Co předcházelo použití proudových motorů v letadlech…

…aneb ze století páry k revoluci v létání.

Inspirací k tomuto článku byla náhodná četba několika knih o turbínách. Fascinovalo mne, jakým způsobem se turbíny dostaly na svět a jak postupně vítězily v mnoha oborech lidské činnosti. Myslím, že by i pro jiné mohlo být zajímavé, jak to s turbínami bylo a kde se vlastně v letectví vzaly. Musím podotknout, že s turbínami v letectví úzce souvisí i další záležitost – raketový motor, ale ten by si zasloužil vlastní obsáhlé pojednání a proto se mu v dalším důsledně vyhýbám. Nevynechávám však některé jiné technické zajímavosti, které souvisí s reaktivními pohony a tedy někdy i s turbínami.

Nejprve bychom si mohli vyjasnit některé

Pojmy:

Reaktivní pohon:
odvozené od zákona akce a reakce. Tedy motory proudové, raketové, náporové, pulsační…

Tryskový motor:
všechny motory, které mají jeden společný konstrukční prvek: trysku vyvozující tah. Je přitom lhostejné, co z trysky proudí.

Proudový motor
pod tímto termínem se v letectví rozumí spalovací (plynová) turbína pohánějící kompresor, teprve toto soustrojí ve své výstupní trysce vytváří tah expanzí stlačené a ohřáté směsi vzduchu a spalin.

Turbovrtulový motor:
zde turbína kromě kompresoru ještě přes reduktor pohání vrtuli, která je hlavním zdrojem tahu. Tah trysky je ve srovnání s tahem vrtule zanedbatelný.

Turbína:
v podstatě kolo opatřené lopatkami, na které působí kinetická a tlaková energie proudícího média (pára, směs spalin se vzduchem, či voda). Pro zvýšení účinnosti a využití tlakového spádu, se na rotoru dá sestavit několik takových kol za sebou.

Proudový stroj:
v technice obecně označuje zařízení, které mění kinetickou energii proudícího média na mechanickou - nejčastěji na otáčky a naopak. Čili proudovým strojem je turbína (parní, plynová či vodní) i odstředivé čerpadlo.

Pro ne-techniky nejprve krátký (mírně zjednodušující, pro lepší pochopení laiky) úvod o principu a funkci toho, co se tedy v letectví běžně nazývá

Proudový motor:

Proud vzduchu proudící nasávacím hrdlem, či chcete-li vstupním kanálem, je stlačován jednak přeměnou své kinetické energie (tj. vlastním pohybem vstupního kanálu v okolním vzduchu vpřed) v tlakovou, jednak lopatkovým kompresorem. Podle směru proudění vzduchu v kompresoru může být kompresor buď axiální - lopatky fungují jako nakloněná rovina (vlastně podobně jako u vrtule) v několika stupních a směr proudu se v podstatě nemění, nebo radiální (odstředivý) a směr proudu vzduchu se stáčí kolmo na osu motoru a zase zpět. Za kompresorem část vzduchu protéká spalovací komorou (komora může být jedna - prstencová, nebo několik válcových a pod, mohou být souproudé i protiproudé), mísí se v ní s palivem a tato směs za stálého tlaku hoří. Další část vzduchu komory obtéká a chladí jejich plášť. Za spalovací komorou nyní již horký proud vzduchu a spalin vstupuje přes rozváděcí kolo (pevné lopatky usměrňující proud) do turbíny (může být opět několika stupňová), předává jí část své energie (rozuměj - roztáčí ji) a turbína pak společnou hřídelí pohání onen kompresor. Za turbínou následuje výtoková tryska (může, ale nemusí mít regulovaný průřez), ve které proud vzduchu a spalin expanduje zpět na tlak okolní atmosféry a vytváří tak tah.

Co prakticky plyne z výše uvedeného? Nejpodstatnější je, že existuje jisté rozpětí množství protékajícího vzduchu, dodávaného paliva, tlaků, teplot a otáček soustavy turbína-kompresor, kdy je chod motoru ustálený (teplota a tlak plynů i otáčky soustrojí jsou konstantní). Motor se rovněž nemůže sám rozeběhnout a start se tedy musí provádět nějakým vnějším (rozuměj: mimo soustavu turbína - kompresor) zdrojem (nejčastěji elektrickým startérem).

Samozřejmě existuje celá řada provedení a variant uspořádání těchto motorů (třeba obracení proudu ve spalovacích komorách, dvouproudové motory apod.), ale pro první seznámení myslím předchozí řádky bohatě dostačují.

Krátká exkurze do historie turbín parních, plynových i spalovacích, proudových strojů a částečně i reaktivních pohonů vůbec:

Dá se začít jako v dějepise: …již staří Řekové… Jisté znalosti principů reaktivních pohonů (lépe řečeno dnešního „zákona akce a reakce“) můžeme nalézt již u antických učenců (například Heronova rotující koule je doložena již 150 let před naším letopočtem). Prvním, kdo v novověku použil mechanickou práci proudu páry v oběžném kole byl roku 1629 Ital Giovanni deBranca. Nedlouho po něm, roku 1680, konstruoval anglický génius Isaac Newton svůj reakční parovůz (vůz měla pohánět tryskou unikající pára), což lze patrně považovat za první pokus o uplatnění reaktivního pohonu v dopravě. Další teoretické a praktické práce na toto téma přineslo až 19. století jako odpověď na požadavky tehdejší bouřlivé industrializace. Historii hnacích (záměrně zde opomíjím významný obor vodních turbín, protože s původním záměrem článku – turbíny v letectví – jen pramálo souvisí) proudových strojů a především turbín tehdy psali vynálezci Parsons, Laval, Rateau, Curtis a mnozí další. Za zamyšlení stojí fakt, že myšlenka (parní) turbíny je vlastně starší než myšlenka pístového parního stroje.

 

 

Pochopitelně zejména vynález nejrozšířenější parní (a později s vývojem tepelně odolných materiálů i plynové a spalovací) turbíny je pro nás důležitý. Pro představu, jaký přelom v technice vynález a především praktické uplatnění turbíny znamenalo, uvádím následující příklad: okolo roku 1900 nejvýkonnější dynamo na světě poháněné parním strojem mělo výkon asi 4000 kW při hmotnosti cca 665 tun — z toho 40 tun měl jen setrvačník tohoto soustrojí. Oproti tomu ve stejné době turbodynamo o 20 000 kW (tedy 5x výkonnější) vážilo pouhých 120 tun (tedy 5x méně)! Tehdejší uplatnění parní turbína našla zejména v pohonech vysokootáčkových strojů a od přelomu 19. a 20. století i v energetice.

Parní turbíny

Rovnotlaké turbíny podle patentu švédského inženýra Lavala se začaly používat pro pohon mlékárenských či cukrovarnických odstředivek už od roku 1883. Prakticky vzápětí (1884) následovala konstrukce přetlakové turbíny britského inženýra Charlese Parsonse. V Evropě se první elektrárenská Parsonsova (míněna pochopitelně parní) turbína o 1000 kW rozeběhla roku 1900 v německém Elberfeldu.

Do vývoje parních turbín v době jejich bouřlivého rozvoje významně zasáhli i technici ze střední Evropy. Nejvýznamnější z těchto osobností byl bezesporu profesor Aurel Stodola. Pocházel z Liptovského Mikuláše a po studiích v Budapešti a v Curychu začal pracovat v pražských Českomoravských strojírnách a ve strojírně Ruston. Roku 1892 pak odešel přednášet na techniku do Curychu. Jeho tamní působení skončilo až roku 1929. Během této doby především jeho zásluhou vyrostla ve Švýcarsku nesmírně silná skupina techniků, díky nimž se švýcarské firmy vyrábějící nejen parní turbíny dostaly na špičku světového vývoje. Profesor Stodola se stal celosvětově proslulým i díky své knize „Dampfturbinen“, ve které shrnul prakticky veškeré tehdejší znalosti z tohoto oboru. Nutno zdůraznit, že profesor Stodola přispěl svými teoretickými pracemi a praktickými experimenty k těmto znalostem valnou měrou.

Zde si ještě neodpustím další malé pozvednutí naší národní hrdosti. Okolo roku 1913 dokázal jistý Dr. Ing. Havlíček, jinak ředitel strojního oddělení Vítkovických kamenouhelných dolů, ekonomické a provozní výhody použití vysokých tlaků a teplot u parních kotlů. Podařilo se mu roku 1923 prosadit vznik technické komise složené ze zástupců vysokých škol a průmyslu tehdejšího Československa. Poté, co byl na základě jeho studie zkonstruován a postaven první takový kotel, zasáhla významně do vývoje parních turbín První brněnská strojírna. Pro tento kotel postavila roku 1925 první vysokotlakou turbínu vyššího výkonu na světě! Turbína pracovala s párou o tlaku 121 ata o teplotě 500°C, měla 3000 ot/min a výkon 20 000 kW. Byla kondenzační, čtyřtělesová, s kovanou vysokotlakou skříní. Bohužel se tehdy ještě nepodařilo tuto turbínu udržet v trvalém provozu na původně plánovaných parametrech. V témže roce byla postavena i další vysokotlaká turbína kdesi ve Švýcarsku (podrobnosti bohužel zatím neznám), ovšem tato pokusná turbína měla podstatně nižší výkon. Další podobné pokusy proběhly ve světě až o několik let později.

 

Na základě činnosti oné komise Dr. Ing. Havlíčka (sešly se v ní takové osobnosti jako profesor Zvoníček - autor první turbíny vyrobené v Českomoravské strojírně bez cizí licence, profesor Krouza, ing. Kieswetter - ředitel strojíren plzeňské Škodovky, profesor Miškovský z ČVUT), vzniklo v elektrárně Karolina v Ostravě významné centrum výzkumu parních turbin a energetiky vůbec. Umožnilo československým strojírenským podnikům z oboru energetiky držet dlouhá desetiletí krok se světovým vývojem. Vrcholným výsledkem těchto činností se po letech stalo odvození stavojevné rovnice vodní páry, která pak byla použita pro první i-s diagram vodní páry sestaveném v soustavě měr SI.

Spalovací a plynové turbíny

Princip spalovací turbíny byl patrně poprvé patentován roku 1791 jistým Angličanem Johnem Barberem, ovšem k praktickému využití bylo příliš daleko. Roku 1902 Dr. Sanford Moss v USA uvedl do pokusného provozu první plnící dmychadlo pro pístový motor poháněné plynovou turbínou. První pokusnou spalovací turbínu vyrobila pařížská firma Société anonyme des Turbomoteurs roku 1905, pracovala s rovnotlakým spalováním (tj. spalovací turbína taková, jakou ji známe dnes nejčastěji, byť tehdy s účinností zoufalých 3%!), palivem byl petrolej a výkon okolo 400 koní při 4250 ot/min. Zkonstruovali ji inženýři Armangeu a Lemal. Své znalosti firma dále využila pro konstrukci malé turbínky pro pohon torpéd. Roku 1909 postavil inženýr Holzwarth spalovací turbínu se spalováním za konstantního objemu. Pokusil se využít faktu, že výbušné spalování (tj. periodické, podobně jako u spalovacího motoru) má vyšší tepelnou účinnost než spalování rovnotlaké (tj. v tomto případě kontinuální). Jeho soustrojí mělo skutečně vyšší účinnost (cca 14%), ovšem pro technické komplikace se nakonec používalo a používá jen zřídka.

Dalším významným počinem byla první konstrukce turbíny poháněné výfukovými plyny leteckého motoru pro pohon přeplňovacího turbokompresoru. Výrobcem byla francouzská firma Rateau na konci první světové války. Dalšími oblastmi pro uplatnění turbín se ukázaly být stavba lodí (nejprve klasické parní turbíny a nakonec i plynové turbíny - švédská firma Götawerken nebo švýcarská Sulzer koncem 30. let použily přeplňovaný dvoutaktní diesel pro pohon přeplňovacího kompresoru a spaliny z motoru pak hnaly turbínu pohánějící lodní šroub) a dokonce i výroba lokomotiv (švýcarský Brown Boweri & Cie roku 1941).

Zajímavé použití pro spalovací turbíny se našlo v energetice. Tato historie se začala odvíjet od roku 1933, kdy švýcarská firma Brown Boweri & Cie díky zkušenostem s Holzwarthovými turbínami postavila pokusnou jednotku na spalování kychtového plynu. Jedním z „vedlejších“ výsledků zkoušek pak byla konstrukce parního generátoru typu „Velox“. Vlastnosti spalovacích turbínových soustrojí vedly k výstavbě elektráren pokrývajících pouze špičkové odběry. První z těchto špičkových elektráren využívající značnou pohotovost (na poměry energetických soustav) spalovacích turbín postavila Brown Boweri & Cie v letech 1938-1939 ve švýcarském Neuchatelu. Její výkon byl 4000 kW.

Slepou uličkou se prozatím ukázal pokus stavět turbíny spalující na prášek nadrcené uhlí. Takové turbíny by teoreticky díky snadno dostupnému, bezpečnému a lacinému palivu mohly mít dodnes obrovský význam ve všech oborech lidské činnosti. Prakticky ale přese všechen pokrok dosud neexistuje materiál, který by odolal současnému působení vysokých teplot a intenzivnímu otěru od popílku ve spalinách (odtahové ventilátory uhelných kotlů jsou toho důkazem).

Turbíny jako hnací stroje se prostě záhy rozšířily všude tam, kde se mohly uplatnit jejich výhody (nízká hmotnost v poměru k výkonu a s růstem teplot a tlaků i vysoká účinnost) a kde nevadily jejich nevýhody (hlavně malý kroutící moment a tedy nemožnost rozběhu proti zatížení).

Turbíny a reaktivní pohony vstupují do letectví

Principy proudových strojů, turbín a reaktivních pohonů si hledaly cestu i do bouřlivě se rozvíjejícího letectví. V tomto období je ale třeba pečlivě rozlišovat šarlatány a neúspěšné teoretiky od lidí, kteří v oboru skutečně něco dokázali. Mnoho myšlenek se ukázalo vést do slepé uličky. Příkladem může být neúspěšná „reakční vrtule“ vynikajícího ruského aerodynamika V. J. Jurjeva z roku 1924. Podobný princip použil u svého prototypu vrtulníku ing. Dobelhoff někdy v roce 1943, znovu se dá nalézt v roce 1945 u NACA a ještě později byl značně modifikován v pohonu rotoru sériového vrtulníku SO-1221 Djinn, polského prototypu minivrtulníku „Gigant“ a v pohonech několika dalších nepříliš úspěšných prototypů.

Dalším příkladem může být motokompresorový pohon (lopatkový kompresor zde nepohání turbína, ale běžný pístový motor – tento princip umožňuje vyhnout se při návrhu nejkomplikovanější části – turbíně pracující za vysokých teplot) italského technika ing. Campiniho patentovaný roku 1934. Realizace se dočkal ovšem až roku 1940 bez valného úspěchu v letadle Caproni-Campini N-1 (popř. označen CC.2, tento stroj byl svého času omylem označován za první proudové letadlo) a později pro něj byly v Itálii neúspěšně navrženy další stroje. Obdobnou myšlenku pohonu kompresoru spalovacím motorem realizoval v praxi rovněž ing. Cholščevnikov v SSSR roku 1943. Jeho výsledky byly lepší a Rusové postavili skutečně úspěšně létající stroje s takto kombinovaným pohonem: pokusný stíhací Su-5 a jeho současník I-250 se dokonce dočkal omezené série. Ani Japonci nezůstali pozadu se svým pokusným motorem Cu-11 z roku 1941.


Teorií vedoucí k pozdějším úspěchům se zabývali už od 20. let postupně například Goddard (mnohem podstatnější je samozřejmě jeho příspěvek k problematice raketových motorů), Lake, Marire, Leduc, Hayot, Marconnet, Milo, Gohlke, Larin, Harris, Halford, Whittle, von Ohain, Wagner, Jendrassik a jiní. Řadu zdánlivě nesouvisejících myšlenek a postupů spojil roku 1930 ve své patentové přihlášce na leteckou spalovací turbínu anglický inženýr Frank Whittle. Praktického úspěchu dosáhl roku 1937, kdy se na zkušebně rozeběhla první spalovací turbína upotřebitelná v letectví. Zvlášť je také vhodné připomenout první výzkumy v oblasti pozdějších dvouproudových motorů A. M. Ljulky (patent z roku 1937), francouzské firmy Rateau (její návrh SRA-1 z roku 1939) nebo A. Griffitha (jeho první pojednání nesou letopočet 1926, v roce 1929 vypracoval návrh plynové protiběžné turbíny pohánějící vrtuli, aby jeho výzkumy gradovaly těsně poválečným, skutečně fungujícím dvouproudovým motorem F.2/4). Existovala však ještě jedna, možná méně nápadná, větev vývoje budoucích proudových motorů.

V USA v druhé půli třicátých fungovalo hned několik firem zabývajících se parními a plynovými turbínami. Nejvýznamnější z nich byla společnost General Electric disponující obrovským tvůrčím potenciálem dvou geniálních techniků: Sanforda Mosse a Dalea Streida (jejich činnost pro letectví však směřovala alespoň z počátku k vývoji turbokompresorů poháněných výfukovými plyny pro přeplňování pístových motorů a později i snad pro konstrukci kompoundních pístových motorů - bohužel o téhle etapě vývoje v letectví je mi zatím spolehlivě známo jen velmi málo). Technický odbor amerického letectva asi od roku 1936 nejprve velmi laxně a od roku 1941 pak prostřednictvím specializovaného tzv. Durandova výboru velmi seriózně zkoumal problémy spojené jak s budoucími proudovými, tak i turbovrtulovými motory. Na výzkumu se rovněž podílely firmy Westinghouse, Menasco a Allis-Chalmers. Velkou předvídavost zde také prokázal klíčový zaměstnanec firmy Lockheed, známý inženýr C. L. Johnson.

Mnozí další zůstali v pokusech o uplatnění proudových motorů v letectví na půl cesty. Může to trochu udivovat například u švýcarských strojírenských firem, které vždy stály v čele vývoje a uplatnění turbín. Ani Brown Boweri & Cie, ani Sulzer, ani Escher Wyss se do vývoje turbín pro letectví zjevně nikdy vážně nepustily. V protikladu bych zde zmínil například pozdější velmi ambiciózní a vážně míněné švédské snahy ze 40. let o konstrukci vlastních proudových motorů u firem Svenska Turbinfabrik AB Ljungström, SFA a AB Lundström Angturbin. Ve svých návrzích počítaly s odstředivým (radiálním) kompresorem, ale nakonec se ukázalo, že postavit fungující proudový motor bylo nad jejich síly.

Tak byla koncem třicátých let důkladně připravena půda pro nástup nové epochy v létání

Řekne-li se „první proudový motor“, mnoha zájemcům o historii se vybaví Německo. Snad právem, snad neprávem. V polovině 30. let byly na pomyslné startovní čáře přibližně vyrovnány šance techniků z Německa, Velké Británie, Francie a kupodivu i SSSR. Jenže pouze v nacistickém Německu, kde mělo prioritu vše co se dalo použít k účinnějšímu zabíjení lidí, se technikům dostalo dostatečných prostředků k vývoji. A tak jim také bude v historii techniky navždy patřit prvenství ve využití proudového motoru v letectví při skutečném letu. Ale to je už námět na zcela jiný článek.