Авиационный турбореактивный двигатель General Electric J79 и развитие осевых компрессоров.

Введение

Аксиальный турбореактивный двигатель

General Electric J79 – это турбореактивный двигатель с осевым потоком, разработанный для использования в различных истребителях и бомбардировщиках, а также в сверхзвуковой крылатой ракете. Двигатель J79 производился компанией General Electric Aircraft Engines в Соединенных Штатах и по лицензии рядом других компаний по всему миру. Среди основных самолетов, на которых он устанавливался, – Lockheed F-104 Starfighter, Convair B-58 Hustler, McDonnell Douglas F-4 Phantom II, North American A-5 Vigilante и IAI Kfir. Коммерческая версия, обозначенная как CJ805, использовалась на самолетах Convair 880, а турбовентиляторная модификация CJ805-23 – на авиалайнерах Convair 990 и на одном самолете Sud Aviation Caravelle, предназначенном для демонстрации американскому рынку преимуществ двигателя с двухконтурной схемой по сравнению с существующим турбореактивным двигателем Rolls Royce Avon. В 1959 году газогенератор J79 был разработан как стационарная турбовальная установка мощностью 10 МВт для обеспечения энергоснабжения флота, производства электроэнергии и промышленного применения под названием LM1500. Первым применением стало использование на исследовательском судне на подводных крыльях Plainview.

Эволюция переменного статорного компрессора

К концу 1940-х годов конструкция реактивных двигателей достигла такого уровня, что дальнейший прогресс ограничивался характеристиками компрессора, в частности, необходимо было увеличить степень сжатия компрессора для снижения расхода топлива двигателя. Однако полезный диапазон рабочих режимов компрессора в то время был ограничен и центрировался вокруг его расчетной точки, соответствующей высокой скорости компрессора при взлете или крейсерском полете. Если компрессор проектировался для высокой эффективности на высоких скоростях, он становился очень неэффективным и склонен к срыву потока на низких скоростях. В 1944 году Национальный консультативный комитет по аэронавтике протестировал теорию "Расширения полезного диапазона рабочих режимов осевых компрессоров за счет использования регулируемых лопаток статора", проведя испытания восьмиступенчатого осевого компрессора со степенью сжатия 3,42:1 и регулируемыми углами установки лопаток. Было достигнуто значительное повышение эффективности при скоростях компрессора, заметно ниже расчетной. Отклонения скорости потока от расчетного режима наиболее заметны на первых ступенях при низких оборотах и усиливаются с увеличением расчетной степени сжатия, что приводит к срыву потока и помпажу компрессора, как это произошло с компрессором Rolls Royce Avon со степенью сжатия 6,3:1 в 1949 году. В 1947 году Джефф Уайльд, конструктор компрессоров Rolls Royce, подал заявку на патент "Регулирование осевого компрессора" с целью создания компрессора с широким диапазоном рабочих скоростей. Был построен экспериментальный 12-ступенчатый компрессор с входными направляющими лопатками и первыми четырьмя рядами лопаток статора, регулируемыми для уменьшения углов атаки потока воздуха при работе на низкой скорости. Это оказалось очень эффективным для предотвращения срыва потока и помпажа. Однако более простое механическое решение (регулируемые входные направляющие лопатки и отбор воздуха) уже показало свою работоспособность при требуемой степени сжатия, поэтому регулируемые лопатки статора не использовались в двигателях Rolls Royce до 1980-х годов (IAE V2500). К 1950 году General Electric сосредоточилась на сверхзвуковых двигателях с регулируемыми лопатками статора в результате проектных исследований, сравнивавших их с двухроторными схемами. Основываясь на своем опыте и оценке усилий, необходимых для внедрения новых технологий, регулируемые лопатки статора представлялись наилучшим способом проектирования компрессора для достижения высокой требуемой степени сжатия 12:1. Эта степень сжатия была необходима для обеспечения сверхзвуковых характеристик, крейсерской скорости на дозвуковых режимах и малого веса, необходимых для будущих сверхзвуковых самолетов. В 1951 году команда General Electric во главе с Герхардом Нойманом, в то время отвечавшим за испытания разработки двигателей, получила финансирование для создания опытного компрессора с регулируемыми лопатками статора. Кроме того, руководитель подразделения авиационных газотурбинных двигателей, К.У. "Джим" ЛаПьер, сформировал две группы для проведения проектных исследований двигателя, способного длительное время работать на скорости 2,0 Маха, сохраняя при этом хорошую топливную экономичность при крейсерской скорости 0,9 Маха. Нойман возглавил группу, использующую конфигурацию с регулируемыми лопатками статора, а Чапман Уокер руководил параллельной работой с использованием двух роторов. После годичного исследования был выбран двигатель с регулируемыми лопатками статора, поскольку он был легче, проще и имел меньший диаметр. Был построен демонстрационный двигатель с регулируемыми лопатками статора GOL 1590, предшественник J79. Одновременно новый двигатель X 24A был разработан для сверхзвукового самолета и выбран ВВС. Разработка нового двигателя поддерживалась за счет испытаний демонстрационного двигателя GOL 1590.

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.

Общий

GE выиграла контракт ВВС на новый двигатель с тягой около 14 000 фунтов с форсажной камерой, предназначенный для привода нового сверхзвукового бомбардировщика, которым стал Convair B-58 Hustler. Два других двигателя, предложенных GE – усовершенствованная версия существующего J73 и значительно более крупная конструкция, известная как J77, – были отменены. Первый прототип серийной версии, XJ79, был запущен 8 июня 1954 года. Первый полет двигателя состоялся 20 мая 1955 года на борту североамериканского B-45C Tornado (серийный номер 48-009), оснащенного двигателем General Electric J47. Во время полета J79 опускался из бомбового отсека в воздушный поток для проведения испытаний. Первый полет после 50-часовых квалификационных испытаний, необходимых для нового двигателя, являющегося единственным источником тяги для летающей испытательной платформы, состоялся 8 декабря 1955 года. Двигатель J79 был установлен на второй предсерийный Douglas F4D Skyray вместо его оригинального двигателя Westinghouse J40 в рамках программы разработки и квалификации General Electric. Следующим самолетом, поднявшимся в воздух с J79, стал YF-104, за которым последовал переоборудованный Grumman F11F Tiger в рамках программы ВМС, направленной на получение опыта работы с двигателем перед первым полетом F4H (F-4). Двигатель J79 использовался на самолетах F-104 Starfighter, B-58 Hustler, F-4 Phantom II, A-5 Vigilante, IAI Kfir, а также на сверхзвуковой крылатой ракете SSM-N-9 Regulus II. Он производился более 30 лет. В США и по лицензии в Бельгии, Канаде, Германии, Израиле, Италии и Японии было построено более 17 000 двигателей J79. Была предложена облегченная версия General Dynamics F-16 Fighting Falcon с двигателем J79 в качестве недорогого истребителя для экспорта, однако, несмотря на полет прототипа, покупатели не были найдены. К концу 1960-х годов J79 в новых истребителях был заменен турбовентиляторными двигателями с форсажной камерой, такими как Pratt & Whitney TF30, используемые в F-111 и F-14, и турбовентиляторными двигателями нового поколения с Pratt & Whitney F100, используемыми в F-15 Eagle, обеспечивающими лучшую топливную эффективность на крейсерской скорости за счет обтекания воздуха вокруг основной части двигателя. За вклад в разработку J79 Герхард Нейман и Нил Берджесс из General Electric Aircraft Engines совместно были удостоены Collier Trophy в 1958 году, разделив эту награду с Кларенсом Джонсоном (Lockheed F-104) и ВВС США (за достижения в области летных рекордов).

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

Лопатки и направляющие аппараты компрессора изготовлены из нержавеющей стали 403, за исключением модификаций 3B и 7A, в которых на ступенях с 7 по 17 установлены направляющие аппараты A286. Ротор компрессора изготовлен из Лапеллоя, B5F5 и титана. Двигатель J79 издает характерный воющий звук при определенных положениях дроссельной заслонки. Эта необычная особенность привела к тому, что F 104B Starfighter, N819NA, управляемый NASA, получил прозвище Howling Howland. Ранние двигатели также выделяли заметное количество дыма, особенно при среднем положении дросселя/на крейсерской скорости, что являлось недостатком для боевых самолетов, делая их уязвимыми для визуального обнаружения. Более поздние модели были переработаны для обеспечения "бездымной" работы. Турбовальным аналогом J79 является General Electric LM1500, используемый для наземных и морских применений. Многие двигатели, разработанные на базе J79, нашли применение в качестве газотурбинных генераторов в удаленных районах, например, для энергоснабжения трубопроводов. J79 имеет два коммерческих варианта: CJ805-3 (двигатель без форсажной камеры, оснащенный реверсом тяги и шумоглушителем) и CJ805-23 (с свободно вращающимся задним вентилятором и реверсом тяги), установленные соответственно на Convair CV-880 и Convair CV-990. Двигатели J79 могут запускаться с помощью сжатого воздуха, подаваемого непосредственно на лопатки турбины, или с помощью турбинного стартера, подключенного к вспомогательной коробке передач. В качестве газа для этого стартера используется либо сжатый воздух, либо твердотопливный картридж.