Junkers Jumo 004

El Junkers Jumo 004 fue el primer motor turborreactor de producción del mundo en uso operativo y el primer motor turborreactor de compresor axial exitoso. Junkers fabricó unas 8.000 unidades en Alemania a finales de la Segunda Guerra Mundial, propulsando el caza Messerschmitt Me 262 y el bombardero/reconocimiento Arado Ar 234, junto con prototipos, incluido el Horten Ho 229. Se produjeron variantes y copias del motor en el Este. Europa y la URSS durante varios años tras el final de la Segunda Guerra Mundial.

Diseño y desarrollo

La viabilidad de la propulsión a chorro había sido demostrada en Alemania a principios de 1937 por Hans von Ohain, trabajando con la empresa Heinkel. La mayor parte del Ministerio del Aire del Reich (RLM) permaneció desinteresado, pero Helmut Schelp y Hans Mauch vieron el potencial del concepto y alentaron a los fabricantes de motores aeronáuticos de Alemania a comenzar sus propios programas de desarrollo de motores a reacción. Las empresas se mostraron escépticas y se llevaron a cabo pocos desarrollos nuevos.

En 1939, Schelp y Mauch visitaron las empresas para comprobar los avances. Otto Mader, director de la división Junkers Motorenwerke (Jumo) de la gran empresa de aviación Junkers, afirmó que, aunque el concepto fuera útil, no tenía a nadie que trabajara en él. Schelp respondió afirmando que el Dr. Anselm Franz, entonces responsable de Junkers'; desarrollo de turbocompresores y sobrealimentadores, sería perfecto para el trabajo. Franz comenzó su equipo de desarrollo más tarde ese año, y el proyecto recibió la designación RLM 109-004 (el prefijo 109- asignado por el RLM era común a todos los proyectos de motores de reacción en la Alemania de la Segunda Guerra Mundial, incluido Diseños de motores de cohetes alemanes de la Segunda Guerra Mundial para aviones tripulados).

Franz optó por un diseño que era a la vez conservador y revolucionario. Su diseño se diferenciaba del de von Ohain en que utilizó un nuevo tipo de compresor que permitía un flujo de aire continuo y recto a través del motor (un compresor axial), desarrollado recientemente por el Aerodynamische Versuchsanstalt (AVA – Instituto de Investigación Aerodinámica) en Göttingen. El compresor de flujo axial no sólo tuvo un rendimiento excelente, aproximadamente un 78 % de eficiencia en el “mundo real”; condiciones, pero también tenía una sección transversal más pequeña, importante para aviones de alta velocidad. El Dr. Österich, antiguo ayudante del Dr. Bruno Bruckman en el programa de motores a reacción, reemplazó en Berlín y seleccionó el diseño de flujo axial debido a su menor diámetro; Era 10 cm (3,9 pulgadas) menos que el BMW 003 de flujo axial de la competencia.

Por otro lado, su objetivo era producir un motor que estuviera muy por debajo de su potencial teórico, en aras de acelerar el desarrollo y simplificar la producción. Una decisión importante fue optar por una zona de combustión sencilla con seis "latas de llama", en lugar de la más eficiente lata anular única. Por las mismas razones, colaboró intensamente en el desarrollo de la turbina del motor con Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft (General Electric Company, AEG) en Berlín, y en lugar de construir motores de desarrollo, optó por empezar a trabajar inmediatamente en el prototipo de un motor que podría pasar directamente a producción. El enfoque conservador de Franz fue cuestionado por el RLM, pero fue justificado cuando, incluso teniendo en cuenta los problemas de desarrollo que iba a enfrentar, el 004 entró en producción y servicio mucho antes que el BMW 003, su empuje más avanzado tecnológicamente pero ligeramente menor. competidor (7,83 kN/1760 lbf).

En Kolbermoor, ubicación de la fábrica de motores Heinkel-Hirth, la Misión Fedden de posguerra, dirigida por Sir Roy Fedden, descubrió que la fabricación de motores a reacción era más simple y requería mano de obra menos calificada y herramientas menos sofisticadas que la producción de motores de pistón; de hecho, la mayor parte de la fabricación de álabes de turbinas huecas y trabajos de chapa en los jets podría realizarse con herramientas utilizadas en la fabricación de paneles de carrocerías de automóviles. El propio Fedden criticó la fijación de la carcasa del compresor del 004, que estaba dividida en dos mitades, atornillada a las medias secciones de los conjuntos del estator.

Descripción técnica y pruebas

El primer prototipo 004A, que utilizaba combustible diésel, se probó por primera vez en octubre de 1940, aunque sin boquilla de escape. Se probó en banco a finales de enero de 1941 hasta alcanzar un empuje máximo de 430 kgf (4200 N; 950 lbf), y se continuó trabajando para aumentar el empuje, ya que el contrato RLM había establecido un mínimo de 600 kgf (5900 N; 1300 lbf).) empuje.

Los problemas de vibración con los estatores del compresor, originalmente en voladizo desde el exterior, retrasaron el programa en este punto. Max Bentele, como ingeniero consultor del Ministerio del Aire con experiencia en vibraciones de turbocompresores, ayudó a resolver el problema. Los estatores de aluminio originales fueron reemplazados por unos de acero, en cuya configuración el motor desarrolló 5,9 kN (1300 lb_f) en agosto y pasó una carrera de resistencia de 10 horas a 9,8 kN (2200 lb_f ) en diciembre. La primera prueba de vuelo tuvo lugar el 15 de marzo de 1942, cuando un Messerschmitt Bf 110 llevó un 004A a lo alto para poner en marcha el motor en vuelo. El 004 utilizó un compresor de flujo axial de ocho etapas, con seis cámaras de combustión directas (fabricadas en chapa de acero) y una turbina de una etapa con palas huecas.

El 18 de julio, uno de los prototipos de Messerschmitt Me 262 voló por primera vez con propulsión a reacción con sus motores 004, y el 004 entró en producción con un pedido del RLM de 80 motores.

Los motores 004A iniciales construidos para impulsar los prototipos Me 262 se construyeron sin restricciones de materiales y utilizaban materias primas escasas como níquel, cobalto y molibdeno en cantidades que eran inaceptables en producción. Franz se dio cuenta de que el Jumo 004 tendría que ser rediseñado para incorporar un mínimo de estos materiales estratégicos, y así lo logró. Todas las piezas metálicas calientes, incluida la cámara de combustión, se cambiaron por acero dulce protegido por un revestimiento de aluminio, y las palas huecas de la turbina se produjeron a partir de una aleación Cromadur plegada y soldada (12% de cromo, 18% de manganeso y 70% de hierro). por Krupp, y enfriado por aire comprimido "purgado" del compresor. La vida útil operativa del motor se acortó, pero el lado positivo fue que se volvió más fácil de construir. Los motores de producción tenían una carcasa de magnesio fundido en dos mitades, una con medias secciones de conjuntos de estator atornilladas. Los cuatro estatores delanteros se construyeron con palas de aleación de acero soldadas al soporte; los cinco traseros eran de chapa de acero prensada, doblada sobre el soporte y soldada. Las palas del compresor de aleación de acero encajaban en las ranuras del disco del compresor y se fijaban con pequeños tornillos. El compresor en sí estaba montado en un eje de acero con doce tornillos de fijación. Jumo probó una variedad de palas de compresor, comenzando con acero macizo y luego con láminas de metal huecas, soldadas en el cono, con sus raíces encajadas sobre pernos romboidales en la rueda de la turbina, a la que estaban fijadas y soldadas.

Una característica interesante del 004 fue el motor de arranque, diseñado por el ingeniero alemán Norbert Riedel, que consistía en un motor plano de dos tiempos y 10 hp (7,5 kW) detrás del cono de admisión. Un agujero en la parte frontal del cono daba acceso a un arranque manual si fallaba el motor de arranque eléctrico. Se instalaron dos pequeños tanques de mezcla de gasolina y aceite dentro del perímetro superior de la carcasa de chapa de la entrada anular para alimentar el motor de arranque. El Riedel también se utilizó para arrancar el motor BMW 003 de la competencia y para el motor de flujo mixto HeS 011 más avanzado de Heinkel. diseño del compresor.

El primer modelo de producción del 004B pesaba 100 kg (220 lb) menos que el 004A, y en 1943 había superado varias pruebas de 100 horas, con un tiempo entre revisiones de 50 horas..

Más tarde, en 1943, la versión 004B sufrió fallos en las palas de la turbina que no fueron comprendidos por el equipo de Junkers. Se centraron en áreas como los defectos del material, el tamaño del grano y la rugosidad de la superficie. Finalmente, en diciembre, Max Bentele, especialista en vibraciones de palas, acudió de nuevo a una reunión en la sede de RLM. Identificó que las fallas fueron provocadas por una de las palas. frecuencias naturales en el rango de funcionamiento del motor. Su solución fue aumentar la frecuencia, aumentando el cono de las palas y acortándolas en 1 milímetro, y reducir la velocidad de funcionamiento del motor de 9.000 a 8.700 rpm.

No fue hasta principios de 1944 que finalmente pudo comenzar la producción completa. Este tipo de desafíos de detalles de ingeniería para los diseños de motores a reacción de la serie 109-004 formaron los contratiempos que fueron el factor principal que retrasó la introducción del Me 262 por parte de la Luftwaffe en el servicio del escuadrón.

Teniendo en cuenta los aceros de menor calidad utilizados en el 004B, estos motores tenían una vida útil de sólo 10 a 25 horas, quizás el doble en manos de un piloto cuidadoso. Otro defecto del motor, común a todos los primeros turborreactores, era su lenta respuesta del acelerador. Peor aún, se podría inyectar demasiado combustible en las cámaras de combustión al mover el acelerador demasiado rápido, lo que provocaría que la temperatura aumentara demasiado antes de que el flujo de aire aumentara para igualar el aumento de combustible. Esto sobrecalentó las palas de la turbina y fue una de las principales causas de fallas del motor. Sin embargo, hizo realidad por primera vez la potencia a reacción para aviones de combate.

El área de escape del motor utilizaba una boquilla de geometría variable conocida como boquilla de tapón. El enchufe recibió el sobrenombre de Zwiebel (cebolla en alemán, debido a su forma vista de lado). El tapón se movió unos 40 cm (16 pulgadas) hacia adelante y hacia atrás, utilizando un piñón y cremallera impulsado por un motor eléctrico, para cambiar el área de la sección transversal del escape para controlar el empuje.

El Jumo 004 podría funcionar con tres tipos de combustible:

• J-2, su combustible estándar, un combustible sintético producido a partir del carbón.
• Aceite diesel.
• gasolina de aviación; no considerada deseable debido a su alta tasa de consumo.

Con un coste de RM10.000 por materiales, el Jumo 004 también resultó algo más barato que el BMW 003 de la competencia, que costaba RM12.000, y más barato que el motor de pistón Junkers 213, que costaba RM. 35.000. Además, los aviones utilizaron mano de obra menos cualificada y necesitaron sólo 375 horas para completarse (incluyendo fabricación, montaje y envío), en comparación con las 1.400 del BMW 801.

La producción y el mantenimiento del 004 se realizaron en la fábrica de Junkers en Magdeburgo, bajo la supervisión de Otto Hartkopf. Los motores terminados se ganaron la reputación de ser poco fiables; el tiempo entre revisiones importantes (técnicamente no es un tiempo entre revisiones) era de treinta a cincuenta horas, y puede haber sido tan solo diez, aunque un aviador experto podría duplicar el intervalo. (El BMW 003 de la competencia tenía alrededor de cincuenta). El proceso implicó reemplazar las palas del compresor (que sufrieron el mayor daño, generalmente por la ingestión de piedras y cosas así, más tarde conocidas como forraje) y las palas de la turbina dañadas por las altas cargas termodinámicas. Se sabía que los alemanes utilizaban jaulas semiesféricas con estructura de alambre especialmente diseñadas y/o cubiertas circulares planas sobre las tomas de admisión para evitar la ingestión de materias extrañas en los motores a reacción de sus aviones. tomas mientras está en el suelo. El compresor y las palas de la turbina' la vida útil podría prolongarse reequilibrando los rotores durante el mantenimiento de rutina; el motor de arranque Riedel de dos tiempos y el regulador del turborreactor también serían examinados y reemplazados según fuera necesario. Las cámaras de combustión requerían mantenimiento cada veinte horas y reemplazo a las 200.

Se construyeron entre 5.000 y 8.000 004; al final de la Segunda Guerra Mundial, la producción era de 1.500 unidades por mes. La Misión Fedden, dirigida por Sir Roy Fedden, estimó que la producción total de motores a reacción de posguerra a mediados de 1946 podría haber alcanzado las 100.000 unidades al año, o más.

Producción de posguerra

Después de la Segunda Guerra Mundial, los Jumo 004 se construyeron en pequeñas cantidades en Malešice, Checoslovaquia, denominados Avia Avia M-04, para impulsar el Avia S-92, que era a su vez una copia del Me 262. En la Unión Soviética también se construyeron copias mejoradas del Jumo 004 como Klimov RD-10, donde impulsaban al Yakovlev Yak-15, así como a muchos prototipos de aviones de combate.

En Francia, los 004 capturados impulsaron el Sud-Ouest SO 6000 Triton y el Arsenal VG-70.

Variantes

(Datos de: Kay, Turbojet: History and Development 1930–1960: Volumen 1: Gran Bretaña y Alemania

109-004

1.10 báscula (absorción de potencia de compresión) prototipo motor, test-run con éxito limitado.

109-004A

Motores de prototipo y preproducción a gran escala, propulsados temprano Messerschmitt Me 262 y Arado Ar 234 prototipos aeronaves.

109-004A-0: Motores de preproducción para el vuelo.

109-004B

Motores de serie de producción con menor peso y materiales estratégicos.

109-004B-0: motores estándar de producción inicial, 8,22 kN (1,848 lbf) a 8,700 rpm.

109-004B-1: compresor modificado y turbina para reducir la vibración y el empuje aumentó a 8,83 kN (1,984 lbf).

109-004B-2: Incorporación de un nuevo compresor para reducir fallas de vibración

109-004B-3: Un modelo de desarrollo

109-004B-4: Presentar hojas de turbina hueca refrigeradas por aire

109-004C

Una versión proyectada con refinaciones detalladas que dan un empuje de 9.81 kN (2,205 lbf) no construido.

109-004D

Un refinado 004B con inyección de combustible en dos etapas y una nueva unidad de control de combustible, lista para la producción a finales de la Segunda Guerra Mundial.

109-004D-4: Sistema de combustión modificado para mayor empuje pero reducción de la vida, sólo para pruebas.

109-004E

Un 004D con área de escape optimizada para el rendimiento de alta altitud, 11.77 kN (2,646 lbf) empuje con post quemadura.

109-004 F

Posiblemente con inyección de agua o agua/metanol.

109-004G

Basado en el 004C con un compresor de 11 etapas y 8 cámaras de combustión de 16,68 kN (3,749 lbf).

109-004 H

Una versión rediseñada y ampliada del 004 con compresor de 11 etapas y turbina de 2 etapas, sólo alcanzando la etapa de diseño al final de la guerra; proyectada para entregar 17.7 kN (3.970 lbf) empuje a 6.600 rpm.

Avia M-04

Producción posterior a la guerra del 004B en Checoslovaquia

RD-10

Designación utilizada tanto para capturar Jumo 004s como copias, construida a partir de 1945 por un equipo en 26 GAZ, encabezado por Klimov y en una fábrica subterránea capturada cerca de Dessau.

Tabla de variantes

Disposición: A=etapas del compresor de flujo axial, C=cámaras de combustión de lata, T=etapas de turbina.

Aplicaciones

• Arado Ar 234
• Avia S-92: (Avia M-04) Checoslovaco-construido Me 262 A-1a (lucha)
• Avia CS-92: (Avia M-04) Checoslovak-construido Me 262 B-1a (entrenador de caza, dos asientos)
• Blohm & Voss P.188
• Focke-Wulf Ta 183 Huckebein (intencionado únicamente para los primeros prototipos)
• Gotha Go 229
• Heinkel He 280
• Heinkel He 162A-8
• Henschel Hs 132
• Horten H.IX
• Junkers Ju 287 (primer y segundo prototipos; destinados al cuarto prototipo, así como a las versiones de producción Ju 287 A-2 y B-1)
• Lavochkin La-150 (RD-10)
• Messerschmitt Bf 110: Plancha de prueba de motor volador.
• Messerschmitt Me 262
• OKB-1 EF 131: Equipado con la copia RD-10 de la Jumo 004
• Yakovlev Yak-Jumo: precursor del Yakovlev Yak-15 alimentado con 004 capturados

Motores supervivientes

Existen varios ejemplos del turborreactor Jumo 004 en museos de aviación y colecciones históricas de América del Norte, Europa y Australia, entre ellos;

• Museo Aeronáutico Belgrado, un Jumo 004
• Australian National Aviation Museum, Moorabbin Airport, Melbourne, Victoria, Australia; ANAM muestra un solo Jumo separado 004
• Deutsches Museum, Munich, Germany; El museo muestra un Jumo 004B, construido en 1944
• Luftfahrt-Museum Laatzen-Hannover, Hannover, Alemania; Ofreciendo el modelo de preproducción Jumo 004A y un modelo de corte de la posterior Jumo 004B además de una diversa colección de aviones.
• National Air and Space Museum (NASM) of the Smithsonian Institution, Washington D.C., EE.UU.; NASM está en posesión de dos Jumo 004s, un motor completo (en pantalla a 2020) y un motor "cortado" (no en pantalla o está en almacenamiento a partir de 2020)
• Museo Nacional de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, Wright-Patterson Air Force Base, Dayton, Ohio, USA; NMUSAF exhibe un Jumo separado 004, junto con uno de los pocos Me sobrevivientes 262s (que todavía conserva sus dos motores 004)
• New England Air Museum, Bradley International Airport, Windsor Locks, CT, EE.UU.; NEAM muestra un motor 'cortado' en préstamo del NMUSAF
• El Museo de Armadura del Patrimonio Volador, ubicado en el Campo de Paine en Everett, Washington está restaurando un Me 262 y sus motores Jumo 004 acompañantes a condiciones de aire. Los 004 han sido reinstalados para permitir una mayor resistencia a la fatiga y, por lo tanto, una vida de motor más larga. A partir de octubre de 2019, el restaurado 262 ha realizado con éxito pruebas de vías de taxi bajo la potencia de sus motores 004
• The South African Air Force Museum, located at Ysterplaat, Cape Town. Jumo sección parcial 004

Especificaciones (Jumo 004B)

Datos de

Características generales

• Tipo: Turbojet
• Duración: 3.86 m (152 en)
• Diámetro: 81 cm (32 in)
• Peso seco: 719 kg (1.585 lb)

Componentes

• Compresor: Compresor axial de 8 etapas
• Combustores: Can-type, 6
• Turbina: Una sola etapa

Rendimiento

• Propulsión máxima: 8,8 kN (1.980 lbf) a las 8.700 rpm
• Tasa general de presión: 3.14:1
• Relación entre el peso y el peso: 1.25