Бристоль Протеус: История британского турбовинтового двигателя 1940-х годов.

Введение

1940-е годы. Британский турбовинтовой авиационный двигатель.

Bristol Proteus был первым серийно выпускаемым газотурбинным двигателем компании Bristol Engine Company, турбовинтовым двигателем мощностью чуть более 4000 л.с. (3000 кВт). "Протеус" представлял собой газовую турбину с обратным потоком. Поскольку вторая турбина приводила в движение не компрессорные ступени, а только воздушный винт, этот двигатель классифицировался как турбина свободного типа. Он использовался для привода авиалайнера Bristol Britannia, небольших морских патрульных судов, судов на воздушной подушке и электрогенераторных установок. Также он применялся для привода автомобиля, установившего рекорд скорости на суше, Bluebird Proteus CN7. После слияния Bristol с Armstrong Siddeley двигатель стал называться Bristol Siddeley Proteus, а затем Rolls Royce Proteus. Предполагалось, что "Протеус" будет заменен двигателем Bristol Orion, который обеспечил бы самолету Britannia увеличение мощности на 75% для более быстрого крейсерского полета.

Проектирование и разработка

"Протеус" предназначался для привода очень большого авиалайнера, планируемого к использованию после войны. Проектные работы начались в сентябре 1944 года, с использованием свободной турбины и редукторной коробки винта, основанных на более раннем двигателе Bristol Theseus. Компрессор состоял из 12 осевых и 2 центробежных ступеней. Газогенератор был построен как турбореактивный двигатель и получил название Bristol Phoebus, чтобы ускорить разработку двигателя, не усложняя ее проблемами с редукторной коробкой. Он был испытан в мае 1946 года, установленный в бомбоотсеке самолета Avro Lincoln, но показал плохие результаты, после чего была удалена первая ступень центробежного компрессора. Первый "Протеус", Proteus 1, также работал с оригинальным компрессором, впервые испытанным на Phoebus, но к 1950 году был переработан в Proteus 2 с одной центробежной ступенью. Proteus 2 (серия Mk.600) должен был развивать мощность 3200 л.с. и весить 3050 фунтов. Он оказался слишком тяжелым и недостаточно мощным, весил 3800 фунтов при мощности 2500 л.с. и страдал от механических проблем практически во всех компонентах, включая лопатки компрессора и турбины, а также подшипники, которые часто выходили из строя даже при низкой мощности. Это привело к знаменитой цитате главного инженера "Протеуса" Фрэнка Оуэна главному инженеру двигательного отдела Стэнли Хукеру: "Знаешь, Стэнли, когда мы проектировали "Протеус", я решил сделать двигатель с самым низким расходом топлива в мире, независимо от его веса и габаритов. Пока что мы добились веса и габаритов!" Переработанный Proteus 3 (серия 700) развивал мощность 3780 л.с. и весил почти на 1000 фунтов меньше, чем предыдущая конструкция. Однако он был готов слишком поздно для первого прототипа "Британии" и летающей лодки Saunders Roe Princess. На Princess было установлено восемь двигателей, объединенных в четыре пары, каждая из которых вращала два винта через редукторную коробку в противоположных направлениях. Они были известны как "Соединенные Протеи". Еще два двигателя были установлены поодиночке с винтами обратного шага для маневрирования на воде. "Соединенные Протеи" также планировалось использовать на версии Mk. II Bristol Brabazon, но этот проект был отменен. Было построено всего три Princess, и только один из них совершил полет. К тому времени, когда второй "Британия" был готов к испытаниям, был установлен Proteus 3. В 1954 году потенциально проблемная конструктивная особенность редукторной коробки винта – прямозубые шестерни – проявилась во время полета с делегацией голландской авиакомпании KLM, потенциального заказчика. Зуб шестерни сломался, и в результате повреждения самолет загорелся, совершив аварийную посадку в грязи в устье реки Северн. Лорд Хайвс из Rolls Royce, бывший начальник Хукера, узнав об этой аварии, направил инженеров Rolls Royce для оказания помощи команде Bristol. Эта незапрошенная щедрость по отношению к коммерческому конкуренту растопила холодные отношения, существовавшие между Хайвсом и Хукером с момента ухода Хукера из Rolls Royce в 1948 году из-за разработки двигателя Avon. Разработка системы защиты от обледенения воздухозаборника двигателя оказалась длительным процессом. Система должна была справляться с типами обледенения, которые могли бы вызвать проблемы у "Британии". Испытания системы защиты от обледенения установки Proteus на самолете Ambassador в Канаде показали, что система может справиться с сильными условиями обледенения, которые считались вероятными в тех частях мира, где будет эксплуатироваться "Британия". Однако во время испытательных полетов в Африке в апреле 1956 года был обнаружен другой тип обледенения, против которого системы защиты от обледенения оказались неэффективны. Были внесены модификации, которые оказались эффективными против этого второго типа обледенения. BOAC начала регулярные рейсы в феврале 1957 года, но позже в том же году на рейсах в Австралию был обнаружен третий тип обледенения. При полетах в условиях обледенения в течение длительного времени накопление льда на поверхностях воздухозаборника обратного потока – унаследованного от первоначальной установки Brabazon II и Princess – и последующее сбрасывание льда в двигатель приводили к срыву пламени. Двигатель автоматически перезапускался с длинным языком пламени из реактивного сопла, что вызывало беспокойство у пассажиров. Хотя проблема не была принципиально опасной, ее избегали с помощью ограничений в руководстве по летной эксплуатации (ее можно было избежать, не летая в облаках выше определенной высоты). Модификации для борьбы с третьим типом обледенения были успешно испытаны в условиях обледенения во время полетов из Сингапура в апреле 1958 года. BOAC, первый заказчик "Британии", была непреклонна в своих требованиях по устранению недостатков и пыталась преувеличить масштабы проблемы в публичном пространстве, что нанесло ущерб перспективам продаж "Британии" и задержало ввод самолета в эксплуатацию на два года, а также почти обанкротило Bristol Aircraft. Mk.705 мощностью 3900 л.с. (2900 кВт) был первой версией, использованной на самолетах Bristol Britannia 100 и некоторых 300-х серий. Mk.755 мощностью 4120 л.с. (3070 кВт) использовался на самолетах 200-й серии (не построенных) и других 300-х, а Mk.765 мощностью 4445 л.с. (3315 кВт) – на самолетах RAF Series 250.

The Proteus was to power a very large airliner for use after the war. Design work started in September 1944 with its free turbine and propeller gearbox based on the earlier Bristol Theseus engine. The compressor had 12 axial and 2 centrifugal stages. The gas generator was built as a turbojet, and called the Bristol Phoebus, to speed development of the engine by not hindering it with gearbox problems. It was test flown in May 1946 fitted to the bomb bay of an Avro Lincoln, performance was poor and the first centrifugal compressor stage was removed. The first Proteus, the Proteus 1, also ran with the original compressor, as first tested in the Phoebus, but by 1950 had been redesigned as the Proteus 2 with only a single centrifugal stage. The Proteus 2 (Mk.600 series) was supposed to produce 3,200 shp and weigh 3,050 lb. It was overweight and underpowered, weighing 3,800 lb producing 2,500 shp, and plagued with mechanical problems with virtually every part including compressor blades, turbine blades and bearings which failed at frequent intervals even at low power levels. This led to the famous quote of Proteus Chief Engineer Frank Owner to Chief Engineer of the Engine Division Stanley Hooker: "You know, Stanley, when we designed the Proteus I decided we should make the engine with the lowest fuel consumption in the world, regardless of its weight and bulk. So far, we have achieved the weight and bulk!" The redesigned Proteus 3 (700 series) gave 3,780 shp and weighed nearly 1,000 lb less than the previous design. It came too late for the first prototype Britannia and Saunders Roe Princess flying boat though. Eight engines on the Princess were mounted in four pairs with each pair driving two propellers through a gearbox in opposite directions. They were known as Coupled Proteus. Two more engines were mounted singly with reversing propellers for manoeuvring on water. The Coupled Proteus was also intended to be used on the Mk. II version of the Bristol Brabazon, but this project was cancelled. Only three Princesses were built, only one of which flew, and by the time the second Britannia was ready for testing the Proteus 3 was installed. In 1954 a potentially troublesome design feature in the propeller gearbox, straight cut gears, finally made itself known during a flight carrying a delegation from the Dutch airline KLM, a potential customer. A gearwheel stripped its teeth and the resulting damage set fire to the aircraft which made an emergency landing on the mud in the river Severn estuary. Hearing of this failure, Lord Hives of Rolls Royce, Hooker's former boss, sent Rolls Royce engineers to assist the Bristol team. This unasked for generosity to what was, after all, a commercial competitor thawed the cold relationship that had existed between Hives and Hooker since Hooker's departure from Rolls Royce concerning development of the Avon in 1948. Developing an anti icing system for the engine intake turned out to be a lengthy exercise. It had to be able to deal with the type of icing considered likely to cause problems to Britannias. Icing tests on a Proteus installation in an Ambassador aircraft in Canada showed that the engine and powerplant anti icing system could deal with severe icing conditions of the type considered likely in parts of the world where the Britannia would operate. However, during route proving flights in Africa in April 1956 a different type of icing was encountered for which the anti icing systems were ineffective. Modifications were made that were effective against this second type of icing. BOAC started services in February 1957 but later in the year a third type of icing was encountered on flights to Australia. When flying in icing conditions for prolonged periods the accumulation of ice on the surfaces of the reverse flow air intake – inherited from the original intended Brabazon II and Princess installation – and subsequent shedding through the engine caused flame outs. The engine would auto relight with a long tongue of flame from the jetpipe which was of concern to the passengers. Although the problem was not inherently dangerous, it was avoided with restrictions in the flight manual (it could be avoided by not flying in cloud above a certain height). Modifications for the third type were successfully tested in icing conditions encountered during flights from Singapore in April 1958. BOAC, the launch customer for the Britannia, were unyielding in their demands for rectification, and attempted to maximise the extent of the problem in public, damaging sales prospects of the Britannia and delaying the aircraft's entry into service by two years, as well as almost bankrupting Bristol Aircraft. The Mk.705 of 3,900 hp (2,900 kW) was the first version used the Bristol Britannia 100 and some 300 series aircraft. The Mk.755 of 4,120 hp (3,070 kW) was used on the 200 series (not built) and other 300s, and the Mk.765 of 4,445 hp (3,315 kW) was used on the RAF Series 250 aircraft.

Варианты

Как и большинство газотурбинных двигателей 1940-х, 50-х и 60-х годов, Министерство снабжения присвоило двигателю Proteus обозначение, которое, по всей видимости, практически не использовалось. Официально двигатель "Протеус" именовался Bristol BPr.n Proteus.
Bristol Phoebus (BPh.1) – ранний турбореактивный вариант Proteus, использовавшийся для испытаний и разработки газогенераторной части двигателя. Летные испытания проводились в бомбовом отсеке самолета Avro Lincoln, начиная с мая 1946 года. Proteus серии 1 (BPr.1) – прототипы и первые серийные двигатели, использовавшиеся для разработки и испытаний. Proteus серии 2 – первые серийные версии, позднее переименованные в двигатели серии Proteus 600. Proteus серии 3 – полностью разработанная начальная версия, позднее переименованная в серию Proteus 700. Bluebird Proteus – специально модифицированный Proteus 705 с приводными валами спереди и сзади двигателя для привода переднего и заднего дифференциалов в автомобиле Bluebird Proteus CN7 Дональда Кэмпбелла.

Другие применения

После испытаний на фрегате HMS Exmouth, морской двигатель Proteus был использован для привода быстроходных патрульных катеров класса Brave Королевского флота, а затем и во многих подобных патрульных катерах, построенных компанией Vosper на экспорт. Это были одни из самых быстрых военных кораблей, когда-либо созданных, способные развивать скорость свыше 50 узлов на спокойной воде. Шведские торпедные катера типа Spica также оснащались двигателями Proteus. Патрульные катера итальянского флота класса "Sparviero" использовали двигатель Proteus для привода водомётного движителя на высоких скоростях. Двигатель Proteus применялся на судах на воздушной подушке класса SR.N4 Mountbatten, курсирующих через Ла-Манш. В этой конфигурации четыре двигателя "Marine Proteus" были установлены в задней части судна, выхлопные газы направлялись назад. Двигатели вращали горизонтальные силовые валы, передававшие мощность на один из четырех "пилонов", расположенных по углам судна. На пилонах редукторы преобразовывали горизонтальный крутящий момент во вращение вертикального вала, к которому снизу был подключен подъёмный вентилятор, а сверху – винт. Для передних пилонов требовались длинные валы, проходящие над пассажирской кабиной, поскольку все четыре двигателя были расположены в кормовой части судна.

Карманные электростанции

Другой сферой применения Proteus была удаленная генерация электроэнергии на юго-западе Англии, в так называемых "карманных электростанциях". Региональная энергетическая компания установила несколько дистанционно управляемых генераторных установок мощностью 2,7 МВт для покрытия пиковых нагрузок, работающих на Proteus. Многие из них, рассчитанные на десять лет эксплуатации, продолжали использоваться и сорок лет спустя. Рабочий экземпляр сохранился в Музее двигателей внутреннего сгорания в Западном Уэльсе.