Metropolitan-Vickers F.2

En julio de 1940, la RAE firmó un contrato con Metrovick para construir un motor turborreactor puro de calidad de vuelo basado en la turbina Freda. Este se materializó en el concepto F.1, que se construyó en varias versiones, y el primer motor en funcionamiento se puso en marcha en el banco de pruebas a finales de 1941. El diseño superó sus pruebas de vuelo de categoría especial en 1942 y voló por primera vez el 29 de junio de 1943 en la bodega de bombas abierta de un Avro Lancaster . En comparación con los diseños de flujo centrífugo de Whittle, el F.1 era extremadamente avanzado, ya que utilizaba un compresor axial de nueve etapas, una cámara de combustión anular y una turbina de dos etapas. ^{[ 1 ]}

El desarrollo del turborreactor F.2 progresó rápidamente, y el motor se puso en marcha por primera vez en noviembre de 1941. Para entonces, ya se estaban desarrollando varios motores basados ​​en el concepto Whittle, pero el F.2 parecía considerablemente más capaz que cualquiera de ellos. Una versión apta para el vuelo, el F.2/1, recibió su certificación de prueba en 1942. Se instaló una unidad en un banco de pruebas Avro Lancaster (el primer prototipo del Lancaster, n.º de serie BT308 ), montada en la parte trasera en lugar de la torreta trasera, con una única toma de aire en la parte superior del fuselaje, delante del plano de cola doble. El avión realizó su primer vuelo el 29 de junio de 1943. ^{[ 3 ]} Las versiones de calidad de producción del F.2 se probaron en el F.9/40M ( Gloster Meteor ) s/n DG204/G , que realizó su primer vuelo el 13 de noviembre de 1943. Se instalaron en góndolas suspendidas , de manera similar a los motores del Messerschmitt Me 262. ^{[ 1 ]}

Como era de esperar, los motores F.2 eran más potentes que el diseño Whittle, entregando inicialmente 1800 lbf (8000 N) , pero aumentando pronto a más de 2000 lbf (8900 N) . Por aquel entonces, el Whittle W.2B desarrollaba solo 1600 lbf (7100 N) . Sin embargo, existían dudas sobre la fiabilidad del F.2, principalmente debido a problemas asociados con la acumulación de puntos calientes en el cojinete de la turbina y la cámara de combustión, lo que provocaba la deformación y fractura de las toberas de entrada de la turbina. Aproximadamente siete semanas después de su primer vuelo, el 4 de enero de 1944, el DG204/G realizaba pruebas de alta velocidad a 20 000 pies sobre Farnborough. El motor F.2 de babor de la aeronave sufrió un fallo en el rotor y se desintegró. El piloto, el comandante de escuadrón William Davie, murió al intentar eyectarse. ^{[ 4 ] [ 5 ]}      

El compresor axial del F.2 fue ofrecido posteriormente a Rolls-Royce y utilizado como etapa inicial del Rolls-Royce Clyde . ^{[ 6 ]}

Para solucionar estos problemas, en agosto de 1942 se realizó un rediseño menor que dio como resultado el F.2/2, el cual cambió el material de la turbina de Rex 75 a Nimonic 75 y alargó la cámara de combustión en 150 mm (6 pulgadas) . El empuje se mejoró a 11 000 N (2400 lbf ) estáticos, pero los problemas de sobrecalentamiento persistieron.   

Otro intento por solucionar los problemas de sobrecalentamiento dio como resultado el motor F.2/3, una versión más modificada, desarrollada en 1943. Esta versión sustituyó la cámara de combustión anular original por quemadores tipo lata, similares a los de los diseños de Whittle. Esto parece haber resuelto los problemas, aumentando el empuje a 2700 lbf (12 000 N) . Sin embargo, para entonces ya se había decidido desarrollar una versión mucho más potente del motor.  

El desarrollo del F.2 continuó en una versión que utilizaba un compresor de diez etapas para un flujo de aire adicional impulsado por una turbina de una sola etapa. ^{[ 7 ] [ 1 ]} El nuevo F.2/4 - el Beryl - desarrolló inicialmente 3250 lbf (14,5 kN) y fue probado en vuelo en el Avro Lancaster Mk.II s/n LL735 antes de ser instalado en el caza hidroavión Saunders-Roe SR.A/1 . El empuje ya había mejorado a 3850 lbf (17,1 kN) para el tercer prototipo, y finalmente se estabilizó en 4000 lbf (18 kN) .      

En comparación, el Derwent 5 contemporáneo (un motor diseñado por Rover como una mejora del trabajo de Whittle) desarrollaba más de 3600 lbf (16,0 kN) de empuje en su versión final. El desarrollo del SR.A/1 finalizó en 1947, poniendo fin también al desarrollo del Beryl. Sin embargo, posteriormente, Donald Campbell extrajo un Beryl del prototipo SR.A/1 y lo utilizó en las primeras pruebas de su famoso hidroplano Bluebird K7 de 1955 , con el que estableció siete récords de velocidad en el agua entre 1955 y 1964.

En 1942, MV comenzó a trabajar en el aumento del empuje. El resultante Metropolitan-Vickers F.3 fue el primer motor turbofán británico diseñado, construido y probado. Podría decirse que el F.3 fue también el primer motor a reacción de tres ejes construido, aunque la configuración era completamente diferente a la de la serie de turbofanes Rolls-Royce RB211 , mucho posterior, ya que el ventilador estaba ubicado en la parte trasera del motor, de forma similar al General Electric CJ805-23 . Utilizando un F.2/2 estándar, MV añadió un módulo separado en la parte trasera del motor (directamente detrás de la turbina de alta presión) que comprendía turbinas de baja presión contrarrotatorias acopladas a dos ventiladores contrarrotatorios. ^{[ 8 ]} Aparte de los álabes guía de la tobera de la primera etapa, la turbina de baja presión carecía por completo de estator, con cuatro etapas de rotor consecutivas. Los rotores uno y tres impulsaban el ventilador delantero en sentido horario (visto desde el frente), mientras que el ventilador trasero era impulsado en sentido antihorario por los rotores dos y cuatro. Si bien el ventilador frontal contaba con álabes guía de entrada, no había álabes entre los rotores contrarrotatorios ni, aguas abajo, álabes guía de salida. Los flujos del núcleo y de derivación se evacuaban a través de boquillas de propulsión coaxiales independientes.

El proyecto tuvo un éxito general, aumentando el empuje estático de aproximadamente 2400 a 4000 lbf (11 a 18 kN) ( 4600 lbf (20 kN) en 1947). Además, el consumo específico de combustible se redujo de 1,05 a 0,65 lb/(lbf⋅h) (30 a 18 g/(kN⋅s)) , que era el verdadero objetivo del proyecto. Sin embargo, el aumento de peso debido a toda la turbomaquinaria y los conductos adicionales fue significativo. Una ventaja adicional fue una marcada disminución en los niveles de ruido, resultado de la mezcla del aire frío y lento del ventilador con el escape caliente y rápido del generador de gas.     

Aunque el F.3 progresó satisfactoriamente, su desarrollo se vio frenado por las presiones de la guerra. Al finalizar la guerra, el F.2/2 ya no estaba en servicio, por lo que algunas de sus ideas se aplicaron al más moderno F.2/4 para producir el Metropolitan-Vickers F.5 con ventilador de hélice.

Siguiendo donde lo dejó el F.3, el F.5 fue una versión del F.2/4 con un aumentador de empuje de rotor abierto (sin conducto) añadido al final del tubo de chorro, algo alejado de la turbina HP Las hélices de paso fijo de 5  pies 6 pulgadas  de diámetro, que contrarrotaban, eran impulsadas por una unidad de turbina LP sin estator de cuatro etapas, similar a la del F.3. El empuje estático aumentó de los 3500 lbf del F.2/2 a más de 4710 lbf (21 000 N) , con una reducción correspondiente en el consumo específico de combustible. En relación con el turborreactor original, el aumento de peso para esta configuración de hélice-ventilador fue de aproximadamente el 26 %, en comparación con el 53 % para el turbofán F.3. ^{[ 9 ]} El desarrollo se canceló cuando vendieron su negocio de turbinas de gas a Armstrong Siddeley en 1946.  

El desarrollo del F.2 finalizó en 1944. Sin embargo, el desarrollo del concepto básico continuó, dando lugar finalmente al F.9 Sapphire, de tamaño considerablemente mayor. En 1947, Metrovick abandonó la producción de motores a reacción y su equipo de diseño se trasladó a Armstrong Siddeley . El Sapphire se consolidó como un diseño exitoso, superando inicialmente el empuje de su contemporáneo de Rolls-Royce, el Avon . Las características de diseño de la línea Metrovick se incorporaron a la propia línea de turbohélices con compresor axial de Armstrong Siddeley, aunque esta última abandonó el uso de nombres de piedras preciosas por parte de Metrovick para sus motores, optando en cambio por nombres de animales, en particular serpientes.

Un ejemplo del prototipo del motor se puede encontrar en la Galería de Vuelo del Museo de Ciencias de Londres.