Свободная турбина турбовальный является формой газотурбинного или турбовинтового газотурбинного двигателя , где мощность извлекается из потока выхлопных газов газовой турбины независимой турбины, ниже по потоку от газовой турбины. Силовая турбина не связана механически с газовой турбиной, отсюда термин «свободный», относящийся к независимости выходного вала мощности (или золотника). Это противоположно тому, когда мощность отбирается от вала турбины / компрессора через коробку передач.
Преимущество свободной турбины состоит в том, что две турбины могут работать с разными скоростями, и эти скорости могут изменяться относительно друг друга. Это особенно выгодно для различных нагрузок, например, для турбовинтовых двигателей. [1]
Дизайн
Турбовал со свободной турбиной всасывает воздух через впускное отверстие. Воздух проходит через компрессор в камеру сгорания, где топливо смешивается со сжатым воздухом и воспламеняется. Газы сгорания расширяются через турбину с приводом от компрессора, а затем через «свободную» силовую турбину, прежде чем выбрасываются в атмосферу. Компрессор и его турбина связаны общим валом, который вместе с камерой сгорания известен как газогенератор, который моделируется 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 ступени газогенератора и не включает сборку свободной силовой турбины. [2] Например, General Electric T64 представляет собой одноступенчатую конструкцию, в которой используется 14-ступенчатый осевой компрессор; независимый приводной вал соосен валу газогенератора. [3]
Риск превышения скорости
Один конкретный сценарий отказа, отказ коробки передач, показал, что система со свободной турбиной подвергается большему риску, чем одновальный турбовинтовой двигатель. Из-за превышения скорости турбины он может разрушиться после потери связи с нагрузкой на гребной винт. (В одновальной схеме с аналогичным отказом коробки передач большая часть нагрузки на турбину будет приходиться на компрессор). Такая неудача привела к аварии в 1954 году второго прототипа Bristol Britannia , G-ALRX, который был вынужден приземлиться в устье реки Северн . Неисправность в редукторе гребного винта Bristol Proteus привела к превышению скорости и отключению силовой турбины двигателя №3. Он прорезал масляный бак и вызвал пожар, который поставил под угрозу целостность лонжерона крыла . Пилот Билл Пегг совершил вынужденную посадку на ил устья. [4] [5] Механизмы Proteus были переработаны, и было установлено устройство аварийного отключения подачи топлива, чтобы предотвратить подобное повторение. В 1994 году Ганстон [1] обнаружил примечательный факт, что защита от превышения скорости не распространена на двигателях с свободной турбиной. Однако правила сертификации допускают другие методы предотвращения чрезмерного превышения скорости, такие как трение диска и столкновение лезвий.
Приложения
В большинстве турбовальных и турбовинтовых двигателей теперь используются свободные турбины. Сюда входят те, которые используются для производства статической энергии, в качестве морских силовых установок и, в частности, для вертолетов.
Вертолеты
Вертолеты являются основным рынком сбыта турбовальных двигателей. Когда в 1950-х годах стали доступны турбовальные двигатели, они быстро стали применяться как в новых конструкциях, так и в качестве замены поршневых двигателей. Они предлагали большую мощность и лучшее соотношение мощности к весу. Поршневые вертолеты этого периода едва ли имели адекватные характеристики; переключатель для газотурбинного двигателя может одновременно уменьшить несколько сотен фунтов веса двигателя, 600 фунтов (270 кг) для Напир Газель от Westland Уэссексе , [6] , а также позволит значительно больший вес полезной нагрузки. Для Westland Whirlwind это преобразовало неадекватный поршневой двигатель HAS.7 в HAR.9 с турбинным двигателем de Havilland Gnome . Как один из первых противолодочных вертолетов, HAS.7 был настолько ограничен по весу, что мог нести либо поисковый гидролокатор, либо ударную торпеду, но не то и другое вместе.
Особенно подходящим оказался двигатель со свободной турбонаддувом. Муфта не требуется, так как газогенератор можно запустить, пока выходной вал остается неподвижным. Для Wessex это использовалось для особенно быстрого взлета с холодного старта. Блокируя главный ротор (и силовую турбину) тормозом ротора, можно запустить двигатель, а затем, при скорости газогенератора 10500 об / мин, отпустить тормоз, позволяя силовой турбине разогнаться и привести ротор в исходное положение. рабочая скорость из неподвижного состояния всего за 15 секунд, а время от запуска двигателя до взлета всего за 30 секунд. [6]
Еще одним преимуществом конструкции со свободной турбиной была легкость, с которой двигатель встречного вращения мог быть спроектирован и изготовлен простым реверсированием только силовой турбины. [7] Это позволяло при необходимости изготавливать ручные двигатели попарно. Это также позволило двигателям встречного вращения, в которых сердечник газогенератора и силовая турбина вращались в противоположных направлениях, уменьшая общий момент инерции. Для рынка замены вертолетных двигателей эта возможность позволила просто заменить предыдущие двигатели любого направления. [7] Всенаправленная свобода 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 двигателям меньшего диаметра стимулировал переход к теперь стандартной компоновке с одним или двумя двигателями, установленными бок о бок, горизонтально над кабиной.
Самолет
Турбовинтовые самолеты по-прежнему оснащены целым рядом газотурбинных двигателей со свободным и несвободным двигателем. Более крупные двигатели в основном сохранили несвободную конструкцию, хотя многие из них представляют собой двухвальные конструкции, в которых «силовая» турбина приводит в движение воздушный винт и компрессор низкого давления, но компрессор высокого давления имеет свою собственную турбину.
Некоторые большие турбовинтовые двигатели, такие как оригинальный Bristol Proteus и современный TP400, имеют свободные турбины. TP400 представляет собой трехвальную конструкцию с двумя компрессорными турбинами и отдельной силовой турбиной. Если турбина находится в задней части двигателя, то для турбовинтового двигателя требуется длинный приводной вал, направленный вперед к редуктору гребного винта . Такие длинные валы могут быть сложной проблемой при проектировании, и поэтому необходимо тщательно контролировать любую вибрацию вала.
В небольших турбовинтовых двигателях преобладает конструкция со свободной турбиной, и эти конструкции в основном полностью перевернуты: воздухозаборник и компрессор расположены сзади, подаются вперед к горячей секции и силовой турбине спереди. Таким образом, выход турбины находится рядом с редуктором гребного винта, что устраняет необходимость в длинном приводном валу. Такие двигатели часто узнаваемы внешне, поскольку в них используются внешние выхлопные трубы, расположенные впереди главного двигателя. Особенно распространенным примером этого является двигатель PT6 , которого было произведено более 50 000 экземпляров.
Толкающие винты
Привлекательной простой конфигурацией, использующей свободную турбину, является двигатель с пропеллером с установленным сзади вентилятором без тяги в толкающей конфигурации , а не в более привычной компоновке трактора. Первым таким двигателем был очень ранний и многообещающий Metropolitan-Vickers F.3 1942 года с вытяжным вентилятором, за которым последовал гораздо более легкий F.5 без наддува . Разработка этих двигателей была внезапно остановлена из-за корпоративных поглощений, а не по техническим причинам. Rolls-Royce продолжал исследования конструкции таких двигателей до 1980-х годов [8], как и GE , но они еще не появились в качестве коммерческих двигателей. [9]
Достоинством вытяжного винта со свободной силовой турбиной является его простота. Лопасти винта прикреплены непосредственно к внешней стороне вращающегося диска турбины. Никаких редукторов или приводных валов не требуется. Небольшая длина вращающихся компонентов также снижает вибрацию. Статическая конструкция двигателя на этой длине представляет собой трубу большого диаметра внутри турбины. В большинстве конструкций используются два противоположно вращающихся кольца турбины и гребного винта. Взаимодействующие турбины встречного вращения могут действовать как направляющие лопатки друг для друга, устраняя необходимость в статических лопатках. [8]
Земля и море
М1 Абрамс основной боевой танк питается от Honeywell AGT1500 (ранее Textron Lycoming ) два золотника газотурбинного двигателя. Был разработан коммерческий вариант TF15 для морских и железнодорожных применений [10] [11], а также была разработана летная версия PLT27, но главный контракт с турбовальным двигателем GE T700 был потерян. [12]
Турбовальные двигатели использовались для питания нескольких газотурбинных локомотивов , в первую очередь с использованием Turbomeca Turmo в Turbotrain (Франция) и Turboliner (США).
Смотрите также
- Свободнопоршневой двигатель
- Турбо-составной двигатель
Рекомендации
- ^ a b Ганстон, Билл (2006) [1995]. Развитие реактивных и турбинных авиационных двигателей (4-е изд.). Патрик Стивенс Лимитед. С. 43–44. ISBN 978-1-85260-618-3.
- ^ Парсонс, Дэн (18 марта 2015 г.). «Промышленность требует от армии США один или два вала для нового вертолетного двигателя» . FlightGlobal . Проверено 30 марта 2020 .
- ^ Эрих, Фредерик Ф. (5–9 марта 1961 г.). Обзор конструкции и разработки турбовинтового / турбовального двигателя T64 (PDF) . Конференция и выставка газотурбинной энергетики. Вашингтон, округ Колумбия: Американское общество инженеров-механиков.
- ^ «История Romeo X-Ray» . Britannia Aircraft Preservation Trust .
- ^ «Описание аварии - G-ALRX» . Сеть авиационной безопасности .
- ^ а б «Уэссекс» . Полет . 29 ноября 1957 г. с. 838.
- ^ а б в «Авиадвигатели 1957 года» . Полет . 26 июля 1957 г. с. 118.
- ^ а б Реактивный двигатель (4-е изд.). Rolls-Royce plc . 1986. С. 6, 53–54. ISBN 0-902121-04-9.
- ^ "Что случилось с пропфантами?" . Полет . 12 июня 2007 г.
- ^ Лауриат, ТБ (8–12 июня 1986 г.). AVCO-Lycoming TF15: Судовая регенеративная газовая турбина (PDF) . Международная конференция и выставка газовых турбин. Дюссельдорф, Германия: Американское общество инженеров-механиков.
- ^ Хоран, Ричард (1–4 июня 1992 г.). Textron Lycoming AGT1500 Engine - переход к будущим приложениям (PDF) . Международный конгресс-выставка газовых турбин и авиационных двигателей. Кельн, Германия: Американское общество инженеров-механиков.
- ^ Leyes, Ричард А .; Флеминг, Уильям А. (1999). История североамериканских малых газотурбинных авиационных двигателей . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики, Inc., стр. 218–222. ISBN 1-56347-332-1. Проверено 30 марта 2020 .