RAE에서의 터보젯 개발

이 기사는 대부분 또는 전체적으로 단일 출처에 의존하고 있습니다. 관련 토론은 토크 페이지에서 확인할 수 있습니다. 추가 출처에 인용문을 도입하여 이 기사의 개선에 도움을 주시기 바랍니다.출처 : 'RAE에서의 터보젯 개발'– 뉴스 · 신문 · 서적 · 학자 · JSTOR (2010년 10월)

1936년에서 1940년 사이에 앨런 아놀드 그리피스는 왕립항공기설립(RAE)에서 헤인 컨스턴트의 지시에 따라 제작된 일련의 터빈 엔진을 설계했다.이 설계는 시대에 맞게 발전되었으며, 일반적으로 고압 및 저압 압축기와 함께 "2스풀" 레이아웃을 특징으로 하며, 개별적으로는 당시의 일반적인 엔진보다 더 많은 단계를 가지고 있습니다.비록 발전했지만, 엔진은 제작하기도 어려웠고 메트로빅 F.2와 이후 암스트롱 시델리 사파이어와 같이 훨씬 단순한 "프레다" 디자인만이 생산을 보게 될 것이다.많은 선구적인 작품들이 후에 롤스로이스 디자인에 사용되었고, 롤스로이스 에이본은 크게 성공했습니다.

초기 작업

1920년 사우스켄징턴에 있는 항공부 연구소의 W.J. 스턴은 프로펠러를 구동하기 위한 가스터빈 엔진 개발 가능성에 대한 항공연구위원회 요청에 대한 보고서를 작성했다.그의 보고서는 극도로 부정적이었다.기존 터보 압축기의 성능을 고려할 때 이러한 엔진은 기계적으로 비효율적인 것으로 보입니다.높은 무게와 낮은 연비 외에도, 스턴은 터빈의 고열 영역에서 사용하기에 적합한 재료가 있는지 의심했습니다.

이 시점에서 Farnborough의 RAE의 선임 과학 책임자였던 그리피스는 Stern의 보고서를 읽고 국립 물리 연구소가 재료 문제를 연구해야 한다는 요청을 받았습니다.한편 그리피스는 압축기 설계에 관한 문제들을 연구하기 시작했다.1926년에 그는 기존의 압축기 설계에서 기본적으로 "비행 정지"된 평평한 블레이드를 사용했으며, 이러한 블레이드를 공기역학적으로 성형함으로써 효율성을 획기적으로 개선할 수 있다고 지적한 터빈 설계의 공기역학적 이론을 발표했습니다.

지난 10월 그리피스는 항공부와 RAE의 소규모 그룹에 논문을 발표했다.그들은 그리피스의 압축기 설계를 연구하기 위한 개발 프로젝트를 시작하는 것을 만장일치로 지지했습니다.1927년에 첫 번째 작업이 시작되었고, 1929년에 이 프로젝트는 1단 압축기와 터빈으로 구성된 매우 단순한 4인치 직경(100 mm)의 "엔진"을 만들 정도로 진행되었고, 각 앞에 하나의 스태터가 있습니다.기본 개념을 테스트하기 위해 설계된 이 유정은 무려 91%에 달하는 뛰어난 공기역학 효율을 입증했습니다.

동시에, RAE 팀은 평판에 부착된 여러 줄의 압축기 블레이드로 구성된 "캐스케이드"를 도입했습니다.풍동 내 단일 블레이드의 공기역학이 다단 압축기의 실제 성능과 일치한다는 사실을 납득하지 못한 캐스케이드는 풍동 내 마운팅 플레이트에서 플레이트를 이동하는 것만으로 다양한 압축기 배치를 테스트할 수 있게 했습니다.이를 통해 플레이트를 공기 흐름에 대해 회전시킴으로써 공격 각도를 쉽게 변경할 수 있었습니다.NASA에 따르면 1950년대까지 영국의 엔진 설계가 미국을 앞지른 이유 중 하나는 ^[1]캐스케이드 테스트와 이론이 영국에서 널리 사용되었지만 미국에서는 일반적으로 무시되었기 때문이다.

CR.1

이 기간 동안 그리피스는 항공부의 사우스 켄징턴 연구소의 수석 과학 책임자로 승진했다.여기서 그는 이론 작업으로 돌아와 1929년 11월에 프로펠러를 구동하는 500마력 터빈 엔진의 설계와 이론적 성능을 개략적으로 설명한 보고서를 발표했다.스턴의 이전 보고서와 달리 그리피스는 기존 테스트베드 설계가 성공적으로 확장될 경우 기존 피스톤 엔진보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘할 수 있음을 입증했습니다.

보고서에 요약된 엔진은 매우 복잡했으며 주로 14단 가스 발생기로 구성되었다.압축기와 터빈이 분리되고 축에 연결되는 일반적인 설계와 달리 CR.1 설계에서는 각각 내부 둘레에 단일 압축기 단과 외부 둘레에 터빈 단이 있는 일련의 디스크가 있었습니다.각각은 중앙의 비회전 지지축에 독립적으로 장착되어 다른 단계와는 독립적으로 회전할 수 있습니다.그들은 반대 방향으로 회전하도록 배치되었다.

공기는 엔진 후면에서 흡입되어 중앙의 압축기 단계를 통과하고 새로운 회전 연소실로 들어간 다음 공기 흐름의 방향을 반대로 한 다음 터빈 단계를 통해 외부로 버너를 빠져나갑니다.별도의 터빈이 프로펠러 또는 이후 설계에서는 다단 팬에 전원을 공급하기 위해 사용되었습니다.

1930년 4월 그리피스는 그의 디자인의 테스트베드 버전을 만들자고 제안했지만, ARC는 그것이 단순히 현재의 기술 수준을 훨씬 뛰어넘는 것이라고 결론지었다.1931년 그리피스는 RAE로 돌아왔다.이 기간 중 어느 시점에 그는 원심 압축기를 사용한 프랭크 휘틀의 엔진 설계를 받고 부정적인 반응을 보였다. 그는 계산에서 사소한 오류를 지적한 후 원심 설계가 비효율적이고 전면 크기가 커서 항공기에 적합하지 않을 것이라고 말했다.그는 또한 Whittle이 고속 사용이 더 효과적일 수 있는 곳에 초점을 맞추고 있음에도 불구하고 고온 배기를 추력을 위해 직접 사용한다는 생각은 비효율적이며 기존 엔진의 성능에 미치지 못할 것이라고 말했다(프로펠러들은 음속(M.1) 이하로 효율이 급격히 떨어짐).

얼마 후, 암스트롱 시델리는 이 "대향류 터보 압축기"의 단일 예를 만들었는데, 이것은 꽤 작았다.그러나 압축기와 터빈 영역 사이의 공기 누출은 심각한 문제였으며, 이는 예측된 4%에 비해 씰 사이의 공기 누출의 50%에 달했습니다.터빈과 압축기가 단일 장치이기 때문에 단일 로터를 따라 온도 차이가 큰 문제도 있었습니다.그 개념은 이후 ^[2]개발에는 사용되지 않았다.

앤과 베티

1936년, 현재 헨리 티자드의 지휘 아래, ARC는 휘틀이 그의 새로운 회사인 파워 제트에서 그의 디자인을 계속하고 있다는 것을 알게 된 후 터빈 엔진 개념으로 돌아왔다.Tizard는 Hayne Constant에게 임페리얼 칼리지에서 RAE로 돌아가 그리피스의 디자인 개발을 지원하도록 설득했습니다.그들은 Anne로 알려진 그리피스 엔진의 내부 부분의 6인치 직경(150mm) 버전을 만드는 데 착수했는데, 이 버전은 외부 터빈 부분이 없는 허브와 8개의 압축기 단계로 구성되어 있습니다.처음 작동했을 때 씰 결함으로 인해 오일이 엔진에서 배출되었고, 작동 후 30초 만에 블레이드가 벗겨졌습니다.1937년 앤이 건설되는 동안 그리피스는 또 다른 터빈 선구자인 브라운 보버리의 제이콥 애크렛을 방문했고 압축기/스테이터 설계가 자신의 상반되는 "모든 압축기" 개념보다 우수하다는 것을 확신하게 되었습니다.파손된 후, 앤은 새로운 배치로 재건되어 1939년 10월에 다시 달리기 시작했다.1940년 8월 13일 KG 54의 독일 폭격으로 파괴될 때까지 시험용으로 계속 사용되었다.

이 시점에서 앤 이후 어떻게 진행할 것인지에 대한 약간의 논쟁이 있었다.그리피스, 콘스탄트, 태피 하웰, D가 포함된 팀이다.Carter는 압축기 전용 Anne과 달리 완전한 엔진을 만들기 위한 여러 가지 접근 방식을 연구했습니다.이들은 낮은 압축기 효율에 대한 합리적인 해결책은 고압 및 저압 압축기를 분리하여 오늘날 "2스풀" 설계라고 불리는 것을 사용하는 것이라고 결정했습니다.그러나 팀은 배치에 필요한 동심축이 너무 복잡하다고 생각했고(그 이유는 명확하지 않지만), 완전히 분리된 두 개의 압축기/터빈 섹션을 "병렬하게" 사용하는 것을 고려했습니다.결국 그들은 기계적 문제를 연구하기 위해 이러한 배치에 사용되는 두 개의 엔진 중 하나를 제작하기로 결정했다.

결과적으로 Betty 설계는 9단 압축기로 구성되었습니다.4단 터빈에 커플링을 통해 연결된 직경 1+1⁄2피트.열팽창으로 인한 기계적 응력을 완화하기 위해 다양한 장치에 상당한 설계 노력을 기울였습니다.예를 들어 압축기와 터빈 블레이드는 앤에 사용된 일련의 솔리드 디스크보다 외부 엔진 케이스처럼 팽창하고 수축할 것으로 생각되는 대형 중공 로터에 부착되었습니다.터빈 로터의 양끝은 이중 원뿔로 닫혔으며, 이 원뿔은 동력축에 단단히 부착된 채로 로터와 함께 팽창할 수 있는 충분한 유연성을 가지고 있었습니다.

압축기와 터빈은 다른 로터를 통해 서로 연결되어 있어 두 부분을 쉽게 분리할 수 있었습니다.장착 시 압축기 흡입구가 엔진 중앙 부근에 있고 한쪽 끝은 배기구가 있는 "안쪽으로" 배치되어 있습니다.여기에서 연소실이 있는 두 개의 긴 튜브로 들어가 터빈으로 들어간 엔진의 입구 끝에 뜨거운 공기를 배관합니다.터빈 출구는 컴프레서 입구 옆에 있었다.결국 터빈은 수냉식으로 냉각되었으며, 해드필드의 ERA/ATV와 같은 최신 고온 합금도 지속적인 작동 하에서 결국 변형될 것이라고 믿었기 때문입니다.

B.10으로도 알려진 Betty는 처음에 증기를 사용하여 동력을 공급하는 압축기와 터빈 섹션으로 테스트를 받았다.1940년 10월, 그것들은 처음으로 하나의 완전한 엔진으로 작동되었다.테스트 중에 수냉이 필요하지 않다고 판단되어 공기 냉각 시스템으로 대체되었으며 터빈은 675℃에서 적색 고온으로 작동하도록 허용되었습니다.Betty를 사용한 실험 결과, 팀은 섹션 간의 배관은 허용할 수 없는 손실을 초래하므로, "분산 엔진" 개념인 Betty는 테스트하기 위해 제조된 것이 비효율적일 수 있습니다.동시에 단기 엔진에서는 5:1 정도의 전체 압력비로 충분하다고 판단하여 당분간 2스풀 방식을 포기하기로 결정했다.

막다른 골목

건설 중에 Constant는 항공기의 원동력으로서의 내연 터빈, RAE Note E.3546이라는 새로운 보고서를 작성했습니다.이때까지 최대 700°C의 크리프 강도를 가진 여러 고온 합금을 사용할 수 있게 되었고, Constant는 이러한 재료를 엔진에 사용하면 매우 낮은 고도를 제외하고는 기존 피스톤 엔진보다 성능이 뛰어난 터보프롭을 생산할 수 있음을 입증했습니다.또한 이러한 금속이 지속적으로 개선되면 압축비가 개선되어 모든 면에서 피스톤 엔진보다 완전히 우수하게 됩니다.보고서는 또한 그러한 엔진은 유사한 출력을 가진 피스톤 엔진에 비해 상당히 덜 복잡하며, 따라서 더 신뢰할 수 있다고 지적했다.

Betty와 Constant의 보고서 작업을 바탕으로 ARC는 완전한 터보프롭 엔진을 제작할 수 있도록 팀에 승인했습니다.새로운 D.11 Doris 설계는 확대된 베티와 같은 17단 압축기/8단 터빈 섹션과 프로펠러를 구동하기 위한 기계적으로 분리된 5단 저압 터빈으로 구성되었습니다.약 2,000마력을 제공하도록 설계된 Doris의 건설은 1940년에 시작되었다.

이때쯤이면 Whittle의 원심 압축기 설계는 완전히 작동 가능하며 초기 모델의 생산을 시작할 계획이 진행 중이었다.원심 배치가 축 설계보다 기계적으로 우수하다는 Whittle의 주장이 입증될 정도로 진행이 빨랐다.1939년 6월 그리피스는 팀을 떠나 롤스로이스에서 일하기 시작했다.롤스에서 그는 이전의 "콘트라플로" 디자인으로 돌아와 결국 1944년에 그러한 디자인을 제작했지만, 그 개념은 너무 복잡해서 포기되었다.

그래서 도리스가 지어지는 동안에도 휘틀의 성공은 그것이 시대에 뒤떨어진 것으로 여겨졌고, 작업은 더디게 진행되었다.1941년이 되어서야 도리스 압축기가 작동하기 시작했고, 테스트에서는 이전의 캐스케이드 풍동 시스템에서는 테스트할 수 없었던 고속 기류와 관련된 많은 문제를 입증했습니다.이러한 문제를 테스트하기 위해 새로운 고속 버전이 구축되었고, 문제를 해결하기 위해 제공된 새로운 블레이드가 1941년 후반에 추가되었습니다.도리스 개념은 그 후 폐기되었다.

F.2

Doris에 대한 건설이 시작되기 전에, RAE 팀은 이미 사용 가능한 "순수 제트" 엔진을 가능한 한 빨리 제공하는 문제에 주의를 기울였습니다.초기 설계는 전체 공기 흐름을 가능한 낮게 유지해야 하고 에너지를 프로펠러를 통해 추출해야 한다는 가정 하에 구축되었습니다.이는 공기 흐름이 추력을 제공하는 순수 제트에 적합하지 않았습니다.Freda라고 하는 새로운 9단 압축기 섹션이 설계되었으며, 크기가 직경 22인치를 약간 초과하여 50lb/s의 공기 흐름과 약 4:1의 압축비를 제공합니다.

Freda는 성공을 증명했고, 1939년 12월에 2,150파운드힘을 제공하는 영국 최초의 자체 구동 축 터보젯인 F.1이 되는 터빈 섹션을 설치했다.관심은 곧바로 조금 더 큰 디자인인 F로 쏠렸다.2,690파운드힘의 1A터빈을 위한 수냉 제거 및 F.1의 38파운드/초에서 원래의 프리다 설계 개념에 가까운 47.5파운드/초로 질량 흐름을 증가시키기 위한 다양한 확장을 포함한 여러 세부 사항이 변경되었다.

생산 설계에 관심이 쏠리자 Constant는 제조 능력을 갖춘 산업 파트너를 조직하여 연속 생산을 설정하기 시작했습니다.1940년 7월, 메트로폴리탄-비커스(Metrovick)는 주요 증기 터빈 제조업체였고 신속한 확장에 이상적으로 적합했기 때문에 이러한 노력에 동참했습니다.F.1A는 1940년 7월에 메트로빅으로 넘어갔고 F.2로 생산 작업이 시작되었다.

추가 작업

RAE는 F.2 성공 이후에도 축 압축기 설계에 대한 작업을 계속했습니다.원래 프리다 압축기는 나중에 암스트롱 시델리와의 협업의 일환으로 5개의 저압 단계를 추가하여 사라로 확장되었고, 결국 ASX가 되었다.그들은 또한 영국 General Electric Company와 협력하여 다른 용도로 사용할 수 있는 일련의 축 압축기 설계를 수행했으며, E.5로 알려진 축 압축기 기반 슈퍼차저를 개발했습니다.그러나, 이 시점까지, 영국의 산업 기업이 연구 개발 작업의 대부분을 차지해, RAE 팀은 더 이상 계속적인 개발에 불가결하지 않게 되었습니다.그것은 나중에 국립 가스터빈 설립을 위해 국유화된 파워 제트로 통합되었다.

어느 RAE 설계도 그 자체로는 성공하지 못할 것입니다.F.2 디자인은 암스트롱 시델리 사파이어로 확장 버전이 매우 성공적이긴 했지만 생산에 투입되지 않았다.롤스에서 그리피스의 복잡한 디자인은 제대로 작동하지 않고 버려졌지만, 그는 F.2와 같은 단순한 AJ.65 디자인에 관심을 돌려 훨씬 더 성공적인 롤스로이스 에이본을 생산했고, 나중에는 세계 최초의 터보 팬인 롤스로이스 콘웨이를 생산했다.

레퍼런스

참고 문헌

• Kay, Antony, Turbojet, History and Development 1930-1960, 제1권, 영국과 독일, 12-20페이지, Crowood Press, 2007.ISBN 978-1-86126-912-6