Začátky vývoje proudových motorů

Ing. Oldřich Buňata
Psáno v roce 1967

Před více než 20 lety, v roce 1946, začínaly u nás první vývojové práce v oboru proudových motorů. Po ukončení druhé světové války zůstalo na území naší republiky několik desítek německých proudových letadel Me262 i se záložními motory Ju004, po revizi schopných krátkodobého leteckého provozu. Kromě nich bylo nalezeno několik motorů BMW003, které po úpravách byly také schopny chodu, a větší počet rozpracovaných částí těchto motorů. Tato letadla a motory umožnily výcvik prvních československých pilotů proudových letadel a staly se východiskem první etapy vývoje proudových motorů v Československu.

Jak motor Ju004, tak BMW003 měly axiální kompresory. Kompresor Ju004 byl osmistupňový, BMW003 sedmistupňový a oba dávaly stlačení vzduchu asi 3 : 1. Motor Ju004 měl při 8700 ot/min statický tah 900 kp a vážil 750 kg. BMW003 dával tah 800 kp při 9500 ot/min a byl lehčí, vážil 660 kilogramů. Měrné spotřeby obou motorů se pohybovaly v rozmezí 1,4 až 1,5 kg/kp za hodinu.

Opravy a zkoušky motorů Ju004, nejdříve záběhové a kontrolní, později i vývojové, byly prováděny v závodu v Malešicích, který nejdříve patřil k ČKD a později k našemu závodu Motorlet v Jinonicích. Tam byla vybudována jednoduchá zkušebna, teprve postupně zdokonalovaná, na které však bylo vykonáno dost užitečné práce. V roce 1947 byla v nynějším VZLÚ v Letňanech jedna ze zkušeben pístových motorů přebudována na zkoušení proudových motorů.

V té době už u nás létala znovu letadla Me262 s prvními našimi piloty proudových letadel. Letadla Me262 měla pověst letadel přímo nebezpečných, schopných přistávat jen na betonové rozjezdové dráze. Je proto pozoruhodné, že za několik let jejich provozu v Československu se žádný z našich pilotů nezabil ani nezranil. Zásluhu o to nesporně měla velká péče při opravách, obsluze a kontrole letadel i motorů, ovšem někdy bylo třeba i hodně štěstí, neboť dramatických okamžiků při létání bylo dost.

Například, jak si vzpomínám, při čtvrtém letu prvního opraveného Me262, kdy před přistáním po vysunutí podvozku vysadil jeden ze dvou motorů. Při pokusech o spuštění za letu se roztáčel pouze na nízké otáčky. Letoun byl sice schopen vodorovného letu s jedním zastaveným motorem, avšak pouze se zasunutým podvozkem. Zasouvání podvozku se provádělo prostřednictvím jednoho motoru a náhodou právě ten motor se zastavil. S vysunutým podvozkem a jedním pracujícím motorem letoun prudce klesal a při snížení rychlosti pod 250 km/hod se stával neovladatelným. Přistávací dráha byla ještě daleko a nezbývalo, než nouzově přistát na poli. Později vypravoval pilot Kraus, první z našich pilotů proudových letadel, že i tuto možnost si předem promýšlel. Bylo mu jasné, že při prvním doteku podvozku se zemí se kola zaboří do měkkého nerovného terénu a letadlo se začne převracet. Proto před dosednutím prudce naklonil letadlo a narazil na zem nejdříve křídlem, které se ulomilo. Tím se letadlo roztočilo přibližně kolem svislé osy. Ulomilo se druhé křídlo, setrvačností se utrhly oba motory a uletěly daleko od letadla. Trup letadla se zlomil vpředu i vzadu. Když vyděšení lidé, kteří pracovali na polích, přibíhali k letadlu, vystupoval již z neporušené kabiny nezraněný pilot, který působením velkých setrvačných sil pouze na několik vteřin ztratil vědomí. Příčinou vysazení motoru, která byla vysvětlena a demonstrována až značně později při zkouškách ve VZLÚ, byl jednoduchý akcelerační ventil, který po prasknutí přívodní trubky stlačeného vzduchu podstatně omezil přívod paliva k motoru. Po této příhodě byl proti německému provedení  pohon zasouvání podvozku zdvojen.

Po několika měsících došlo k další nebezpečné příhodě. Letadlo po startu vlétlo do hejna špačků, kteří zasáhli jeden z motorů. Co ti uměli udělat s kompresorem prvních proudových motorů! Lopatkování rotoru kompresoru prakticky zmizelo. Nynější axiální kompresory jsou podstatně odolnější, vniknutí větších cizích předmětů do kompresoru je ovšem stále vážným problémem. Poněvadž regulace motoru udržovala konstantní otáčky, snažila se v tomto případě bránit zastavení motoru zvětšováním množství paliva. Tím na krátkou dobu vzrostla teplota plynů tak, že rozváděcí kolo turbiny se téměř spálilo. I oběžné kolo bylo velmi poškozeno. Materiál lopatek turbiny byl ovšem mnohem méně odolný než nynější turbinové materiály. Úplným zničením jednoho motoru vznikly značné síly na řízení, avšak poněvadž podvozek byl vysunut, pilot dostihl letiště a bez dalšího poškození letadla přistál.

Od druhého typu vyvinutého německého proudového motoru BMW003 získala vojenská technická skupina v tehdejších Podmoklech několik opravitelných motorů. Opravili je, vyzkoušeli, a byl podniknut pokus vyzkoušet je také za letu v Me262. Ačkoliv motory BMW003 byly vývojově pokročilejší, provozně byly ještě méně spolehlivé než Ju004. Při zkouškách vznikaly četné nesnáze. Po několika málo letech došlo asi v 9000 m k lomu tří lopatek turbiny. I tentokrát letoun bez nehody přistál. Poněvadž však nebylo možné zajistit, aby k dalšímu praskání lopatek nedocházelo, byly další letové zkoušky odloženy do doby, kdy měl být vyvinut rekonstruovaný motor BMW003, označený T101. K tomu však již nedošlo.

Německé proudové motory měly na tehdejší dobu celkem dobré kompresory, avšak turbiny byly mnohem horší než turbiny tehdejších anglických motorů návrhově i materiálově. Proto první vývojové práce se zaměřily na zlepšení účinnosti a životnosti turbiny. Veškeré vývojové práce koordinoval zesnulý prof. Ing. Miškovský z pražské techniky, který měl o ně zájem především z hlediska energetika. Ihned správně poznal, jak velký význam bude mít další vývoj proudových motorů i pro energetické a jiné spalovací turbíny.

Nejdříve byly oba motory proměřeny na zkušebně v Podmoklech. Toto proměření bylo nutné, aby bylo možné posoudit, zda navrhovaná zlepšení splní, co bylo od nich očekáváno. Tyto práce vedli pracovníci z nynějšího SVÚSS a i z dnešního hlediska měla tato měření velmi dobrou úroveň.

Pro důkladnější letové proměření byla ve VZLÚ vybudována tzv. létající zkušebna, poněvadž experimentování s motory v Me262 bylo příliš nebezpečné. Tento způsob zkoušek je sice velmi nákladný, ale ještě dnes nutný zvláště ve státech, které nemají motorovou výškovou zkušebnu. Byl vybrán letoun Heinkel He111 a pod trup byl zavěšen proměřovaný motor Ju004. Bylo však možné zkoušet i nově vyvinutý motor až do průměru 1000 mm.

Ve VZLÚ se též připravoval výzkum spalovacích komor, které byly jedním ze slabých míst motoru Ju004 a měly velmi malou životnost. Pro první zkoušky byla vybudována jednoduchá zkušebna při mírně zvýšeném tlaku. Jako zdroj vzduchu bylo použito dmychadlo umístěné poměrně daleko v aerodynamické laboratoři. Při provozu působila obtíže nestabilita v chodu dmychadla při zapálení paliva v komoře. Když byly vývojové práce na německých motorech přerušeny, bylo toto zkušební zařízení v provozuschopném stavu a byla na něm proměřena spalovací komora Ju004 jako východisko pro nové návrhy.

Náš vlastní vývoj proudových motorů začal zlepšováním turbíny Ju004. (viz výkres motoru JUMO 004 na příloze č.1) Důležitým krokem bylo získání lepšího materiálu hlavně pro oběžné lopatky turbíny. Němci používali na oběžné lopatky Tinidur, což byla ocel legovaná chromem a niklem. Rozváděcí lopatky byly vyráběny z chrommanganové oceli. Vývoj odolnějších žáruvzdorných slitin pro zvýšení životnosti i parametrů motoru byl prováděn ve Spojených ocelárnách v Kladně.Kromě žáruvzdorné oceli Poldi AKCM-EXTRA byla vyvinuta žáruvzdorná niklová slitina obdobná anglickému Nimonicu, označená Poldi AKCM. Po laboratorním vyzkoušení byla pro zkoušky v motoru osazena jedna turbína Ju 004 oběžnými lopatkami z různých materiálů, a to Tinidur, AKCM-EXTRA, AKCN a dvou zakoupených amerických kobaltových žáruvzdorných slitin S-590 a S-816. Tato úprava motoru byla nazvána „R1“ a měla s ní být provedena zkouška v trvání 75 hodin, přerušovaná pro provádění kontrolních měření. Celá zkouška byla jeta při maximálních otáčkách 8700 otáček za minutu a maximální teplotě za turbínou 700 stupňů Celsia. Byla však pro změnu programu zastavena přibližně po 50 hodinách.

Program zkoušek byl vypracován v Ústavu pro výzkum strojní (ÚVS, nyní Státní výzkumný ústav pro stavbu strojů – SVÚSS), jehož pracovníci provádění zkoušek řídili. Celá zkouška byla provedena na zkušebně v Malešicích. Výsledky měření ukázaly cestu k výpočtu životnosti turbínových lopatek a potvrdily řádovou správnost takového výpočtu. Ukázaly možnost značného zvýšení životnosti turbínových lopatek i při přechodu na materiál AKCM-EXTRA. Tinidur se při těchto zkouškách neosvědčil, jediné lopatky, které při zkouškách praskly, byly z něho. Pro porovnání možnosti dalšího zvýšení životnosti při použití žáruvzdorných neželezných slitin AKCN, S-590 a S-816 byly zkoušky příliš záhy přerušeny.

Poněvadž celá zkouška byla provedena při maximálním režimu motoru, je její trvání rovnocenné mnohem delší době v normálním provozu, ovšem jen z hlediska pevnosti lopatek v tečení. Únavová pevnost lopatek může být ovlivněna vibracemi i při nižších režimech motoru.

Zkoušky byly též využity k sledování jiných vývojových problémů, například zanášení lopatek kompresoru usazeninami, vliv dlouhodobého chodu motoru na charakteristiky palivových trysek. Teplocitnými barvami a křídami bylo zjišťováno rozdělení teplot na turbíně. Dále pro nahrazení nespolehlivého spouštěče „Riedel“ byl vyvinut a vyzkoušen elektrický spouštěcí automat.

Mezitím ve Škodových závodech v Plzni přistoupili k rekonstrukci turbíny Ju004. Bylo změněno profilování  oběžných lopatek tak, že bylo možné očekávat zvýšení účinnosti při současném snížení váhy lopatek na méně než polovinu původní hodnoty. To znamenalo nejen snížení váhy motoru, ale též značnou úsporu vzácných legovacích přísad. Lehčí oběžné lopatky umožnily také zvýšení otáček motoru z 8700 na 8900 otáček za minutu. Rekonstruovaný motor byl označen „R 2“ a byl také vyzkoušen na zkušebně v Malešicích. Zkoušky opět nebyly dokončeny, přesto však bylo postupně dosaženo zvýšení tahu asi na 1050 kp, tj. téměř o 20% a snížení měrné spotřeby paliva asi o 9%.

Přes tento úspěch byl za vhodnější východisko pro vlastní vývoj považován motor BMW003. Tyto vývojové práce byly zahájeny v Motorletu v Jinonicích ve spolupráci s Vývojem spalovacích turbín (VST), který vznikl z ÚVS. Byl navržen motor označený T 101, v němž byl použit kompresor BMW003 a pro turbínu byla navržena nová dutá oběžná lopatka z plechu plynule zeslabovaného od paty ke špičce. Byl provedeny přípravy k lisování těchto lopatek a ke kontrole jejich tvaru. Motor měl mít rovněž elektrický startér. Ve VST současně probíhaly práce na projektu nového silnějšího motoru s axiálním kompresorem o tahu 2000 kp. Všechny tyto práce byly rovněž zastaveny při přerušení vývoje.

Postupná ztráta zájmu rozhodujících činitelů na vývoji proudových motorů vycházejícího z německých motorů měla dvě hlavní příčiny:

První z nich byly naděje upínané k vývojovým pracím v První brněnské strojírně. Tam byl pod vedením Ing. Martínky navržen motor, který byl nejen na tehdejší dobu, ale i z nynějšího hlediska téměř fantastický. Tyto vývojové práce byly dlouho tajné i pro většinu pracovníků, kteří se u nás vývojem spalovacích turbín zabývali. Teprve koncem roku 1951 byly možnosti realizace vyvíjeného motoru nazvaného „Martin“  projednány v širším okruhu pracovníků z tohoto oboru. Koncepce motoru prodělala řadu změn. V jedné verzi to měl být proudový motor o tahu 3500 až 4500 kp, v druhé dvouproudový motor s tahem ještě vyšším a měrnou spotřebou ne mnoho nad 0,5 kg/kp hod. Motor měl být dvourotorový a měl kombinovaný axiální a radiální kompresor. Celkové stlačení vzduchu v nízkotlakém a vysokotlakém kompresoru bylo velmi vysoké nejen podle tehdejšího, ale i podle nynějšího měřítka, a mělo dosáhnou poměru asi 45 : 1. Axiální kompresory byly supersonické, radiální kompresor měl dopředu zahnuté lopatky. Spalovací komory měly naprosto neobvyklé uspořádání. Návrh a výpočet byl proveden podle podkladů, které svým spolupracovníkům předával Ing. Martínka na základě údajů, které získal během své praxe v Německu. Detailně byla navržena a vyrobena pouze vysokotlaká část motoru, ovšem v neleteckém, velmi těžkém provedení. Jeden stupeň axiálního nadzvukového kompresoru a jeden radiální stupeň měly stlačit vzduch asi na 17 atm. Tato vysokotlaká část jako samostatný proudový motor měla dát při 14300 ot/min tah 1620 kp s měrnou spotřebou 0,81 kg/kp/hod. Ze zkoušek bylo provedeno pouze roztáčení parou až do 9500 ot/min, při nichž se zlomila jedna oběžná lopatka axiálního kompresoru a poškodila řadu dalších. Supersonický axiální stupeň byl vymontován, jeho oprava nebyla do ukončení vývoje provedena a další zkoušky se prováděly bez něho. Bylo zkoušeno pokusné spalování metanu v jedné spalovací komoře. Nad 4500 ot/min plamen zhasínal. Navržená rekonstrukce spalovací komory nebyla již dokončena, neboť práce byly v létě 1952 zastaveny. Koncepce motoru „Martin“ nebyla reálná a nemohla mít úspěch. Ovšem některé návrhové prvky byly pozoruhodné i když sporné, a je škoda, že nebyly vyzkoušeny.

V té době se již plně uplatnil i druhý důvod ztráty zájmu o vlastní vývoj proudových motorů. Začala licenční výroba sovětského proudového motoru u nás označeného M05, tehdy jednoho z nejvýkonnějších proudových motorů. Byla to pro naše letectví velmi významná událost. Předáním této licence jsme získali nejen potřebné motory a letadla pro naše letectví, ale též významné návrhové a výrobní podklady pro další vývoj. Turbína motoru M05 byla podstatně lepší než turbíny německých motorů a umožňovala vlastní vývoj proudového motoru jak s radiálním, tak s axiálním kompresorem a podstatně zlepšenými parametry. Tato možnost zůstala dlouho nevyužita. Vývoj proudových motorů byl zastaven, řada pracovníků přešla do jiných oborů a když v roce 1954 byl vlastní vývoj opět obnoven, zahajoval převážně s novými pracovníky.

Po několika projektech různých typů motorů byl vyvinut malý proudový motor s jednostranným radiálním kompresorem M701, který se osvědčil v tvrdém provozu ve cvičném letadle. Této etapě našeho vývoje bude věnován zvláštní článek.

Úspěch motoru M701 dokázal, že jsme schopni vyvinout vlastní proudový motor a že tento motor obstojí i v mezinárodní soutěži. V uplynulých letech ovšem vývoj letadlových motorů neobyčejně pokročil a hlavní světové velmoci i řada dalších států věnují na tento vývoj prostředky pro nás nepředstavitelné. Avšak i jejich úkoly jsou stejně obrovské, hlavně v supersonickém letectví a kosmonautice, a jsem přesvědčen, že vytkneme-li si správný cíl, budeme moci i nadále čestně obstát. Je ovšem třeba, aby kontinuita našeho vývoje nebyla ani na krátkou dobu přerušena. Snad ještě nikdy tolik neplatilo známé Nerudovo: „Kdo chvíli stál, již stojí opodál“.

Motor BMW 003