Samolot turbośmigłowy

Silnik turbośmigłowy NAMC YS-11 z czterołopatowym śmigłem

Turbośmigłowe ( słowo walizkowe od turboodrzutowca i śmigła ) to powszechna nazwa silnika odrzutowego z turbiną śmigła (w skrócie PTL ), często również po prostu określana jako turbina śmigła . Turbośmigłowy to silnik cieplny z ciągłym spalaniem wewnętrznym ( maszyna termoprzepływowa ) i jest używany głównie jako silnik lotniczy . Potocznie samolot napędzany PTL jest często określany jako „turbośmigłowy” (podobnie jak samolot z turbinowym napędem odrzutowym jest często określany jako „odrzutowy”).

Zastosowanie i użytkowanie

Ten typ silnika charakteryzuje się stosunkowo niskim jednostkowym zużyciem paliwa , dlatego stosowany jest głównie w samolotach transportowych i krótkodystansowych. Samoloty regionalne o prostych, nieskośnych skrzydłach i prędkości przelotowej od 500 do 700 km/h są obecnie głównym obszarem zastosowania silników turbośmigłowych w lotnictwie cywilnym. Samoloty z tymi silnikami są ograniczone do prędkości lotu do 80 procent prędkości dźwięku ( Mach 0,8  ), co odpowiada około 870 km/h na wysokości 8000 mw normalnych warunkach . W tym zakresie prędkości turbośmigłowe pracują bardziej ekonomicznie niż silniki czysto turbinowe.

Chociaż nowoczesne, wysokowydajne turbośmigłowe mogą również osiągać wysokość ponad 10 000 m (30 000 stóp), ze względów certyfikacyjnych są one zwykle ograniczone do maksymalnej wysokości 8 km (zgodnie z sekcją 21 LuftBO wszyscy członkowie załogi lotniczej na służbie muszą mieć pod ręką maski tlenowe na wysokości od 7600 m (25 000 stóp), podczas lotów na wysokości powyżej 6 000 m (20 000 stóp) samoloty do komercyjnego przewozu osób muszą posiadać kabinę ciśnieniową i pasażerski system tlenowy ). Ze względu na niższe ciśnienie powietrza w wyższych warstwach powietrza zmniejsza się również sprawność silników turbośmigłowych, dlatego coraz więcej jest tam stosowanych samolotów z turbowentylatorowymi silnikami odrzutowymi .

Innym obszarem zastosowań cywilnych są mniejsze samoloty biznesowe (przykład: Beechcraft King Air ) i samoloty rolnicze . W kategoriach wojskowych turbośmigłowe są wykorzystywane w taktycznych samolotach transportowych, takich jak C-130 Hercules lub w samolotach szkolno-szkolnych, takich jak Pilatus PC-21 .

Struktura i funkcjonalność

Schemat działania silnika turbośmigłowego:
 A śmigło
 B przekładnia
 C sprężarka
 D komora spalania
 E turbina
 F dysza wydechowa

Silnika turbośmigłowego składa się z turbiny gazowej , która napędza śrubę napędową, zwykle poprzez zmniejszenie prędkości przekładni . Ciąg silnika jest w dużej mierze generowany przez śmigło – gaz roboczy opuszczający dyfuzor wylotowy stanowi maksymalnie 10% ciągu całkowitego, co oznacza, że ​​zasada napędu różni się znacznie od silników turboodrzutowych i jest podobna do turbowentylatora. Aby wytworzyć ciąg, śmigło przemieszcza bardzo dużą ilość powietrza (również w porównaniu z ilością gazu roboczego przepływającego przez sam silnik), choć tylko nieznacznie go przyspiesza. Z kolei w przypadku czystych turboodrzutowych silników odrzutowych znacznie mocniej przyspieszane są znacznie mniejsze ilości czynnika napędowego.

W zależności od prędkości lotu, wysokości i obciążenia zmienia się kąt natarcia łopat śmigła tak, aby zarówno turbina jak i śmigło pracowały jak najbardziej konsekwentnie w optymalnym zakresie prędkości ( śmigło stałoobrotowe , śmigło o zmiennym skoku ).

Turbina gazowa dostarcza energię do napędzania śmigła. Zasysa powietrze, które jest sprężane w osiowej lub promieniowej, najczęściej wielostopniowej turbosprężarce . Następnie trafia do komory spalania, gdzie spala się wraz z nim paliwo. Gorący, wysokoenergetyczny gaz spalinowy przepływa przez turbinę, która zwykle jest osiowo i wielostopniowa, rozprężając się i schładzając. Energia przekazywana do turbiny napędza turbosprężarkę z jednej strony wałem, a śmigło z drugiej strony przekładnię . Te gazy spalinowe są wydalane do tyłu.

W porównaniu z konwencjonalnym napędem za pomocą silników tłokowych , turbiny śmigłowe mają tę zaletę, że mają mniejszą masę przy tej samej mocy (ok. 0,23 do 0,27 kg/kW) i mniejszą powierzchnię czołową przy mniejszym oporze powietrza.

Nafta jest zwykle stosowana jako paliwo do silników turbośmigłowych w lotnictwie .

Turbina wolnobieżna

Turbina wolnobieżna (kolor zielony) na własnym wale turbina (kolor czerwony) generatora gazu napędza sprężarkę (kolor niebieski) oraz zespoły pomocnicze (kierunek lotu w prawo).

Niektóre turbośmigłowe mają turbinę wolnobieżną. W tym przypadku stopnie turbiny, które napędzają sprężarkę i jednostki pomocnicze oraz właściwa turbina napędowa, nie są ze sobą sprzężone na wspólnym wale. Generator gazu, który składa się ze sprężarki i własnej turbiny (stopień), generuje przepływ gazu, który działa na mechanicznie odseparowany stopień turbiny napędzający śmigło. W przypadku tych silników prędkości generatora gazu i użyteczny poziom mocy mogą się zatem znacznie różnić w zależności od stanu pracy. W mniejszych wersjach turbiny napędowe są jedno- lub dwustopniowe, sprężarki można łączyć ze sprężarkami promieniowymi i osiowymi. Taka konstrukcja jest często stosowana w helikopterach, ponieważ umożliwia uruchomienie silnika lub generatora gazu, gdy wirnik jest utrzymywany w miejscu przez hamulec wirnika (np. CH-53G ). Dzięki temu zbędne jest stosowanie rozłączalnych sprzęgieł mechanicznych między turbiną a obciążeniem, ponieważ układ wirnika nie musi być obracany przez rozrusznik ze względu na stopnie turbiny, które są połączone tylko dynamiką gazu, ale nie mechanicznie. Dotyczy to również procesu rozruchu turbin śmigłowych z wolnym kołem, ponieważ turbina napędowa, przekładnia śmigła i śmigło nie mają bezpośredniego połączenia ciernego z rozrusznikiem, co może łatwiej doprowadzić wał generatora gazu do prędkości rozruchowej.

Koncepcja ta jest również stosowana w samolotach stałopłatowych, takich jak Pilatus PC-7 , który jest napędzany turbiną śmigłową Pratt & Whitney Canada PT6 . W niektórych konstrukcjach napędy z turbiną wolnobieżną pokonywane są przez przepływ gazu w kierunku przeciwnym do rzeczywistego kierunku lotu (powietrze wlatujące do sprężarki od tyłu), zwykle z charakterystycznymi rurami wydechowymi w przedniej części osłony silnika. Zaletą jest to, że wirnik generatora gazu (sprężarka i turbina) nie musi być skonstruowany z wydrążonym wałem współosiowym, ale wystarczy proste krótkie wały, aby przenieść siły napędowe generowane przez poszczególne stopnie turbiny na tył kompresora i do przodu przekładni śmigła do przeniesienia, co znacznie upraszcza budowę takich silników.

Napędy do przeszczepów

McDonnell Douglas MD-81 z wentylatorem śmigła z tylnymi śmigłami

Silniki Antonowa An-70 ze współosiowymi, przeciwbieżnymi śmigłami z elementami turbośmigłowymi i śmigłowymi

W nowoczesnych silnikach coraz częściej stosuje się śmigła z pięcioma, a często więcej zachodzącymi na siebie łopatkami, które zwykle mają kształt sierpa i są szerokie, mają bardzo cienki profil, a czasem nawet pracują jako para przeciwbieżna na dwóch współosiowych wałach turbiny. W rezultacie tę samą przepustowość powietrza można osiągnąć przy krótszej długości łopatek i/lub mniejszej prędkości. Mniejsza prędkość na końcach ostrzy skutkuje niższym poziomem hałasu. Ponadto jest to jedyny sposób na utrzymanie aktualnych prędkości na końcach łopatek poniżej zakresu prędkości dźwięku i zmniejszenie związanych z tym ogromnych sił tarcia. Takie silniki są często określane jako silniki wentylatorów śmigła . Nazewnictwo opiera się na silnikach turbowentylatorowych , które mają wentylator ( stopień dmuchawy ) umieszczony przed rdzeniem turbiny, który kieruje wielokrotnością masy powietrza przepływającego przez turbinę wokół niej. Podczas gdy współczynnik przepływu obejściowego w nowoczesnych silnikach turbowentylatorowych wynosi około 9:1, to około 20:1 w silnikach śmigłowych i około 100:1 w konwencjonalnych silnikach turbośmigłowych. Udział ciągu turbiny w całkowitym napędzie jest więc większy w przypadku śmigłowych wentylatorów niż w przypadku konwencjonalnych turbośmigłowych.

W latach 80. podjęto intensywne wysiłki badawcze w celu optymalizacji liczby, kształtu i rozmieszczenia płatów. Zewnętrznie mechanizmy napędowe śmigła zwykle różnią się od konwencjonalnych turbośmigłowych jedynie konstrukcją śmigieł. Jednak napędy wszczepowe, w których łopatki są umieszczone za turbiną, pozostawiają dość nietypowe wrażenie wizualne.

Historia i przykłady

Jendrassik CS-1 wystawiony w Muzeum Techniki i Komunikacji, Budapeszt

• Zaprojektowany przez György Jendrassika w 1937 roku iz powodzeniem wprowadzony do eksploatacji w 1940 roku, Jendrassik CS-1 był pierwszym na świecie sprawnym silnikiem turbośmigłowym. Silnik miał być używany w węgierskim samolocie rozpoznawczym, ale ze względu na problemy ze stabilnością osiągał tylko 400 KM zamiast pierwotnie planowanych 1000 KM. Projekt został przerwany przez budapeszteńską firmę Ganz & Co , gdy węgierska armia zdecydowała się na produkty licencyjne Messerschmitt AG .
• Pierwszy niemiecki silnik turbośmigłowy ( BMW 109-028 ) planowano na luty 1941
• Pierwszy na świecie lot samolotem turbośmigłowym odbył się 20 września 1945 roku: Gloster Meteor został wyposażony w silniki Rolls-Royce Trent (RB.50) . Był to zmodyfikowany Rolls-Royce Derwent, który napędzał pięciołopatowe śmigła za pośrednictwem skrzyni biegów .
• Pierwszym masowo produkowanym samolotem turbośmigłowym był Vickers Viscount (pierwszy lot w 1948).
• Największym samolotem z tego typu silnikiem jest Antonow An-22 , którego silniki Kuzniecow NK-12 MA, opracowane przez niemieckich ekspertów Junkers pod kierunkiem Ferdinanda Brandnera , o mocy 11 188 kW (15 211 KM) są najmocniejszymi silnikami turbośmigłowymi. kiedykolwiek zbudowany.
• Najszybszym i największym samolotem pasażerskim turbośmigłowym używanym w regularnej służbie był Tupolew Tu-114 . Samolot był również wyposażony w silniki Kuzniecow NK-12. (Prędkość przelotowa 770 km/h)
• Najszybszym samolotem turbośmigłowym jest radziecki bombowiec Tupolew Tu-95 , który – wyposażony również w wariant silnika Kuzniecow NK-12 – osiąga maksymalnie około 900 km/h.
• Najmniejsze serie maszyn turbośmigłowych są również obsługiwane przez posiadaczy licencji pilota prywatnego (PPL) z odpowiednią „instrukcją wysokich osiągów” i często są to Piper PA-46 Malibu Meridian lub konwersje Cessny 205/206/207 .
• Wojskowy samolot transportowy Airbus A400M jest napędzany czterema turbośmigłowymi TP400-D6 , z których każdy o mocy 8200 kW jest jednym z trzech największych tego typu i wykorzystuje śmigła w kształcie sierpa. W 2011 roku były pierwszymi silnikami wojskowymi, które otrzymały bezpośrednią zgodę cywilną od EASA.

linki internetowe

Indywidualne dowody

1. ↑ Willy JG Bräunling: Silniki lotnicze: podstawy, termodynamika aerodynamiki, procesy cyrkularne, turbomaszyny cieplne, komponenty i emisje. (książka VDI), Springer, 2004, ISBN 3-540-40589-5 , s. 23; ograniczony podgląd w wyszukiwarce Google Book
2. ^ Helmut Kreuzer: Wszystkie samoloty śmigłowe od 1945 roku Air Gallery Edition, Erding 1999, ISBN 3-9805934-1-X , s. 164.
3. ↑ FlugRevue lipiec 2011, s. 16, zatwierdzenie EASA dla TP400