jelentős eltérések, azonban a Jumo 004-estől egy dologban jelentősen eltértek, mégpedig abban, hogy gyűrűs égőtérrel rendelkeztek, amelyben 16 égőfej biztosította a hajtómű működését. Ezzel a technikai megoldással sikerült elérni, hogy a hajtómű külső átmérője 100 mm-el kisebb legyen, mint a Jumo 004-es hajtóműve. A kompresszort eredetileg hatfokozatúra tervezték, de a gyártósoron már hétfokozatúak készültek és a további fejlesztés arra irányult, hogy áttérjenek a nyolcfokozatúra. A kompresszor által szállított levegő mennyiségének az 5%-át vették igénybe a turbinalapátok hűtésére, vagyis ezt a levegőt az üreges turbina-állólapátok belsejébe vezették. Ezzel a megoldással csökkenteni tudták a lapátok hőterhelését és hosszabb élettartamot biztosíthattak a hajtómű számára. A kompresszor hatásfoka 78%, a turbináé pedig 79%, a hajtómű élettartama pedig ekkor mindösszesen 50 óra volt. A hajtómű érdekessége volt, hogy a turbina forgórészét két óra alatt tudták kicserélni a hajtómű kiépítése nélkül. A fejlesztés során a 003C változat tolóereje 7,8 kN-ról 8,8 kN-ra, majd végül a 003D változatnál 12,4 kN-ra nőtt, majd a 018-as számú hajtómű tolóereje elérte a 34,3 kN-t.

A BMW 003-as hajtómű

A Daimler Benz a versenytársakhoz képest néhány éves hezitálás után kezdett hozzá a maga gázturbinás hajtómű programjához. Az RLM azzal a kéréssel fordult a nagy tapasztalatokkal rendelkező repülőmotor gyárhoz, hogy készítsen egy olyan hajtóművet melynek a tolóereje jelentősen meghaladja az akkor már létező Junkers és BMW hajtóművek tolóerejét, fajlagos üzemanyag fogyasztása[ pedig legyen alacsonyabb az akkor ismert értékeknél.

A Daimler-Benz vállalat vonakodott belépni a gázturbinás hajtóműgyártási projektbe. 1938 végén az RLM kérését a projektbe való belépésre Fritz Nalinger a DB fejlesztésért felelős vezetője elutasította. A fejlesztési munkák 1939-ben kezdődtek el, Prof. Dr. Ing. Karl Leist irányításával, aki abban az időben hagyta el a Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt vállalatot és lépett be a Daimler Benz AG-hoz. A feladat tanulmányozása 1941-ben kezdődött el a tervkoncepció felépítésével, és a megálmodott hajtómű egy originálisan új konstrukció lett. A világon elsőként kétáramú hajtóművet kívántak építeni, ami megfelelt volna az RLM által támasztott minden követelménynek. 1943 április 1-jén három új hajtómű állt készen a tesztpadi mérésekre, és a hajtóművek őszre elérték a maximális terhelésnek megfelelő 12600 1/n fordulatszámot.

A 109-007-es hajtómű szerkezeti felépítése: kilencfokozatú kisnyomású kompresszor, és kétfokozatú turbina. A ventilátorfokozat és a mögötte elhelyezkedő kompresszor fokozatok egymással ellentétes irányban forogtak. A ventilátor levegőszállítása 19,9 kg/s volt, a kompresszor levegőszállítása pedig 8,2 kg/s volt.

A Daimler Benz 109-007-es hajtómű

A hajtómű égőtere kezdetben négy, majd később öt különálló tűzcsövet foglalt magában. A turbina előtti gázhőmérsékletet 1100°C-ban határozták meg, ami a technika akkor szintjén igen magas értéknek számított és a turbinalapátok nagyon gondos hűtését követelte meg.

A hajtómű fejlesztési munkái lassan haladtak, mígnem az RLM a fejlesztési munkákat 1944 végén leállította. A háború a végéhez közeledett és a szövetséges csapatok mindegyike versenyt futott, hogy a lehető legtöbb információt szerezze meg a német mérnöki tudás eredményéből. Ezek a hajtóművek mintaként szolgáltak és váltak a mai hajtóműgyártás alapjául Nagy-Britannia, Franciaország, az Egyesült Államok és a Szovjetunió/Oroszország gázturbinás hajtóműgyártása számára.

Írta: Dobos Endre


Friss írások

Milyen érzékelő van az Egyesült Arab Emírségek F-16E/F Block 60 Desert Falcon vadászgépének az orrán?

Úgy tűnik, hogy a repülőgépek egy-egy szerkezete különleges érdeklődést vált ki. Jelen esetben egy bizonyos gömb váltott ki nagy érdeklődést, amelyet a...

Ötvenegy éve történt: hogyan lőttek le izraeli pilóták 5 szovjet MiG vadászgépet 3 perc alatt

1970. július 30-án öt szovjet MiG-21-es vadászgépet lőttek le az izraeli légierő pilótái, mindösszesen három perc alatt. Ha visszatekintünk...

Oroszország új vadászgépe a Szu-75 Checkmate nagy ígéret. Valóban képes lesz elérni a kitűzött célokat?

Múlt hét kedden a Объединённая Авиастроительная Корпорация (OAK) és a Szuhoj Repülőgyár a Moszkvai Repülési és Űrkiállítás (MAKS) nyitónapján bemutatta az új...

A Rafale vadászgép Spectra védelmi elektronikai berendezése blokkolta a Szu-35-ös radarját

Az Egyiptomi Légierő teljes állományára nagy hatást gyakorolt a legutóbbi BVR gyakorló elfogás lefolyása és eredménye, melyben a Szu-35-ös orosz vadászgép játszotta...

Checkmate az új orosz egy hajtóműves ötödik generációs vadászgép

Oroszország ma bemutatta új, könnyű/közepes vadászgépét, amelyre egy csillogó médiahadjárat hívta fel egy nappal korábban az érdeklődők figyelmét. Tegnap először volt látható...