Турбовальный двигатель со свободной турбиной представляет собой разновидность турбовального или турбовинтового газотурбинного двигателя , в котором мощность извлекается из потока выхлопных газов газовой турбины независимой турбиной, расположенной после газовой турбины. Силовая турбина механически не связана с турбинами, приводящими в движение компрессоры, отсюда и термин «свободный», относящийся к независимости выходного вала (или золотника). Это противоположно тому, как мощность извлекается с вала турбины/компрессора через коробку передач.
Преимущество свободной турбины состоит в том, что две турбины могут работать на разных скоростях, и эти скорости могут меняться относительно друг друга. Это особенно выгодно для переменных нагрузок, например, для турбовинтовых двигателей. [1]
_Heritage_Motor_Centre,_Gaydon.jpg/1280px-Austin_gasturbine_engine_(cutaway)_Heritage_Motor_Centre,_Gaydon.jpg)
Турбовальный двигатель со свободной турбиной всасывает воздух через воздухозаборник. Воздух проходит через компрессор 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 перед выбросом в атмосферу. Компрессор и его турбина соединены общим валом, который вместе с камерой сгорания известен как газогенератор, моделируемый с использованием цикла Брайтона . (Свободная) силовая турбина находится на отдельном валу.
Турбовальные двигатели иногда характеризуются количеством золотников. Это относится к количеству компрессорно-турбинных агрегатов в газогенераторной ступени и не включает турбоагрегат свободной мощности. [2] Например, General Electric T64 представляет собой однозолотниковую конструкцию, в которой используется 14-ступенчатый осевой компрессор; независимый силовой вал соосен валу газогенератора. [3]
Один конкретный сценарий отказа, отказ коробки передач, показал, что конструкция со свободной турбиной подвергается большему риску, чем одновальный турбовинтовой двигатель. Превышение скорости турбины может привести к разрушению из-за потери связи с нагрузкой гребного винта. (В одновальной схеме с аналогичным отказом коробки передач турбина по-прежнему будет получать большую часть нагрузки от компрессора). Подобный сбой привел к катастрофе в 1954 году второго прототипа Bristol Britannia , G-ALRX, который был вынужден приземлиться в устье реки Северн . Неисправность винтового редуктора «Бристоль Протеус» привела к превышению оборотов и выходу из строя силовой турбины двигателя №3. Он пробил масляный бак и вызвал пожар, который поставил под угрозу целостность лонжерона крыла . Пилот Билл Пегг совершил вынужденную посадку на иле устья. [4] [5] Шестерни Proteus были переработаны и было установлено устройство аварийного отключения подачи топлива, чтобы предотвратить подобное повторение. В 1994 году Ганстон [1] обнаружил примечательным, что защита не является обычным явлением для двигателей со свободной турбиной. Однако правила сертификации допускают другие методы предотвращения чрезмерного превышения скорости, такие как трение диска и столкновение лезвий.
В большинстве турбовальных и турбовинтовых двигателей сейчас используются свободные турбины. Сюда входят электростанции для производства статической энергии, морские силовые установки и, в частности, вертолеты.
.jpg/1280px-HeliRussia_2010_(303-22).jpg)
Вертолеты являются основным рынком для турбовальных двигателей. Когда в 1950-х годах стали доступны турбовальные двигатели, они были быстро приняты как в новых конструкциях, так и в качестве замены поршневых двигателей. Они предлагали большую мощность и гораздо лучшее соотношение мощности и веса. Поршневые вертолеты того периода едва ли имели адекватные характеристики; Переход на газотурбинный двигатель может снизить вес двигателя на несколько сотен фунтов (600 фунтов (270 кг) для Napier Gazelle из Вестленда Уэссекса ) [6] , а также позволить значительно увеличить вес полезной нагрузки. Для Westland Whirlwind это превратило неадекватный HAS.7 с поршневым двигателем в HAR.9 с турбинным двигателем de Havilland Gnome . Будучи одним из первых противолодочных вертолетов, HAS.7 имел настолько ограниченный вес, что мог нести либо поисковый гидролокатор , либо торпеду, но не то и другое.
Двигатель со свободной турбиной оказался особенно подходящим. Сцепление не требуется, поскольку газогенератор можно запустить, пока выходной вал остается неподвижным. В случае с «Уэссексом» это использовалось для обеспечения особенно быстрого старта с холодного старта. Заблокировав несущий винт (и силовую турбину) с помощью тормоза ротора, можно было запустить двигатель, а затем, при скорости газогенератора 10500 об/мин, тормоз отпустить, позволяя силовой турбине ускориться и привести ротор в исходное положение. рабочая скорость с места всего за 15 секунд, а время от запуска двигателя до взлета всего за 30 секунд. [6]
Еще одним преимуществом конструкции свободной турбины была легкость, с которой можно было спроектировать и изготовить двигатель встречного вращения, просто реверсируя только силовую турбину. [7] Это позволило при необходимости изготавливать ручные двигатели парами. Это также позволило использовать двигатели встречного вращения, в которых ядро газогенератора и силовая турбина вращались в противоположных направлениях, уменьшая общий момент инерции. На рынке замены двигателей вертолетов эта возможность позволяла легко заменять предыдущие двигатели любого направления. [7] Всесторонняя свобода угла установки некоторых турбовальных двигателей также позволяла устанавливать их в существующие конструкции вертолетов, независимо от того, как были устроены предыдущие двигатели. [7] Однако со временем переход к осевым компрессорам низкого давления и, следовательно, к двигателям меньшего диаметра стимулировал переход к ныне стандартной компоновке одного или двух двигателей, установленных бок о бок горизонтально над кабиной.
Турбовинтовые самолеты по-прежнему оснащаются различными газотурбинными двигателями со свободной и несвободной турбиной. Двигатели большего размера в основном сохранили несвободную конструкцию, хотя многие из них представляют собой двухвальные конструкции, в которых «силовая» турбина приводит в движение пропеллер и компрессор низкого давления, а компрессор высокого давления имеет собственную турбину.
Некоторые большие турбовинтовые двигатели, такие как оригинальный Bristol Proteus и современный TP400, имеют свободные турбины. TP400 представляет собой трехвальную конструкцию с двумя турбинами компрессора и отдельной силовой турбиной. Если турбина расположена в задней части двигателя, для турбовинтового двигателя требуется длинный приводной вал, идущий вперед к редуктору гребного винта . Такие длинные валы могут стать сложной конструкционной проблемой, и поэтому необходимо тщательно контролировать любую вибрацию вала.
Для небольших турбовинтовых двигателей стала доминировать конструкция со свободной турбиной, и эти конструкции в целом также в основном перевернуты: воздухозаборник и компрессор расположены сзади, а подача воздуха идет вперед в горячую секцию и силовую турбину спереди. Это размещает выходную мощность турбины близко к редуктору гребного винта, что позволяет избежать необходимости в длинном карданном валу. Такие двигатели часто узнаваемы внешне, поскольку в них используются внешние «коленные» выхлопные трубы перед основным двигателем. Особенно распространенным примером является двигатель PT6 , которого было произведено более 50 000 штук.
Привлекательно простой конфигурацией, в которой используется свободная турбина, является винтовой двигатель с установленным сзади вентилятором без воздуховода в толкающей конфигурации , а не в более знакомой схеме трактора. Первым таким двигателем был очень ранний и многообещающий Metropolitan-Vickers F.3 1942 года с канальным вентилятором, за которым последовал бесканальный и гораздо более легкий F.5 . Разработка этих двигателей внезапно прекратилась из-за корпоративных поглощений, а не по техническим причинам. Rolls-Royce продолжал исследования конструкции таких двигателей в 1980-х годах [8] , как и GE , но они еще не появились в качестве коммерческих двигателей. [9]
Преимуществом толкающего винтовентилятора со свободной силовой турбиной является его простота. Лопасти винта прикреплены непосредственно к внешней стороне вращающегося диска турбины. Никакие коробки передач или приводные валы не требуются. Короткая длина вращающихся компонентов также снижает вибрацию. Статическая конструкция двигателя на этой длине представляет собой трубку большого диаметра внутри турбины. В большинстве конструкций используются два встречно вращающихся кольца турбины и воздушного винта. Взаимосвязанные турбины противоположного вращения могут выступать в качестве направляющих лопаток друг для друга, устраняя необходимость в статических лопатках. [8]
Основной боевой танк M1 Abrams оснащен двухкатушечным газотурбинным двигателем Honeywell AGT1500 (ранее Textron Lycoming ). Была разработана коммерческая модификация TF15 для морских и железнодорожных применений [10] [11] , а также была разработана летная версия PLT27, но она потеряла крупный контракт на турбовальный двигатель GE T700 . [12]
Турбовальные двигатели использовались для питания нескольких газотурбинных локомотивов , в первую очередь с использованием Turbomeca Turmo в сервисах Turbotrain (Франция) и Turboliner (США).