Жеткішті турбореактивті қозғалтқыш: General Electric J79 тарихы

Кіріспе

Осьтік ағынды турбореактивті қозғалтқыш

General Electric J79 – әртүрлі истребительдер мен бомбалаушы ұшақтарда, сондай-ақ үстінқы жылдамдықпен ұшатын зымырандарда қолданылуға арналған осьтік ағынды турбореактивті қозғалтқыш. J79 қозғалтқышын General Electric Aircraft Engines компаниясы АҚШ-та және лицензия бойынша әлемдегі бірнеше компания өндірді. Оның негізгі қолданылуларының ішінде Lockheed F 104 Starfighter, Convair B 58 Hustler, McDonnell Douglas F 4 Phantom II, North American A 5 Vigilante және IAI Kfir ұшақтары бар. CJ805 саудалық нұсқасы Convair 880 ұшағына қуат берді, ал CJ805-23 артқы турбовентиляторлы нұсқасы Convair 990 авиалайнерлеріне және АҚШ нарығына айналмалы қозғалтқыштың артықшылықтарын көрсету мақсатындағы жалғыз Sud Aviation Caravelle ұшағына қуат берді. 1959 жылы J79 газ генераторы 10 МВт сыныпты стационарлық, еркін турбиналы турбошақты қозғалтқыш ретінде кеме қуаты, электр энергиясын өндіру және өнеркәсіптік қолдану үшін жасалды, ол LM1500 деп аталды. Оның алғашқы қолданылуы Plainview зерттеу гидрофойлында болды.

Өзгермелі статорлы компрессордың дамуы

1940 жылдардың соңына қарай реактивті қозғалтқыш конструкциясы компрессордың өнімділігімен шектелді, атап айтқанда, қозғалтқыштың отын тұтынуын азайту үшін компрессордың қысым коэффициентін арттыру қажет болды. Алайда, компрессордың тиімді жұмыс ауқымы сол кезде шектеулі болды және ұшып көтерілу немесе крейсерлік қалыпқа өту үшін қажетті компрессордың жоғары айналымдарына негізделген. Егер жоғары жылдамдықтарда жоғары тиімділікке есептелсе, төмен жылдамдықтарда тиімсіз болып, тоқтауға бейім келетін. 1944 жылы Ұлттық аэронавтикалық кеңес комитеті "реттелетін статорлық қанаттарды қолдану арқылы осьтік ағынды компрессорлардың тиімді жұмыс ауқымын кеңейту" теориясын сынады, 3.42:1 қысым коэффициенті және реттелетін қанат бұрыштары бар сегіз сатылы осьтік компрессорды іске қосып. Компрессор айналымдары жобалық айналымдардан едәуір төмен болғанда тиімділік жағынан айтарлықтай жақсаруға қол жеткізілді. Жылдамдықтың жобалық көрсеткіштен ауытқуы төмен айналымдарда бірінші сатыларда байқалады және қысым коэффициенті жоғарылаған сайын күшейеді, нәтижесінде Rolls Royce Avon компрессорымен болғандай, қанаттардың тоқтауы және компрессордың секіруіне әкеледі (1949 жылғы 6.3:1 жобалық қысым коэффициентімен). 1947 жылы Rolls Royce компрессорларын жобалаушы Джефф Уайльд "Осьтік ағынды компрессорды реттеу" патентына өтініш берді, "жұмыс істеудің кең айналымдық диапазоны бар компрессорды қамтамасыз ету" мақсатында. Төмен жылдамдықпен жұмыс істегенде ауаның түсу бұрыштарын төмендету үшін кіріс жетекші қанаттары мен статордың алғашқы төрт қатары реттелетін 12 сатылы экспериментальды компрессор жасалды. Бұл тоқтау мен секіруді жеңуде өте тиімді болды. Алайда, қарапайым механикалық конструкциялық шешім (реттелетін кіріс жетекшілері және қан кету) қажетті конструкциялық қысым коэффициентімен жұмыс істейтіні көрсетілді, сондықтан өзгермелі статорлар 1980 жылға дейін Rolls Royce қозғалтқыштарында қолданылмады (IAE V2500). 1950 жылы General Electric оларды екі роторлық типтермен салыстырған жобалау зерттеулерінің нәтижесінде өзгермелі статорлары бар үстінкү дыбыстық қозғалтқыштарға назар аударды. Сол кездегі өткен тәжірибесіне және жаңа технологияларды дәлелдеу үшін қажетті даму күш-жігерін бағалауға сүйенсек, өзгермелі статорлар компрессорды жоғары талап етілген 12:1 қысым коэффициентіне арналған ең жақсы жолын ұсынды. Бұл қысым коэффициенті болашақ үстінкү дыбыстық ұшақтар үшін қажетті үстінкү дыбыстық өнімділікті, крейсерлік өнімділікті және төмен салмақты қамтамасыз ету үшін қажет болды. 1951 жылы сол кезде қозғалтқыштарды сынауды басқарған Герхард Нойман жетекшілігіндегі General Electric командасына өзгермелі статорлы сынақ компрессорын жасау үшін қаржы берілді. Сонымен қатар, Ұшақ газ турбинасы бөлімінің басшысы К. В. 'Джим' ЛаПьер екі команда құрды, олар 0,9 жылдамдықпен крейсерлік қалыпта жүріп, жақсы отын экономиясын қамтамасыз ететін, 2.0 Мах жылдамдығында ұзақ уақыт бойы жұмыс істей алатын қозғалтқыштың жобалау зерттеулерін жүргізді. Нойман өзгермелі статор конфигурациясын қолдана отырып команданы басқарды, ал Чепмен Уокер екі шпулді қолдана отырып, параллель күш-жігерді басқарды. Бір жылдық зерттеуден кейін, өзгермелі статорлы қозғалтқыш жеңіл, қарапайым және кішкентай диаметрлі болғандықтан таңдалды. J79-дың алдын бағдарламасы болып табылатын GOL 1590 өзгермелі статорлы демонстрациялық қозғалтқышы жасалды. Сонымен қатар, X 24A жаңа қозғалтқышы үстінкү дыбыстық ұшақ үшін жобаланып, Әуе күштері таңдады. Жаңа қозғалтқыштың дамуы GOL 1590 демонстрациялық қозғалтқышын іске қосу арқылы қолға алынды.

By the late 1940s, jet engine design had progressed to the point where further progress was limited by the performance of its compressor, in particular the pressure ratio of the compressor had to be increased to reduce the engine fuel consumption. However, the useful operating range of the compressor was limited at that time and centered around its design condition which is at a high compressor speed for take off or cruise. If designed for high efficiency at high speeds it was very inefficient and prone to stall at low speeds. In 1944 the National Advisory Committee for Aeronautics had tested a theory for "Extending the useful operating range of axial flow compressors by use of adjustable stator blades" by running an eight stage axial compressor with pressure ratio 3.42:1 and adjustable blade angles. Considerable improvement in efficiencies were obtained at compressor speeds appreciably below the design speed. Departures of velocity from the design condition are most noticeable in the first stages at low rpm and become more so as the design pressure ratio is increased leading to blade stall and compressor surging as happened with the Rolls Royce Avon compressor, with design pressure ratio of 6.3:1 in 1949. In 1947 Geoff Wilde, a Rolls Royce compressor designer, had applied for a patent "Axial flow compressor regulation" "to provide a compressor with a wide speed range of operation". An experimental 12 stage compressor was built with the inlet guide vanes and first four rows of stator blades adjustable to lower the air incidence angles while running at low speed. It was very effective in overcoming the stall and surge. However, a simpler mechanical design solution (variable inlet guide vanes and bleed) had already been shown to work with the required design pressure ratio so variable stators were not used in a Rolls Royce engine until the 1980s (IAE V2500). By 1950 General Electric was focussing on supersonic engines with variable stators as a result of design studies which compared them with dual rotor types. Based on their past experience at that time, and estimation of the development effort required to prove new technologies, variable stators promised the best way of designing the compressor for the high required pressure ratio of 12:1. This pressure ratio was needed to achieve the supersonic performance, subsonic cruise performance and low weight necessary for future supersonic aircraft. In 1951, a General Electric team led by Gerhard Neumann, at that time in charge of engine development testing, was given funding to build a test compressor with variable stators. In addition, the Aircraft Gas Turbine Division lead, C. W. 'Jim' LaPierre, formed two teams to do design studies for an engine that could run for extended periods at Mach 2.0 while still giving good fuel economy while cruising at Mach 0.9. Neumann led a team using a variable stator configuration, while Chapman Walker led a parallel effort using two spools. After a years study the engine with variable stators was chosen as it was lighter, simpler and had a smaller diameter. A demonstrator engine with variable stators, the GOL 1590, predecessor to the J79 was built. At the same time a new engine, the X 24A, was designed for a supersonic aircraft and selected by the Air Force. Development of the new engine was supported by running the GOL 1590 demonstrator engine.

Жалпы

GE әуе күштерімен келісімшарт жасады, ол жаңа суперсоник бомбалаушыны қуаттандыру үшін шамамен 14 000 фунт соғу күші бар, кейіннен жанумен жұмыс істейтін, Convair B 58 Hustler ұшағы үшін арналған қозғалтқыш болды. GE ұсынған басқа екі қозғалтқыш – J73 және J77 деп аталатын, әлдеқайда үлкен дизайнның жетілдірілген нұсқасы – екеуі де жобадан алынды. Өндіріс үлгісінің алғашқы прототипі XJ 79 1954 жылғы 8 маусымда сынақтан өтті. Қозғалтқыштың алғашқы ұшуы 1955 жылғы 20 мамырда, General Electric J47 қозғалтқышымен жабдықталған North American B 45C Tornado (сериялық нөмірі 48-009) ұшағына орнатылып жүзеге асты. Ұшу барысында J79 сынақ жүргізу үшін бомба бөлімінен ауа ағынына жіберілді. Жаңа қозғалтқыштың 50 сағаттық сынағынан кейінгі алғашқы ұшу, ол ұшу сынақ платформасы үшін жалғыз күш көзі болды, 1955 жылғы 8 желтоқсанда орындалды. Бұл ұшуда J79, General Electric даму және сынақ бағдарламасының аясында, өзінің бастапқы Westinghouse J40 қозғалтқышының орнына екінші өндіріске дейінгі Douglas F4D Skyray ұшағына орнатылды. YF 104 J79 қозғалтқышымен ұшуға ие болған келесі ұшақ болды, содан кейін Grumman F11F Tiger қайта жабдықталды. Бұл, F4H (F 4) ұшағының алғашқы ұшуына дейін қозғалтқышпен тәжірибе жинақтау мақсатында Әскери-теңіз күштері демеушілік еткен бағдарлама аясында жасалды. J79 қозғалтқышы F 104 Starfighter, B 58 Hustler, F 4 Phantom II, A 5 Vigilante, IAI Kfir ұшақтарында және SSM N 9 Regulus II үстіркілді зымыранда қолданылды. Ол 30 жылдан астам уақыт бойы өндірілді. АҚШ-та, сондай-ақ Бельгия, Канада, Германия, Израиль, Италия және Жапонияда лицензия бойынша 17 000-нан астам J79 қозғалтқыштары жасалды. J79 қозғалтқышымен жабдықталған General Dynamics F 16 Fighting Falcon ұшағының төмендетілген нұсқасы экспортқа арналған төмен құнмен ұшақ ретінде ұсынылды, бірақ прототип ұшақ сынақтан өткенімен, ол клиент таппады. 1960 жылдардың соңында J79 жаңа ұшақ жобаларында F 111 және F 14 ұшақтарында қолданылатын Pratt & Whitney TF30 сияқты кейіннен жанумен жұмыс істейтін турбовентиляторлық қозғалтқыштармен және F 15 Eagle ұшағында қолданылатын Pratt & Whitney F100 сияқты жаңа буын турбовентиляторлық қозғалтқыштармен алмастырылды. Бұл жаңа қозғалтқыштар қозғалтқыштың негізгі бөлігінен ауаны өткізу арқылы крейсерлік ұшу кезінде отын тиімділігін арттырды. J79 қозғалтқышын жобалауға қосқан үлесі үшін 1958 жылы Gerhard Neumann және Neil Burgess (General Electric Aircraft Engines) бірлесіп Collier Trophy сыйлығымен марапатталды, сонымен қатар бұл құрметке Clarence Johnson (Lockheed F 104) және АҚШ Әуе күштері (Flight Records) ие болды.

GE won the Air Force contract for a new engine with approximately 14,000 pounds thrust, with afterburning, to power a new supersonic bomber, which became the Convair B 58 Hustler. The two other engines offered by GE, an advanced version of the existing J73 and a much larger design, known as the J77, were both cancelled. The first prototype of the production version, XJ 79, ran on 8 June 1954. The first flight of the engine was on 20 May 1955 with the engine installed in a General Electric J47 powered North American B 45C Tornado (serial 48 009). In flight the J79 was lowered from the bomb bay into the airstream for testing. The first flight after the 50 hour qualification test, required for a new engine that is the sole source of thrust for a flying testbed, was on 8 December 1955, powering the second pre production Douglas F4D Skyray, with the J79 in place of its original Westinghouse J40 engine as part of the General Electric development and qualification program. The YF 104 was the next airplane to fly with the J79 followed by a re engined Grumman F11F Tiger in a Navy sponsored program to gain experience with the engine before the first flight of the F4H (F 4). The J79 was used on the F 104 Starfighter, B 58 Hustler, F 4 Phantom II, A 5 Vigilante, IAI Kfir aircraft and the SSM N 9 Regulus II supersonic cruise missile. It was produced for more than 30 years. Over 17,000 J79s were built in the US, and under license in Belgium, Canada, Germany, Israel, Italy, and Japan. A downgraded version of the General Dynamics F 16 Fighting Falcon with a J79 was proposed as a low cost fighter for export, and though a prototype aircraft was flown, it found no customers. The J79 was replaced by the late 1960s in new fighter designs by afterburning turbofans such as the Pratt & Whitney TF30 used in the F 111 and F 14, and newer generation turbofans with the Pratt & Whitney F100 used in the F 15 Eagle which give better cruise fuel efficiency by passing air around the core of the engine. For their part in designing the J79, Gerhard Neumann and Neil Burgess of General Electric Aircraft Engines were jointly awarded the Collier Trophy in 1958, also sharing the honor with Clarence Johnson (Lockheed F 104) and the US Air Force (Flight Records).

Дизайн

Компрессордың лопастьтары мен жеңілдеткіштері 403 тот баспайтын болаттан жасалған, 3B және 7A нұсқаларын қоспағанда, оларда 7-17 сатыларда A286 жеңілдеткіштері орнатылған. Компрессор роторы Лапеллой, B5F5 және титаннан жасалған. J79 қозғалтқышы газдың белгілі бір режімдерінде ерекше үрлеу дыбысын шығарады. Осы ерекшелік NASA-ның F 104B Starfighter, N819NA ұшағына Howling Howland деген ат беруіне себеп болды. Алғашқы қозғалтқыштарда, әсіресе орташа газ/кruиз режимінде, көп мөлшерде түтін пайда болатын, бұл әскери ұшақтар үшін кемшілік болып, оларды көзге көрінуге осал ететін. Кейінгі үлгілер "түтінсіз" болу үшін қайта жабдықталды. J79 турбошахтасының құрастырмасы General Electric LM1500, ол құрлықта және теңізде қолданылады. J79 негізінде жасалған көптеген қозғалтқыштар алыс жерлерде газ турбиналық электр генераторлары ретінде қолданылады, мысалы, құбырларды қуаттандыру үшін. J79-дың екі коммерциялық түрі бар: CJ805 3 (соңынан жанусыз, кері жылдамдық және шуды басумен жабдықталған) және CJ805 23 (еркін айналатын артқы желдеткішпен және кері жылдамдықпен) тиісінше Convair CV 880 және Convair CV 990 ұшақтарына орнатылған. J79 қозғалтқыштарын тікелей турбина лопастьтарына қысылған ауамен немесе қосымша беріліс қорабына бекітілген турбина стартері арқылы іске қосуға болады. Бұл стартерде қолданылатын газ қысылған ауа немесе қатты отыннан алынған.