Silnik turboodrzutowy Tumański R-11

(LMW-IPL-20/1/2)

Zgodnie z tendencjami jakie panowały w lotnictwie na przełomie lat 40-tych i 50-tych XX wieku, czyli w erze dynamicznego rozwoju napędu odrzutowego, dążono przede wszystkim do zwiększania prędkości lotu. W drugiej połowie lat 50-tych myślano już o samolotach osiągających duże prędkości naddźwiękowe. Bariera dźwięku oficjalnie została pokonana 14 października 1947 roku przez Chucka Yeagera i obawy, jakie wcześniej towarzyszyły inżynierom w związku z jej przekroczeniem, zostały porzucone. Nowym celem stała się prędkość 2000 km/h. Aby osiągnąć tę barierę potrzebny był odpowiedni napęd. W pierwszej połowie lat 50-tych drogą wywiadowczą przeniknęły do ZSRR informacje na temat amerykańskiego silnika J57 firmy General Electric oraz brytyjskiego Bristol „Olympus”. Miały one nową cechę konstrukcyjną, były silnikami dwu-wałowymi. Silniki tego typu charakteryzowały się m.in. lepszymi parametrami pracy przy mniejszych prędkościach lotu niż konstrukcje klasyczne, jedno-wałowe, zachowując dobre charakterystyki także przy dużych prędkościach.

  
Silnik Tumański R-11F-300 w plenerze muzeum.
Ten egzemplarz ma zdemontowaną komorę dopalacza, aby pokazać rozpraszacze płomieni zamontowane za turbiną niskiego ciśnienia i bezpośrednio za wtryskiwaczami paliwa dopalacza.

Prace nad silnikiem dwuwałowym w ZSRR podjęło biuro konstrukcyjne OKB-300 Aleksandra Mikulina już w 1953 roku a projekt oznaczono jako AM-11. Po utracie stanowiska przez głównego konstruktora, prace nad tym silnikiem kontynuował jego następca, Siergiej Tumański. AM-11 był w ZSRR projektem przełomowym, charakteryzował się sporą ilością automatyki, zastosowano w nim także elementy modułowe ułatwiające remonty i naprawy, w poprzednich silnikach turboodrzutowych niespotykane. Silnik posiadał m.in. automat kontroli maksymalnych obrotów oddzielnych zespołów wałów sprężarka-turbina niskiego i wysokiego ciśnienia a także ogranicznik maksymalnej temperatury gazów przed turbinami. Silnik w czasie swojego rozwoju kilkakrotnie zmieniał nazwę, z początkowego AM-11 stał się RD-11, następnie R-11 a ostatecznie zaistniał jako R-11-300 (ostatni numer to oznaczenie kodowe biura konstrukcyjnego).

 
Dwa ujęcia na dzbanowo-pierścieniową komorę spalania.

Dziewicze uruchomienie nowego silnika na stanowisku badawczym nastąpiło w 1955 roku. Uzyskano ciąg z dopalaniem rzędu 50 kN (5098 kG). Po ukończeniu szeregu testów naziemnych wyrażono zgodę na rozpoczęcie prób w powietrzu. Silnik zamontowano na samolocie eksperymentalnym E-5 (Je-5), mającym już trójkątne skrzydło, który w tej postaci stał się protoplastą całej linii myśliwców MiG-21(wersja E-2 miała skrzydło skośne, podobne jak w MiG-19, E-4 zaś trójkątne z dłuższymi lotkami i trzema grzebieniami aerodynamicznymi). Pierwszy lot wykonano 9 stycznia 1956 r. W dniu 20 lutego 1956 roku, podczas lotu testowego doszło do awarii silnika i poważnego uszkodzenia łopatek turbiny. Loty przerwano, starając się odnaleźć przyczynę. Wznowiono je w maju tego samego roku, jednak sytuacja powtórzyła się. Kolejne miesiące starano się rozwiązać problem, jednak bezskutecznie. W wyniku tych wydarzeń, 18 października 1956 r., wydano zakaz lotów samolotów z silnikiem R-11. W konstrukcji dokonano poważnych modyfikacji, powiększono komorę spalania, poprawiono procedury rozruchu. Znaczne zmiany spowodowały wprowadzenie nowego oznaczenia, R-11F-300. Litera „F” była skrótem rosyjskiego słowa „forsirowannyj” lub „forsaż” i oznaczała silnik standardowo wyposażony w dopalacz. Tę odmianę silnika zamontowano na samolocie eksperymentalnym E-6 (Je-6). Testy ukończono 30 czerwca 1958 roku, wydając oficjalny certyfikat bezpieczeństwa, dopuszczający do lotów i udostępniający silnik konstruktorom samolotów w ZSRR.

 
Dwa ujęcia na osadzony w korpusie wydrążony w środku wał sprężarki wysokiego ciśnienia. Widoczna "zębatka" to wieniec turbiny wysokiego ciśnienia, bez zamontowanych łopatek. W wydrążonym środku niezależnie poruszał się wał zespołu sprężarka-turbina niskiego ciśnienia.

R-11F-300 to silnik jednoprzepływowy, dwuwałowy, z regulowaną dyszą wylotową. Składa się z 3-stopniowej sprężarki niskiego ciśnienia, 3-stopniowej sprężarki wysokiego ciśnienia, dzbanowo-pierścieniowej komory spalania, 1-stopniowej turbiny wysokiego ciśnienia, 1-stopniowej turbiny niskiego ciśnienia, komory dopalacza oraz regulowanej dyszy wylotowej.  Konstrukcyjnie, na stałe jednym wałem połączona jest sprężarka niskiego ciśnienia z turbiną niskiego ciśnienia oraz podobnie sprężarka wysokiego ciśnienia z turbiną wysokiego ciśnienia na drugim wale silnika. W pierwszej odmianie produkcyjnej osiągał ciąg 37,26 kN  (3 800 kG)  bez dopalania oraz 56,41 kN (5752 kG) z dopalaniem. Długość 4,6 m, średnica 0,906 m, masa suchego silnika 1146 kG. Okres między remontowy wynosił 300 godzin lotu. Stosunek ciągu do masy: 53.9 N/kg (5,5:1). Silnik R-11F-300 zastosowano na seryjnych samolotach MiG-21F, MiG-21F-13 oraz MiG-21U.

Schemat silnika Tumański R-11F-300

Silnik R-11F2-300 był zmodyfikowana odmianą R-11F, przeznaczoną dla samolotów MiG-21PF i MiG-21FL wyposażonych w radar pokładowy RP-21 „Sapfir”, a więc także cięższych. MiGi-21 z radarem nosiły oznaczenia fabryczne E-7. Parametry wymiarowe silnika były te same, długość 4,6 m, średnica 0,906 m, zmieniły się jedynie zakresy eksploatacyjne i osiągi. Silnik miał masę 1174 kg, ciąg bez dopalacza wynosił 38,26 kN (3901 kG), a na pełnym dopalaniu zwiększył się do 60,82 kN (6201 kG).

Ujęcie na wał sprężarki niskiego ciśnienia połączony z widoczną niekompletną (brak części łopatek) turbiną niskiego ciśnienia.

Kolejną odmianą silnika, na której bazowały wszystkie kolejne, był R-11F2S-300. Różnił się on od poprzedniej wersji zastosowaniem upustów powietrza za sprężarką wysokiego ciśnienia, za pomocą których powietrze o dużej prędkości doprowadzano na górną powierzchnię klap, umożliwiając większe wychylenia bez oderwania strug, a więc zwiększając ich skuteczność. Był to system SPS (ros. Sduw Pogranicznogo Słoja) czyli system zdmuchiwania warstwy przyściennej powietrza z klap. Długość silnika 4,6 m, średnica 0,906 m, ciąg maksymalny bez dopalania wynosił 38,26 kN (3901 kG), ciąg maksymalny z dopalaniem 60,58 kN (6177 kG) zaś masa 1194 kg. W Polsce silnik ten był montowany w samolotach: MiG-21PFM, MiG-21R, MiG-21US oraz MiG-21M i MiG-21MF, choć te dwie ostatnie wymienione odmiany popularnego myśliwca, w ZSRR (oznaczone jako MiG-21S i SM) były napędzane nowocześniejszym silnikiem R-13-300.

Odmiana silnika R-11F2SK-300 była przeznaczona dla samolotów szkolno-bojowych MiG-21UM. Posiadała parametry wymiarowe oraz taktyczno-techniczne takie same jak wersja R-11F2S-300

Silnik Siergieja Tumańskiego R-11 wszystkich odmian został wyprodukowany w liczbie szacowanej na 21 000 sztuk. Był podstawowym napędem samolotów MiG-21, Jak-28 i Su-15. Wersja bez dopalacza napędzała samoloty Jak-25 i Su-25.

Dane techniczne na podstawie opracowania: http://www.leteckemotory.cz/motory/r-11/

Foto i tekst: Jarosław Sobociński

***