ユンカース ユモ 004
ユモ 004
オハイオ州ライト・パターソン空軍基地にあるアメリカ空軍国立博物館のユンカース Jumo 004 ジェットエンジンの断面図。
タイプターボジェット
国籍ドイツ
メーカーユンカース
最初の実行1940
主な用途

ユンカースJumo 004 は、世界初の実用量産ターボジェットエンジンであり、初めて成功した軸流圧縮機式ターボジェットエンジンでした。第二次世界大戦後期にドイツでユンカース社によって約8,000基が製造され、メッサーシュミット Me 262戦闘機、アラド Ar 234偵察機/爆撃機、そしてホルテン Ho 229などの試作機に搭載されました。このエンジンの派生型やコピーは、第二次世界大戦終結後数年間、東欧とソ連で生産されました。

設計と開発

ジェット推進の実現可能性は、1937年初頭、ドイツでハインケル社と共同研究を行っていたハンス・フォン・オハインによって実証されていました。ドイツ航空省（RLM）の大半は依然として無関心でしたが、ヘルムート・シェルプとハンス・マウフはこの概念の可能性を認識し、ドイツの航空エンジンメーカー各社に独自のジェットエンジン開発プログラムを開始するよう奨励しました。しかし、各社は懐疑的な姿勢を崩さず、新たな開発はほとんど行われませんでした。

1939年、シェルプとマウフは進捗状況を確認するため両社を訪問した。大手航空機メーカー、ユンカース社のユンカース原動機製作所（Jumo）部門の責任者、オットー・マーダーは、たとえこの構想が有用だとしても、開発に携わる人材がいないと述べた。シェルプはこれに対し、当時ユンカース社でターボチャージャーとスーパーチャージャーの開発責任者を務めていたアンゼルム・フランツ博士が最適だと答えた。フランツ博士はその年の後半に開発チームを立ち上げ、このプロジェクトはRLM（ドイツ国防省）の名称109-004と命名された（ RLMによって割り当てられた109というプレフィックスは、第二次世界大戦中のドイツにおけるすべての反動エンジンプロジェクトに共通しており、有人航空機用ロケットエンジンの設計にも使用されていた）。

フランツは、保守的でありながら革新的な設計を選択した。彼の設計は、フォン・オハインの設計とは異なり、エンジンを通して連続的に直線的な空気の流れを可能にする新型圧縮機（軸流圧縮機）を採用した。この圧縮機は、ゲッティンゲンのAVA（航空力学研究所）が最近開発したものであった。軸流圧縮機は、実使用条件で約78%の効率という優れた性能を発揮しただけでなく、断面積が小さく、高速航空機にとって重要であった。ジェットエンジン計画においてブルーノ・ブルックマン博士の元助手であったエスターリッヒ博士がベルリンで彼の後を継ぎ、直径が小さいという理由で軸流設計を選択した。[ 1 ]軸流設計は、競合する軸流式BMW 003よりも10cm（3.9インチ）も小さかった。[ 2 ]

その一方で、彼は開発を迅速化し生産を簡素化するため、理論上の潜在能力をはるかに下回るエンジンを生産することを目指した。 1 つの大きな決定は、より効率的な単一の環状容器ではなく、 6 つの「炎容器」を使用する単純な燃焼エリアを選択することであった。 同じ理由から、彼はベルリンのAllgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft (General Electric Company、AEG)とエンジンのタービン開発で密接に協力し、開発用エンジンを製造する代わりに、すぐに生産に投入できるエンジンのプロトタイプの開発にすぐに着手することを選択した。 フランツの保守的なアプローチは RLM から疑問視されたが、直面する開発上の問題を考慮しても、004 は、技術的にはより先進的だが推力はわずかに低い (7.83 kN/1,760 lbf) 競合製品である BMW 003 よりはるかに先に生産と運用に入ったことで、その正当性が証明された。

ハインケル・ヒルト社のエンジン工場があったコルベルモアでは、戦後、ロイ・フェデン卿率いるフェデン調査団が、ジェットエンジンの製造はピストンエンジンの製造よりも単純で、労働力もそれほど熟練しておらず、工具もそれほど複雑ではないことを発見した。実際、ジェット機の中空タービンブレードや板金加工のほとんどは、自動車のボディパネルの製造に使われる工具で行うことができる。[ 3 ]フェデン自身は、004の圧縮機ケーシングが2つに分かれていて、ステーターアセンブリの半分の部分にボルトで固定されているという取り付け方法を批判した。[ 4 ]

技術的な説明とテスト

Me 262 戦闘機のナセルに搭載された Jumo 004 エンジンの正面図。吸気ノーズ コーンの中央にスターター プル スタート ハンドルが示されています。
リーデルスターター、プルスタートハンドルとケーブル付き

最初の試作機004Aはディーゼル燃料を使用し、排気ノズルは装備されていなかったものの、1940年10月に試験が行われた。1941年1月末にはベンチテストが行​​われ、最大推力430 kgf（4,200 N; 950 lbf）に達した。その後も推力の増強作業が続けられ、RLMとの契約では最低推力が600 kgf（5,900 N; 1,300 lbf）とされていた。[ 5 ]

圧縮機ステーターは元々外側から片持ちで取り付けられていたが、その振動問題により[ 6 ]この時点で計画が遅れた。航空省のコンサルタント技術者でターボチャージャーの振動に詳しいマックス・ベンテレが、この問題の解決に協力した。[ 6 ]元々のアルミニウム製ステーターは鋼鉄製のものに交換され、その構成でエンジンは8月に5.9 kN (1,300 lb f ) を発生し、12月には9.8 kN (2,200 lb f ) で10時間の耐久運転に合格した。最初の飛行テストは1942年3月15日に行われ、004Aがメッサーシュミット Bf 110で運ばれ、飛行中にエンジンを慣らした。004は、8段軸流圧縮機、6つの[ 7 ]直列燃焼室 (鋼板製)、および中空ブレードの1段タービンを使用していた。[ 4 ]

7月18日、メッサーシュミット Me 262 の試作機の1機が004 エンジンのジェット動力で初飛行し、RLM からの80基の注文により 004 の生産が開始されました。

Me 262試作機に搭載された初期の004Aエンジンは、材料制限なしに製造されたため、ニッケル、コバルト、モリブデンといった希少原材料が、生産には到底及ばない量で使用されていました。フランツは、ユモ004ではこれらの戦略物資の使用を最小限に抑えるよう再設計する必要があると認識し、その目標は達成されました。燃焼室を含むすべての高温金属部品は、アルミニウムコーティングで保護された軟鋼に変更され、中空のタービンブレードはクルップ社が開発したクロマデュール合金（クロム12%、マンガン18%、鉄70%）を折り曲げて溶接し、コンプレッサーから「ブリード」された圧縮空気で冷却されました。エンジンの運用寿命は短縮されましたが、製造が容易になったという利点もありました。[ 5 ]量産型エンジンは、鋳造マグネシウム製のケーシングを2つに分割し、一方のケーシングにはステーターアセンブリの半分がボルトで固定されていました。[ 4 ]前方の4つのステーターはマウントに溶接された鋼合金製ブレードで構成され、後方の5つはマウント上で曲げられたプレス鋼板で溶接されていました。[ 4 ]鋼合金製のコンプレッサーブレードはコンプレッサーディスクのスロットに蟻継ぎされ、小さなネジで固定されていました。[ 4 ]コンプレッサー自体は12個のセットスクリューで鋼シャフトに取り付けられていました。[ 4 ] Jumoは様々なコンプレッサーブレードを試しました。最初はソリッドスチール製でしたが、後に中空の金属板製でテーパーに溶接され、タービンホイールの菱形スタッドに根元が取り付けられ、ピンで固定されろう付けされました。[ 4 ]

004の興味深い特徴の一つは、ドイツ人技術者ノルベルト・リーデルが設計したスターターで、吸気ノーズコーンの後ろに10馬力（7.5kW）の2ストローク水平対向エンジンが搭載されていた。 [ 4 ]コーンの前面に穴が開けられており、電動スターターモーターが故障した場合でも手動で始動できる。環状吸気口の金属板ハウジングの上部には、スターターへの燃料供給用に2つの小型ガソリン/オイル混合タンクが取り付けられていた。リーデルのスターターは、競合BMW 003エンジンの始動や、ハインケルのより先進的なHeS 011「混流」コンプレッサー設計にも使用された。

004Bの最初の量産モデルは004Aよりも100kg（220ポンド）軽量で、1943年には100時間テストを数回クリアし、オーバーホール間隔は50時間を達成した。[ 8 ]

1943年後半、004B型タービンブレードの不具合が発生しましたが、ユンカース社チームは原因を解明できませんでした。彼らは材料欠陥、粒径、表面粗さといった問題に焦点を当てました。最終的に12月、ブレード振動の専門家であるマックス・ベンテレがRLM本部での会議に再び招聘されました。ベンテレは、不具合の原因がブレードの固有振動数の1つがエンジン運転領域にあることにあることを突き止めました。彼の解決策は、ブレードのテーパーを大きくして長さを1mm短くすることで振動数を上げ、エンジンの運転速度を9,000rpmから8,700rpmに 下げることでした[ 6 ] 。

本格的な生産が開始されたのは1944年初頭になってからでした。109-004シリーズのジェットエンジン設計におけるこうした技術的な課題が、ドイツ空軍によるMe 262の飛行隊配備を遅らせた主な要因となりました。

004Bに使用されていた低品質の鋼材のため、これらのエンジンの耐用時間はわずか10～25時間で、注意深いパイロットであればその2倍程度だったかもしれません。[ 9 ]このエンジンのもう一つの欠点は、初期のターボジェットエンジンに共通するスロットルレスポンスの鈍さでした。さらに悪いことに、スロットルを急激に操作すると燃焼室に過剰な燃料が噴射され、増加した燃料に見合うだけの流量に達する前に温度が上昇しすぎてしまう可能性がありました。その結果、タービンブレードが過熱し、エンジン故障の大きな原因となりました。しかしながら、このエンジンによって初めて戦闘機用ジェットエンジンが実現しました。

ユモ004排気ノズルの断面図。ツヴィーベルのセンターボディまたはプラグが見える。
ツヴィーベルのセンターボディを動かすギアのクローズアップ

エンジンの排気部には、プラグノズルと呼ばれる可変形状ノズルが採用されていました。このプラグは、側面から見た形状からツヴィーベル（ドイツ語でタマネギの意味）という愛称で呼ばれていました。 [ 4 ]プラグは、電動モーター駆動のラック・アンド・ピニオン機構によって前後に約40cm（16インチ）移動し、排気断面積を変化させることで推力を制御しました。

ユモ004は3種類の燃料で稼働することができた。[ 10 ]

  • 標準燃料であるJ-2は、石炭から生産される合成燃料です。
  • ディーゼル油。
  • 航空ガソリン。消費量が多いため、望ましくないと考えられています。

材料費が1万リンギットのユモ004は、競合機のBMW 003（ 1万2000リンギット）やユンカース213ピストンエンジン（ 3万5000リンギット）よりもいくらか安価であることが判明した。[ 11 ]さらに、このジェット機は熟練労働者を使用し、完成まで（製造、組み立て、輸送を含む）わずか375時間しかかからなかったのに対し、BMW 801は1400時間かかった。[ 12 ]

004 の生産と整備はオットー・ハルトコップフの監督の下、マクデブルクのユンカース工場で行われた。[ 13 ]完成したエンジンは信頼性が低いという評判を得た。主要なオーバーホールの間隔 (厳密にはオーバーホール間隔ではない) は 30 ～ 50 時間で、熟練したパイロットであれば間隔を 2 倍にできたが、10 時間程度だった可能性もあった。[ 9 ] (競合した BMW 003 は約 50 時間だった。) [ 9 ]このプロセスには、コンプレッサーブレード (最も大きな損傷を受け、通常は石などを飲み込むことで、後にフォッディングと呼ばれる) と高い熱力学的負荷によって損傷したタービンブレードの交換が含まれていた。ドイツ人は、地上にいる間に航空機のジェットエンジンの吸気口に異物が吸い込まれるのを防ぐため、特別に設計された金網の半球形のケージと/または平らな円形のカバーの両方を吸気口の上に使用していたことで知られていた。圧縮機とタービンブレードの寿命は、定期メンテナンス中にローターのバランス調整を行うことで延ばすことができる。また、リーデルの2ストロークスターターエンジンとターボジェットの調速機も検査され、必要に応じて交換される。[ 9 ]燃焼器は20時間ごとにメンテナンスが必要で、200ごとに交換する必要がある。[ 9 ]

004は5,000～8,000機が製造され、[ 14 ]第二次世界大戦終結時には月産1,500機に達していた。[ 4 ]ロイ・フェデン卿率いるフェデン・ミッションは、戦後、1946年半ばまでにジェットエンジンの総生産量は年間10万機以上に達すると推定した。[ 9 ]

戦後の生産

アヴィアM-04
トゥマンスキー RD-10

第二次世界大戦後、チェコスロバキアのマレシツェでユモ 004 が少数製造され、アヴィア M-04と命名され、 Me 262 のコピーであるアヴィア S-92の動力源となった。改良されたユモ 004 のコピーは、ソ連でもクリモフ RD-10として製造され、ヤコブレフ Yak-15や多くの試作ジェット戦闘機に搭載された。

フランスでは、鹵獲された004がシュド・ウエストSO6000トリトンとアルセナルVG-70に搭載されました。

変種

（出典：ケイ著『ターボジェット：歴史と発展 1930-1960 ：第1巻：イギリスとドイツ』）

109-004
1 ⁄ 10スケール (コンプレッサー電力吸収) プロトタイプ エンジン、テスト実行で限定的な成功を収める。
109-004A
初期のメッサーシュミット Me 262およびアラド Ar 234プロトタイプ航空機 に搭載された実物大のプロトタイプおよび試作エンジン。
109-004A-0 : 飛行用試作エンジン。
109-004B
軽量化と戦略的資材の削減を実現した量産型エンジン。
109-004B-0 : 初期生産標準エンジン、8,700 rpm で 8.22 kN (1,848 lbf) の推力。
109-004B-1：振動を低減し、推力を8.83 kN（1,984 lbf）に増加させるためにコンプレッサーとタービンを改造しました。
109-004B-2 : 振動故障を低減するための新しいコンプレッサーの導入
109-004B-3 : 開発モデル
109-004B-4：空冷中空タービンブレードの導入
109-004C
細部を改良した計画バージョンで推力 9.81 kN (2,205 lbf) を実現。未構築。
109-004D
二段燃料噴射と新型燃料制御装置を備えた改良型004B。第二次世界大戦の終わりまでに生産準備が整った。
109-004D-4 : 推力は増加するが寿命は短くなる改良型燃焼システム。試験専用。
109-004E
高高度性能向けに最適化された排気エリアを備えた 004D で、アフターバーニングにより 11.77 kN (2,646 lbf) の推力を発揮します。
109-004F
水または水/メタノールの注入が可能。
109-004G
11 段コンプレッサーと 8 缶燃焼室を備えた 16.68 kN (3,749 lbf) の 004C がベースです。
109-004H
004 の再設計および拡大版で、11 段コンプレッサーと 2 段タービンを備え、戦争の終わりまでに設計段階に達した。6,600 rpm で 17.7 kN (3,970 lbf) の推力を発揮すると予測された。
アヴィアM-04
戦後のチェコスロバキアにおける004Bの生産
RD-10
鹵獲されたユモ 004 とそのコピーの両方に使用された呼称。1945 年以降、クリモフが指揮する 26 GAZ のチームと、鹵獲されたデッサウ近郊の地下工場で製造された。

バリアント表

RLM指定 タイプ レイアウト 推力 重さ 回転数
109-004Bターボジェット8A 6C 1T8.83 kN（1,984 lbf）745 kg (1,642 ポンド)8,700回転
109-004Cターボジェット8A 6Cn 1T9.81 kN（2,205 lbf）720 kg (1,590 ポンド)8,700回転
109-004Dターボジェット8A 6C 1T10.30 kN（2,315 lbf）745 kg (1,642 ポンド)10,000回転
109-004Hターボジェット11A 8C 2T17.7 kN（3,970 lbf）1,200 kg (2,600 ポンド)6,600回転

レイアウト: A = 軸流圧縮機段、C = 缶燃焼室、T = タービン段。

アプリケーション

オーストラリア戦争記念館に展示されているMe262の右舷ユンカースJumo004エンジン

残存するエンジン

ユモ 004 ターボジェットの多数の例が、北米、ヨーロッパ、オーストラリアの航空博物館や歴史コレクションに所蔵されています。

仕様（Jumo 004B）

1946年、ユモ004エンジンは、国家航空諮問委員会の航空機エンジン研究所のエンジニアによって研究されていました。

データ元

一般的な特徴

  • タイプ:ターボジェット
  • 長さ: 3.86 m (152 インチ)
  • 直径: 81 cm (32 インチ)
  • 乾燥重量: 719 kg (1,585 ポンド)

コンポーネント

パフォーマンス

参照

同等のエンジン

関連リスト

参考文献

注記

  1. ^クリストファー、70～71ページ
  2. ^クリストファー、72ページ
  3. ^クリストファー、74～75ページ。
  4. ^ a b c d e f g h i jクリストファー、70ページ
  5. ^ a bパヴェレツ、32ページ
  6. ^ a b cエンジン革命：マックス・ベンテレの自伝ISBN 1-56091-081-X、45ページ
  7. ^ Machine Design（2017年5月30日閲覧）
  8. ^メヘル・ホムジ
  9. ^ a b c d e fクリストファー、76ページ
  10. ^ 「ドイツ人パイロット、ハンス・フェイの報告概要」（PDF）。ゼノスのウォーバード・ビデオ・ドライブイン。
  11. ^クリストファー、74ページ
  12. ^クリストファー、75ページ
  13. ^クリストファー、69ページ
  14. ^クリストファー、69～70ページ
  15. ^ 「ベオグラード航空博物館の航空機エンジンコレクション」。
  16. ^ “Junkers Jumo” . 2015年11月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年11月23日閲覧。
  17. ^ “Deutsches Museum: Turbojet Jumo 004B, 1944” . 2019年12月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年1月24日閲覧。
  18. ^ 「IWMがJumo 004を切断」。
  19. ^ “ラーツェン＝ハノーバー空軍博物館” .
  20. ^ “Jumo 004B Engine” . 2019年4月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年1月24日閲覧。
  21. ^ “Junkers Jumo 004 B1 Turbojet Engine, Cutaway” . 2017年5月3日. 2019年7月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年1月24日閲覧。
  22. ^ “ユンカース ジュモ 004 ターボジェット” .
  23. ^ 「メッサーシュミット Me 262A シュヴァルベ」。
  24. ^ “New England Air Museum” . 2018年8月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年1月24日閲覧。
  25. ^ 「FHCAMのMe 262戦闘塗装が公開」 2019年5月8日。
  26. ^ 「復元された262ビデオ」。Facebook 。

参考文献

  • クリストファー、ジョン（2013年）『ヒトラーのXプレーン争奪戦：イギリスによる1945年のドイツ空軍秘密技術奪取作戦』ストラウド（イギリス）ヒストリー・プレスISBN 978-0-7524-6457-2。
  • ガンストン、ビル（2006年）『世界航空エンジン百科事典：先駆者から現代まで（第5版）』ストラウド（英国）：サットン、ISBN 0-7509-4479-X。
  • ケイ、アンソニー・L. (2002). 『ドイツのジェットエンジンとガスタービンの発展 1930–1945』クロウッド・プレス. ISBN 1-84037-294-X。
  • ケイ、アントニー（2004年）『ユンカース航空機とエンジン 1913–1945』ロンドン：パトナム航空書籍、ISBN 0-85177-985-9。
  • ケイ、アンソニー・L. (2007). 『ターボジェットの歴史と発展 1930–1960』 第1巻. ラムズベリー: クロウッド・プレス. ISBN 978-1-86126-912-6。
  • Meher-Homji, Cyrus B. (1997年9月). 「Anselm FranzとJumo 004」 .機械工学. ASME . 2008年1月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  • パヴェレック、スターリング・マイケル（2007年）『ジェット競争と第二次世界大戦』グリーンウッド、ISBN 978-0-275-99355-9。
ウィキメディア・コモンズには、ユンカース ユモ 004に関連するメディアがあります。
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