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.
El primer motor propulsó 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 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 abandonó el negocio de las turbinas de gas. Armstrong Siddeley produjo una versión más grande, la exitosa Sapphire .
En 1926, Alan Arnold Griffith publicó un artículo fundamental, An Aerodynamic Theory of Turbine Design (Una teoría aerodinámica del diseño de turbinas) , que por primera vez demostraba claramente que una turbina de gas podía utilizarse como un motor práctico e incluso deseable para una aeronave. El artículo empezaba demostrando que los diseños de compresores axiales existentes se "estancaban" debido al uso de álabes planos y que se podían lograr mejoras espectaculares utilizando en su lugar diseños de perfil aerodinámico . A continuación, describía un diseño completo de compresor y turbina, que utilizaba 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 otros ingenieros del Royal Aircraft Establishment construyeron un modelo de banco de pruebas del compresor en 1928 conocido como Anne , cuya maquinaria fue construida para ellos por Fraser y Chalmers . Después de las pruebas exitosas de Anne , planearon continuar con un motor completo conocido como Betty o B.10. Como Betty fue diseñado para fines de prueba, se diseñó para permitir que las secciones del compresor y la turbina funcionaran por separado. Para hacer esto, el escape del compresor estaba en la "parte delantera" del motor, donde se canalizaba 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 los motores a reacción puros y, tras hablar con su oficial al mando, Whittle fue llevado por el Ministerio del Aire a ver a Griffith. Griffith criticó el trabajo de Whittle, identificando un error en los cálculos de Whittle y señalando que el compresor centrífugo que utilizaba Whittle sería poco práctico para su uso en aviones debido a su gran área frontal, y que el uso del escape del reactor directamente para generar energía sería extremadamente ineficiente a las temperaturas dadas. [2] Whittle estaba angustiado, pero estaba convencido de que debía patentar la idea de todos modos. Cinco años después, un grupo de inversores lo convenció de 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 que utilizaba dos etapas contrarrotativas que mejoraban 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 British 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 oleada de contratos para construir un diseño de calidad de producción adecuado para su uso en aeronaves. El jefe de diseño de Metrovick, David Smith, decidió poner fin al desarrollo de los conceptos de turbohélice y centrarse en los reactores puros. El desarrollo acababa de empezar cuando Whittle empezó a construir su diseño W.1 , planeando instalar uno para volar en el Gloster E.28/39 el año siguiente.
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, y el primer motor en funcionamiento comenzó a funcionar en el banco de pruebas a fines de 1941. El diseño aprobó sus pruebas de vuelo de categoría especial en 1942 y voló por primera vez el 29 de junio de 1943 en el compartimiento de bombas abierto de un Avro Lancaster . En comparación con los diseños de flujo centrífugo de Whittle, el F.1 era extremadamente avanzado, ya que usaba 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 de Whittle, pero el F.2 parecía considerablemente más capaz que cualquiera de ellos. Una versión volable, el F.2/1, recibió su calificación de prueba en 1942. Uno fue instalado en un banco de pruebas Avro Lancaster (el primer prototipo de 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 cola doble. El avión voló por primera vez el 29 de junio de 1943. [3] Las versiones de calidad de producción del F.2 se probaron en el F.9/40M ( Gloster Meteor ) s/n DG204/G , que realizó su primer vuelo el 13 de noviembre de 1943. Se instalaron en góndolas suspendidas , de manera similar a los motores del Messerschmitt Me 262. [ 1]
Como era de esperar, los motores F.2 eran más potentes que el diseño Whittle, primero entregando 1.800 lbf (8.000 N), pero pronto aumentaron a más de 2.000 lbf (8.900 N). En esa época, el Whittle W.2B desarrollaba solo 1.600 lbf (7.100 N). Sin embargo, existían dudas sobre la fiabilidad 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, que causaban deformaciones y fracturas en las toberas de entrada de la turbina.
El compresor axial del F.2 fue posteriormente ofrecido a Rolls-Royce y utilizado como etapa inicial del Rolls-Royce Clyde . [4]
Para solucionar estos problemas, en agosto de 1942 se realizó un pequeño rediseño que dio origen al 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) estático, pero los problemas de sobrecalentamiento persistieron.
Otro intento de resolver los problemas de sobrecalentamiento dio como resultado el F.2/3, que fue modificado en 1943. Esta versión reemplazó la cámara de combustión anular original por quemadores tipo lata como los de los diseños de Whittle. Esto parece haber solucionado 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 con una versión que utilizaba 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 hidroavión de combate Saunders-Roe SR.A/1 . 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 finalizó en 1947, con lo que terminó el desarrollo del Beryl. Sin embargo, más tarde se retiró un Beryl del prototipo SR.A/1 y lo utilizó Donald Campbell para las primeras pruebas 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 comenzó a trabajar en el aumento de empuje. El Metropolitan-Vickers F.3 resultante fue el primer motor de turbofán británico en ser diseñado, construido y probado. Podría decirse que el F.3 también fue el primer motor a reacción de tres ejes en ser construido, aunque la configuración era completamente diferente a la de la serie de turbofán Rolls-Royce RB211 mucho más tardía , ya que el ventilador estaba ubicado en la parte trasera del motor, no muy diferente al del General Electric CJ805-23 . Usando un F.2/2 de serie, MV agregó un módulo separado a la parte trasera del motor (directamente detrás de la turbina HP) que comprendía turbinas LP contrarrotativas unidas a dos ventiladores contrarrotativos. [6] Aparte de los álabes guía de la tobera de la primera etapa, la turbina LP no tenía ningún 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 álabes guía de entrada, no había álabes entre los rotores del ventilador contrarrotantes ni, aguas abajo, álabes guía de salida. Las corrientes de núcleo y de derivación se evacuaban a través de toberas propulsoras coaxiales separadas.
El proyecto tuvo un éxito general, ya que el empuje estático aumentó de aproximadamente 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 turbomaquinaria y los conductos adicionales fue significativo. Una ventaja fue una marcada disminución de los niveles de ruido que se produjo debido a que el aire más lento y frío del ventilador se mezclaba con el escape rápido y caliente del generador de gas.
Aunque el F.3 progresó bien, su desarrollo se vio limitado por las presiones de la guerra. Cuando terminó la guerra, el F.2/2 ya no estaba en uso, por lo que algunas de las ideas se aplicaron al más moderno F.2/4 para producir el propulsor de hélice Metropolitan-Vickers F.5.
Siguiendo el ejemplo del F.3, el F.5 era una versión del F.2/4 con un aumentador de empuje de rotor abierto (sin conductos) añadido al extremo del tubo de chorro, algo alejado de la turbina HP. Las hélices de paso fijo de 5 pies y 6 pulgadas 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 una reducción correspondiente 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% para el turborreactor 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 finalizó en 1944. Sin embargo, el desarrollo del concepto básico continuó, y finalmente condujo al considerablemente mayor F.9 Sapphire. Sin embargo, en 1947, Metrovick abandonó 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, que inicialmente superó 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 para sus motores en favor de continuar con nombres de animales, en particular serpientes.
Un ejemplo del prototipo del motor se puede encontrar en la Galería de Vuelo del Museo de Ciencias de Londres.
Un Metrovick Beryl está en exhibición en el Rolls-Royce Heritage Trust (Derby).
Datos de Wilkinson. [8]
Motores comparables
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