メトロポリタン・ヴィッカース F.2

F.2/ベリル
ソレントスカイ博物館に保存されているベリルエンジン
タイプ	ターボジェット
メーカー	メトロポリタン・ヴィッカース
最初の実行	1941
主な用途	サンダース・ロー SR.A/1

メトロポリタン・ヴィッカース F.2は初期のターボジェットエンジンであり、軸流圧縮機をベースにした最初のイギリスの設計である。このエンジンは当時としては非常に先進的な設計であり、^[1] 9段の軸流圧縮機、環状燃焼器、および2段タービンを使用していた。

1943 年 11 月にグロスター ミーティアに初めて搭載され、パワー ジェッツの同時期のモデルを上回る性能を発揮しました。この素晴らしいスタートにもかかわらず、信頼性が低いと判断され、戦争中は使用されませんでした。戦後、より新しいエンジン設計により性能が大幅に向上し、F.2 への関心は薄れていきました。

しかし、エンジンの潜在能力と投資は無駄にならず、メトロポリタン・ヴィッカース（メトロヴィック）がガスタービン事業から撤退したときに、設計はメトロポリタン・ヴィッカース（メトロヴィック）からアームストロング・シドレーに引き継がれました。アームストロング・シドレーは、成功を収めたサファイアとして、より大型のバージョンを製造しました。

アラン・アーノルド・グリフィスは1926 年に「タービン設計の空気力学的理論」という独創的な論文を発表し、ガスタービンが実用的で、さらには望ましい航空機の動力装置として使用できることを初めて明確に示しました。この論文は、既存の軸流圧縮機の設計は平らなブレードを使用しているため「飛行が失速」し、代わりに翼型設計を使用することで劇的な改善が可能であることを示すことから始まりました。さらに、圧縮機とタービンの完全な設計の概要を示し、排気の余剰電力を使用して 2 番目のタービンを駆動し、プロペラを駆動しました。今日の用語で言えば、この設計はターボプロップです。

設計を証明するため、グリフィスと王立航空機研究所の他の数人の技術者は、1928 年にAnneと呼ばれるコンプレッサーのテストベッド サンプルを製作しました。この機械はフレイザー アンド チャーマーズによって製作されていました。Anneのテストが成功した後、彼らはBettyまたは B.10と呼ばれる完全なエンジンを製作する計画を立てました。Betty はテスト目的で設計されたため、コンプレッサーとタービン セクションを別々に動作できるように設計されていました。これを実現するため、コンプレッサーからの排気はエンジンの「前部」にあり、そこから燃焼セクションを通ってエンジンの「端部」にパイプで送られ、タービンに入ります。これはまた、セクション間のドライブ シャフトが非常に短いことを意味しました。

1929年にフランク・ホイットルの純粋なジェットエンジンに関する論文が出版され、上官と話し合った後、ホイットルは航空省に連れられてグリフィスに会いに行った。グリフィスはホイットルの研究を批判し、ホイットルの計算に誤りがあることを指摘し、ホイットルが使用した遠心圧縮機は正面面積が大きいため航空機には実用的ではなく、与えられた温度ではジェット排気を直接動力源として使用することは極めて非効率であると指摘した。^[2]ホイットルは取り乱したが、とにかくこのアイデアの特許を取るべきだと確信した。5年後、投資家のグループが彼を説得し、英国初の実用的なジェットエンジンの開発を開始した。

グリフィスは自身の構想を発展させ続け、最終的には効率を向上させる二重反転ステージを使用した先進的なコンプレッサ設計を開発した。彼のパートナーであるヘイン・コンスタントは、1937年にマンチェスターに拠点を置く蒸気タービンメーカーのメトロヴィックと新しい機械の製造について協議を開始した。1939年までにこの作業によりベティコンプレッサ設計の改良版がいくつか開発され、新しいフレダに組み込まれた。ちなみに、メトロヴィックは最近、ホイットルの取り組みを支援していた別のタービンメーカーである ブリティッシュ・トムソン・ヒューストンと合併したばかりだった。

1939 年 4 月、ホイットルは実験用エンジンWUを 20 分間高出力で稼働させるという驚くべきデモンストレーションを行いました。これがきっかけで、航空機での使用に適した量産品質の設計を受注する契約が急増しました。メトロヴィックの設計責任者であるデイビッド スミスは、ターボプロップ コンセプトの開発を中止し、代わりに純粋なジェット機に焦点を合わせることを決定しました。ホイットルがW.1設計の構築を開始し、翌年に グロスター E.28/39に搭載して飛行させる計画を立てていたとき、開発は始まったばかりでした。

1940年7月、RAEはメトロヴィック社と契約を結び、フレダタービンをベースにした飛行品質の純粋なターボジェットエンジンを製造した。これがF.1コンセプトとして浮上し、いくつかの形で製造され、最初のエンジンは1941年後半にテストベッドで稼働を開始した。この設計は1942年に特別カテゴリーの飛行テストに合格し、1943年6月29日にアブロ ランカスターの開放型爆弾倉で初飛行した。遠心流ホイットルの設計と比較すると、F.1は9段軸流圧縮機、環状燃焼室、2段タービンを使用しており、非常に先進的だった。^[1]

F.2ターボジェットの開発は急速に進み、エンジンは1941年11月に初めて稼働した。その時点では、ホイットルのコンセプトに基づくエンジンが数多く開発されていたが、F.2はそれらのどれよりもかなり高性能に見えた。飛行可能なバージョンのF.2/1は、1942年に試験評価を受けた。1つはアブロ ランカスターのテストベッド（ランカスターの最初のプロトタイプ、シリアル番号BT308）に取り付けられ、後部砲塔の代わりに後部に取り付けられ、胴体上部の双尾翼の前にある単一の空気取り入れ口を備えていた。この機体は1943年6月29日に初飛行した。^[3] F.2の量産型はF.9/40M（グロスターミーティア）s/n DG204/Gでテストされ、1943年11月13日に初飛行を行った。メッサーシュミットMe262のエンジンと同様に、吊り下げ式ナセルに搭載された。^[1]

予想通り、F.2 エンジンはホイットルの設計よりも強力で、最初は 1,800 lbf (8,000 N) を出力しましたが、すぐに 2,000 lbf (8,900 N) をはるかに超える出力にまでスケールアップしました。その頃、ホイットル W.2Bの出力はわずか 1,600 lbf (7,100 N) でした。しかし、タービン ベアリングと燃焼室にホット スポットが蓄積し、タービン吸気ノズルが歪んだり破損したりする問題が主因で、F.2 の信頼性には疑問がありました。

F.2の軸流圧縮機は後にロールスロイス社に提供され、ロールスロイス・クライドの初期段階として使用された。^[4]

これらの問題に対処するため、1942年8月に小規模な再設計が行われ、タービンの材質がレックス75からニモニック75に変更され、燃焼室が6インチ（150 mm）長くされたF.2/2が完成しました。推力は静的に2,400 lbf（11,000 N）に向上しましたが、過熱の問題は残りました。

過熱問題を解決する別の試みは、1943 年にさらに高度に改造された F.2/3 を生み出しました。このバージョンでは、元の環状燃焼室が、ホイットル設計のものと同じような缶型バーナーに置き換えられました。これにより問題は解決したようで、推力が 2,700 lbf (12,000 N) に増加しました。しかし、この頃には、エンジンのより強力なバージョンに移行することが決定されていました。

F.2の開発は、単段タービンで駆動する追加の空気流のために10段コンプレッサーを使用するバージョンで継続されました。^{[5] [1]}新しいF.2/4（ベリル）は、当初3,250 lbf（14.5 kN）を発生し、サンダース・ローSR.A/1飛行艇戦闘機に搭載される前にアブロ ランカスターMk.II s/n LL735でテスト飛行されました。推力は3番目のプロトタイプですでに3,850 lbf（17.1 kN）に向上しており、最終的に4,000 lbf（18 kN）に落ち着きました。

それに比べて、同時代のダーウェント5 は、最終形態で 3,600 lbf (16.0 kN) を超える推力を発揮しました。SR.A/1 の開発は 1947 年に終了し、それとともにベリルの開発も終了しました。しかし、後に SR.A/1 プロトタイプからベリルが取り外され、ドナルド キャンベルが 1955 年の有名なブルーバード K7水上飛行機の初期走行に使用しました。キャンベルは、1955 年から 1964 年にかけて、この飛行機で 7 つの水上速度記録を樹立しました。

1942年、MV社は推力増強に着手した。その結果生まれたメトロポリタン・ヴィッカースF.3は、設計、製造、試験が行われた最初の英国製ターボファンエンジンとなった。F.3は、製造された最初の3軸ジェットエンジンでもあると言えるが、 ファンがエンジン後部に配置されており、ゼネラル・エレクトリックCJ805-23と似ていたため、はるか後のロールス・ロイスRB211ターボファンシリーズとは全く異なる構成であった。MV社は、ストックのF.2/2を使用して、エンジン後部（高圧タービンの真後ろ）に、2つの二重反転ファンに取り付けられた二重反転LPタービンで構成される別のモジュールを追加した。^[6]第1段ノズルガイドベーンを除き、LPタービンは完全にステータレスで、4つの連続したローター段を備えていた。ローター1と3は前部ファンを（正面から見て）時計回りに駆動し、後部ファンはローター2と4によって反時計回りに駆動された。フロントファンには入口ガイドベーンがありましたが、二重反転ファンローターの間にはベーンがなく、下流には出口ガイドベーンがありませんでした。コアストリームとバイパスストリームは、別々の同軸推進ノズルから排出されました。

プロジェクトは概ね成功し、静推力が約 2,400 lbf (11 から 18 kN) から 4,000 lbf (1947 年には 4,600 lbf (20 kN)) に増加しました。さらに、燃料消費率は 1.05 lb/(lbf⋅h) から 0.65 lb/(30 から 18 g/(kN⋅s)) に低下しましたが、これがプロジェクトの真の目的でした。ただし、追加のターボ機械とダクトによる重量増加は顕著でした。ボーナスとして、ファンからの低速で冷たい空気がガス発生器からの高速で熱い排気と混ざり合うことで、騒音レベルが大幅に低下しました。

F.3 は順調に進歩しましたが、戦争の圧力により開発は縮小されました。戦争が終わったとき、F.2/2 はもはや最新式ではなかったため、そのアイデアの一部はより最新の F.2/4 に適用され、メトロポリタン ヴィッカース F.5 プロペラファンが製造されました。

F.3の後継機であるF.5は、F.2/4のバージョンで、高圧タービンからやや離れたジェットパイプの端にオープンローター（ダクトなし）推力増強装置が追加されました。直径5フィート6インチの固定ピッチプロペラは二重反転し、F.3と同様の4段ステータレスLPタービンユニットによって駆動されます。静推力はF.2/2の3,500lbfから4,710 lbf（21,000 N）以上に増加し、それに応じて特定の燃料消費量が減少しました。親ターボジェットと比較して、このプロペラファン構成の重量増加は約26％でしたが、F.3ターボファンでは53％でした。^[7] 1946年にガスタービン事業をアームストロング・シドレーに売却したため、開発は中止されました。

F.2の開発は1944年に終了した。しかし、基本コンセプトの開発は継続され、最終的にはかなり大型のF.9サファイアにつながった。しかし、1947年にメトロヴィックはジェットエンジンの製造から撤退し、その設計チームはアームストロング・シドレーに移った。サファイアは成功した設計へと成長し、当初はロールス・ロイスと同時代のエイボンのパワーを上回った。メトロヴィックのラインの設計上の特徴はアームストロング・シドレーの軸流圧縮機ターボプロップ機のラインに取り入れられたが、アームストロング・シドレーはメトロヴィックがエンジンに宝石の名前を使うのをやめ、動物の名前、特にヘビの名前を使い続けることにした。

プロトタイプエンジンの例は、ロンドンのサイエンス博物館のフライトギャラリーで見ることができます。

メトロヴィック ベリルはロールス・ロイス ヘリテージ トラスト(ダービー) に展示されています。

ウィルキンソンのデータ 。 ^[8]

• タイプ:軸流ターボジェット
• 長さ: 159インチ (4,039 mm)
• 直径: 34.9インチ (886 mm)
• 乾燥重量:約1,500ポンド (680 kg)

• 圧縮機： 9段軸流圧縮機
• 燃焼器：ステンレス鋼製環状燃焼室1つ
• タービン： 2段軸流タービン
• 燃料の種類: 灯油

• 最大推力：海面静止時2,400 lbf（11 kN）、離陸時
• 総圧力比: 3.5:1
• 空気質量流量: ~50.23lb/s (~22.78kg/s)
• タービン入口温度: 1,382 °F (750 °C)
• 燃料消費率: 1.07 lb/(lbf⋅h) (30 g/(kN⋅s))
• 推力重量比: ~1.6

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• BMW 003
• ゼネラルエレクトリック J47

関連リスト

• 航空機エンジンの一覧

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• 「メトロヴィック ガスタービン」1946 年のフライト記事
• 「メトロヴィック F.5」1947年のF.5プロペラファンに関する記事