Junkers Jumo 004

Junkers Jumo 004
	Model seccionat d'un turboreactor Junkers Jumo 004 al Museu Nacional de les Forces Aèries dels Estats Units en Wright-Patterson AFB, Ohio.
Fabricant	Junkers
Tipus	Turborreactor
Aplicacions	Messerschmitt Me 262

El Jumo 004 va ser el primer turborreactor en producció i ús operacional. Unes 8.000 unitats van ser produïdes per Junkers a Alemanya a finals de la Segona Guerra Mundial, motoritzant el Messerschmitt Me 262 i l'Arado Ar 234, a part del Messerschmitt Me P1101 amb els Dj 287, He 343, Horten Ho 229 i el Ta 183V-1. Hi va haver variants d'aquest motor que van ser produïdes a l'Europa de l'Est després de la guerra.

Història

Desenvolupament

La funcionalitat de la propulsió a reacció va ser demostrada a Alemanya a principis de 1937 per Hans von Ohain treballant amb la companyia Heinkel. La major part del RLM no va mostrar el mínim interès, però Helmut Schelp i Hans Mauch van veure la potencialitat del concepte i van estimular als productors de motors a començar els seus propis programes de desenvolupament d'aquest tipus de propulsors. Eventualment el 1939 Otto Mader, cap de Junkers Motoren (Jumo), va afirmar que encara que el concepte era útil, no tenia ningú que hi treballés. Schelp va respondre afirmant que el doctor Anselm Franz, a càrrec del desenvolupament dels turbos i supercarregadors de Junkers, era perfecte per al treball. Franz va començar el seu equip de desenvolupament a fi d'aquest any i el projecte va rebre la designació del RLM 109-004 (el prefix 109 - era comú a tots els projectes Jet).

Franz aposta pel compressor

Franz va optar per un disseny que era conservador i revolucionari alhora. El seu disseny diferia del de von Ohain en què ell feia servir un nou compressor, el qual permetia un flux d'aire continu i recte a través del motor (un Compressor axial), recentment desenvolupat pel Aerodynamische Versuchsanstalt (AVA - Institut d'Investigació Aerodinàmica) en Göttingen. El compressor de flux axial no només funcionava en forma excel·lent, amb un 78% d'eficiència en condicions de "món real", sinó que, també, tenia una secció transversal petita, important per al disseny d'avions d'alta velocitat.

Problemes

Franz afirmava que es produiria un motor que estava lluny del seu potencial teòric, degut a voler-lo fer pràctic quant a simplicitat i factibilitat per produir-lo en massa. Una decisió va ser utilitzar una sola àrea de combustió usant sis "boquilles de flama", en comptes d'una sola boquilla anul·lar, que era més eficient. Per la mateixa raó va col·laborar fortament amb el desenvolupament de la turbina del motor amb l'Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft (AEG - General Electric Company) a Berlín. En comptes de treballar en el desenvolupament de motors, va optar per treballar immediatament en un motor per posar-lo immediatament en construcció. La visió conservadora de Franz va venir d'una pregunta del RLM, però li van donar la raó, perquè tot i els problemes a què s'enfrontava, el 004 va entrar en producció i servei en comptes del seu competidor (més avançat tecnològicament), el BMW 003.

Disseny

El primer prototip 004A va funcionar la primavera de 1940, i el gener de l'any següent va ser col·locat a màxima potència, 4,2 kN. Uns problemes de vibració amb la fulla del compressor van retardar el programa en aquest punt, fins que un nou estator dissenyat per Max Bentele va resoldre el problema.

Amb els nous estators en el seu lloc, el motor es va desenvolupar 9/5 kN a l'agost, passant el test de resistència de funcionament de 10 hores amb una potència de 9.8 kN al desembre. El primer vol va tenir lloc el 15 de març de 1942, quan un 004A va ser portat a l'aire per un Messerschmitt Bf 110. El 18 de juliol, un dels prototips de Messerschmitt Me 262 va volar amb els seus motors 004, i el motor va ser demanat pel RLM amb una comanda inicial de 80 unitats.

004A com a banc de proves

El 004A va ser estrictament un banc de proves, inviable per a producció en massa a causa de la seva construcció sòlida, i per tant pesada, i l'ús de materials molt costosos per a una alta temperatura emprats en la "secció calenta".

En la seva construcció hi va haver moltes pràctiques desconegudes, entre elles una que encara avui dia és estranya: en les seves turbines es presentava un problema amb la freqüència a la que els àleps es danyaven, i per a això a Franz se li va acudir utilitzar un violinista perquè amb el seu arc "toqués" les peces, i així determinar gràcies a això quina seria la freqüència de ressonància a la que es trencaven.

«	L'estiu de 1943, una excitació de sisè ordre va causar diversos errors en els àleps de les turbines. Franz va recórrer a un músic professional per fer sonar aquestes peces amb un arc de violí i va utilitzar la seva oïda musical per determinar la freqüència natural de ressonància. No obstant això, el ministre de l'aire es tornava cada vegada més impacient i va programar una reunió per al desembre de 1943. El doctor Max Bentele va assistir a la conferència i va escoltar nombrosos arguments referint-se a materials defectuosos, mida dels granulats i toleràncies en la manufactura. Quan va arribar el seu torn, Bentele va explicar al grup de dignataris que la culpa era de les sis 'llaunes' de combustió i els tres puntals del broquet del jet allotjats al davant de la turbina. La inducció de la força d'excitació en els àleps del rotor de la turbina provocaven una ressonància de sisè ordre que provocava una freqüència que els doblegava en el rang d'alta velocitat. La predominança de l'excitació de sisè grau era a causa de les 'llaunes' combustores (que no tocaven els 36 broquets) i als segons harmònics dels tres puntals del flux inferior del rotor. En el motor Jumo 004A aquesta ressonància estava per sobre de la velocitat operativa, però en el 004B havia passat sense ser detectat per una lleugera major velocitat de la turbina i les majors temperatures d'aquestes. El problema es va solucionar augmentant la freqüència natural dels àleps fent-los més estrets, escurçant-los un mil·límetre i reduint la velocitat operativa del motor de 9.000 a 8.700 revolucions per minut.	»
— Cyrus B. Meher-Homji, Anselm Franz and the Jumo 004 . Revista Mechanical engineering , ISSN 0025-6501, Vol 119, Nº 9, 1997, pags. 88-91

004B Orkan

En producció, el 004B en lloc d'usar refredadors d'aire, va usar àleps de turbina buides compostes d'acer barat, refredat per aire comprimit "impulsat" des del compressor. Les primeres sèries de compressió axial pesaven cent quilograms menys que el 004A, i el 1943 havia passat més de cent hores de proves.

Més tard, el 1943, una sèrie de motors va patir problemes de vibració i les solucions van ser dificultoses. Eventualment, al desembre, Max Bentele va ser novament requerit per a una reunió en els quarters generals del RLM, on va suggerir la sèrie de canvis destinats a canviar les freqüències naturals dels àleps de la turbina, i la reducció de les revolucions del motor. Això va solucionar el problema, però no va ser fins a principis de 1944 que la producció plena va poder començar.

Aquests contratemps van ser la principal raó per la qual la Luftwaffe va haver de retardar la introducció de l'Me 262 als esquadrons de servei. Donada la baixa qualitat dels acers usats en els àleps del 004B, aquests motors tenien una vida de servei de 10-25 hores (podent arribar fins al doble en mans d'un pilot experimentat). Un altre inconvenient del motor, comú a tots els turbojets inicials, era la seva lenta resposta a l'accelerador. Però encara tenia un defecte més empipador: també era bastant fàcil que bombegés un excés de combustible cap al motor accelerant-lo massa ràpid, escalfant el motor en excés abans que l'aire fred no el refredés. Això conduïa a l'estovament dels àleps de la turbina, i era la major causa de fallades en el motor. No obstant això, va fer possible el poder utilitzar-lo en un jet en combat per primera vegada en la història (el Me 262).

Una característica interessant del 004 era el Sistema d'Arrencada, que consistia en un motor de motocicleta Riedel 10 hp (7 kW) 2-cilindres ocult en la presa d'aire. Un forat a l'extrem del nas del cos central tenia una maneta per arrencar el petit motor, que al seu torn iniciava el turborreactor. Dos petits tancs de gasolina estaven inserits dins la boca anular.

004C

El 004 C incloïa un postcremador per augmentar l'empenta però no va arribar a ser implementat.

004D

El 004D va ser un model per millorar l'eficiència del combustible mitjançant un injector de dues etapes, i tenia un nou control d'acceleració que permetia evitar les sobrecàrregues de combustible en les acceleracions. El 004D havia passat totes les proves i estava llest per entrar en acció en comptes del 004B quan va acabar la guerra.

004E

El 004E és un model 004D amb una àrea d'escapament millorada per a millor comportament a grans altituds.

004H i Jumo 012

Un model molt més avançat que tenia ambdós sistemes va ser el Jumo 012. El 012 estava basat en un sistema de "dos rodets", en el qual dues turbines girant a diferents velocitats manejaven parts diferents del compressor per a una major eficiència.

En un motor reactor el compressor consumeix un 60% de tot el poder axial generat , de manera que les millores tenen un impacte dramàtic en el consum de combustible. Els plans per utilitzar el concepte bàsic del 012 era un motor idèntic al 004, conegut com a 004H, el qual millorava el consum específic de combustible respecte al que consumia el 004B [1.39 kg./(km/h)) a un respectable 20/01 kg./(km/h)], amb una disminució d'un 15%. Aquest motor va ser dissenyat per al Dj 287, amb una embranzida de 6600 lbs. Però només s'havien construït les peces per a un sol motor, al final de la guerra.

004 capturats

A França, els 004 capturats motoritzaven el Sud-Ouest SO 6000 Triton i l'Arsenal VG-70.

004 en la Post Guerra

Després de la Segona Guerra Mundial, els Jumo 004s van ser construïts en petit nombre en Malesice en Txecoslovàquia, amb la designació M-04 per motoritzar l'Avia S-92 i l'Avia CS-92, còpies del Me 262. Còpies del Jumo 004 van ser construïdes a la Unió Soviètica com el motor Tumansky RD-10, en què es va poder motoritzar el Iàkovlev Iak-15, el Sukhoi Su-9 (1946), el Sukhoi Su-11 i molts altres prototips.

004 a la Unió Soviètica

Els científics i tècnics de Junkers Motoren van ser traslladats a la Fàbrica Experimental No 2 en un petit poble anomenat Uprawlentscheski, prop de la ciutat de Kuibyschew en el Riu Volga en l'àrea de Kazan. Durant la Segona Guerra Mundial hi va ser operativa la Instal·lació d'Avions Kirow No 145. Durant 1946 aquesta fàbrica va ser restaurada i molts laboratoris i edificis van ser erigits. El novembre de 1946 l'equip de Motors de Dessau OKB-1 hi va arribar. Aquestes instal·lacions en Kuibyschew estaven completament concentrades en el desenvolupament de motors i equips i van ser transferides des d'Otto Mader Werke i de Junkers Motorenwerke a Dessau. La construcció d'aquest complex fabril va durar fins a 1949. Klimow va ser nomenat Administrador General. Tres OKBs van ser instal·lats a Kuibyschew.

Tumanski RD-10

Era una còpia del Junkers Jumo 004, desenvolupat a Kazan com el RD-10 amb 910 kg. d'embranzida, 10A amb 1.000 kg. d'embranzida i el 10F amb 1.100 kg. d'empenta. Es van muntar en els La-150/La-152/La-154/La-156, Su-9 i en els Iak-15/Iak-18/Iak-21.

OKB-1

El OKB-1 estava dirigit per Brandner i la major part dels 350 antics treballadors de Junkers hi van ser adscrits.

OKB-2

El OKB-2 estava format per ex empleats de BMW sota la direcció de Prestel.

Missions de Kuibyschew

Continuar els desenvolupaments del Jumo 004 i del BMW 003.
Continuar amb els desenvolupaments del Jumo 012 i del BMW 018.
Fabricar el PTL022 amb 5.000 HPR, OKB-1.
Desenvolupament del compressor 032 amb 2.000 HPR, OKB-1.
Desenvolupament del PTL028 amb 6.800 HPR, OKB-2.
Desenvolupament del BMW 003 C, OKB-2

El posterior desenvolupament del Jumo 004 va ser transferit a la Fàbrica No 26 el 1947. El BMW 003 va ser transferit a la Fàbrica No 16 en Kazan, on més tard es desenvoluparia el RD-20 per al Mig 9. També el compressor 032 per a motors que es va abandonar el 1947.

Variants

Nom RLM	Tipus	Composició	Embranzida	Pes	Velocitat
109-004B	Turbojet	8ax 6in 1tu	8,8 kN (1.984 lbf)	745 kg (1.642 lb)	8.700 rpm
109-004	Turbojet	8ax 6in 1tu	10,0 kN (2.238 lbf)	720 kg (1.588 lb)	8.700 rpm
109-004D	Turbojet	8ax 6in 1tu	10,3 kN (2.315 lbf)	745 kg (1.642 lb)	10.000 rpm
109-004H	Turbojet	11ax 8in 2tu	17,7 kN (3.970 lbf)	1.200 kg (2.646 lb)	6.600 rpm
109-012	Turbojet	11ax 6in 2tu	27,3 kN (6.130 lbf)	2.000 kg (4.410 lb)	5.300 rpm
109-022	Turbohèlix	11ax 8in 2tu	4.600 EHP (3,4 MW)	2.600 kg (5.733 lb)	5.000 rpm

Composició: ax = Etapes del compressor de Flux Axial, in = Càmeres individuals de combustió, tu = Etapes de la Turbina.

Curiositats

El Junkers Jumo 004 és potser l'únic motor d'aviació referència en la lírica, a "ME 262" del Grup Blue Öyster Cult del seu àlbum de 1974, Secret Treaties

Vegeu també

Bibliografia

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Junkers Jumo 004

Antony Kay, German Jet Engine and Gas Turbine Development , Airlife Books, 2002.