Junkers Jumo 004 - Junkers Jumo 004

Jumo 004
Junkers Jumo 004.jpg
Řezový příklad proudového motoru Junkers Jumo 004 v Národním muzeu amerického letectva, Wright-Patterson AFB, Ohio.
Typ Proudový
národní původ Německo
Výrobce Junkers
První běh 1940
Hlavní aplikace Arado Ar 234
Messerschmitt Me 262

Junkers Jumo 004 byl svět je první sériově vyráběný proudový motor provozní využití, a první úspěšný axiální kompresor proudový motor. Koncem druhé světové války vyrobilo Junkers v Německu asi 8000 jednotek , které poháněly stíhací letoun Messerschmitt Me 262 a průzkumný/bombardovací letoun Arado Ar 234 spolu s prototypy, včetně Horten Ho 229 . Varianty a kopie motoru byly vyráběny ve východní Evropě a SSSR několik let po skončení druhé světové války.

Návrh a vývoj

Proveditelnost tryskového pohonu prokázal v Německu počátkem roku 1937 Hans von Ohain ve spolupráci se společností Heinkel . Většina říšského ministerstva letectví ( RLM ) zůstala bez zájmu, ale Helmut Schelp a Hans Mauch viděli potenciál koncepce a povzbudili německé výrobce leteckých motorů, aby zahájili vlastní programy vývoje proudových motorů. Společnosti zůstaly skeptické a bylo provedeno jen málo nového vývoje.

V roce 1939 Schelp a Mauch navštívili společnosti, aby zkontrolovali pokrok. Otto Mader, vedoucí divize Junkers Motorenwerke (Jumo) velké letecké společnosti Junkers , uvedl, že i když byl koncept užitečný, neměl na něm nikdo pracovat. Schelp reagoval prohlášením, že doktor Anselm Franz , který měl tehdy na starosti vývoj turbodmychadel a kompresorů Junkers , bude pro tuto práci ideální. Franz zahájil svůj vývojový tým později ten rok a projekt dostal označení RLM 109-004 (předpona 109 přiřazená RLM byla společná pro všechny projekty reakčních motorů v 2. světové válce v Německu a byla také použita pro německou druhou světovou válku návrhy raketových motorů pro letadla s posádkou).

Franz se rozhodl pro design, který byl současně konzervativní a revoluční. Jeho konstrukce se lišila od von Ohainova v tom, že použil nový typ kompresoru, který umožňoval nepřetržitý, přímý proud vzduchu motorem ( axiální kompresor ), který nedávno vyvinul Aerodynamische Versuchsanstalt (AVA - Aerodynamic Research Institute) v Göttingenu . Axiální kompresor měl nejen vynikající výkon, asi 78% účinnost v podmínkách „reálného světa“, ale měl také menší průřez, důležitý pro vysokorychlostní letadla. Starý asistent doktora Bruna Bruckmana v programu proudových motorů, Dr. Österich, převzal za něj v Berlíně a vybral návrh axiálního toku kvůli jeho menšímu průměru; bylo to o 10 cm (3,9 palce) méně než u konkurenčního axiálního motoru BMW 003 .

Na druhou stranu měl v zájmu urychlení vývoje a zjednodušení výroby za cíl vyrobit motor, který byl hluboko pod jeho teoretickým potenciálem. Jedním z hlavních rozhodnutí bylo rozhodnout se pro jednoduchou spalovací oblast pomocí šesti „ plamenových plechovek “ namísto efektivnější jediné prstencové plechovky . Ze stejných důvodů intenzivně spolupracoval na vývoji turbíny motoru s Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft (General Electric Company, AEG) v Berlíně a místo stavby vývojových motorů se rozhodl okamžitě začít pracovat na prototypu motoru, který by mohl být uveden přímo do výroby. Franzův konzervativní přístup byl zpochybňován RLM, ale byl ospravedlněn, i když i vzhledem k vývojovým problémům, se kterými se musel potýkat, vstoupila 004 do výroby a služby s dostatečným předstihem před BMW 003, jeho technologicky vyspělejším, ale mírně nižším tahovým konkurentem (7,83 kN /1760 lbf).

V Kolbermooru, kde se nachází závod na výrobu motorů Heinkel - Hirth , Feddenova mise vedená Sirem Royem Feddenem zjistila, že výroba proudových motorů je jednodušší a vyžaduje méně kvalifikované práce a méně sofistikované nástroje než výroba pístových motorů; ve skutečnosti většina výroby dutých lopatek turbíny a práce na plechu na tryskách mohly být prováděny nástroji používanými při výrobě panelů karoserie automobilů . Sám Fedden kritizoval připevnění skříně kompresoru 004, která byla ve dvou polovinách, přišroubovaná k polovičním sekcím statorových sestav.

Technický popis a testování

Čelní pohled na motor Jumo 004 uložený v gondole na stíhačce Me 262. Ve středu sacího měniče motoru je dobře viditelná rukojeť startéru 004 jednotky Riedel pro spuštění jednotky 004.
Startér Riedel, s rukojetí pro start a kabelem

První prototyp 004A , který byl konstruován pro provoz na naftu , byl poprvé testován v říjnu 1940, i když bez výfukové trysky. Byl testován na konci ledna 1941 na nejvyšší tah 430 kgf (4200 N; 950 lbf) a práce pokračovaly ve zvyšování výkonu, přičemž smlouva RLM stanovila minimálně tah 600 kgf (5 900 N; 1300 lbf) .

Problémy s vibracemi statorů kompresoru, původně zvenčí zavěšené, zpozdily program v tomto bodě. Při řešení problému pomáhal Max Bentele , poradní inženýr ministerstva letectví se zkušenostmi s vibracemi turbodmychadla. Původní hliníkové statory byly nahrazeny ocelovými, v jejichž konfiguraci motor vyvinul v srpnu 5,9 kN (1300 lb f ) a v prosinci absolvoval 10hodinový vytrvalostní běh na 9,8 kN (2200 lb f ). První letová zkouška proběhla 15. března 1942, kdy letoun Messerschmitt Bf 110 vznášel ve vzduchu 004A, aby za letu spustil motor. 004 používal osmistupňový axiální kompresor se šesti axiálními spalovacími komorami (vyrobenými z ocelového plechu) a jednostupňovou turbínu s dutými lopatkami.

18. července jeden z prototypů Messerschmitt Me 262 poprvé vzlétl pod proudovým pohonem svých motorů 004 a 004 byla objednána do výroby RLM v rozsahu 80 motorů.

Počáteční motory 004A postavené k pohonu prototypů Me 262 byly postaveny bez omezení materiálů a používaly vzácné suroviny, jako je nikl , kobalt a molybden, v množství, které bylo při výrobě nepřijatelné. Franz si uvědomil, že Jumo 004 bude muset být přepracován tak, aby obsahoval minimum těchto strategických materiálů , a to se podařilo. Všechny horké kovové části, včetně spalovací komory, byly změněny na měkkou ocel chráněnou hliníkovým povlakem a duté lopatky turbíny byly vyrobeny ze skládané a svařované slitiny Cromadur (12% chromu, 18% manganu a 70% železa). od Kruppa , a chlazen stlačeným vzduchem „vykrváceným“ z kompresoru. Provozní životnost motoru byla zkrácena, ale pozitivem bylo, že jeho konstrukce byla snazší. Produkční motory měly litý hořčíkový plášť ve dvou polovinách, z nichž jedna byla přišroubována k polovičním sekcím statorových sestav. Čtyři přední statory byly konstruovány z čepelí ze slitiny oceli přivařených k držáku; zadní pětka byla přitlačena na ocelový plech ohnutý přes držák a přivařený. Lopatky kompresoru ze slitiny oceli byly dovetalovány do štěrbin v disku kompresoru a byly upevněny malými šrouby. Samotný kompresor byl připevněn k ocelové hřídeli dvanácti stavěcími šrouby . Jumo vyzkoušel řadu lopatek kompresoru, počínaje pevnou ocelí, později dutými plechy, přivařenými na kužel, s kořeny nasazenými přes kosočtvercové čepy na turbínovém kole, ke kterému byly připnuty a pájeny natvrdo .

Jednou zajímavou vlastností 004 byl startovací systém navržený německým inženýrem Norbertem Riedelem , který sestával z 2taktního plochého motoru o výkonu 10 hp (7,5 kW) skrytého v sání a v podstatě fungoval jako průkopnický příklad APU pro spuštění proudového motoru. Otvor v extrémním nosu tělesa sběrače sacího potrubí obsahoval táhlo pro lanko, které „převrátilo“ pístový motor, který zase roztočil turbínu. V horním obvodu plechového pláště prstencového sání byly namontovány dvě malé nádrže na směs benzínu a oleje pro pohon dvoutaktní mechanické jednotky APU Riedel. Jednotka Riedel byla také použita-ale byla instalována odlišně-pro spuštění konkurenčního motoru BMW 003 a pro pokročilejší konstrukci proudového motoru HeS 011 „smíšeného proudu“ HeSkeel.

První výrobní model 004B vážil o 100 kg (220 liber) méně než 004A a v roce 1943 prošel několika 100hodinovými testy, přičemž mezi generálními opravami bylo dosaženo času 50 hodin.

Později v roce 1943 došlo u verze 004B k poruchám lopatek turbíny, kterým tým Junkers nerozuměl. Zaměřili se na oblasti, jako jsou vady materiálu, velikost zrna a drsnost povrchu. Nakonec byl v prosinci během setkání v sídle RLM znovu přiveden specialista na vibrace lopatek Max Bentele . Zjistil, že poruchy byly způsobeny jednou z přirozených frekvencí lopatek v rozsahu chodu motoru. Jeho řešením bylo zvýšit frekvenci zvýšením zúžení lopatek a jejich zkrácením o 1 milimetr a snížit provozní otáčky motoru z 9 000 na 8 700 ot / min.

Až počátkem roku 1944 mohla konečně začít plná výroba. Tyto druhy výzev technických detailů pro řadu proudových motorů řady 109-004 tvořily překážky, které byly hlavním faktorem, který oddálil uvedení Me 262 Luftwaffe do služby letky.

Vzhledem k oceli nižší kvality používané v 004B měly tyto motory typicky životnost jen asi 10–25 hodin, což je v rukou zkušeného pilota možná dvojnásobek. Dalším nedostatkem motoru, společným pro všechny rané proudové motory, byla jeho pomalá reakce na plyn. Horší bylo, že bylo docela snadné vstřikovat příliš mnoho paliva do motoru příliš rychlým škrcením, což umožnilo nahromadění tepla, než jej mohl chladicí vzduch odstranit. To vedlo ke změkčení lopatek turbíny a bylo to hlavní příčinou poruch motoru. Nicméně, to dělalo proudovou energii pro bojová letadla poprvé realitou.

Řezaná výfuková tryska Jumo 004 zobrazující omezující tělo Zwiebel
Detailní pohled na pohonný systém pro omezující těleso Zwiebel

Výfuková oblast 004 představovala trysku s variabilní geometrií , která měla speciální omezující těleso přezdívané Zwiebel (německy pro cibuli, kvůli svému tvaru při pohledu z boku), které mělo zhruba 40 cm (16 palců) dopředu a dozadu na zádi, pohybovaný mechanismem jackscrew poháněným elektromotorem, aby se změnila plocha průřezu tryskového výfuku pro ovládání tahu, jako aktivní součást průkopnického formátu „divergentně konvergentních“ trysek.

Jumo 004 mohl běžet na tři druhy paliva:

  • J-2, jeho standardní palivo, syntetické palivo vyrobené z uhlí.
  • Motorová nafta.
  • Letecký benzín; není považováno za žádoucí kvůli jeho vysoké míře spotřeby.

Cena materiálu Jumo 004 byla 10 000 RM a také byla o něco levnější než konkurenční BMW 003 , které stálo 12 000 RM , a levnější než pístový motor Junkers 213 , který stál 35 000 RM . Trysky navíc využívaly méně kvalifikované práce a na dokončení potřebovaly pouze 375 hodin (včetně výroby, montáže a přepravy), ve srovnání s 1400 u BMW 801 .

Výroba a údržba 004 byla prováděna v závodech Junkers v Magdeburgu , pod dohledem Otto Hartkopf . Dokončené motory si získaly pověst nespolehlivosti; doba mezi generálními opravami (technicky ne doba mezi generálními opravami ) byla třicet až padesát hodin a mohla být až deset, ačkoli zkušený leták by mohl interval zdvojnásobit. (Konkurenčních vozů BMW 003 bylo asi padesát.) Proces zahrnoval výměnu lopatek kompresoru (který utrpěl největší poškození, obvykle požitím kamenů a podobně, později známých jako krmení ) a lopatek turbíny poškozených vysokým termodynamickým zatížením. Němci byli známí tím, že používali jak speciálně konstruované polokulové klece s drátěným rámem, tak ploché kruhové kryty nad vstupy, aby se zabránilo požití cizích látek do vstupů proudových motorů jejich letadel na zemi. Životnost lopatek kompresoru a turbíny by mohla být prodloužena opětovným vyvážením rotorů během běžné údržby; Riedelův dvoudobý startovací motor a guvernér proudového motoru by také byly přezkoumány a podle potřeby vyměněny. Spalovače vyžadovaly údržbu každých dvacet hodin a výměnu prováděli po 200.

Bylo postaveno 5 000 až 8 000 004; na konci druhé světové války činila produkce 1 500 měsíčně. Mise Fedden vedená Sirem Royem Feddenem odhadovala, že poválečná celková výroba proudových motorů do poloviny roku 1946 mohla dosáhnout 100 000 jednotek ročně nebo více.

Poválečná výroba

Avia M-04
Tumansky RD-10

Následovat druhou světovou válku, Jumo 004s byly postaveny v malém počtu v Malešicích v Československu , označené Avia Avia M-04 , k pohonu Avia S-92, která byla sama kopií Me 262. Upgradované kopie Jumo 004 byly také postaveny v Sovětský svaz jako Klimov RD-10 , kde poháněli Jakovlev Jak-15 i mnoho prototypových proudových stíhaček.

Ve Francii zajaté 004 poháněly Sud-Ouest SO 6000 Triton a Arsenal VG-70 .

Varianty

( Data z: Kay, Turbojet: History and Development 1930–1960 : Volume 1: Great Britain and Germany

109-004
Prototyp motoru v měřítku 1 / 10 (absorpce výkonu kompresoru), zkušební provoz s omezeným úspěchem.
109-004A
Plně prototypové a předvýrobní motory poháněly rané prototypy letadel Messerschmitt Me 262 a Arado Ar 234 .
109-004A-0 : Předvýrobní motory pro let.
109-004B
Sériové motory se sníženou hmotností a strategickými materiály.
109-004B-0 : počáteční sériové motory, tah 8,22 kN (1848 lbf) při 8700 ot./min.
109-004B-1 : upravený kompresor a turbína ke snížení vibrací a tahu se zvýšily na 8,83 kN (1 984 lbf).
109-004B-2 : Začlenění nového kompresoru ke snížení poruch vibrací
109-004B-3 : Vývojový model
109-004B-4 : Představit vzduchem chlazené duté lopatky turbíny
109-004C
Projektovaná verze s vylepšeními detailů poskytující tah 9,81 kN (2 205 lbf), nestavěná.
109-004D
Rafinovaný 004B s dvoustupňovým vstřikováním paliva a novou řídicí jednotkou paliva, připraven k výrobě do konce druhé světové války .
109-004D-4 : Upravený spalovací systém pro vyšší tah, ale kratší životnost, pouze pro testování.
109-004E
004D s výfukovou oblastí optimalizovanou pro výkon ve vysokých nadmořských výškách, tah 11,77 kN (2646 lbf) s přídavným spalováním.
109-004F
Možná injekcí vody nebo vody/methanolu.
109-004G
Na základě 004C s 11stupňovým kompresorem a 8 spalovacími komorami pro 16,68 kN (3749 lbf).
109-004H
Přepracovaná a rozšířená verze 004 s 11stupňovým kompresorem a 2stupňovou turbínou, která dosáhla fáze návrhu až do konce války; projektovaný k dosažení tahu 17,7 kN (3 970 lbf) při 6 600 ot./min.
Avia M-04
Poválečná výroba 004B v Československu
RD-10
Označení používané pro zachycené Jumo 004 a kopie, postavené od roku 1945 týmem na 26 GAZ v čele s Klimovem a v zajaté podzemní továrně poblíž Dessau.

Tabulka variant

Označení RLM Typ Rozložení Tah nebo síla Hmotnost Otáčky
109-004B Proudový 8A 6C 1T 8,83 kN (1 984 lbf) 745 kg (1642 lb) 8 700 ot./min
109-004C Proudový 8A 6Cn 1T 9,81 kN (2205 lbf) 720 kg (1590 liber) 8 700 ot./min
109-004D Proudový 8A 6C 1T 10,30 kN (2315 lbf) 745 kg (1642 lb) 10 000 otáček za minutu
109-004H Proudový 11A 8C 2T 17,7 kN (3970 lbf) 1200 kg (2600 liber) 6 600 ot./min

Uspořádání: A = stupně kompresoru s axiálním průtokem, C = spalovací komory plechovek, T = stupně turbíny.

Aplikace

Pravostranný motor Junkers Jumo 004 Me 262 vystavený u australského válečného památníku

Přežívající motory

Řada příkladů proudových motorů Jumo 004 existuje v leteckých muzeích a historických sbírkách v Severní Americe, Evropě a Austrálii, včetně;

  • Muzeum Flying Heritage & Combat Armor Museum , které se nachází v Paine Field ve městě Everett, Washington, v současné době obnovuje motor Me 262 a doprovodné motory Jumo 004 do letuschopného stavu. Motor 004s byl přepracován tak, aby umožňoval vyšší odolnost proti únavě, a tedy i celkovou celkovou životnost motoru. V říjnu 2019 obnovená 262 úspěšně provedla testování pojezdové dráhy pod výkonem jejích motorů 004

Specifikace (Jumo 004B)

Motor Jumo 004 vyšetřují inženýři Laboratoře výzkumu leteckých motorů Národního poradního výboru pro letectví v roce 1946

Data z

Obecná charakteristika

  • Typ: proudový
  • Délka: 3,86 m (152 palců)
  • Průměr: 81 cm (32 palců)
  • Suchá hmotnost: 719 kg (1585 liber)

Komponenty

Výkon

Viz také

Srovnatelné motory

Související seznamy

Reference

Poznámky

Bibliografie

  • Christopher, John (2013). The Race for Hitler's X-Planes: Britain's 1945 Mission to Capture Secret Luftwaffe Technology . Stroud, UK: History Press. ISBN 978-0-7524-6457-2.
  • Gunston, Bill (2006). Světová encyklopedie leteckých motorů: Od průkopníků po současnost (5. vydání). Stroud, Velká Británie: Sutton. ISBN 0-7509-4479-X.
  • Kay, Anthony L. (2002). Vývoj německého proudového motoru a plynové turbíny v letech 1930–1945 . Crowood Press. ISBN 1-84037-294-X.
  • Kay, Antony (2004). Junkers Aircraft & Engines 1913-1945 . Londýn: Putnam Aeronautical Books. ISBN 0-85177-985-9.
  • Kay, Anthony L. (2007). Historie a vývoj proudových proudů 1930–1960 . 1 . Ramsbury: The Crowood Press. ISBN 978-1-86126-912-6.
  • Meher-Homji, Cyrus B. (září 1997). „Anselm Franz a Jumo 004“ . Strojírenství . ASME . Archivovány od originálu na 2008-01-07.
  • Pavelec, Sterling Michael (2007). Jet Race a druhá světová válka . Greenwood. ISBN 978-0-275-99355-9.

externí odkazy