Свободно-турбинный турбовальный двигатель — это разновидность турбовального или турбовинтового газотурбинного двигателя , в котором мощность извлекается из выхлопного потока газовой турбины независимой турбиной, расположенной ниже по потоку от газовой турбины. Силовая турбина механически не связана с турбинами, которые приводят в действие компрессоры, отсюда и термин «свободный», указывающий на независимость выходного вала мощности (или катушки). Это противоположно мощности, извлекаемой из вала турбины/компрессора через редуктор.
Преимущество свободной турбины в том, что две турбины могут работать на разных скоростях и что эти скорости могут меняться относительно друг друга. Это особенно выгодно для изменяющихся нагрузок, таких как турбовинтовые двигатели. [1]
_Heritage_Motor_Centre,_Gaydon.jpg/1280px-Austin_gasturbine_engine_(cutaway)_Heritage_Motor_Centre,_Gaydon.jpg)
Турбовальный двигатель со свободной турбиной всасывает воздух через впускной патрубок. Воздух проходит через компрессор и попадает в камеру сгорания , где топливо смешивается со сжатым воздухом и воспламеняется. Газы сгорания расширяются через турбину, приводящую в движение компрессор, а затем через «свободную» силовую турбину, прежде чем выбрасываются в атмосферу. Компрессор и его турбина соединены общим валом, который вместе с камерой сгорания называется газогенератором, который моделируется с помощью цикла Брайтона . (Свободная) силовая турбина находится на отдельном валу.
Турбовальные двигатели иногда характеризуются числом золотников. Это относится к числу компрессорно-турбинных агрегатов в ступени газогенератора и не включает свободный силовой турбинный агрегат. [2] Например, General Electric T64 представляет собой однозолотниковую конструкцию, в которой используется 14-ступенчатый осевой компрессор; независимый силовой вал соосен с валом газогенератора. [3]
Один конкретный сценарий отказа, отказ редуктора, показал, что компоновка со свободной турбиной более подвержена риску, чем одновальный турбовинтовой двигатель. Он мог пострадать от превышения скорости турбины до разрушения после потери связи с нагрузкой винта. (В одновальной компоновке с аналогичным отказом редуктора турбина все еще получала бы большую часть своей нагрузки от компрессора). Такой отказ привел к аварии в 1954 году второго прототипа Bristol Britannia , G-ALRX, который был вынужден приземлиться в эстуарии Северн . Отказ в редукторе винта Bristol Proteus привел к превышению скорости и выходу из строя силовой турбины двигателя Nº3. Она прорезала масляный бак и вызвала пожар, который угрожал целостности лонжерона крыла . Пилот Билл Пегг совершил вынужденную посадку на ил эстуария. [4] [5] Шестерни Proteus были переработаны, и было установлено устройство аварийного отключения подачи топлива, чтобы предотвратить подобное повторение. Ганстон [1] в 1994 году счёл примечательным, что защита не была распространена на двигателях со свободной турбиной. Однако правила сертификации допускают другие методы предотвращения чрезмерного превышения скорости, такие как трение дисков и помехи лопаток.
Большинство турбовальных и турбовинтовых двигателей теперь используют свободные турбины. Это касается и тех, которые используются для статической генерации энергии, как морские движители и, в частности, для вертолетов.
.jpg/1280px-HeliRussia_2010_(303-22).jpg)
Вертолеты являются основным рынком для турбовальных двигателей. Когда турбовальные двигатели стали доступны в 1950-х годах, они были быстро приняты как для новых конструкций, так и в качестве замены поршневых двигателей. Они предлагали большую мощность и гораздо лучшее соотношение мощности к весу. Поршневые вертолеты этого периода едва ли имели адекватную производительность; переход на турбинный двигатель мог как уменьшить несколько сотен фунтов веса двигателя, 600 фунтов (270 кг) для Napier Gazelle из Westland Wessex , [6] , так и значительно увеличить вес полезной нагрузки. Для Westland Whirlwind это преобразовало неадекватный поршневой двигатель HAS.7 в турбинный HAR.9 de Havilland Gnome . Будучи одним из первых противолодочных вертолетов, HAS.7 был настолько ограничен по весу, что мог нести либо поисковый сонар , либо торпеду, но не то и другое.
Двигатель свободной турбины оказался особенно подходящим. Ему не требуется сцепление, так как газогенератор может быть запущен, пока выходной вал остается неподвижным. Для Wessex это использовалось для обеспечения особенно быстрого взлета с холодного старта. Заблокировав основной ротор (и силовую турбину) тормозом ротора, можно было запустить двигатель, а затем, при скорости газогенератора 10 500 об/мин, тормоз отпустить, что позволило силовой турбине ускориться и вывести ротор на рабочую скорость из неподвижного состояния всего за 15 секунд, а время от запуска двигателя до взлета составило всего 30 секунд. [6]
Еще одним преимуществом конструкции свободной турбины была легкость, с которой можно было спроектировать и изготовить двигатель противоположного вращения, просто изменив направление вращения только силовой турбины. [7] Это позволило изготавливать ручные двигатели парами, когда это было необходимо. Это также позволило создавать двигатели противоположного вращения, в которых сердечник газогенератора и силовая турбина вращались в противоположных направлениях, что уменьшало общий момент инерции. Для рынка замены двигателей вертолетов эта возможность позволяла просто заменять предыдущие двигатели любого направления. [7] Свобода угла установки некоторых турбовальных двигателей также позволяла устанавливать их в существующие конструкции вертолетов, независимо от того, как были расположены предыдущие двигатели. [7] Однако со временем переход к осевым компрессорам низкого давления и, таким образом, к двигателям меньшего диаметра способствовал переходу к теперь уже стандартной компоновке одного или двух двигателей, установленных бок о бок, горизонтально над кабиной.
Турбовинтовые самолеты по-прежнему оснащаются различными свободно- и несвободно-турбинными двигателями. Более крупные двигатели в основном сохранили несвободную конструкцию, хотя многие из них представляют собой двухвальные конструкции, где «силовая» турбина приводит в движение пропеллер и компрессор низкого давления, а компрессор высокого давления имеет свою собственную турбину.
Первым газотурбинным двигателем со свободной турбиной был турбовинтовой двигатель Bristol Theseus . [8] Это была первая газовая турбина Bristol , и ее широкая конструкция была разработана Фрэнком Оунером в Tockington Manor . Впервые он был запущен в июле 1945 года, а в декабре 1946 года стал первым турбовинтовым двигателем, прошедшим 100-часовые типовые испытания . [8]
Некоторые крупные турбовинтовые двигатели, такие как оригинальный Bristol Proteus и современный TP400, имеют свободные турбины. TP400 — это трехвальная конструкция с двумя компрессорными турбинами и отдельной силовой турбиной. Если турбина находится в задней части двигателя, турбовинтовой двигатель требует длинного приводного вала вперед к редуктору винта . Такие длинные валы могут быть сложной проблемой проектирования и должны тщательно контролировать любую вибрацию вала.
Для небольших турбовинтовых двигателей конструкция свободной турбины стала доминировать, и эти конструкции также в основном полностью перевернуты, с их воздухозаборником и компрессором сзади, подачей вперед в горячую секцию и силовой турбиной спереди. Это размещает выход турбины близко к редуктору винта, избегая необходимости в длинном приводном валу. Такие двигатели часто узнаваемы внешне, так как они используют внешние «коленчатые» выхлопы перед главным двигателем. Особенно распространенным примером этого является двигатель PT6 , которых было выпущено более 50 000.
Привлекательно простая конфигурация, использующая свободную турбину, — это двигатель с винтовентиляцией , с установленным сзади необтекаемым вентилятором в толкающей конфигурации , а не в более привычной тяговой компоновке. Первым таким двигателем был очень ранний и многообещающий Metropolitan-Vickers F.3 1942 года с обтекаемым вентилятором, за которым последовал необтекаемый и гораздо более легкий F.5 . Разработка этих двигателей резко прекратилась из-за корпоративных поглощений, а не по техническим причинам. Rolls-Royce продолжала проектные исследования для таких двигателей в 1980-х годах, [9] как и GE , но они еще не появились в качестве коммерческих двигателей. [10]
Преимущество толкающего винтовентилятора со свободной турбиной мощности заключается в его простоте. Лопасти винта крепятся непосредственно к внешней стороне вращающегося диска турбины. Не требуются редукторы или приводные валы. Короткая длина вращающихся компонентов также снижает вибрацию. Статическая структура двигателя на этой длине представляет собой трубу большого диаметра внутри турбины. В большинстве конструкций используются два противоположно вращающихся кольца турбины и пропеллера. Переплетенные противоположно вращающиеся турбины могут действовать как направляющие лопатки друг для друга, устраняя необходимость в статических лопатках. [9]
Основной боевой танк M1 Abrams оснащен двухвальным газотурбинным двигателем Honeywell AGT1500 (ранее Textron Lycoming ). Коммерческая производная была разработана как TF15 для морского и железнодорожного применения, [11] [12] а также была разработана летная версия PLT27, но проиграла крупный контракт турбовальному двигателю GE T700 . [13]
Турбовальные двигатели использовались для питания нескольких газотурбинных локомотивов , наиболее известными из которых были двигатели Turbomeca Turmo в службах Turbotrain (Франция) и Turboliner (США).