Ранние американские турбореактивные двигатели: J37 и T35.

Введение

Ранний американский турбореактивный двигатель

Lockheed J37 (фирменное обозначение L 1000) был одним из первых турбореактивных двигателей, разработанных в Соединенных Штатах. Когда его разработка началась в 1930-х годах, ему не придавалось большого значения, и разработка была приостановлена. К тому времени, когда двигатель был достаточно доработан для серийного производства, другие двигатели, в том числе некоторые, созданные на основе британских разработок, превзошли его по характеристикам. Впоследствии конструкция была преобразована в турбовинтовой двигатель T35, а затем продана компании Wright Aeronautical, где рассматривалась возможность его использования на самолете, который впоследствии стал B-52 Stratofortress, до перехода этой конструкции на реактивную тягу. Было построено несколько опытных образцов J37 и T35, но серийное производство так и не было начато.

Проектирование и разработка

В 1930 году Нейтан Ц. Прайс присоединился к компании Doble Steam Motors, производителю паровых двигателей для автомобилей и других целей. В течение следующих нескольких лет он работал над рядом проектов, и начиная с осени 1933 года начал работу над паровой турбиной для использования в авиации. Двигатель оснащался центробежным компрессором, который подавал воздух в камеру сгорания, откуда пар поступал в турбину, а затем выходил через сопло, приводя в действие компрессор и воздушный винт. В начале 1934 года двигатель был установлен на экспериментальный самолет, где продемонстрировал характеристики, сопоставимые с существующими поршневыми двигателями, за исключением трудностей с поддержанием мощности на больших высотах из-за работы компрессора. Работа над проектом была прекращена в 1936 году после того, как компания Doble не обнаружила интереса к конструкции со стороны производителей самолетов или армии. В 1938 году Прайс начал работу над собственным турбореактивным двигателем, хотя этот первоначальный проект был значительно сложнее, чем впоследствии разработанный J37. Чтобы сохранить топливную эффективность двигателя на уровне существующих поршневых двигателей, Прайс использовал комбинацию ступеней осевого компрессора с низкой степенью сжатия, питающих компрессор с высокой степенью сжатия. В 1941 году он был принят на работу в Lockheed для оценки наддувников General Electric, устанавливаемых на экспериментальный XP-49 – высотный вариант их знаменитого P-38. К этому времени Прайс завершил базовую конструкцию своего реактивного двигателя и смог привлечь внимание главного инженера-исследователя Lockheed, Келли Джонсона, который впоследствии основал знаменитое подразделение Skunk Works. Джонсон размышлял о новой высокоскоростной конструкции после столкновения с различными проблемами сжимаемости на высоких скоростях с P-38, и реактивный двигатель казался естественным решением для этого проекта. В течение 1941 года он отдал приказ о разработке нового самолета, который должен был приводиться в действие двигателем Прайса, обозначив двигатель как L-1000, а самолет – как Lockheed L-133. Позже в том же году миссия Тизард прибыла в США и представила множество технологических достижений, над которыми работали в Англии, включая информацию о конструкциях реактивных двигателей Фрэнка Уиттла. Слухи о подобных работах в Германии и широко освещенные полеты в Италии указывали на то, что практически все, кроме США, работали над реактивными двигателями, и внезапно разработка собственной конструкции приобрела первостепенное значение. Ванневар Буш, американский коллега Тизарда, решил, что лучший выход – просто лицензировать британские разработки. Был создан комитет под руководством Уильяма Ф. Дюрана для запуска британских конструкций в производство и постройки самолета для их испытаний. Результатом этих проектов стали General Electric J31, приводящий в действие P-59 Airacomet. 30 марта 1942 года Lockheed представил предложения по L-133 и L-1000 в отдел разработки ВВС армии США на авиабазе Уилбур Райт. К этому моменту первоначальная конструкция оказалась слишком сложной и эволюционировала в новую, заменяющую поршни тремя ступенями центробежного компрессора с промежуточным охлаждением между каждой ступенью. Основная камера сгорания была "канулярного" типа с двенадцатью трубками пламени в кольцевом корпусе, направляющими выхлопные газы на пятиступенчатую осевую турбину. Для дополнительной тяги топливо можно было распылять между ступенями турбины. Для точной настройки характеристик на разных высотах ступени компрессора и турбины соединялись с помощью гидравлической муфты с переменной скоростью. Конструкция предусматривала вес 775 кг и тягу на уровне моря 22700 Н. К ноябрю 1942 года конструкция была усовершенствована, вес был установлен на 735 кг, а область сгорания изготавливалась из хромистых сталей. Армия оставалась незаинтересованной, и Lockheed, по-видимому, начала сомневаться. Тем не менее, 19 мая 1943 года Прайс согласился начать более радикальную переработку по настоянию Уилбур Райт Филд. Он создал гораздо более простую конструкцию, состоящую из двух шестнадцатиступенчатых осевых компрессоров с одной ступенью промежуточного охлаждения между ними. Первые четыре ступени переднего компрессора оставались соединенными, чтобы они могли работать с оптимальной скоростью. Для целей испытаний лопасти компрессора не имели аэродинамического профиля и были прикреплены к центральной ступице на вращающихся опорах, чтобы можно было изменять их углы между запусками. Турбина была уменьшена до четырех ступеней. Компрессор низкого давления был заключен в двухсекционный цилиндрический корпус с ребрами жесткости, что придавало ему странный вид, напоминающий дно лотка для яиц. Более короткий компрессор высокого давления был аналогично заключен в корпус, но с ребрами, идущими только спереди назад. Мощность снималась между двумя ступенями компрессора для привода вспомогательного оборудования, а редуктор размещался сверху двигателя снаружи корпусов компрессора. В июне 1943 года армия, наконец, проявила интерес к конструкции реактивного самолета Lockheed, но заключила контракт на P-80 Shooting Star, который должен был приводиться в действие лицензионной версией центробежного двигателя Halford H.1. Они также оставались заинтересованы в L-1000 и в июле 1943 года направили долгосрочный контракт на разработку под названием XJ37-1 с первой поставкой 1 августа 1945 года. Однако, когда война закончилась, первый образец был готов лишь на две трети. Часть работы была передана на аутсорсинг компании Menasco Motors Company, и в конце года вся механическая часть проекта была передана им. XJ37 разрабатывался одновременно с конкурирующими осевыми конструкциями Westinghouse, 19A и 19B, которые проходили испытания в период 1943–1945 годов, что привело к созданию первого американского серийного осевого турбореактивного двигателя Westinghouse J30, было выпущено около 260 экземпляров для первых американских военных самолетов ВМС США и для первого американского самолета с дельтавидным крылом Convair XF-92. Первый двигатель был готов к эксплуатации в 1946 году. Армия заказала еще четыре экземпляра. Примерно в то же время был предложен турбовинтовой вариант, XT35 Typhoon. Это была довольно простая адаптация J37, добавляющая пятую ступень турбины в задней части двигателя, содержащую радиальную турбину, которая приводила в действие толкающий винт и выводила выхлопные газы вокруг внешнего обода двигателя. Альтернативная конструкция предусматривала направление выхлопных газов через отверстие в ступице винта. В сентябре 1947 года Lockheed, наконец, сдался и продал конструкцию Wright Aeronautical. В то время армия (вскоре ставшая ВВС США) разрабатывала новый по-настоящему межконтинентальный бомбардировщик. Учитывая технологии двигателей и самолетов того времени, казалось, что единственный способ построить такой самолет – использовать турбовинтовые двигатели, и Wright была заинтересована в захвате этого рынка. В июне 1946 года Boeing предложил свою модель 462 для выполнения этого требования, оснащенную шестью двигателями T35, которые впоследствии были уменьшены до четырех в серии перепроектировок. Однако к 1948 году достижения в конструкции самолетов, особенно внедрение крыла стреловидной формы, позволили перевести бомбардировщик на реактивную тягу, что в конечном итоге привело к созданию B-52 Stratofortress. Работа над J37/T35 продолжалась до июля 1953 года, к этому моменту ВВС США получили три двигателя. ВВС передали двигатели и все собранные данные отрасли в целом. Дальнейшего интереса не последовало, и проект был завершен после того, как было потрачено около 4,5 миллиона долларов (около 30 миллионов долларов в 2000 году).

In 1930, Nathan C. Price joined Doble Steam Motors, a manufacturer of steam engines for cars and other uses. Over the next few years he worked on a number of projects and starting in autumn 1933 began working on a steam turbine for aircraft use. The engine featured a centrifugal compressor that fed air to a combustion chamber, which in turn fed steam into a turbine before exiting through a nozzle, powering the compressor and a propeller. The engine was fitted to a test aircraft in early 1934, where it demonstrated performance on par with existing piston engines except for difficulty maintaining power at higher altitudes due to the compressor. Work on the design ended in 1936 after Doble found little interest in the design from aircraft manufacturers or the Army. Price started work on his own turbojet design in 1938, although this initial design was far more complex than what eventually emerged as the J37. In an effort to keep the fuel efficiency of the engine similar to existing piston engine, Price used a combination of low compression axial compressor stages feeding a high compression reciprocating compressor. In 1941 he was hired by Lockheed to evaluate the General Electric superchargers being fit to the experimental XP 49, a high altitude version of their famous P 38. By this time Price had the basic design of his jet completed and was able to attract the interest of Lockheed's Chief Research Engineer, Kelly Johnson, who would later found the company's famous Skunk Works. Johnson had been thinking about a new high speed design after running into various compressibility problems at high speed with the P 38 and the jet engine seemed like a natural fit in this project. During 1941 he ordered the development of a new aircraft to be powered by Price's engine, developing the engine as the L 1000 and the aircraft as the Lockheed L 133. Later that year the Tizard Mission arrived in the US and presented many technological advances being worked on in England, including information on Frank Whittle's jet engine designs. Rumors of similar work in Germany and the well publicized flights in Italy suggested that practically everyone but the US was working on jets and getting a design of their own suddenly took on the utmost importance. Vannevar Bush, Tizard's counterpart in the US, decided the best course of action was to simply license the British designs. A committee under the direction of William F. Durand was set up to put the British designs into production and build an aircraft to test them. These projects emerged as the General Electric J31 powering the P 59 Airacomet. On 30 March 1942, Lockheed submitted proposals for the L 133 and L 1000 to the US Army Air Force's development division at Wilbur Wright Field. By this point the original design proved too complex and had evolved into a new design replacing the pistons with a set of three centrifugal stages, with intercooling between each of the stages. The main combustor was a "canular" type with twelve flame cans in an annular container, feeding their exhaust to a five stage axial turbine. For additional thrust, fuel could be sprayed between the turbine stages. To fine tune performance at different altitudes, the compressor and turbine stages were coupled using a variable speed hydraulic clutch. The design called for a weight of 1,700 lb (775 kg) and a sea level thrust of 5,100 lbf (22700 N). By November 1942 the design had been further refined, with the weight settling at 1,610 lb (735 kg) and the combustion area using chrome steels. The Army remained uninterested and Lockheed apparently started getting cold feet. Nevertheless, on 19 May 1943 Price agreed to start a more radical redesign at the urging of Wright Field. He produced a much simpler design consisting of two sixteen stage axial compressors with a single stage of intercooling between them. The first four stages of the frontmost compressor remained clutched to allow them to operate at optimum speed. For testing purposes the compressor blades had no airfoil shaping and were attached to the central hub on rotating mounts to allow their angles to be changed between runs. The turbine was reduced to four stages. The low pressure compressor was encased in a two part cylindrical casing with stiffening ribs, which gave it an odd appearance similar to the bottom of an egg carton. The shorter high pressure compressor was similarly encased but with ribs running front to back only. Power was taken off between the two compressor stages to power accessories, with the gearbox placed on the top of the engine outside of the compressor casings. In June 1943 the Army eventually demonstrated their interest in a Lockheed jet design but contracted for the P 80 Shooting Star, to be powered by a licensed version of the centrifugal flow Halford H.1. They remained interested in the L 1000 as well and sent out a long term development contract under the name XJ37 1 in July 1943 with the first delivery on 1 August 1945. However, when the war ended the first example was only about two thirds complete. Some of the work had been contracted out to Menasco Motors Company and at the end of the year the entire mechanical side of the project was turned over to them. The XJ37 was being worked on at the same time as competing Westinghouse axial flow designs undergoing development, the 19A and 19B, were being test run through the 1943 45 period, resulting in America's first production axial flow turbojet engine, the Westinghouse J30, of which some 260 examples were made for the earliest American military jets for the U. S. Navy, and for the first American delta wing fighter design, the Convair XF 92. The first engine was finally ready for operation in 1946. The Army contracted for another four examples. Around this time a turboprop version was proposed, the XT35 Typhoon. This was a fairly simple adaptation of the J37, adding a fifth turbine stage at the rear of the engine, containing a radial turbine that drove the pusher propeller and exited the exhaust around the outer rim of the engine. An alternate arrangement would send the exhaust through an opening in the propeller boss. In September 1947 Lockheed finally threw in the towel and sold the design to Wright Aeronautical. At the time the Army (soon to be US Air Force) was in the process of developing a new truly intercontinental bomber. Given engine and airframe technology at that time it appeared that the only way to build such an aircraft would be to use turboprops and Wright was interested in capturing that market. In June 1946 Boeing proposed their Model 462 to fill the requirement, featuring six T35 engines, later reduced to four in a series of redesigns. However, by 1948 advances in airframe design, particularly the introduction of the swept wing, allowed the bomber to move to jet power, eventually leading to the B 52 Stratofortress. Work on the J37/T35 continued until July 1953, by which point three engines had been delivered to the USAF. The Air Force turned over the engines and all collected data to the industry as a whole. No further interest was forthcoming and the project ended after an estimated $4.5 million (~30 million year 2000 dollars) had been spent.