El Power Jets WU (Unidad Whittle) era una serie de tres motores a reacción experimentales muy diferentes producidos y probados por Frank Whittle y su pequeño equipo a finales de la década de 1930.
WU | |
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Tipo | Turborreactor |
Fabricante | Jets de energía |
Primer intento | 12 de abril de 1937 |
Principales aplicaciones | ninguno |
Número construido | 3 |
Desarrollado en | Jets de potencia W.1 |
Diseño y desarrollo
El "primer modelo" de WU, también conocido por Whittle como el primer motor "experimental", [1] y la "primera edición", [2] fue el primer motor turborreactor construido y ejecutado en el mundo. [3] Aunque es un motor experimental y no está diseñado para volar, fue diseñado para ser muy ligero según los estándares de ingeniería normales. [2] El motor tenía cuatro componentes básicos: un compresor centrífugo de una sola etapa con impulsor de doble cara, una sola cámara de combustión directa , una turbina de flujo axial de una sola etapa y una boquilla propulsora convergente unida a una tubería de chorro. El eje que conecta la turbina al compresor se hizo lo más corto posible para evitar remolinos. [4] La cámara de combustión estaba conectada a la salida del compresor por un conducto en espiral único muy grande que le daba al motor una apariencia asimétrica.
Whittle diseñó el compresor centrífugo para desarrollar una relación de presión de aproximadamente 4: 1 cuando, hasta donde él sabía, el mejor rendimiento previamente demostrado en una sola etapa era de aproximadamente 2,5: 1. Especificó un impulsor de doble cara para proporcionar el flujo de aire requerido de un impulsor de diámetro más pequeño que el que se podría obtener con uno de un solo lado. [2] El impulsor más pequeño permitió una mayor velocidad de la turbina, lo que redujo la carga en la turbina de una sola etapa y mejoró su eficiencia. La turbina de 16,5 pulgadas (419 mm) de diámetro tuvo que desarrollar 3000 hp (2237 kW) para accionar el compresor. Una desventaja de un impulsor de doble cara es el requisito, en una instalación de aeronave, de una toma con un pleno con sus pérdidas de presión más altas. [5] Una desventaja del diseño del cojinete de empuje del rotor es que no hay carga axial del impulsor para equilibrar la de la turbina.
Whittle buscó ayuda para diseñar el sistema de combustión y visitó la Feria de Industrias Británicas . Cuando discutió los requisitos de su cámara de combustión con varios expositores, se había "burlado prácticamente de todos los stands" hasta que descubrió Laidlaw, Drew and Company, una firma preparada para abordar el difícil problema de la combustión [6] a intensidades 20 veces superiores a las del refractario. -Aplicaciones industriales revestidas. [7] A finales de 1936, el gasto total en diseño y fabricación del motor ascendía a 2.000 libras esterlinas. [8]
Las pruebas del primer modelo comenzaron el 12 de abril de 1937 en Rugby . Durante las pruebas, el ingeniero jefe británico Thomson-Houston (BTH) consideró imprudente exceder las 12.000 rpm en la fábrica abierta por razones de seguridad después de una carrera el 23 de agosto hasta 13.600 rpm [9] La 31 y última carrera fue el 24 de agosto de 1937 .
Se adoptó un diseño simétrico significativamente diferente para el segundo modelo. Diez conductos en espiral conectaban la salida del compresor a una única cámara de combustión de flujo inverso grande, cuya salida se descargaba hacia adelante a través de la turbina antes de girar hacia atrás para expulsar a través de diez tubos de chorro. Se esperaba cierto intercambio de calor de los tubos de escape a los diez conductos que suministraban aire a la cámara de combustión, ya que todos estaban encerrados por la carcasa exterior. [2] Las pruebas comenzaron en las instalaciones de la fundición Ladywood redundante de BTH en la cercana Lutterworth en Leicestershire en marzo de 1938 y continuaron hasta que la turbina resultó dañada el 6 de mayo de 1938.
También se introdujeron cambios significativos en el tercer modelo. Tenía diez cámaras de combustión de flujo inverso que daban una configuración similar a la de los motores turborreactores Power Jets W.1 y Power Jets W.2 posteriores . Esta configuración también se adoptó para los motores a reacción Rolls-Royce Welland y General Electric J31 . Una ventaja de usar 10 cámaras de combustión, más pequeñas en un factor de (1 / sqrt10), [2] era que podían probarse más fácilmente en una plataforma de combustión.
Debido a la escasez de fondos, muchos de los componentes se modificarían o repararían para probarlos en motores posteriores.
Whittle y su equipo experimentaron muchos problemas al desarrollar los tres modelos. Se mejoraron las eficiencias y durabilidad de los compresores y turbinas. Un sistema de combustible deficiente y un rendimiento de combustión deficiente ya no limitaban las pruebas de otras partes del motor. El diseño general del siguiente motor W1 era muy similar al del tercer modelo del motor experimental. [2] El equipo demostró que el turborreactor tenía el potencial de competir con los grandes motores aeronáuticos alternativos que se producían en masa para el programa de armamento del Reino Unido.
La fijación de la raíz de la pala de turbina de tipo de Laval redondeada inicial fue reemplazada por un nuevo diseño triangular de "abeto" después de repetidas fallas de esfuerzo / fatiga del tipo anterior. El diseño de "abeto" se utilizaría en todos los motores posteriores de Whittle.
Luego de severos problemas de combustión inicial, a fines de 1940 se incorporó un nuevo diseño de cámara de combustión diseñado por Isaac Lubbock del Laboratorio Shell Fulham . Esta cámara / quemador 'Lubbock' resultó ser la respuesta a muchos de los problemas de combustión.
El tipo de diseño de "flujo inverso" o "trombón" implementado en el segundo y tercer motor, aunque se sabe que no es aerodinámicamente ideal, fue ideado como un medio para permitir el uso de un compresor / eje de turbina corto que requiere solo dos cojinetes sin la necesidad de un acoplamiento flexible, para eliminar una junta de expansión en el eje, para dar un buen flujo de aire a las zonas de combustión y para alargar el camino del gas caliente desde la cámara de combustión a la turbina para que pueda ocurrir una caída de temperatura, y para asegúrese de que las palas estén protegidas de la llama de combustión caliente, los materiales disponibles para las palas de la turbina, como "Stayblade" y "Rex78", están limitados en las temperaturas que pueden soportar. Con las mejoras posteriores en el material de la hoja, como Nimonic 80 , esto ya no era necesario, y el diseño "directo" se volvió practicable, como se implementó en el diseño del W.2Y sin construir y el W.2B / posteriormente rediseñado . 500 - Rover B.26 , que luego se convertiría en el Rolls-Royce Derwent .
Whittle había asumido el uso de flujo de vórtice en las palas de la turbina, sin embargo, los ingenieros de BTH no lo habían incorporado y habían fabricado las palas con una torsión insuficiente. La subsiguiente insistencia de Whittle en esto condujo a un deterioro de las relaciones con los ingenieros de BTH. [10]
El WU fue efectivamente destruido por una falla del disco de la turbina el 22 de febrero de 1941. El trabajo continuó con los Power Jets W.1 . [11]
Variantes
- Motor experimental del primer modelo de WU
- Diseño inicial con conducto en espiral asimétrico que conecta la salida del compresor a una sola cámara de combustión directa. Primera ejecución 12 de abril de 1937
Datos de diseño [12]
- Flujo de aire: ~ 25,7 lb / s (~ 11,66 kg / s)
- Velocidad del eje: 17750 rpm (296rev / s)
- Potencia de salida de la turbina: ~ 2950hp (~ 2200kW)
- Diámetro del impulsor del compresor: ~ 19,69 pulgadas (~ 500 mm)
- Velocidad de la punta del impulsor del compresor: ~ 1525 pies / s (~ 465 m / s)
- Diámetro de la punta de la turbina: ~ 15,75 pulgadas (~ 400 mm)
- Velocidad de la punta de la turbina: ~ 1220 pies / s (~ 372 m / s)
- Motor experimental del segundo modelo de WU
- única cámara de combustión de flujo inverso. Primera ejecución 16 de abril de 1938
- Motor experimental del tercer modelo de WU
- Diez cámaras de combustión de flujo inverso. Primera ejecución 26 de octubre de 1938
Aplicaciones
Ninguno.
Especificaciones (supuestos de diseño del primer modelo de WU, rendimiento no alcanzado)
Características generales
- Tipo: flujo centrífugo turborreactor
- Longitud: ~ 67,2 pulgadas (~ 1707 mm) excluyendo el tubo de chorro
- Diámetro: ~ 45 pulgadas (~ 1143 mm) a través del compresor
- Peso en seco:
Componentes
- Compresor: centrífugo de una etapa con impulsor de doble cara de 19 pulgadas de diámetro, álabes difusores instalados durante la prueba, material: Hiduminio RR 56
- Combustores : diseño simple recto, ubicado inmediatamente aguas abajo del codo en la tubería en espiral
- Turbina : 14 pulgadas de diámetro con 66 palas (diseño BTH sin vórtice), flujo axial de una etapa, sin paletas de guía de boquilla, material del disco y palas: Firth-Vickers Stayblade
- Tipo de combustible: queroseno
Actuación
- Empuje máximo : ~ 1389 lbf (~ 6,18 kN)
- Relación de presión general : ~ 4,4: 1
- Flujo másico de aire: ~ 26 lb / s (~ 11,79 kg / s)
- Temperatura de entrada de la turbina: ~ 1434 F (~ 779 C)
- Consumo específico de combustible : 0.942 lb / hr / lbf (~ 26.69 g / s / kN)
- Relación potencia / peso :
Ver también
- Heinkel HeS 1
- Jets de potencia W.1
- Jets de potencia W.2
- Rolls-Royce Welland
Referencias
- ^ https://www.flightglobal.com/FlightPDFArchive/1945/1945%20-%202018.PDF
- ^ a b c d e f "La historia temprana de la turbina de gas de propulsión a chorro Whittle" La primera conferencia de James Clayton 1945, Comodoro del aire Frank Whittle, Institución de ingenieros mecánicos, Londres
- ^ "El desarrollo de motores de aerogeneradores y turbinas" cuarta edición, Bill Gunston, Patrick Stephens 2006, ISBN 0 7509 4477 3 , p.124
- ^ "No mucho de un ingeniero" Sir Stanley Hooker, The Crowood Press Ltd., Marlborough 2005, ISBN 978-1853102851 , pág.72
- ^ "Aerodinámica de admisión" Segunda edición, Seddon y Goldsmith, AIAA Inc., Reston 1999, ISBN 0-632-04963-4 , página 30
- ^ "Enciclopedia mundial de motores aero - quinta edición" por Bill Gunston , Sutton Publishing, 2006, p.160
- ^ "Aero-termodinámica de turbinas de gas" Sir Frank Whittle, Pergamon Press Ltd, Londres 1981, ISBN 978-0-08-026718-0 , pág.161
- ^ "Génesis del jet" John Golley, Airlife Publishing Ltd., Shrewsbury 1996, ISBN 1 85310860 X , p. 82
- ^ El Archivo Nacional, AIR62 / 15
- ^ http://web.itu.edu.tr/aydere/history.pdf
- ^ http://www.imeche.org/docs/default-source/presidents-choice/jc12_1.pdf
- ^ Information, Reed Business (27 de noviembre de 1980). "Nuevo científico" .
Notas
Bibliografía
enlaces externos
- "Un tributo a un estudiante de ingeniería de Cambridge"
- "Los años secretos", un artículo de vuelo de 1951 .
- "La historia temprana de la turbina de gas de propulsión a chorro Whittle" , un artículo de 1945 I Mech E de Frank Whittle .
- "La turbina de gas de propulsión a chorro Whittle" un artículo de 1945 en The Engineer