TURBÍNOVÉ Proudové Motory

TURBÍNOVÉ Proudové
Motory
Motory Walter M05, M701a M602
Základní principy stavby a užití
v České republice
Obsah
Strana
1. Předmluva
3
2. Některé základní technické informace
4
3. Kompresory a turbíny
7
4. Historie výroby proudových motorů v České republice
4.1 Motory JUMO 004 a BMW 003
4.2 Motor M05 pro letadla MiG-15
4.3 Motor Walter M701 pro letadla L-29
4.4 Motory AI-25 a DV2 pro letadla L-39 a L-59
4.5 Motor Walter M601 pro letadla L-410
4.6 Motor Walter M602 pro letadla L-610M
9
9
9
10
11
12
13
5. Dovezené motory vojenských letadel a vrtulníků
5.1 Motor Honeywell F124 GA-100 pro letadla L159
5.2 Motory pro bojová letadla MiG, Su a JAS 39 Gripen
5.3 Motor TV3-117 pro vrtulníky Mi 24V
5.4 Motor PW-127G pro letadla CASA C-295M
15
15
15
17
17
6. Současný stav nabídky proudových motorů v České republice
6.1 Motor GE H80 pro malá dopravní letadla
6.2 Motor TJ 100 pro kluzáky a experimentální letadla
6.3 Informace o významné spolupráci a kooperaci v ČR
19
19
20
21
7. Některé doplňující informace ze světa
22
Následující text je určen především pro zájemce z okruhu málo informované veřejnosti. Mohou
v něm najít odpověď alespoň na některé otázky, které si souvislosti s tímto technicky velmi složitým
oborem sami pokládají. Pro více informované zájemce mohou být užitečné některé konkrétní informace
nebo data o motorech a letadlech z historie nebo současnosti. Uváděné typy letadel i motorů mají více
verzí, které byly vyvinuty k různým účelům nebo jako technické zlepšení. V této základní informaci
nejsou uváděny.
Všechny informace a data byly převzaty z veřejně dostupných zdrojů a firemních materiálů. Použity
byly jen základní údaje a informace, případné zájemce o podrobnější informace odkazujeme na uvedené
zdroje. U výrobců i u provozovaných zařízení dochází často ke změnám. Čas někdy přináší nové
informace i o tom, co bylo pokládáno za historicky ověřené. Správnost a přesnost uváděných informací
byla ověřována porovnáním s několika různými zdroji, ale ani to nezaručuje, že mohlo dojít k nějaké
nepřesnosti, která by ale neměla být významná.
Zdeněk Sedláček
Září 2013
1
1. Předmluva
S humornou nadsázkou lze motorové letadlo přirovnat k jakémusi manželství mezi motorem a
drakem. Požadavek na vzájemnou harmonii je obdobný a také se vždy nevydaří. Soužití je ale
neoddělitelné, protože jedno bez druhého létat nemůže. Motor vlastně stále v letadle nějak překáží,
rámusí a těch škodlivých zplodin! A vysoká spotřeba! Svými sexy ladnými křivkami proto sklízí obdiv
jen letadlo a motor zůstává diskrétně zakrytý. Upřímně řečeno – ono na něm ke koukání také moc není.
Samozřejmě ale jen pro laickou veřejnost, odborníkům a pamětníkům se může líbit, a někdy mohou i
žasnout.
Je obecně známo, že letadlo létá, protože má křídla. Obtékáním vzduchu kolem aerodynamicky
zkonstruovaného profilu křídel vzniká potřebná síla pro stoupání i let, nazývaná vztlak. Ovšem jen za
podmínky, že letadlo má alespoň minimální stanovenou letovou rychlost, kterou mu musí dodat motor.
Až do konce druhé světové války byla motorová letadla poháněna vrtulí a pístovými motory. Ve snaze
získat výhodu vyšší rychlosti u bojových stíhacích letadel byly na jejím konci uvedeny do operačního
provozu první turbínové proudové motory nejdříve v Německu, vzápětí i u ostatních mocností.
Převládajícím typem motorů současných vojenských a velkých dopravních letadel jsou turbínové
proudové motory, které využívají sílu vzniklou plynulým spalováním směsi paliva (letecký petrolej –
kerosin) a stlačeného vzduchu. Výkon vytvořený proudovým motorem je závislý na množství a
rychlosti protékajících plynů. K potřebnému stlačení vzduchu
je nutný lopatkový kompresor. K jeho pohonu je nutná
lopatková turbína poháněná vystupujícími horkými plyny.
Vysoká teplota a rychlost vystupujících spálených plynů sice
může vyvozovat vysoký výkon motoru, ale za cenu vysoké
spotřeby paliva a tudíž nízké efektivnosti. K jejímu zlepšení
byla postupným technickým vývojem nalezena řada
konstrukčních řešení. Podle rozdílných požadavků na provoz
různých typů letadel (velikost, dopravní, vojenská atp.) jsou
nejčastěji používány následující konstrukční typy turbínových
proudových motorů:
turbokompresorové (tzv. jednoproudové, angl. Turbojet)
turbohřídelové
(pro vrtulníky, angl. Turboshaft)
turbovrtulové
(pro vrtulová letadla, angl. Turboprop)
turbodmychadlové (tzv. dvouproudové, angl. Turbofan)
Typ propfan, (anglický termín, nemá český název,
přeloženo snad jako „vrtulový, nebo lopatkový ventilátor“), je
spíš ve vývoji a zkouškách, jejichž výsledky snad ukáží
reálnost nadějí na další úspory paliva a uplatnění.
Pro uživatele turbínových proudových motorů je důležitá
jejich přijatelná cena, relativně nízká spotřeba paliva, nízká
váha, minimální údržba a vysoká spolehlivost i životnost.
Spolehlivý provoz letadel je nutné zajistit v rozdílných
výškách a teplotách i klimatických podmínkách.
Motor je součástí letadla a má i další funkce nezbytné pro
jeho provoz, jako např. zdroj elektrické energie, pohon
hydrauliky, zdroj stlačeného vzduchu, startér atp. Požadavky
na něj kladené jsou často protichůdné, a proto je možné je
řešit jen technickým kompromisem.
Parametry a správnou funkci motorů je nutné ověřit řadou zkoušek, jejichž dobré výsledky jsou
podmínkou pro vydání certifikátů od příslušných úřadů v jednotlivých státech prodeje, bez nichž je není
možné používat.
2
2. Některé základní technické informace
Proudový motor je tepelný motor, ve kterém pracovní cyklus nasátí, stlačení, hoření a výfuk probíhá
kontinuálně. Síla tlačící motor kupředu je reakcí na sílu vznikající rychlým vycházením spálených plynů
z výstupní trysky motoru. Její velikost je daná množstvím proteklého vzduchu a rozdílem jeho rychlosti
na vstupu a na výstupu. Do motoru vstupující vzduch je stlačen lopatkovým axiálním nebo radiálním
kompresorem, do spalovací komory (jedna prstencová nebo několik trubkových) je vstřikováno palivo a
směs zapálena. Horké spaliny zvýší svůj objem i teplotu a přes pevné usměrňující rozváděcí lopatky
expandují lopatkovou turbínou do výstupní trysky. Turbína se roztočí na společném hřídeli
s kompresorem, a část energie spálených plynů tak ubere na jeho pohon. Ve výstupní trysce je zbývající
tlaková a tepelná energie převedena na kinetickou, spaliny expandují na tlak okolní atmosféry a
reaktivně vyvozují dopředný tah.
Konstrukční a termodynamické hranice získání vysokého výkonu motoru jsou dány zejména
možností vysokého celkového stlačení vzduchu vícestupňovým kompresorem na vstupu do spalovacích
komor, a dále maximálně možnou teplotou plynů před turbínou. K využití potřebné vysoké teploty
plynů, kde může být teplota přes 1300°C, jsou nutné zejména velmi odolné žáruvzdorné materiály a
systém chlazení lopatek turbíny. Pro chod motoru bez vibrací je velmi důležité dynamické vyvážení
celého rotoru, jehož otáčky za provozu mohou být např. až kolem 30000 ot/min.
Konstrukce kompresoru může být buď axiální (vzduch postupuje shodným směrem s osou otáčení,
česky tedy osový) nebo radiální (odstředivý), ve kterém vzduch postupuje kolmo na osu otáčení. Axiální
kompresory jsou mnohastupňové, tedy složitější, ale umožňují dosáhnout většího stlačení vzduchu.
Radiální kompresory sice v jednom stupni mohou dosáhnout přijatelné stlačení vzduchu pro chod
motoru, to ale většinou nestačí pro požadovaný výkon (tah), a je nutné použít ještě další stupeň.
Proudový motor je možné nastartovat, tj. roztočit kompresor, jedině pomocí vnějšího zdroje energie. Na
zemi je to řešitelné dobře, ale zejména pro požadavek možnosti startu po zhasnutí motoru ve vzduchu se
často jedná o složitá zařízení.
V současné době se pro označení tahu motorů místo původních kg nebo kp používá jednotka
Newton, nejčastěji jako tisícinásobek s označením kilonewton (1kN = 101,9716 kp). Pro dobrý poměr
váhy a výkonu byly vyvinuty i proudové motory pro pohon letadel vrtulí (s nižší rychlostí letu =
turbovrtulové, angl. Turboprop) a listů rotoru vrtulníků (turbohřídelové, angl. Turboshaft). U těchto
motorů se výkon na hřídeli udává v kW.
Turbokompresorové (také jednoproudové, angl. Turbojet) motory se nejdříve začaly používat na
konci druhé světové války ve vojenských stíhacích letadlech. Postupný vývoj ve snaze o snížení
spotřeby paliva vyšším využitím energie spalin vedl k použití dalších stupňů turbíny pohánějících více
stupňů kompresoru. Pro možnost krátkodobého mimořádného zvýšení výkonu je možné použít přídavné
spalování vstřikem paliva do výstupní trysky. Výkon se tím může zvýšit tak, že letadlo dosahuje i
nadzvukové rychlosti, ovšem opět za cenu vysoké spotřeby paliva.
Turbokompresorový (jednoproudový) motor s axiálním kompresorem
Další stupně turbín mohou pohánět nejen stupně kompresoru stlačující vzduch jen pro spalování, ale
vpředu umístěný další nízkotlaký kompresor - dmychadlo. Z prvního nízkotlakého kompresoru pak
jedna část stlačeného vzduchu vstupuje do vysokotlakého kompresoru a do spalovacích komor, druhá
část stlačeného vzduchu obtéká motor a vystupuje spolu se spalinami na výstupu z motoru. Poměr mezi
množstvím vzduchu protékajícím motorem do spalovacích komor a množstvím vzduchu obtékajícím
3
motor se nazývá „obtokový poměr“. Spotřeba paliva klesá při vyšším objemu vzduchu obtékajícím
motor, protože se tak více využije tepelná energie vystupujících plynů. Dmychadlo je tedy svojí funkcí
blízké známé vrtuli. Dvouproudové motory (turbodmychadlové, angl. Turbofan) s více stupni
kompresoru a turbíny jsou konstrukčně složitější, protože mají nejen více stupňů a různých lopatek, ale
také dva nebo i tři hřídele otáčející se v jedné ose, které tak spojují mezi sebou příslušný stupeň
kompresoru a turbíny.
Dvouproudový dvouhřídelový motor s nízkým obtokovým poměrem
Motory s nízkým obtokovým poměrem, (angl. low by-pass), např. 0,3 až 0,8, jsou vhodné i pro
rychlosti nad 900 km/hod, tedy i pro vojenská bojová letadla. Motory s vysokým obtokovým poměrem
(angl. high by-pass), např. 3 až 7, podstatně snižují měrnou spotřebu paliva. Jsou proto používány
zejména u dopravních letadel s maximální rychlostí kolem 900 km/hod, u kterých požadavek vyšší
rychlosti letu není úplnou prioritou.
Turbodmychadlový tříhřídelový motor s vysokým obtokovým poměrem
U motorů turbovrtulových (Turboprop) i turbohřídelových (Turboshaft) je sestava kompresor,
spalovací komora a turbína generátorem plynu pro další turbínu, tzv. „výkonovou“ nebo také „volnou“.
Ta má za úkol využít maximum energie spalin před jejich výstupem do atmosféry k pohonu hřídele a
dalších konstrukčních mechanismů přenášejících výkon na listy rotoru vrtulníku nebo na vrtuli.
Turbovrtulové motory pohání vrtuli,
která urychlením proudu vzduchu
vyvolává dopředný tah. Vrtulové listy
jsou obvykle stavitelné pro různé režimy
letu. Aby konce jejich listů neměly
nadzvukovou rychlost, musí být použit
reduktor k potřebnému snížení počtu
otáček, např. 1:15. Způsob výhodného
konstrukčního
uspořádání
motoru
s obráceným směrem průtoku vzduchu a
spalin (tj. ve směru letu) dle obrázku je
použit u motoru Walter M601
popisovaného na str.11. Turbovrtulové
motory jsou nejčastěji používány pro
pohon menších dopravních letadel s
rychlostí letu asi do 600 km/hod, tedy
obdobně jako u motorů pístových.
Schéma turbovrtulového motoru s obráceným
směrem průtoku vzduchu a spalin
4
Motory turbohřídelové jsou
určené
zejména
pro
pohon
vrtulníků. U větších typů vrtulníků
a také z bezpečnostních důvodů
jsou používány dva motory, jejichž
výkon je soustavou převodů
přenášen na nosné listy rotoru i na
listy vyrovnávací vrtule. Celkový
převod počtu otáček tak může být
snížen např. 1:70.
Na vedlejším obrázku je
schematické znázornění možného
konstrukčního řešení umístění dvou
turbohřídelových motorů s přímým
průtokem plynů a dalších převodů
k místům nosných a vyrovnávacích
pohonů.
Turbínové motory typově označované „propfan“ jsou variantou, která by měla slučovat výhody
turbovrtulových a turbodmychadlových motorů, tedy výkon turbodmychadlových a nízkou spotřebu
paliva turbovrtulových. Mají vně
motorové gondoly dvojici vícelistých a
širokolistých vrtulí speciálního tvaru se
silně zakřivenými listy, s použitím
reverzoru otáčení protiběžných. Snížení
spotřeby paliva se díky menšímu
průměru vrtulí, a tedy menšímu odporu,
projevuje významně až při vyšších
rychlostech kolem 900 km/hod. Pro
jejich vyšší hlučnost se zatím umísťují
spíš na zadní části trupu letadla.
Vývoj a zkoušky provádí největší
světoví výrobci, ale dle zveřejněných
zpráv by úspěch a certifikace snad
mohla
proběhnout
v následujících
několika letech.
Pro úplnost této informace uvádíme
na obrázcích zveřejněných v odborných publikacích schéma jejich konstrukční sestavy a možného
umístění na letadle.
5
3. Kompresory a turbíny
Bez kompresoru a turbíny se žádný turbínový proudový motor neobejde. Jejich konstrukční a
termodynamické parametry jsou pro výkon motorů rozhodující. Sice podobné, ale rozdílné postavení
usměrňovacích (statorových) a oběžných lopatek ve věnci axiálního kompresoru a turbíny je na
následujícím obrázku. Turbínou protékají horké spaliny a jejich energie je využita k roztočení oběžného
kola turbíny, tedy k vykonání práce.
Turbína
Kompresor
Kompresor naopak ke stlačení vzduchu práci spotřebovává. Využívá k tomu energii turbíny, která je
na společném hřídeli. V kompresoru se rychlost vzduchu zpomaluje a stoupá jeho teplota a tlak.
V turbíně je to obráceně, roztočením turbíny
průtokem spalin jejich tlak, teplota i rychlost
poklesne. Prakticky se rozdíl mezi nimi projevuje
tím, že jeden stupeň turbíny může pohánět více
řad lopatek axiálního kompresoru v jednom
stupni. Počet řad lopatek a stupňů kompresoru
(dmychadlo, nízkotlaký, vysokotlaký) a tvaru i
postavení lopatek je výsledkem složitých výpočtů
a zkoušek. Cílem je co nejlépe využít energii
spalin v příslušných stupních turbíny k dosažení
potřebného vysokého stlačení vzduchu.
Jednostupňový kompresor
Dvoustupňový kompresor (nízko a vysokotlaký)
Třístupňový kompresor (dmychadlo, nízko a vysokotlaký)
6
U radiálních (odstředivých) kompresorů se k potřebnému stlačení vzduchu využívá jeho urychlení
odstředivou
silou.
Stlačení nastává až po
výstupu z oběžného kola
kompresoru v kanálech
a lopatkách difusoru. U
radiálního
typu
kompresoru je možné
dosáhnout
v jednom
stupni obdobné stlačení
jako u několika stupňů
kompresoru axiálního.
Často je proto také
používán v kombinaci
s kompresorem
axiálním.
Schéma odstředivého (radiálního) kompresoru
U kompresorů obou typů je
důležitá jejich účinnost a zejména
dosažené stlačení na vstupu do
spalovací komory. Vysoké stlačení se
dociluje zvýšením počtu jejich stupňů.
Rotační i stacionární dílce kompresorů
jsou vyráběny z legovaných slitin
hliníku a také z titanu. Jejich pevnost
vzhledem k jejich funkci je sice
důležitá, ale jednou z kritických
zkoušek je také odolnost proti
destrukci vniknutím cizích těles,
zejména např. ptáků.
Radiální kompresor motoru M701
Lopatky turbín jsou namáhány za vysokých teplot (až např.
kolem 1300°C) a mechanickým namáháním vznikajícím rychlou
rotací disku i dynamicky proudícími spalinami. Jsou proto vyráběny
ze slitin odolávajících vysokým teplotám na bázi niklu a chromu,
které jsou ale obtížně obrobitelné. Statorové rozváděcí lopatky turbín
jsou odlévány přesným litím. Oběžné lopatky byly dříve vyráběny
z odkovků kovaných za tepla, později také přesným litím.
Technologie přesného lití umožňuje vytvořit uvnitř listu lopatek
kanálky pro chladící vzduch. Oběžné lopatky s volným koncem listu
mohou být dále také namáhány rezonančním kmitáním, které lze
eliminovat konstrukcí tzv. „bandáže“, která souvisle zakončuje
obvod celého věnce konců listů lopatek turbíny.
Schéma kanálků chlazení
oběžných turbínových lopatek
7
4. Historie výroby proudových motorů v České republice
4.1 Motory JUMO 004 a BMW 003
Na konci 2. světové války se některé podniky na
našem území zúčastnily přípravy a výroby
proudových motorů Junkers Jumo 004 a BMW 003.
Oba měly axiální kompresor se stlačením asi 3:1 a
jednostupňovou turbínu, otáčky rotoru asi 9000
ot/min. Na konci války zůstaly na našem území
hotové nebo rozpracované součástky i dvoumotorová
letadla Me 262 Schwalbe (Vlaštovka) s rychlostí do
800 km/hod. s motorem JUMO 004, protože motor
BMW ještě nebyl dokončen. Létáním, opravami a
zkouškami se snahou o jejich technické zlepšení
tak byly získány první zkušenosti a znalosti našich
techniků s provozem proudových motorů. Další
pokračování jejich vývoje bylo v roce 1950
přerušeno předáním licenční výroby tehdy jednoho
Letadlo Me 262 Schwalbe
z nejvýkonnějších proudových motorů RD-45
z tehdejšího SSSR (Ruska) a letadel MiG-15 našemu leteckému průmyslu.
4.2 Motor M05 do letadla MiG-15
První proudový motor u nás označený M05, byl
vyráběn v Československu od roku 1952 do roku
1962. Byla to vlastně kopie motoru Rolls-Royce
Nene, jehož dokumentace byla krátce po válce
předána anglickou vládou Rusku, a to ho použilo do
tehdy moderního bojového letadla MiG-15
konstruktérů Mikojana a Gurjeviče. Letadlo mělo
šípová křídla a jeho maximální rychlost se blížila
rychlosti zvuku. Údajně se podnik Rolls-Royce
později neúspěšně snažil o soudní vyrovnání škody
za předání licence do dalšího státu.
M05
Motory měly oboustranný radiální kompresor
se stlačením 4,4:1, devět spalovacích komor,
jednostupňovou turbínu, tah 2270 kp při 12300
ot/min. Následoval obdobný výkonnější motor
VK-1 konstruktéra Klimova, u nás označený
M06, s tahem 2700 kp a možností forsáže.
V podniku Walter (tehdy Motorlet) v Jinonicích
bylo motorů M05 a M06 v letech 1952 až 1962
vyrobeno více než 6000 kusů. Výroba byla
MiG-15
osvojena ve velmi krátké době včetně
subdodávek speciálních materiálů a zařízení.
V leteckém průmyslu tak byla vytvořena technická i technologická schopnost vyrábět a dodávat
podobné nově vyvinuté proudové motory vlastní konstrukce.
8
4.3 Motor M701 do letadla L-29 Delfín
Požadavek na dodávky cvičného letadla vznikl ze skutečnosti, že armádní letectvo států Varšavské
smlouvy mělo k výcviku nových pilotů na proudových letadlech k dispozici jen letadlo MiG-15UTI
s duálním řízením, jehož pořizovací i
provozní náklady byly značně vysoké.
První nově vyvinuté vojenské cvičné
letadlo L-29 Delfín mělo proudový
motor M701, maximální rychlost 655
km/hod, dostup 11500 m a dolet 900
km. Motor M701 měl jednostranný
radiální kompresor, jednostupňovou
turbínu a vzletový tah 870 kp při 15400
ot/min. Protože ruské letectvo jako
největší zákazník požadovalo změnu
z axiálního na radiální kompresor,
muselo být v roce 1959 zalétání L-29
L-29 Delfín
provedeno s dovezeným anglickým
motorem Bristol Siddeley Viper.
V roce 1961 při zkouškách ke vzájemnému porovnání parametrů mezi ruským, polským a
československým letadlem v Moninu u Moskvy, bylo vybráno letadlo L-29 Delfín s motorem M701 pro
výcvik vojenských pilotů v rámci
armád tehdejší Varšavské smlouvy
s výjimkou Polska, které výsledky
zkoušek odmítlo. Od roku 1960 do
roku 1978 bylo podnikem Motorlet
v Jinonicích dodáno 9250 kusů motorů
M701. Byl tak v leteckém průmyslu
vytvořen další krok ke zvýšení
schopnosti leteckého průmyslu i řady
spolupracujících podniků a ústavů k
pokračování vývoje dalších typů
Řez motorem M701
proudových motorů. Letadlo L-29
Delfín bylo velmi úspěšné. Bylo jich podniky Aero Vodochody a Let Kunovice dodáno asi 3500 kusů
do několika desítek států světa.
Jednou z obtížných částí vývoje a zkoušek motoru bylo vyřešení trhlin a praskání v horní části listu
oběžných lopatek, jak je vidět z přiložené fotografie celého disku
turbíny. Lopatky byly vyráběny z výkovků obtížně obrobitelného
žárupevného materiálu třískovým a elektrochemickým obráběním
s konečným broušením a leštěním listů. Vznik lomů mohl mít
dvě souvisící příčiny, teplotní rázy a rezonanční kmitání listu. U
oběžných lopatek byla proto nakonec zavedena tehdy neobvyklá
kontrola vlastních kmitů lopatek i teplotního pole.
Disk turbíny motoru M701
s ulomenou částí listu jedné
oběžné lopatky
9
Oběžná lopatka turbíny M701
Výstupní tryska motoru M701
Vstup vzduchu do motoru M701
4.4 Motory pro letadla L-39 a L-59
Vývojovým následovníkem letadla L-29 Delfín bylo letadlo L-39 Albatros, které bylo opět
v několika verzích dodáváno podnikem AERO Vodochody počínaje rokem 1971. Celkem bylo
vyrobeno 2892 kusů a dodány byly do 20 států. Jako nejvhodnější typ motoru byl vybrán dvouproudový
motor s předním dmychadlem. Pro nutné
zkrácení doby vývoje došlo k rozhodnutí o
použití
dokumentace
dvouproudového
motoru AI 25 (AI = Alexandr Ivčenko)
určeného původně pro dopravní letadlo
JAK-40. Motor vyvinutý v podniku
PROGRESS v Záporoží měl axiální
kompresor a třístupňovou turbínu. Podnik
Motorlet dokumentaci rekonstruoval pro
použití ve cvičném letadle a vyrobil a dodal
v letech 1971 a 1972 celkem 35 kusů
Letadlo L-39 Albatros s motorem AI 25TL
motorů AI 25W (W=Walter), které měly
tah 14,4 kN. K zavedení sériové výroby
těchto motorů ale nedošlo nejen pro její vysokou nákladovou a investiční náročnost, ale hlavně proto, že
Záporoží nabídlo dodávku upraveného motoru s vyšším tahem 16,8 kN. Motor byl označen AI 25TL
(T= Temperatura a L=L-39).
Pro sériovou výrobu letadla byla
tato varianta přijatelnější, neboť
tehdejší Sovětský svaz kupoval
přes 70 % vyráběných letadel.
Motor AI 25TL
10
Pro další modernizované
letadlo L-59 Super Albatros
připravované
v
AERO
Vodochody bylo v roce 1980
rozhodnuto
o
použití
obdobného typu motoru
s vyšším tahem 21,5 kN
vyvinutého opět v Záporoží
konstruktérem
Lotarevem.
Rozhodnutí
ministerstva
o
Motor DV-2
osvojení jeho výroby na
Slovensku v podniku Povážské strojírny vyústilo po desetiletých přípravách v dodávku 60 letadel L-59
s motorem DV-2 (D=Dněpr a V=Váh) do Egypta a Tunisu v první polovině devadesátých let.
4.5 Motor Walter M601 pro letadla L-410
V podniku Motorlet byly od roku 1975 jako původní česká konstrukce vyráběny turbovrtulové
motory označené M601. Jedná se o dvouhřídelový motor s volnou výkonovou turbínou a obráceným
průtokem vzduchu a spalin. Generátor plynů je složen ze dvou axiálních stupňů kompresoru a jednoho
radiálního se stlačením cca 6,5, dále má prstencovou spalovací komoru, ve které je palivo rozstřikováno
odstředivou silou kroužkem na hřídeli rotoru generátoru, a axiální turbínu. Volná výkonová turbína
pohání reduktor s převodem 1:14,91. Motorů bylo vyrobeno a dodáno ve více verzích celkem asi 4500
kusů. Motory mají výkon
540 až 590 kW při otáčkách
generátoru 36000 ot/min,
měrnou spotřebu cca 400
g/kW/hod. Hmotnost motoru
je 200 kg.
Motor Walter M601 s vrtulovou
jednotkou Avia VJ 508
Certifikováno bylo 18 modelů pro použití v 25 typech letadel, a dále i pro pozemní účely. První
určení jejich použití bylo pro dvoumotorová dopravní letadla L-410 Turbolet vyráběná ve více
variantách v podniku LET Kunovice, která měla kapacitu 19 cestujících a max. rychlost 315 km/hod.
Prototypy letadel byly ale zalétány s kanadským motorem Pratt & Whitney PT6. Letadel bylo vyrobeno
přes 1000 kusů a jsou používány v řadě států Evropy, Asie, Afriky i Jižní Ameriky.
Pohledový řez motorem Walter M601
11
Letadlo L-410 s motory Walter M601
4.6
Motory Walter M602 pro letadla L-610M
Turbovrtulový
motor
Walter
M602 je motor vyvinutý v podniku
Motorlet (Walter) v letech 1982 až
1989 pro dvoumotorové letadlo L610 s kapacitou 40 cestujících a max.
rychlostí 490 km/hod. V roce 1988
tehdejší vláda doporučila vyvíjet tzv.
západní variantu letadla, aby bylo
prodejné i na západních trzích, což
znamenalo určit dodavatele motoru ze
západního státu. Změny ve výběru
mezi motorem General Electric CT-7
a Pratt & Whitney 100/85 i politické
Letadlo L-610M
změny po roce 1989 ale způsobily,
že letadlo se nestalo obchodně
úspěšným ani s českým ani s
dováženým motorem.
Motor Walter M602 měl
vzletový výkon 1360 kW při
otáčkách generátoru 30000 ot/min
a hmotnosti 570 kg. Jeho generátor
se skládá ze dvouhřídelového
dvoustupňového
odstředivého
kompresoru s celkovým stlačením
12,
prstencové
protiproudé
spalovací komory, axiálních turbín
středotlakého a vysokotlakého
rotoru.
Pohledový řez motorem M602
12
Vysokotlaká turbína má vzduchem chlazené rozváděcí a oběžné lopatky umožňující práci
vysokotlaké turbíny při střední teplotě plynů před turbínou do 1380°C. Výkonová turbína je
dvoustupňová a přenáší krouticí moment dvěma torzními hřídeli do reduktoru. Měrná spotřeba motoru
je 365 g/kW/hod.
Alternativní motor General Electric CT7-9D pro „západní“ variantu L-610G
Motor
M602
Z předchozího textu informací o vyvíjených českých motorech a letadlech vyplývá, že letadla L-29
Delfín, L-39 Albatros i Turbolet L-410 byly v prototypu zalétány s dovezenými motory, protože nově
vyvíjené české motory v potřebný čas ještě neměly potřebné zkoušky. Potřebný časový předstih motoru
vlastně znamená, že jeho vývoj by měl být ukončen před prototypem letadla, aby letové zkoušky mohly
být provedeny se spolehlivým motorem.
Prototypy letadla L-610 byly ale úspěšně zkoušeny s motory M602 ověřenými 150 hodinovou
podnikovou zkouškou. I přes neúspěšné dodávky letadla lze pokládat vývoj motoru M602 za sice
poslední, ale velkou kapitolu už neexistujícího českého podniku Walter (Motorlet), jehož vznik v roce
1911 zahájil téměř stoletou tradici dodavatele kvalitních letadlových motorů.
Úspěšné zvládnutí vývoje i výroby českých letadel s českými proudovými motory je výsledkem
vynikající práce celých kolektivů leteckého průmyslu v řadě různých specializovaných oborů. Orientace
výroby letadel i motorů na východní trhy však nemohla vytvořit konkurenční schopnost v prostředí
světového trhu a tím méně ekonomicky unést všechna rizika s tím spojená.
Po několika desetiletích vývoje turbínové proudové motory v celém světě svými výkony i
efektivností plně ovládly nejen vojenská, ale i civilní dopravní letadla. Jsou stále dokonalejší nejen
konstrukčně, ale také elektronickým řízením, kontrolou a regulací chodu.
13
5. Dovezené motory vojenských letadel a vrtulníků
Uvedeny jsou jen hlavní typy, které byly používány ve výzbroji v roce 1989 a dalších letech.
5.1 Motor F124GA-100
Pro velmi specifické rozhodnutí vlády v roce 1995 a 1997 o výrobě letadel L159 ALCA
(Advanced Light Combat Aircraft)
byl
použit
americký motor
Honeywell Allied Signal F124GA100 s tahem 29 kN (dvouproudový,
s obtokovým poměrem 0,47).
V podniku AERO Vodochody bylo
v letech 2000 až 2004 pro české
armádní letectvo vyrobeno 72 kusů
letadel v jednomístné verzi L159A. Armáda jich používá jenom
24 (19 v jednomístné verzi a pět
letadel
L-159T1
v dodatečně
přestavěné dvoumístné cvičné
verzi).
V rámci platby za letadla CASA
L159 ALCA
bylo použito pět letadel (dvě
vráceny), dalších 36 obtížně prodejných je
zakonzervováno v Aero Vodochody a stále čeká na
zákazníka. Pro export je nabízena dvoumístná
cvičně–bojová verze L-159B. Rozdíl v počtech devět
letadel jsou havárie a spotřeba při přestavbách.
Letadlo je určeno především k podpoře pozemních
vojsk a v omezené míře k vedení vzdušného boje. Má
moderní přístrojovou a navigační techniku. Jeho
F124 GA-100 bez
maximální rychlost je 936 km/hod a dostup 13200
výstupní trysky
metrů.
5.2 Motory pro bojová letadla MiG, Su a JAS 39 Gripen
První nadzvuková letadla MiG-21 s delta křídlem byla u nás armádním letectvem používána od
roku 1964. V té době byla v počtu celkem 194
kusů vyráběna v podniku Aero Vodochody.
Motor s označením R-11F-300 a tahem 38 kN,
s přídavným spalováním 56 kN, umožňoval
docílit letadlu maximální rychlost M=2,0.
Motor byl dvouhřídelový, měl třístupňový
MiG-21F
Řez turbínou a komorou přídav. spalování
axiální nízkotlaký a třístupňový vysokotlaký kompresor
se stlačením 8,85. Turbína byla dvoustupňová. Dalšími
verzemi byla letadla modernizována a zůstala ve
výzbroji jako poslední z ruských dodávek až do roku
2005.
14
Počínaje rokem 1981 byla zařazena do výzbroje stíhací letadla MiG-23, která měla část delta křídla
s měnitelnou geometrií, což umožňovalo zkrácení
délky startu a přistání. Motor R-35-300 měl tah
83,6 kN, což umožnovalo docílit rychlost 1,1 M.
MiG-23
S přídavným spalováním měl tah 127 kN a mohl
docílit ve výšce rychlost až 2,0 M. Motor byl
jednoproudový
s jedenáctistupňovým
axiálním
kompresorem a stlačením 13, měl prstencovou
spalovací komoru a dva stupně turbíny. Z výzbroje
byla letadla vyřazena v roce 1998.
R-35-300
Počínaje rokem 1984 byl do výzbroje letectva československé armády zařazen stíhací bombardér
Su-22, který měl měnitelnou geometrii poloviny
křídla, umožňující zkrácení délky startu a přistání.
Motor AI-21F-3 měl tah 76,4 kN a s přídavným
spalováním 109,8 kN, což umožňovalo docílit
maximální rychlost 1400 km/hod a ve výšce 1860
km/hod.
Jednoproudový
motor měl 14
stupňový axiální
kompresor,
prstencovou spalovací komoru a dva stupně turbíny. Z původního
počtu 36 jednomístných letadel a dvou dvoumístných zůstalo
českému letectvu v roce 1993 po rozdělení se Slovenskem 24
jednomístných letadel a jedno dvoumístné. Z výzbroje byly
vyřazeny v roce 2002.
V roce 1984 byly do výzbroje zařazeny bitevní podzvuková
letadla Su-25, která měla dva motory s označením R-95-Š. Každý
měl tah 40,21 kN, což umožňovalo docílit maximální rychlost 1000
km/hod. Z výzbroje letectva české armády byla tato letadla
vyřazena v roce 2000.
Su-25
V roce 1989 bylo do výzbroje zařazeno 18 letadel MiG-29,
jejichž maximální rychlost byla M=2,3. Měly dvojici motorů RD33K. Každý motor měl tah 49 kN, s přídavným spalováním 86
kN. Dvouproudové
motory (obtokový
poměr 0,475) měly 4
stupňový nízkotlaký
a
devítistupňový
vysokotlaký axiální
kompresor
se
MiG-29
stlačením 21 a dva
stupně turbíny. Českému letectvu po rozdělení Československa
RD-33K
zůstalo deset letadel, které byly v roce 1995 vyměněny
s Polskem za jedenáct jejich vrtulníků W-3A Sokol. Hlavním uváděným důvodem byly vysoké náklady
na provoz letadel MiG-29.
15
V souvislosti s prozápadní orientací vojenského letectva a požadavkem zachovat ve výzbroji
nadzvuková letadla, bylo českou armádou počínaje rokem 2005 na deset let od Švédska pronajato 14
stíhacích letadel JAS 39 Gripen. Letadla dodala firma Saab a britská BAE. S přídavným spalováním
dosahují rychlost M=2,0 (2400 km/hod) a dostup mají 15 km. Používá je mimo Švédska (140) ještě
Maďarsko (14), Jižní Afrika (29) a Thajsko (6), o pořízení jedná Švýcarsko (22). V současné době naše
vláda jedná o prodloužení pronájmu těchto letadel.
JAS 39 Gripen
Letadla JAS 39 Gripen mají jeden dvouhřídelový turbodmychadlový motor Volvo RM-12 se
statickým tahem 54 kN, s přídavným spalováním 80 kN, adaptovaný z motoru GE 404J. Motor
má třístupňové nízkotlaké axiální dmychadlo (obtokový poměr 0,31), vysokotlaký sedmistupňový
axiální kompresor se stlačením 27,5:1, prstencovou spalovací komoru a dva stupně turbíny s chlazenými
lopatkami. Maximální teplota před turbínou je 1448 °C. Hmotnost suchého motoru 1055 kg, délka 4,04
m, maximální. průměr 0,884 m, průměr vstupního otvoru 0,709 m. Letadlo má delta křídlo a plně
stavitelné plovoucí předkřídlo (typ „kachna“). Výzbroj je určena pouze proti vzdušným cílům.
Volvo RM-12
16
5.3 Motor TV3-117 do vrtulníku Mi -24V
České armádní letectvo používá mimo polské vrtulníky W-3A Sokol i nadále ruské vrtulníky Mil
typů Mi-17, Mi-8 a Mi-24. Vrtulník W-3A Sokol má přepravní
W-3A Sokol
kapacitu 12 pasažérů, pohání ho dva turbohřídelové motory PZL-10W
o výkonu 670 kW. Jeho vývoj byl odvozen z ruského typu Mi-2.
Bitevní vrtulník Mi-24V má dvojicí turbohřídelových motorů
TV3-117 VMA a společný reduktor VR-14 pro pohon listů nosného
rotoru a stabilizační ocasní vrtule. Výkon jednoho motoru je 2200
kW, celkový převodový poměr 1:62,5, otáčky nosného rotoru 240
ot/min.
Vrtulník Mi-24V
Motor TV3-117
Reduktor VR-14
5.4 Motor Pratt & Whitney 127G pro dopravní letadla CASA C-295M
Letectvo české armády používá dopravní letadla Airbus A-319, Challenger CL-601 a L-410.
Potřebovalo nahradit zastaralá přepravní letadla typu Antonov An-26.
Nákup čtyř dvoumotorových letadel CASA C-295M od španělské
společnosti EADS prostřednictvím české společnosti Omnipol se stal
mediálně frekventovaným případem. Schválila jej vláda v roce 2009
bez výběrového řízení a první letadlo bylo dodáno v roce 2010.
Rozhodnutí se setkalo s pochybnostmi co do technických parametrů i
ceny dodávky včetně protihodnoty pěti letadel L-159. Veřejně
An-26
oznámené vyšetřování možné škody pravděpodobně neskončilo,
protože veřejně nebyly sděleny další informace. Dle zveřejněných informací je v operačním provozu cca
100 letadel typu CASA v 15 státech světa.
Nákladový prostor v letadle
CASA C-295M
CASA C-295M
17
Funkčnost pasivní ochrany letadel před raketovým napadením byla po opravách dodavatele ověřena
až v roce 2013. Jako finanční kompenzace této vady byla zřejmě po dohodě vrácena dvě letadla L159T1, která byla smluvní součástí platby.
Technicky se jedná o taktická transportní dvoumotorová letadla pro dopravu cca 60 osob nebo
nákladu 9250 kg, schopná startovat i z nezpevněných ploch. Maximální rychlost mají 576 km/hod, dolet
(přelet) bez zatížení 5220 km, s maximálním zatížením mají dolet jen 1333 km. Dostup letadel je 7620
metrů. Pro vzlet potřebují dráhu 670 metrů a pro přistání 320 metrů. Letadla mají dvojí řízení a moderní
přístrojové vybavení.
Letadla CASA mají dva
turbovrtulové motory Pratt
& Whitney PW 127G o
výkonu 1972 kW. Jejich
generátor má na dvou
hřídelích
dva
stupně
radiálního
kompresoru
poháněné
dvěma
stupni
turbíny, výkonová turbína má
dva stupně. Motory používají
šestilisté vrtule Hamilton
Sundstrand 586-F.
Schéma motoru
P&W 127G
Motor Pratt &Whitney 127G
Letadlem CASA byli úspěšně v roce 2011, 2012 i 2013 z Prahy do Mongolska s dvěma
mezipřistáními přepraveni vždy čtyři koně Převalského. Na mongolském cílovém letišti v Bulganu tak
bylo vyzkoušeno přistání a start na nezpevněné přistávací ploše.
Nakládání koní Převalského v Praze
Přistání na letišti v Bulganu
18
6. Současný stav nabídky proudových motorů v České republice
6.1 Motory GE H80-200
Podnik GE Aviation Czech se sídlem v Praze-Letňanech převzal od Walter a.s. v Jinonicích aktivity v
oboru turbovrtulových motorů typu M601 a pokračuje v nich dodávkami zdokonalených motorů verze
označené H80 se zvýšeným výkonem.
V České republice je dodává do podniku Aircraft Industries v Kunovicích pro dvoumotorová dopravní
letadla L 410 UVP-E20. Původní motor GE M601-E byl v roce 2013 nahrazen motorem GE H80-200 s
certifikací EASA, který má zlepšené parametry výkonu (597
kW), spotřeby paliva i doby do generální opravy na 3600
hodin. Dle zveřejněných údajů se jedná o nízké počty letadel,
z toho velká část do Ruska, kde letadlo i s motorem bylo také
certifikováno.
Katalogová cena
letadla je 5,5
milionu
USD.
Motory
GE80
Trush 510G
jsou prodávány
také do USA společnosti Trush Aircraft. Ta je používá do
letadel 510G, která je dle zprávy zveřejněné v roce 2013
začala také dodávat do Číny. Také čínská společnost
CAIGA si dle zveřejněné zprávy pro své letadlo Primus 150 zvolila motor GE H85.
19
6.2 Motor TJ 100 pro kluzáky a experimentální letadla
Podnik První brněnská strojírna Velká Bíteš v roce 1972 převzal od francouzské firmy Microturbo
licenci a dodával turbínovou pomocnou energetickou
jednotku SAPHIR-5, která byla určena pro vzduchový
startér motoru AI-25 v letadle L-39 Albatros. Podnik
tak získal zkušenosti z oboru leteckého průmyslu a
použil je k dalšímu vývoji.
Jednoproudový motor TJ 100 má jednostupňový
radiální kompresor a jednostupňovou axiální turbínu.
Maximální tah má 1 kN a hmotnost 19 kg. Doba do
revize je údajně 100 až 300 hodin provozu, cena asi 45
tis. EUR.
Dle zpráv zveřejněných podnikem došlo
v uplynulých letech v oboru dodávek pro letecký
průmysl k významnému zvýšení prodeje. V roce 2013
byla také zveřejněna zpráva o začátku letových
zkoušek turbovrtulového motoru TP100 s výkonem 180 kW.
Větroň Blaník s motorem TJ 100
20
6.3 Informace o významné spolupráci a kooperaci v České republice
Dodavatelé letecké techniky v České republice založili Asociaci leteckých výrobců v ČR. Asociace
má sídlo v Praze 9-Letňanech, Beranových 130. Členy asociace je 35 společností a ústavů. Mimo
podniků uvedených v bodech 6.1 a 6.2 mají významný vztah k výrobě nebo používání proudových
motorů také následující společnosti:
1. Aero Vodochody a.s.
Vyrábí a dodává kompletní vrtulník Sikorsky S-76 připravený
k instalaci dynamických částí a dále řadu jiných kompletních
částí pro letecký průmysl v různých státech.
Podnik dodal letadla L-159 ALCA a dál provádí dle objednávek
jejich přestavbu na dvoumístnou verzi.
2. Avia Propeller s.r.o.
Provádí výzkum, vývoj, výrobu, opravy a generální opravy kovových
vrtulí pro pístové motory a turbovrtulové motory do 2000 HP, opravy a
výroby vrtulových listů pro historická letadla.
3. Evektor spol. s r.o. se sídlem v Kunovicích
Vyvíjí víceúčelové letadlo EV-55 Outback pro 9
cestujících nebo náklad. Se dvěma motory Pratt &
Whitney PT6A-21 s výkonem 400 kW a vrtulovou
jednotkou Avia AV-844 má dosáhnout maximální
rychlost 408 km/hod.
4. Honeywell Aerospace Olomouc s.r.o. se sídlem v Hlubočkách-Mariánském údolí
Vyrábí, opravuje a dodává plechové žárové díly turbínových motorů z nerezavějících ocelí a
speciálních slitin.
5. Jihostroj a.s. se sídlem ve Velešíně
Provádí výzkum, vývoj, výrobu a opravy čerpadel
a řídících regulačních systémů palivových soustav
letadlových motorů a komponentů hydraulických
systémů i pro vrtulové jednotky.
6. LOM Praha s.p. se sídlem v Praze 10-Malešice
Provádí servis, generální opravy a modernizaci vrtulníků řady Mi
včetně jejich turbohřídelových motorů a převodovek.
7. Výzkumný a zkušební letecký ústav se sídlem v Letňanech
Provádí výzkum, vývoj a zkoušky v oblasti turbínových motorů a jejich komponent.
21
7. Některé doplňující informace ze světa:
Antonov An-124-100 Ruslan - jedno z největších letadel světa
Letadlo bylo certifikováno v roce 1992 s určením pro
přepravu mimořádných nákladů. Užitečné zatížení má 120 tun,
cestovní rychlost 800 km/hod, maximální rychlost 850 km/hod.
Vyrábí jej na Ukrajině v Kijevu. Rozměry: rozpětí 73,3 m, délka
67 m, výška 20,7 m. Nákladový prostor má rozměry 6,4 x 4,4 x
36,5 metru s možností předního i zadního vstupu, ale také
bočního. Čtyři turbodmychadlové motory ZKMB Progress D18T vyrábí závod Progress v Záporoží, Ukrajina. Každý má tah 229 kN, obtokový poměr 5,7,
nízkotlaký i vysokotlaký kompresor mají 7 stupňů, stlačení celkem v kompresoru 27,5. Stupně turbíny
jsou na třech hřídelích, jeden pro stupeň vysokotlaký, jeden pro stupeň středotlaký a jeden pro čtyři
stupně nízkotlaké.
Pro přepravu supertěžkých a rozměrných nákladů letadlo An-124 smluvně používá i česká armáda.
Ukrajinský podnik Antonov podepsal smlouvu o společném podniku s ruskými partnery na výrobu
modernizované verze An-124-200 lépe vyhovující mezinárodním normám.
Letadlo An-225 Mrija (= sen) má šest stejných motorů ZKMB Progress D-18T. Původně bylo
určeno pro přepravu raketoplánu Buran, ale přepravuje jiné supertěžké a rozměrné náklady. Užitečné
zatížení má až 247 tun.
Perspektivním oborem jsou bezpilotní letadla, přesněji dálkově pilotovaná a ovládaná. V US Air
Force mají několik různých
názvů: „Predator“ (dravec),
„Reaper“ (sekačka), „Global
Hawk“ (jestřáb).
Všem dohromady se pak
nelichotivě říká „Drone“
(trubec, příživník), obecněji
MQ-9 Reaper- Honeywell turboprop 671 kW
„Unmanned Aerial Vehicles“
MQ-1 Predator- Rotax 85 kW
(bezpilotní letecký dopravní prostředek). Ve vzduchu mohou být až
kolem 20 hodin, obsluha je několik lidí, kteří se v řídícím středisku střídají. Technicky se liší velikostí a
podle účelu použití (průzkum, taktické, bojové atp.). Pohonné jednotky mají od pístových motorů přes
turbovrtulové (turboprop) i dvouproudové (turbofan).
MQ-9 se satelitní anténou
RQ-4 Global Hawk s Rolls-Royce
turbofan 34 kN
22
Řídící a kontrolní středisko
General Electric v USA a Rolls-Royce v Anglii jsou největší firmy dodávající letadlové motory, ale
jejich výroba nebo subdodávky jsou umístěny v různých státech světa.
Rolls-Royce Trent 1000
General Electric E90-115B
Pro možnost porovnání jsou uvedeny dvě fotografie montáže jejich motorů:
- motor General Electric E90- 115B pro dvoumotorové letadlo Boeing 777 s průměrem
dmychadla 325 cm a tahem 514 kN
- motor Rolls-Royce Trent 1000 pro Boeing 787 a průměrem dmychadla 285 cm.
V současné době jsou nejvíce sledována nová dopravní letadla dvou konkurentů, Boeingu v USA a
Airbusu evropského koncernu EADS. Pro dodávku motorů jsou opět dva konkurenti:
- Engine Alliance (General Electric a Pratt & Whitney)
- Rolls-Royce Trent.
Pro dvoumotorové letadlo Boeing 787
Dreamliner (uhlíková vlákna místo lehkých
slitin, ovládání elektrickými pohony místo
hydraulikou a stlačeným vzduchem atp.)
jsou variantně použity motory GEnx (tah
255 až 321 kN) nebo Rolls-Royce Trent
1000 (tah 277 až 346 kN). Kapacita počtu
cestujících je dle provedení 250 až 330.
Boeing 787 Dreamliner
Pro čtyřmotorové letadlo Airbus
A380 jsou variantně použity motory
Rolls-Royce Trent 900 (tah 310 až 340
kN) nebo Engine Alliance GP 7200 (tah
310 až 340 kN). Letadlo má dle
provedení kapacitu počtu cestujících
550 až 850.
Airbus A380
23