Silnik turbośmigłowy – turbina ze śmigłem

Latać szybko i wysoko – to idealne warunki dla silnika turboodrzutowego. A co, jeśli potrzeba napędu dla samolotu powolnego i na małej wysokości? Lepsze będzie śmigło, ale silnik tłokowy ma spore wady. Turbośmigłowy łączy prostotę koncepcji silnika turbinowego z wydajnością śmigła w szerokim zakresie prędkości i na różnych wysokościach, w tym przy małej prędkości na niewielkiej wysokości.

Koncepcja stworzenia silnika turbośmigłowego (turbiny gazowej napędzającej śmigło) pojawiła się równocześnie z pomysłem stworzenia silnika odrzutowego – w latach dwudziestych XX wieku. Działanie takiego silnika jest podobne do silnika odrzutowego – prężarka spręża powietrze, a to następnie trafia do komory spalania, dalej spaliny napędzają turbinę.

O ile w silniku turboodrzutowym ciąg wytwarza rozpędzone powietrze (spaliny i powietrze z drugiego przepływu) wyrzucane przez silnik do tyłu, to w silniku turbośmigłowym możliwie największa część energii spalin służy do napędzania turbiny, a ta napędza śmigło. Spaliny w silniku turbośmigłowym opuszczają silnik z niewielką prędkością, choć i tak mogą dać do 10%, a w szczególnych przypadkach do 20% ciągu.

Pierwszy poważny opis silnika turbośmigłowego opublikował w 1926 r. Alan A. Griffith. Opisał on problemy istniejących turbin gazowych sugerując, że podniesienie ich sprawności (w szczególności – podniesienie sprawności sprężarki przez zastosowanie łopatek o aerodynamicznym profilu) może pozwolić na napędzanie śmigła za pomocą turbiny gazowej. Griffith kilka lat po napisaniu tej pracy skoncentrował się na silnikach turboodrzutowych, ale jego pomysł podchwycił węgierski konstruktor György Jendrassik. Zbudowany w 1937 roku Jendrassik Cs-1 stał się pierwszym w historii silnikiem turbośmigłowym. Nie znalazł jednak zastosowania w żadnym, nawet prototypowym samolocie. Sprężarka osiowa (15-stopniowa) i turbina (11-stopniowa) o niskiej sprawności nie pozwoliły uzyskać wystarczającej mocy by uzasadnić zastosowanie tego silnika w miejscu silników spalinowych. Kiedy wybuchła druga wojna światowa, a Węgry zatrzymały prace nad projektami swoich samolotów – dalszy rozwój tego silnika stracił sens.

Pierwsze sukcesy

W Wielkiej Brytanii, Niemczech i Stanach Zjednoczonych w czasie wojny rozwój silników turbośmigłowych był ściśle związany z rozwojem silników odrzutowych. Brytyjski Rolls Royce RB.50 Trent był zmodyfikowanym silnikiem Derwent – dodano przekładnię redukcyjną i śmigło. Amerykanie podobne zmiany wprowadzili w silniku J31 (amerykańska wersja brytyjskiego Whittle W.1) – powstał T31. Niemcy wybrali mniej konwencjonalne rozwiązanie – w swoim Jumo 022 zastosowali dwa śmigła obracające się w przeciwnych kierunkach. Przed zakończeniem wojny powstał jeden egzemplarz tego silnika. Nigdy nie zabudowano go w samolocie.

Anglosasi mieli większe sukcesy. W 1945 r. dwa silniki Rolls Royce Trent zamontowano w Gloster Meteorze. „Trent Meteor” posłużył do intensywnych testów silników turbośmigłowych, wylatano z nimi 298 godzin. Mniejsze sukcesy odnieśli Amerykanie testujący swoje silniki w samolotach XF2R, XP-81 i XC-113. Pierwsze dwa miały pokazać potencjał samolotów napędzanych równocześnie silnikiem turboodrzutowym i turbośmigłowym. Ze względu na problemy z silnikami turbośmigłowymi początkowe testy wykonano ze sprawdzonymi silnikami tłokowymi. Po zamontowaniu silników turbośmigłowych nie stwierdzono poprawy parametrów. Koncepcję odrzucono. XC-113 był prototypem samolotu transportowego napędzanego silnikami turbośmigłowymi (wykorzystano kadłub C-46). Problemy z silnikami uniemożliwiły przeprowadzenie testów w locie. Projekt zarzucono.

Od prototypów do seryjnej produkcji

W drugiej połowie lat czterdziestych rozwój silników turbośmigłowych zaczął nabierać rozpędu. Brytyjczycy, nadal w czołówce, trzymali się sprawdzonego rozwiązania – sprężarki odśrodkowej. W 1946 Rolls Royce rozpoczął testy silnika RB.53 Dart. W 1948 pierwszy lot wykonał Vickers Viscount – pierwszy samolot pasażerski, który skorzystał z nowej technologii. Viscount odniósł komercyjny sukces, który był zwiastunem tego, który niedługo miały odnieść transatlantyckie odrzutowce i następne samoloty turbośmigłowe.

Za oceanem największe sukcesy odnosiła firma Allison. T40 łączył dwa silniki T38 przekładnią, która napędzała dwa przeciwbieżne śmigła. Powstały w ten sposób silnik miał wystarczającą moc by z powodzeniem wykorzystać go do prób i testów. Produkcja seryjna T40 i jego wersji rozwojowych nie rozpoczęła się, ale zdobyte doświadczenie zaowocowało nowym projektem. Zrezygnowano z układu podwójnego (w jednym z rozwinięć T40 rozważano nawet spięcie trzech silników T38), porzucono także dwa śmigła. Przebudowano i dopracowano sprężarkę (14-stopniową) i turbinę (4-stopniową). T56 oblatano w 1954 roku. Okazał się tak udany, że do dziś wyprodukowano 18 tysięcy egzemplarzy co czyni z niego jeden z najliczniej produkowanych silników lotniczych. Produkcja trwa nadal. Najsłynniejszym samolotem napędzanym T56 jest Lockheed C-130 Herkules.

Najmocniejszy silnik turbośmigłowy

Silniki turbośmigłowe zainteresowały również Sowietów. Już w 1945 „zatrudnili” oni niemieckich naukowców w ośrodku badawczym nad Wołgą – wyposażonym zresztą w maszyny i laboratoria przywiezione z zakładów, w których zatrudnieni naukowcy pracowali wcześniej. W ciągu następnych dwóch lat ośrodek rozwijał się głównie przez transfery doświadczonych pracowników (czytaj: Niemców) z różnych biur konstrukcyjnych rozrzuconych po całym ZSRR (były dyrektor techniczny fabryki silników Junkers nad Wołgę trafił z fabryki samolotów w Ufie, w Baszkirii – fabryka ta kierowana była przez towarzysza Klimowa, którego nazwisko jest silnie związane z rozwojem radzieckich silników odrzutowych). Kierując się typowo radzieckim podejściem stworzono dwa konkurencyjne zespoły projektowe, które otrzymały polecenie skonstruowania czterech silników – po jednym turboodrzutowym i turbośmigłowym. Zespołami kierowali inżynierowie o słowiańsko brzmiących nazwiskach Scheibe i Prestel. Pierwszy miał w swoim CV doświadczenie u Junkersa, drugi w BMW. W obu przypadkach projekty silników turboodrzutowych zostały wstrzymane ze względu na słabe postępy i zakup silnika Nene w Wielkiej Brytanii (później produkowany w ZSRR pod nazwą-nazwiskiem Klimowa). Silniki turbośmigłowe wyglądały bardziej perspektywicznie (i żadnego nie udało się kupić za granicą) – na nich skoncentrowały się wysiłki obu zespołów. Na przełomie 1947 i 1948 silnik 012B (podobieństwo oznaczenia do Jumo 012 nieprzypadkowe) był gotowy do prób państwowych. Niestety – w 94. godzinie 100-godzinnego testu turbina rozpadła się. Porównanie mocy i masy 012B z brytyjskim Nene wypadło bardzo niekorzystnie dla 012B. Projekt zarzucono.

Szczęśliwie, z Niemiec wywieziono jeszcze plany Jumo 022 – projektowanego przez Niemców od początku jako turbośmigłowy. W połowie 1948 rozpoczęto montaż prototypów, a w 1949 przygotowano hamownię. Pierwsze próby zakończyły się pomyślnie. 1950 i 1951 spędzono na testach i ulepszaniu silnika, który w tym okresie nosił oznaczenie TW-2 lub TW-022. Osiągnięto najpierw moc 6 tys. koni mechanicznych, następnie 7650 koni mechanicznych (to prawie dwukrotnie więcej niż Allison T56). Silnik sprawował się bardzo dobrze podczas wszystkich przeprowadzonych prób państwowych (100 godzinna i kilkadziesiąt godzin prób w locie). Wyniki prac były tak dobre, że część naukowców, w nagrodę, odesłano do Niemiec. Z rodzinami.

Reszta otrzymała nowe zadanie – podnieść moc silnika do 12 tys. koni mechanicznych. Pozostali w ZSRR niemieccy naukowcy doszli do wniosku, że najszybszym rozwiązaniem (w końcu chodziło o termin powrotu do domu) będzie połączenie dwóch silników TW-2 – wybrano więc rozwiązanie kilka lat wcześniej sprawdzone (i po testach odrzucone) przez Amerykanów. Zachowując podobieństwo do Amerykanów (w koncepcji, skala była zdecydowanie odmienna) wykorzystano centralnie umieszczoną przekładnię, która przenosiła napęd na dwa współosiowe śmigła. TW-2F umieszczono w prototypowym Tu-95 i 12 listopada 1952 wykonano pierwszy lot (przed zakończeniem naziemnych prób państwowych!). 100 godzinne próby państwowe ukazały w marcu i kwietniu 1953 mankamenty TW-2F – w szczególności problemy z przekładnią. Nie zakłóciło to jednak testów Tu-95, który latał do maja. Po awarii przekładni, samolot się rozbił.

Problemy na jakie natrafili konstruktorzy były jednak przewidywane już wcześniej. Zespół niemieckich i radzieckich konstruktorów już od 1951 pracował nad „zapasową” wersją silnika. Zamiast łączyć dwa, tym razem rozbudowano po prostu silnik. Powiększono sprężarkę, zwiększając ilość stopni turbiny do pięciu i zastosowano najnowocześniejsze stopy niklowo chromowe. Wprowadzono także najdoskonalszy do tej pory system kontroli jakości – badając nie tylko cały silnik, ale również – ponad sto pojedynczych elementów i systemów. Nowy silnik otrzymał oznaczenie TW-12, a później NK-12 (od nazwiska Nikołaja Kuzniecowa – dyrektora fabryki, w której silniki konstruowano). Próby zakończyły się pełnym sukcesem w 1953 – silnik trafił do produkcji seryjnej.

Osiągając ponad 12 tys. koni mechanicznych NK-12 jest najmocniejszym silnikiem turbośmigłowym w historii. Zastosowano je w bombowcach strategicznych Tu-95 (i ich morskich oraz rozpoznawczych odmianach), radzieckich samolotach pasażerskich dalekiego zasięgu Tu-114 i w transportowych An-22 (największych samolotach transportowych do momentu pojawienia się C-5 Galaxy). W nagrodę za osiągnięty sukces niemieccy naukowcy wrócili do Niemiec.

Wolna turbina

Równolegle do silników rozwijanych przez Rolls Royce brytyjska firma Bristol pracowała nad napędem do projektowanych samolotów Bristol Britania. Początkowo prace nad silnikami turbośmigłowymi nie dawały nadziei na sukces i Bristol nie był w stanie zagwarantować oczekiwanej przez linie lotnicze BOAC mocy. Przełomem był Proteus. Konstruktorzy w Bristol doszli do wniosku, że (analogicznie jak w silniku turbowentylatorowym) napędzanie sprężarki i śmigła jedną turbiną jest nieopłacalne. Proteus otrzymał dwustopniową turbinę napędową (napędzała przez przekładnię śmigło) oraz dwustopniową turbinę napędzającą sprężarkę. Takie silniki zamontowano w Bristol Britanii i w łodziach latających Saunders-Roe Princess. W tym ostatnim 10 silników napędzało 6 śmigieł (cztery silniki były zdwojone – jak w amerykańskim T40 i radzieckim TW-2F). Choć przełomowy dzięki zastosowaniu wolnej turbiny – Proteus nie był silnikiem udanym – cierpiał z powodu wad łopatek sprężarki i turbiny, a także z powodu źle dobranych łożysk. Źle zaprojektowane wloty powietrza sprzyjały oblodzeniu.

Przykładem silnika, który z powodzeniem wykorzystuje wolną turbinę (i przy okazji jest najliczniej produkowanym silnikiem turbośmigłowym) jest Pratt & Whitney Canada PT6. Silnik ten napędza kilkadziesiąt typów samolotów, w tym popularne wśród użytkowników symulatorów Cessny 208 Caravan, Twin Ottery, King Airy, czy Kodiaki. Wykorzystywane są również przy konwersjach samolotów napędzanych silnikami tłokowymi na napęd turbośmigłowy – PC-6, Piper PA46T czy Turbine Duke.

PT6A dobrze ilustruję budowę nowoczesnego silnika turbośmigłowego. Zbudowany w układzie odwróconym, czyli ze sprężarką z tyłu, a turbiną z przodu – ma krótszy wał napędowy i bardziej zwartą konstrukcję. Dla porównania – Proteus miał dwa wały, jeden w środku drugiego, co wydłużało wał napędowy i zwiększało masę.

Powietrze w PT6A kierowane jest wzdłuż całego silnika (co poprawia chłodzenie), następnie do sprężarki (w zależności od mocy silnika 3 lub 4 stopnie sprężarki osiowej i jeden stopień odśrodkowej), dalej do komory spalania, turbiny (jednostopniowa osiowa napędza sprężarkę, jedno lub dwustopniowa – śmigło). Spaliny uchodzą wydechem, który bardzo często zabudowany jest w przedniej części silnika.

Charakterystyczną cechą silników turbośmigłowych z wolną turbiną jest możliwość zatrzymania śmigła kiedy silnik pracuje na niskich obrotach. W niektórych samolotach komunikacyjnych stosuje się hamulec śmigła, co pozwala na bezpieczną pracę silnika (z zatrzymanym śmigłem) podczas obsługi samolotu na lotnisku. Silnik pracujący w takim trybie (tryb „hotelowy”) zastępuje pomocniczą jednostkę napędową (APU).

Kiedy silnik turbośmigłowy, a kiedy odrzutowy?

Silniki turbośmigłowe najlepiej sprawdzają się w samolotach osiągających średnie prędkości. Im bliżej prędkości dźwięku tym trudniej utrzymać sprawność śmigła. Aby uniknąć problemów wywołanych zbliżaniem się końcówek łopat do prędkości dźwięku, stosowane są wygięte łopaty śmigieł, ale nawet w takim przypadku ekonomiczny lot możliwy jest do prędkości około M 0,7. W przypadku wyższych prędkości bardziej wydajny jest napęd odrzutowy.

W konsekwencji – silniki turbośmigłowe zdominowały rynek samolotów lekkich, regionalnych samolotów pasażerskich, a także samolotów transportowych – szczególnie wojskowych, które wykorzystują wszechstronność i elastyczność napędu turbośmigłowego.

Wolna turbina czy przekładnia?

Historyczny podział konstrukcji na silniki z wolną turbiną i z przekładnią na wale turbiny gazowej pozostał aktualny i w tej chwili eksploatowane są oba rodzaje.

Wśród silników z wolną turbiną, obok PT6A, warto zauważyć T64 (DHC-5 Buffalo), rodzinę silników PW100 (Dash 8, ATR), AE 2100 (Saab 2000, C-130J Super Hercules), czeskie Walter M601 (PZL-130 Orlik, L410) i najmocniejsze silniki turbośmigłowe napędzające pojedyncze śmigła – TP400 (Airbus A400M).

W drugiej grupie śmigło połączone jest bezpośrednio z silnikiem przez przekładnię (precyzyjniej: z wałem turbiny gazowej lub z jednym z wałów turbiny gazowej, jeśli korzysta ona z kilku). Takie rozwiązanie zastosowano w Honeywell TPE331 (Garrett TPE331) napędzających Jetstreamy, Metrolinery, wojskowe OV-10 Bronco, a ostatnio drony Reaper. Obok nich – T56 (C-130, L-188 Electra, C-2 Greyhound, E-2 Hawkeye) i NK-12 (Tu-95, An-22).

Ciekawostką niech będzie T406 – rozwojowa wersja T56, w którym zmieniono zasadę działania – silnik otrzymał wolną turbinę i w takiej formie napędza V-22 Osprey.

Zalety wolnej turbiny przytłoczyły drugie rozwiązanie – zresztą widać to po typach wymienionych maszyn, poza dronami Reaper właściwie nie widać nowych konstrukcji napędzanych silnikami, w których śmigło byłoby połączone przekładnią bezpośrednio z wałem turbiny gazowej.

Przy odwróconym przepływie powietrza chłodzenie jest lepsze, a turbina znajduje się blisko śmigła. Choć są wyjątki – Turbomeca Arrius, nowoczesny silnik turbowałowy napędzający helikoptery, zbudowano w układzie z wolną turbiną i wałem napędowym umieszczonym wewnątrz wału turbiny gazowej – rozwiązanie przypominające bardziej silniki turbowentylatorowe.

W eksploatacji silniki z wolną turbiną i z przekładnią różnią się obrotami (ściślej: relacją obrotów do mocy).

Wolna turbina pozwala stosować zmienne obroty turbiny gazowej (im wyższa moc, tym wyższe obroty przy stałym momencie obrotowym lub nieznacznej zmianie momentu). Obroty śmigła regulowane są oddzielnie. Nie należy mylić wspomnianego wcześniej momentu obrotowego (turbiny gazowej) z momentem obrotowym turbiny napędowej (wolnej), który pilot obserwuje na wskaźnikach.

W geared-turbine obroty śmigła wymuszają określone obroty turbiny gazowej, co czyni te silniki zasadniczo stałoobrotowymi (w granicach normalnych zakresów pracy w locie). Zmienia się moment obrotowy (im wyższa moc tym wyższy moment obrotowy).

Zarządzanie silnikiem turbośmigłowym – power settings

PT6A

Za przykład niech posłuży szalenie popularny PT6A w wersji i konfiguracji typowej dla samolotów general aviation. Pozostałe możliwości pokażę jako różnice w stosunku do tego rozwiązania.

Typowy układ dźwigni kontrolujących pracę PT6A to trzy dźwignie – mocy (power), obrotów śmigła (propeller RPM / propeller speed, speed), i fuel lever / condition lever (będę tu używał wyłącznie nazw anglojęzycznych i będę się trzymał nazwy condition lever – tłumaczenie dowolne brzmiałoby dźwignia paliwa).

Power Lever – dźwignia mocy

Dźwignia mocy służy do regulacji dopływu paliwa do silnika oraz do regulacji skoku śmigła (w zakresie beta).

Pełny ruch dźwigni mocy można podzielić na dwa zakresy – alpha i beta. W zakresie Alpha dźwignia mocy kontroluje jedynie pracę regulatora paliwa. Im dźwignia przesunięta bardziej do przodu tym więcej paliwa jest podawane do komory spalania, tym wyższe są obroty turbiny gazowej.

Zakres beta do regulacji dopływu paliwa dodaje jeszcze sterowanie skokiem śmigła (bezpośrednio skokiem, nie obrotami!). Zakres beta dzieli się na zakres obrotów ciągu wstecznego (dźwignia najbardziej z tyłu – największy ciąg wsteczny), pozycji neutralnego ciągu (śmigło ustawione tak, by dawało możliwie najmniejszy ciąg) i zakres beta normalnego ciągu – używany przede wszystkim do kołowania – dźwignia mocy reguluje skok śmigła przy zachowaniu stałych lub bardzo podobnych obrotów.

Bezpośrednie sterowanie skokiem śmigła rozwiązuje największy problem silników turbośmigłowych – ograniczone możliwości pracy z niskimi obrotami. Kołowanie, które w silnikach tłokowych odbywa się na niskich obrotach, w silniku turbośmigłowym musi się odbyć przy obrotach (turbiny gazowej) relatywnie wysokich.

Propeller Speed Control Lever – dźwignia prędkości śmigła

Kontroluje prędkość obrotową śmigła za pomocą regulatora oraz pozwala ustawić śmigło w chorągiewkę (na wypadek awarii silnika w locie). Kontroluje prędkość obrotową śmigła jedynie w zakresie „Alpha”.

Śmigło stałoobrotowe (a tylko takie są stosowane w silnikach turbośmigłowych) zmienia automatycznie kąt natarcia łopat tak, by dopasować prędkość obrotową do zadanej. Zmniejsza, jeśli trzeba zwiększyć prędkość obrotową, zwiększa, jeśli trzeba tę prędkość zmniejszyć.

W PT6A śmigło sterowane jest za pomocą regulacji hydraulicznej.

Więcej o śmigłach tutaj.

Condition Lever / Fuel Lever

Dźwignia ta może się różnić w zależności od wersji PT6A, a nawet w zależności od konkretnego samolotu, w którym dany silnik jest zastosowany. Dźwignie paliwa zwykle mają dwa lub trzy stopnie:

• High Idle
• Low Idle
• Cut Off

Zamiast High Idle i Low Idle mogą wystąpić inne oznaczenia (zwykle będą miały ten sam sens) lub pojedyncze oznaczenie (Idle, Run lub podobne).

Ostatnia pozycja (Cut Off) odcina dopływ paliwa. Przesunięcie dźwigni na pozycję Low Idle uruchamia dopływ paliwa przy rozruchu silnika.

High Idle i Low Idle to dwie pozycje regulujące prędkość turbiny gazowej w momencie kiedy przepustnica znajduje się w pozycji idle (czyli na niskich obrotach i przy małym skoku śmigła). High Idle zwiększa obroty, co pozwala w określonych przypadkach zwiększyć wydajność wentylacji lub klimatyzacji. W niektórych samolotach High Idle może być potrzebne by generatory działały pod obciążeniem.

Szczegóły stosowania High/Low Idle zależą od innych systemów samolotu (stąd wiele samolotów pozbawionych tych opcji w ogóle – systemy świetnie sobie radzą przy jednej ściśle określonej prędkości obrotowej).

Zmiana low idle na high idle może skutkować większą prędkością kołowania (większy ciąg silników w pozycji idle – jak widać to nie jest jednak całkiem neutralny ciąg).

Dźwignia condition lever może mieć inne zastosowanie w silnikach innych niż PT6A (nieco dalej wspomnę o rodzinie PW100, gdzie dźwignia condition łączy funkcje dźwigni condition i dźwigni śmigła).

Wskazania silnika

Podstawowe parametry pracy silnika, które pilot obserwuje to:

• obroty sprężarki
• obroty śmigła
• moment obrotowy (wolnej turbiny)
• temperatura turbiny (TIT, ITT lub inne oznaczenie – należy sprawdzić jaki dokładnie pomiar ma miejsce i stosować ograniczenia odpowiednie do danego silnika i samolotu)
• przepływ paliwa
• temperatura i ciśnienie oleju (nie zawsze oba parametry)

Obroty sprężarki najczęściej będą podawane jako %, przy czym moc maksymalna może być osiągana przy prędkościach obrotowych przekraczających 100% (np. 101,4%).

Obroty śmigła są podawane jako %, gdzie 100% to najwyższe dopuszczalne obroty lub jako prędkość obrotowa w obrotach na minutę.

Moment obrotowy podaje się jako % (gdzie 100% to najwyższy dopuszczalny moment obrotowy), jako ft*lb (anglosaska jednostka – odpowiednik niutonometra) lub jako ciśnienie w psi (najrzadziej spotykane, wynika to z metody pomiaru momentu obrotowego – mierzone jest właśnie ciśnienie).

Temperatura podawana jest w stopniach C lub F (skrajnie rzadko).

Przepływ paliwa – w kilogramach, funtach na minutę, galonach lub litrach.