RAE におけるターボジェットの開発

1936年から1940年にかけて、アラン・アーノルド・グリフィスは一連のタービンエンジンを設計し、それらは王立航空機製作所(RAE)のヘイン・コンスタントの指揮下で製造された。その設計は当時としては先進的で、典型的には「2スプール」レイアウトを特徴とし、高圧および低圧コンプレッサーはそれぞれ当時の典型的なエンジンよりも多くの段数を持っていた。先進的ではあったが、エンジンの製造は難しく、メトロヴィック F.2や後にアームストロング・シドレー サファイアのように、はるかに単純な「フリーダ」設計のみが生産された。先駆的な研究の多くは、後にロールス・ロイスの設計に使用され、大成功を収めたロールス・ロイス エイボンが最初のモデルとなった。

1920年、サウスケンジントンの航空省研究所のWJスターンは、航空研究委員会（ARC）の要請に応えて、プロペラを駆動するガスタービンエンジンの開発の可能性に関する報告書を執筆した。彼の報告書は極めて否定的なものだった。既存のターボコンプレッサーの性能を考えると、そのようなエンジンは機械的に非効率であるように思われた。重量が重く、燃料効率が悪いだけでなく、スターンはタービンの高熱領域での使用に適した材料が存在するかどうか疑問視していた。

当時ファーンバラの RAE の上級科学官であったグリフィスは、スターンの報告書を読み、国立物理学研究所が材料の問題を研究すべきであると要請しました。一方、グリフィスはコンプレッサー設計の問題の研究を開始しました。1926 年に彼は「タービン設計の空気力学的理論」を出版し、既存のコンプレッサー設計では基本的に「失速飛行」する平らなブレードが使用されており、空気力学的に形を整えることで効率を大幅に向上できることを指摘しました。

10 月、グリフィスは航空省と RAE の小グループに論文を提出しました。彼らは全員一致で、グリフィスのコンプレッサー設計を研究する開発プロジェクトの開始を支持しました。最初の作業は 1927 年に開始され、1929 年までにこのプロジェクトは、単段コンプレッサーとタービン、それぞれの前に 1 列のステーターを備えた非常にシンプルな直径 4 インチ (100 mm) の「エンジン」を構築するところまで進みました。基本概念をテストするためだけに設計されたこのリグは、91% という優れた空力効率を示しました。

同時に、RAE チームは、平らなプレートに取り付けられた複数列のコンプレッサー ブレードで構成される「カスケード」を導入しました。風洞内の単一のブレードの空気力学が多段コンプレッサーの実際のパフォーマンスに一致するとは確信が持てなかったため、カスケードにより、風洞内の取り付けプレート上のプレートを移動するだけで、さまざまなコンプレッサー レイアウトをテストできるようになりました。これにより、プレートを空気の流れに対して回転させることにより、迎え角を簡単に変えることもできました。NASA によると、 1950年代まで英国のエンジン設計が米国より進んでいた理由の 1 つは、カスケード テストと理論が英国で広く使用されていたのに対し、米国では一般的に無視されていたことです。^[1]

この時期に、グリフィスは航空省のサウス ケンジントン研究所の主任科学官に昇進しました。ここで彼は理論研究に戻り、1929 年 11 月に、プロペラを駆動する 500 馬力のタービン エンジンの設計と理論上の性能を概説したレポートを発表しました。スターンの以前のレポートとは対照的に、グリフィスは、既存のテストベッド設計をうまくスケールアップできれば、既存のピストン エンジンよりもはるかに優れた性能を発揮できることを実証しました。

報告書に概説されているエンジンは非常に複雑で、主に 14 段のガス発生器で構成されていました。コンプレッサーとタービンが別々でシャフトに接続されている一般的な設計とは対照的に、CR.1 の設計では、内周に 1 つのコンプレッサー ステージ、外側に 1 つのタービン ステージを保持する一連のディスクがありました。各ディスクは、中央の回転しないサポート シャフトに独立して取り付けられ、他のステージとは独立して回転できました。ディスクは反対方向に回転するように配置されていました。

空気はエンジンの後ろから取り込まれ、中央のコンプレッサー段を通過し、空気の流れの方向を反転させる新しい回転燃焼室に入り、その後、外側のタービン段を横切ってバーナーから排出されます。プロペラを駆動するために別のタービンが使用され、後の設計では多段ファンが使用されました。

1930年4月、グリフィスは自身の設計のテストベッド版の製作を提案したが、ARCはそれが当時の最先端技術をはるかに超えていると結論付けた。1931年、グリフィスはRAEに戻った。この時期のある時点で、彼はフランク・ホイットルの遠心圧縮機を使用したエンジン設計を提示され、否定的な回答を返した。計算に小さな誤りがあることを指摘した後、遠心設計は効率が悪く、前面が大きいため航空機での使用には不向きであると述べた。また、ホイットルが推進力として直接高温の排気を利用するアイデアは効率が悪く、既存のエンジンの性能に及ばないと述べた。ホイットルは高速での使用に注力していたため、その方が効果的であるにもかかわらずである（プロペラは音速以下では効率が劇的に低下する（ M.1 ））。

その後しばらくして、アームストロング・シドレー社は、この「逆流ターボコンプレッサー」の非常にコンパクトな例を 1 つ製造しました。しかし、コンプレッサーとタービン領域の間の空気漏れが大きな問題となり、シール間の空気漏れは 4% と予測されていたのに対し、実際には 50% にも達しました。その他の問題としては、タービンとコンプレッサーが 1 つのユニットであるため、1 つのローターに沿った温度差が大きいことなどが挙げられます。このコンセプトは、その後の開発には使用されませんでした。^[2]

1936年、ヘンリー・ティザードの指揮下に入ったARCは、ホイットルが彼の新しい会社であるパワージェッツで彼の設計を進めていることを知り、タービンエンジンのコンセプトに戻った。ティザードは、グリフィスの設計の開発を支援するために、インペリアル・カレッジからRAEに戻るようヘイン・コンスタントを説得した。彼らは、ハブと8つのコンプレッサー段で構成され、外側のタービン部分がない、グリフィスエンジンの内部部分の直径6インチ（150 mm）バージョンであるアンの構築に取りかかった。最初の運転で、シール不良によりエンジンからオイルが漏れ、運転開始からわずか30秒でブレードが剥がれ落ちた。1937年、アンの構築中に、グリフィスは別のタービンの先駆者であるブラウン・ボベリのヤコブ・アッケレットを訪問し、コンプレッサー/ステーターの設計が彼自身の二重反転「全コンプレッサー」コンセプトよりも優れていると確信した。アンは損傷を受けた後、新しいレイアウトを使用して再建され、1939年10月に再び運行を開始しました。1940年8月13日の「イーグルデー」 にKG 54によるドイツ軍の爆撃で破壊されるまで、テストで使用され続けました。

この時点で、アンの後をどう進めるかについて議論がありました。グリフィス、コンスタント、タフィー・ハウエル、D・カーターを含むチームは、コンプレッサーだけのアンではなく、完全なエンジンを製作するいくつかのアプローチを研究しました。彼らは、低いコンプレッサー効率に対する唯一の合理的な解決策は、今日では「2 スプール」設計と呼ばれるもの、つまり高圧と低圧のコンプレッサーを別々に持つものを使用することだと判断しました。しかし、チームはこのレイアウトに必要な同心シャフトが複雑すぎると考え (その理由は明らかではありませんが)、完全に独立した 2 つのコンプレッサー/タービン セクションを「並べて」使用することも検討されました。最終的に、彼らは、機械的な問題を研究するために、そのようなレイアウトで使用される 2 つのエンジンのうちの 1 つを製作することに決めました。

結果として得られたベティの設計は、9段コンプレッサー1で構成されていました。+直径1 ⁄ 2フィートの 4 段タービンにカップリングを介して接続されています。熱膨張による機械的ストレスを軽減するためのさまざまなデバイスに、かなりの設計努力が費やされました。たとえば、コンプレッサーとタービンブレードは、Anne で使用されている一連の固体ディスクよりも、外側のエンジンケースのように膨張および収縮すると思われる大きな中空のローターに取り付けられました。タービンローターの端はダブルコーンで閉じられており、ローターと一緒に膨張するのに十分な柔軟性がありながら、パワーシャフトにしっかりと接続されたままでした。

コンプレッサーとタービンは別のローターを介して互いに接続されており、2 つのセクションは簡単に分離できます。接続されると、コンプレッサーの吸気口がエンジンの中心近くに、排気口が一方の端にあるように、「裏返し」に配置されます。ここで、コンプレッサーの吸気口は燃焼室のある 2 本の長いチューブに入り、発生した熱風がエンジンの入口端に送られ、タービンに入ります。タービンの排気口はコンプレッサーの吸気口の隣にあります。最後に、タービンは水冷式です。これは、ハドフィールドの ERA/ATV のような最新の高温合金でも、連続運転では最終的に変形すると考えられていたためです。

ベティ（別名B.10）は、最初は蒸気で駆動する別々の圧縮機とタービンのセクションとしてテストされました。1940 年 10 月に、初めて 1 つの完全なエンジンとして稼働しました。テスト中に、水冷は不要であると判断され、空冷システムに置き換えられ、タービンは 675 ℃ で赤熱して稼働しました。ベティの実験により、チームはセクション間の配管は許容できない損失につながることを確信したため、ベティがテスト用に製造された「分散エンジン」のコンセプトはおそらく非効率的であることがわかりました。同時に、近い将来のエンジンでは全体の圧力比が5:1 程度で十分であると判断されたため、当面は 2 スプール方式を放棄することにしました。

建造中に、コンスタントは新しい報告書「航空機の原動機としての内部燃焼タービン」、RAE Note E.3546 を作成した。この時点で、700 °C までのクリープ強度を持ついくつかの耐熱合金が利用可能になっており、コンスタントは、これらの材料をエンジンに使用すると、現在ではターボプロップと呼ばれるものができ、非常に低い高度を除いて既存のピストンエンジンよりも性能が優れていることを実証した。さらに、これらの金属の継続的な改良により、圧縮比が向上し、あらゆる点でピストンエンジンを完全に上回るようになる。報告書はまた、そのようなエンジンは同様の出力のピストンエンジンよりも大幅に簡素化され、したがってより信頼性が高くなると指摘した。

ベティとコンスタントの報告書を基に、ARC はチームに完全なターボプロップ エンジンの製造を承認しました。新しいD.11 ドリスの設計は、ベティに似た拡大された 17 段コンプレッサー/8 段タービン セクションと、プロペラを駆動する機械的に独立した 5 段低圧タービンで構成されていました。約 2,000 馬力の出力を実現するように設計されたドリスの製造は、1940 年に開始されました。

この時点で、ホイットルの遠心圧縮機の設計は完全に機能しており、初期モデルの生産を開始する計画が進行中でした。進歩は非常に迅速で、遠心レイアウトは軸流設計よりも機械的に優れているというホイットルの主張は裏付けられたように見えました。さらに問題が重なったのは、1939 年 6 月にグリフィスがチームを離れ、ロールス ロイスで働き始めたことです。ロールスでは、彼は以前の「逆流」設計に戻り、最終的に 1944 年にそのような設計を実現しましたが、その概念は複雑すぎるとして放棄されました。

そのため、ドリスが建造されている間も、ホイットルの成功により、ドリスが時代遅れとみなされ、作業はゆっくりと進みました。ドリスのコンプレッサーが稼働し始めたのは 1941 年になってからで、テストでは、以前のカスケード風洞システムではテストできなかった高速気流に関連するいくつかの問題が明らかになりました。これらの問題をテストするために新しい高速バージョンが構築され、問題に対処するために新しいブレードが 1941 年後半に追加されました。ドリスのコンセプトはその後放棄されました。

ドリスの製造が始まる前から、RAE チームは、使用可能な「純ジェット」エンジンをできるだけ早く実現するという問題に目を向けていました。以前の設計では、全体的な空気の流れをできるだけ低く抑え、エネルギーをプロペラから取り出すという前提で構築されていました。これは、空気の流れが推力も提供する純ジェットには適していませんでした。フレダと呼ばれる新しい 9 段コンプレッサー セクションが設計され、直径が 22 インチ強に拡大し、50 ポンド/秒の空気の流れと約 4:1 の圧縮比を実現しました。

フリーダは成功を収め、1939年12月にはタービンセクションが取り付けられ、イギリス初の自走式軸流ターボジェットエンジン、F.1となり、2,150 lbfを出力した。注目はすぐに、わずかに大型の設計、 2,690 lbfのF.1Aに移った。タービンの水冷をなくし、質量流量をF.1の38 lb/sから47.5 lb/sに増やすためにさまざまな拡大を行うなど、細部の変更がいくつか行われ、オリジナルのフリーダの設計コンセプトに近づいた。

生産設計に注目が集まると、コンスタントは連続生産を開始するための製造能力を持つ産業パートナーの組織化を開始しました。1940 年 7 月、大手蒸気タービン製造業者であり、急速なスケールアップに理想的であるメトロポリタン ヴィッカース(メトロヴィック) がこの取り組みに加わりました。1940 年 7 月に F.1A はメトロヴィックに引き渡され、F.2として生産が開始されました。

RAE は、F.2 の成功後も軸流圧縮機の設計に取り組み続けました。オリジナルの Freda 圧縮機は、後にアームストロング・シドレーとの共同作業の一環としてさらに 5 つの低圧ステージを追加してSarahに拡張され、最終的にASXになりました。彼らはまた、他の用途のための一連の軸流圧縮機の設計でイギリスのゼネラル・エレクトリック社と協力し、 E.5として知られる軸流圧縮機ベースのスーパーチャージャーの研究も行いました。しかし、この時点では、イギリスの産業企業が研究開発活動の多くを引き継いでおり、RAE チームはもはや継続的な開発に不可欠なものではなくなりました。その後、同チームは国営の Power Jets に吸収され、National Gas Turbine Establishment を形成しました。

RAE の設計はどれも単独では成功しなかった。F.2 の設計は生産されなかったが、拡大版はアームストロング・シドレー・サファイアとして大成功を収めた。ロールスでのグリフィスの複雑な設計はうまく機能せず放棄されたが、彼はより単純な F.2 のようなAJ.65設計に目を向け、さらに成功したロールス・ロイス・エイボンを生産し、後に世界初のターボファンであるロールス・ロイス・コンウェイを開発した。

• ケイ、アントニー『ターボジェットの歴史と発展 1930-1960 』第 1 巻、イギリスとドイツ、pp. 12–20、クロウッド プレス、2007 年。ISBN 978-1-86126-912-6