El Metropolitan-Vickers F.2 es uno de los primeros motores turborreactores y el primer diseño británico basado en un compresor de flujo axial . Era un diseño extremadamente avanzado para la época, [1] que utilizaba un compresor axial de nueve etapas, una cámara de combustión anular y una turbina de dos etapas.
Propulsó por primera vez un Gloster Meteor en noviembre de 1943, superando a los modelos contemporáneos de Power Jets . A pesar de este excelente comienzo, se consideró poco fiable y no se utilizó durante la guerra. En la era de la posguerra, los diseños de motores más nuevos proporcionaron un rendimiento mucho mayor y el interés en el F.2 disminuyó.
Sin embargo, el potencial del motor y la inversión no se desperdiciaron; el diseño pasó de Metropolitan-Vickers (Metrovick) a Armstrong Siddeley cuando Metrovick dejó el negocio de las turbinas de gas. Armstrong Siddeley produjo una versión más grande como el exitoso Sapphire .
Alan Arnold Griffith publicó un artículo fundamental en 1926, An Aerodynamic Theory of Turbine Design , que por primera vez demostró claramente que una turbina de gas podría usarse como un motor de avión práctico, e incluso deseable. El artículo comenzaba demostrando que los diseños de compresores axiales existentes "volaban parados" debido al uso de palas planas, y que se podían realizar mejoras espectaculares utilizando en su lugar diseños de perfil aerodinámico . Continuó describiendo un diseño completo de compresor y turbina, utilizando la potencia de escape adicional para impulsar una segunda turbina que impulsaría una hélice. En la terminología actual, el diseño era un turbohélice .
Para probar el diseño, Griffith y varios otros ingenieros del Royal Aircraft Establishment construyeron un ejemplo de banco de pruebas del compresor en 1928 conocido como Anne , y Fraser y Chalmers construyeron la maquinaria para ellos . Después de las pruebas exitosas de Anne, planearon continuar con un motor completo conocido como Betty o B.10. Como Betty fue diseñada para fines de prueba, fue diseñada para permitir que las secciones del compresor y la turbina funcionen por separado. Para hacer esto, el escape del compresor estaba en la "parte delantera" del motor, donde se conducía a través de la sección de combustión hasta el "extremo" del motor donde ingresaba a la turbina. Esto también significaba que el eje de transmisión entre las secciones era muy corto.
En 1929 se publicó la tesis de Frank Whittle sobre motores a reacción puros y, después de hablar con su oficial al mando, el Ministerio del Aire llevó a Whittle a ver a Griffith. Griffith criticó el trabajo de Whittle, identificando un error en los cálculos de Whittle, señalando que el compresor centrífugo que Whittle usó no sería práctico para el uso en aviones debido a su gran área frontal, y que el uso del escape del jet directamente para obtener energía sería extremadamente ineficiente en las temperaturas dadas. [2] Whittle estaba angustiado pero estaba convencido de que debería patentar la idea de todos modos. Cinco años más tarde, un grupo de inversores lo convenció para que comenzara a trabajar en lo que sería el primer motor a reacción británico en funcionamiento.
Griffith continuó desarrollando sus propios conceptos y finalmente desarrolló un diseño de compresor avanzado utilizando dos etapas contrarrotativas que mejoraron la eficiencia. Su socio, Hayne Constant , inició conversaciones en 1937 con Metrovick, un fabricante de turbinas de vapor con sede en Manchester , para producir la nueva maquinaria. En 1939, este trabajo había desarrollado varias versiones mejoradas del diseño del compresor Betty, que se incorporaron al nuevo Freda . Por cierto, Metrovick se había fusionado recientemente con la británica Thomson-Houston , otro fabricante de turbinas que apoyaba los esfuerzos de Whittle.
En abril de 1939, Whittle hizo una sorprendente demostración de su motor experimental, el WU , haciéndolo funcionar durante 20 minutos a alta potencia. Esto dio lugar a una serie de contratos para construir un diseño de calidad de producción adecuado para uso aeronáutico. El jefe de diseño de Metrovick, David Smith, decidió poner fin al desarrollo de los conceptos de turbohélice y centrarse en su lugar en los aviones puros. El desarrollo acababa de comenzar cuando Whittle comenzó a construir su diseño W.1 , planeando instalar uno para volar en el Gloster E.28/39 el próximo año.
En julio de 1940, la RAE firmó un contrato con Metrovick para construir un motor turborreactor puro con calidad de vuelo basado en la turbina Freda. Esto surgió como el concepto F.1, que se construyó en varias formas, con el primer motor en funcionamiento arrancando en el banco de pruebas a finales de 1941. El diseño aprobó sus pruebas de vuelo de categoría especial en 1942 y voló por primera vez el 29 de enero. Junio de 1943 en la bahía de bombas abierta de un Avro Lancaster . En comparación con los diseños de flujo centrífugo de Whittle, el F.1 era extremadamente avanzado y utilizaba un compresor axial de nueve etapas, una cámara de combustión anular y una turbina de dos etapas. [1]
El desarrollo del turborreactor F.2 avanzó rápidamente y el motor funcionó por primera vez en noviembre de 1941. En ese momento, había varios motores en desarrollo basados en el concepto Whittle, pero el F.2 parecía considerablemente más capaz que el cualquiera de ellos. Una versión voladora, el F.2/1, recibió su calificación de prueba en 1942. Uno fue instalado en un banco de pruebas Avro Lancaster (el primer prototipo Lancaster, s/n BT308 ), montado en la parte trasera en lugar de la torreta trasera. , con una única entrada de aire en la parte superior del fuselaje, delante del plano de doble cola. El avión voló por primera vez el 29 de junio de 1943. [3] Se probaron versiones de calidad de producción del F.2 en el F.9/40M ( Gloster Meteor ) s/n DG204/G , que realizó su primer vuelo el 13 de noviembre de 1943. Fueron instalados en góndolas suspendidas , de manera similar a los motores del Messerschmitt Me 262 . [1]
Como se esperaba, los motores F.2 eran más potentes que el diseño de Whittle, y primero entregaban 1.800 lbf (8.000 N), pero pronto aumentaron a más de 2.000 lbf (8.900 N). Por esa época, el Whittle W.2B desarrollaba sólo 1.600 lbf (7.100 N). Sin embargo, había dudas sobre la confiabilidad del F.2, principalmente debido a problemas asociados con la acumulación de puntos calientes en el cojinete de la turbina y la cámara de combustión, lo que provocó deformaciones y fracturas de las boquillas de entrada de la turbina.
El compresor axial del F.2 se ofreció más tarde a Rolls-Royce y se utilizó como etapa inicial del Rolls-Royce Clyde . [4]
Para abordar estos problemas, en agosto de 1942 se realizó un rediseño menor del F.2/2, que cambió el material de la turbina de Rex 75 a Nimonic 75 y alargó la cámara de combustión en 6 pulgadas (150 mm). El empuje se mejoró a 2400 lbf (11 000 N) estáticos, pero los problemas de sobrecalentamiento persistieron.
Otro intento de resolver los problemas de sobrecalentamiento resultó en el F.2/3 más modificado durante 1943. Esta versión reemplazó la cámara de combustión anular original con quemadores tipo lata como los de los diseños de Whittle. Esto parece haber resuelto los problemas, aumentando el empuje a 2700 lbf (12 000 N) en el proceso. Sin embargo, en ese momento se decidió pasar a una versión mucho más potente del motor.
El desarrollo del F.2 continuó en una versión que utiliza un compresor de diez etapas para un flujo de aire adicional impulsado por una turbina de una sola etapa. [5] [1] El nuevo F.2/4, el Beryl , desarrolló inicialmente 3250 lbf (14,5 kN) y fue probado en vuelo en el Avro Lancaster Mk.II s/n LL735 antes de ser instalado en el Saunders-Roe SR.A. /1 hidroavión de combate. El empuje ya había mejorado a 3850 lbf (17,1 kN) para el tercer prototipo y finalmente se estableció en 4000 lbf (18 kN).
En comparación, el Derwent 5 contemporáneo desarrolló más de 3600 lbf (16,0 kN) de empuje en su forma final. El desarrollo del SR.A/1 terminó en 1947, poniendo fin al desarrollo del Beryl junto con él. Sin embargo, más tarde Donald Campbell eliminó un Beryl del prototipo SR.A/1 y lo utilizó para las primeras carreras en su famoso hidroavión Bluebird K7 de 1955 en el que estableció siete récords de velocidad en el agua entre 1955 y 1964.
En 1942, MV empezó a trabajar en el aumento del empuje. El Metropolitan-Vickers F.3 resultante fue el primer motor turbofan británico diseñado, construido y probado. Se podría decir que el F.3 fue también el primer motor a reacción de tres ejes que se construyó, aunque la configuración era completamente diferente a la de la serie turbofan Rolls-Royce RB211 , muy posterior , ya que el ventilador estaba ubicado en la parte trasera del el motor, no muy diferente al del General Electric CJ805 -23. Usando un F.2/2 original, MV agregó un módulo separado en la parte trasera del motor (directamente detrás de la turbina HP) que comprendía turbinas LP contrarrotativas unidas a dos ventiladores contrarrotativos. [6] Aparte de las paletas guía de la tobera de la primera etapa, la turbina LP era completamente sin estator, con cuatro etapas de rotor consecutivas. Los rotores uno y tres impulsaban el ventilador delantero en el sentido de las agujas del reloj (visto desde el frente), mientras que el ventilador trasero era impulsado en el sentido contrario a las agujas del reloj por los rotores dos y cuatro. Aunque el ventilador frontal tenía paletas guía de entrada, no había paletas entre los rotores del ventilador contrarrotativos ni, aguas abajo, paletas guía de salida. Las corrientes central y de derivación se expulsan a través de boquillas propulsoras coaxiales separadas.
En general, el proyecto fue un éxito, aumentando el empuje estático de alrededor de 2400 a 4000 lbf (11 a 18 kN) (4600 lbf (20 kN) en 1947). Además, el consumo específico de combustible se redujo de 1,05 a 0,65 lb/(lbf⋅h) (30 a 18 g/(kN⋅s)), que era el verdadero objetivo del proyecto. Sin embargo, el aumento de peso de toda la turbomáquina y los conductos adicionales fue significativo. Una ventaja fue una marcada disminución en los niveles de ruido que resultó de la mezcla del aire frío y más lento del ventilador con el escape rápido y caliente del generador de gas.
Aunque el F.3 progresó bien, el desarrollo se vio limitado por las presiones de la guerra. Cuando terminó la guerra, el F.2/2 ya no estaba vigente, por lo que algunas de las ideas se aplicaron al F.2/4 más actualizado para producir el propfan Metropolitan-Vickers F.5.
Siguiendo donde lo dejó el F.3, el F.5 era una versión del F.2/4 con un aumentador de empuje de rotor abierto (sin conductos) agregado al extremo del tubo de chorro, algo alejado de la turbina HP. Las hélices de paso fijo de 6 pies de diámetro, que giraban en sentido contrario, eran impulsadas por una unidad de turbina LP sin estator de cuatro etapas, similar a la del F.3. El empuje estático aumentó de las 3500 lbf del F.2/2 a más de 4710 lbf (21 000 N), con la correspondiente reducción en el consumo específico de combustible. En relación con el turborreactor original, el aumento de peso para esta configuración de ventilador de hélice fue de aproximadamente el 26 %, en comparación con el 53 % del turbofan F.3. [7] El desarrollo se canceló cuando vendieron su negocio de turbinas de gas a Armstrong Siddeley en 1946.
El desarrollo del F.2 terminó en 1944. Sin embargo, el desarrollo del concepto básico continuó, hasta conducir finalmente al F.9 Sapphire, considerablemente más grande. Sin embargo, en 1947, Metrovick dejó la producción de motores a reacción y su equipo de diseño se trasladó a Armstrong Siddeley . El Sapphire maduró hasta convertirse en un diseño exitoso, superando inicialmente la potencia de su contemporáneo Rolls-Royce, el Avon . Las características de diseño de la línea Metrovick se incorporaron a la propia línea de turbohélices de compresor axial de Armstrong Siddeley, aunque Armstrong Siddeley abandonó el uso de nombres de piedras preciosas por parte de Metrovick para sus motores a favor de continuar con nombres de animales, en particular serpientes.
Un ejemplo del prototipo de motor se puede encontrar en la Galería de Vuelo del Museo de Ciencias de Londres.
Un Metrovick Beryl se exhibe en el Rolls-Royce Heritage Trust (Derby).
Datos de Wilkinson. [8]
Motores comparables
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