Silniki turbośmigłowe wykorzystywane są w lotnictwie, do napędzania zarówno małych, jak i dużych statków powietrznych. Pomimo wielu podobieństw do silników turbowentylatorowych, różnią się od nich m.in. charakterystyką i wydajnością pracy w określonych warunkach. Co warto wiedzieć o silnikach turbośmigłowych?
Czym jest silnik turbośmigłowy?
Silnik turbośmigłowy (ang. turboprop) to napęd wykorzystujący turbinę gazową do poruszania zewnętrznego śmigła napędowego. Silnik tego typu w uproszczeniu składa się z takich elementów jak:
- wlot powietrza;
- przekładnia planetarna (redukcja);
- kompresor (sprężarka);
- komora spalania;
- turbina;
- dysza wylotowa.
W przeciwieństwie do silników turbowentylatorowych lub turboodrzutowych, gazy wylotowe w silniku turbośmigłowym nie wytwarzają odczuwalnego ciągu (poniżej 10%), a niemal cała moc przekazywana jest bezpośrednio na śmigło.
Jak działa silnik turbośmigłowy?
W pierwszej fazie powietrze zasysane się poprzez wlot do komory kompresora (sprężarki osiowej lub promieniowej). Następnie pod wysokim ciśnieniem wtłaczane jest do komory spalania (pierścieniowej lub dzbanowej), gdzie dodatkowo wtryskiwana jest porcja paliwa i dochodzi do jego zapłonu (co ciekawa świeca zapłonowa pracuje wyłącznie do momentu zapłonu paliwa, później pozostaje wyłączona). Gorące gazy zasilają szereg turbin i jednocześnie wytwarzają ciąg, który przekazywany jest na śmigło. Część energii dodatkowo pożytkowana jest na napęd kompresora i zasilanie generatora elektrycznego.
Śmigło jest połączone z turbinami za pomocą przekładni planetarnej, tzw. reduktora. Takie rozwiązanie okazuje się wysoce wydajne, ponieważ reduktor przenosi niski moment obrotowy przy wysokich obrotach na wejściu na wysoki moment przy niskich obrotach na wyjściu.
W nowszych modelach silników turbośmigłowych, śmigło połączone jest z turbinami osobnym wałem, dzięki temu może obracać się niezależnie od prędkości obrotowej kompresora. Są to tzw. silniki z wolną turbiną, a moc przekazywana z głównego wału turbiny odbywa się na zasadzie gazo-dynamicznej. W teorii zatem można przytrzymać śmigło ręką podczas rozruchu silnika.
Sprawdź również: AVGAS – właściwości, zastosowanie, cena
Wydajność silnika turbośmigłowego
Śmigła w silnikach turbośmigłowych zachowują swoją wydajność aż do momentu, gdy prędkość powietrza na ich końcówkach nie przekracza prędkości dźwięku. Powyżej tej prędkości wydajność takiego silnika drastycznie maleje. Z tego powodu silniki turbośmigłowe montowane są w samolotach nieprzekraczających prędkości 0,6–0,7 Mach.
Aby zachować wydajność śmigła w szerokim zakresie prędkości względem powietrza, wykorzystuje się śmigła stałoobrotowe, ale ze zmiennym kątem nastawienia łopat wzdłuż własnej osi (ang. variable-pitch). Tym samym wraz ze wzrostem prędkości samolotu, zwiększa się kąt wychylenia łopat śmigieł, podczas gdy prędkość obrotowa śmigła pozostaje niezmieniona.
W przeciwieństwie do silników turbowentylatorowych, silniki turbośmigłowe zachowują swoją wydajność do prędkości 725 km/h. Wynika to z faktu, że prędkość gazów wylotowych i ciąg w ten sposób wytwarzany, są relatywnie niskie. Nowoczesne samoloty turbośmigłowe dysponują niemal takimi samymi osiągami, co mniejsze samoloty turbowentylatorowe, spalając przy tym o 1/3 mniej paliwa w przeliczeniu na 1 pasażera.
Sprawdź również: Ile pali samolot pasażerki?
Niezawodność
W latach 2012-2016 Australijskie Biuro ds. Bezpieczeństwa Transportu (ATSB) odnotowało 417 zdarzeń z udziałem samolotów turbośmigłowych, z czego 96% z nich zaliczało się do zdarzeń niskiego ryzyka. Tym samym można uznać, że silniki turbośmigłowe zaliczają się do konstrukcji o wysokiej niezawodności.
Zalety silników turbośmigłowych
Przedstawiamy korzyści wynikające z użytkowania silników turbośmigłowych w porównaniu do silników turbowentylatorowych:
- Niższe koszty serwisowania;
- Niższe spalanie jednostkowe;
- Większa moc w stosunku do masy silnika i samolotu;
- Większa wydajność przy wysokich prędkościach i na niskich wysokościach;
- Krótszy rozbieg i lądowanie;
- Możliwość lądowania na gruncie nieasfaltowym;
- Niższe wibracje i hałas w porównaniu do silników tłokowych.
Z uwagi na powyższe korzyści, w sporej części samolotów śmigłowych z silnikami tłokowymi, zainstalowano silniki turbośmigłowe. Taki manewr okazał się wysoce korzystny w przypadku ciężkich samolotów transportowych, latających na krótkich dystansach do ok. 5,5 tys. km i dla których czas lotu nie odgrywał większego znaczenia.
Wady silników turbośmigłowych
Niestety silniki turbośmigłowe na tle silników turbowentylatorowych nie są wolne od wad. Opisujemy poniżej:
- Niska prędkość przelotowa i dłuższy czas przelotu;
- Niska wysokość przelotowa (pułap ok. 7600–9000 metrów);
- Związana z powyższym większa podatność na turbulencje, hałas i niekorzystne warunki pogodowe;
- Krótszy zasięg lotu (do ok. 5–6 tys. kilometrów).
Zastosowanie silników turbośmigłowych
Silniki turbośmigłowe stosowane są zarówno w samolotach cywilnych, jak i wojskowych. Do najpopularniejszych modeli zaliczyć trzeba takie maszyny jak:
- Tupolev Tu-95;
- Lockheed L-188 Electra;
- Airbus A400M;
- Kuznetsov NK-12;
- ATR 42/72;
- Bombardier Q400;
- De Havilland Canada Dash 8;
- Beechcraft 1900;
- Saab 340;
- Piper Meridian;
- Socata TBM;
- Pilatus PC-12;
- Piaggio P.180 Avanti;
- Beechcraft King Air.
Współcześnie silniki turbośmigłowe znajdziemy głównie w niewielkich samolotach poddźwiękowych, których prędkość przelotowa nie przekracza 600 km/h. W te silniki wyposażona jest m.in. polska modyfikacja samolotu pasażersko-transportowego An-28 – PZL M-28 Bryza (prędkość przelotowa 350 km/h). Również wiele samolotów treningowych, wyposażona jest w napęd turbośmigłowy, tutaj wymienić można takie konstrukcje jak Embraer Tucano, Pilatus PC-9 czy polskiej produkcji PZL-130 Orlik.
Najmocniejszy silnik turbośmigłowy świata
Obecnie najmocniejszym silnikiem turbośmigłowym jest sowiecki Kuznetsov NK-12. Długa na 6 metrów wersja NK-12MV generuje 15 000 KM (11 000 kW) i zapewnia ciąg 2,78 kN przy prędkości obrotowej 9250 obr./min.
Przy maksymalnej mocy, silnik ten zasysa 65 kg powietrza w ciągu 1 sekundy. Całość waży 2,9 tony. Za sprężanie powietrza odpowiada 14-stopniowy kompresor, a za wytwarzanie ciągu 12 komór spalania i 5 turbin. Za smarowanie całości odpowiada olej dostarczany pod ciśnieniem 5,9 bara.
Najpopularniejsze silniki turbośmigłowe
Najpopularniejszą serią silników turbośmigłowych są silniki Pratt & Whitney Canada PT6, produkowane na terenie Kanady. Najpopularniejsza odmiana PT6A stosowana jest w samolotach o mocy od 580 do 1940 KM. Z kolei silniki z serii PT6B i PT6C znalazły zastosowanie w śmigłowcach. W przypadku silników przeznaczonych do maszyn wojskowych, stosuje się oznaczenia T74 lub T101. Do roku 2015 łączną produkcję silników PT6 szacuje się na ok. 51 tysięcy egzemplarzy.
Sprawdź również: