Turboeje de turbina libre

Motor de turboeje simplificado, con eje de transmisión trasero, como para un helicóptero. El carrete del compresor, la turbina y el compresor están en verde. La turbina de potencia libre está en violeta.

Un turboeje de turbina libre es una forma de turboeje o motor de turbina de gas turbohélice donde la energía se extrae de la corriente de escape de una turbina de gas mediante una turbina independiente, aguas abajo de la turbina de gas. La turbina de potencia no está conectada mecánicamente a la turbina de gas, de ahí el término "libre", que se refiere a la independencia del eje de salida de potencia (o carrete). Esto se opone a que la potencia se extraiga del eje de la turbina / compresor a través de una caja de engranajes.

La ventaja de la turbina libre es que las dos turbinas pueden funcionar a diferentes velocidades y que estas velocidades pueden variar entre sí. Esto es particularmente ventajoso para cargas variables, como motores turbohélice. ^[1]

Diseño

Turbina de gas Austin 250hp, seccionada.

Un turboeje de turbina libre ingiere aire a través de una entrada. El aire pasa a través de un compresor y entra en una cámara de combustión donde el combustible se mezcla con el aire comprimido y se enciende. Los gases de combustión se expanden a través de una turbina accionada por un compresor, y luego a través de una turbina de energía "libre" antes de ser descargados a la atmósfera. El compresor y su turbina están conectados por un eje común que, junto con la cámara de combustión, se conoce como generador de gas, que se modela mediante el ciclo Brayton . La turbina de potencia (libre) está en un eje separado.

Los motores turboeje se caracterizan a veces por la cantidad de carretes. Esto se refiere al número de conjuntos de compresor y turbina en la etapa del generador de gas y no incluye el conjunto de turbina de potencia libre. ^[2] Como ejemplo, el General Electric T64 es un diseño de un solo carrete que utiliza un compresor axial de 14 etapas; el eje de potencia independiente es coaxial con el eje del generador de gas. ^[3]

Riesgo de exceso de velocidad

Un escenario de falla particular, una falla de la caja de cambios, mostró que una disposición de turbina libre estaba más en riesgo que un turbohélice de un solo eje. Podría sufrir un exceso de velocidad de la turbina hasta la destrucción después de perder su conexión con la carga de la hélice. (En una disposición de un solo eje con una falla similar en la caja de engranajes, la turbina aún tendría la mayor parte de su carga del compresor). Tal falla resultó en el accidente de 1954 del segundo prototipo Bristol Britannia , G-ALRX, que se vio obligado a aterrizar en el estuario del Severn . Un fallo en la caja de cambios de la hélice de Bristol Proteus provocó un exceso de velocidad y la liberación de la turbina de potencia del motor Nº3. Cortó el tanque de aceite y provocó un incendio que amenazó la integridad del larguero del ala.. El piloto, Bill Pegg, hizo un aterrizaje forzoso en el lodo del estuario. ^{[4] [5]} Se rediseñaron los engranajes del Proteus y se instaló un dispositivo de corte de combustible de emergencia para evitar que se repita algo similar. En 1994, Gunston ^[1] encontró notable que la protección contra exceso de velocidad no fuera común en los motores de turbina libre. Sin embargo, las regulaciones de certificación permiten otros métodos para prevenir la sobrevelocidad excesiva, como el roce del disco y la interferencia de la cuchilla.

Aplicaciones

La mayoría de los motores turboeje y turbohélice ahora usan turbinas libres. Esto incluye los de generación de energía estática, como propulsión marina y particularmente para helicópteros.

Helicópteros

Wessex HAS.31B que muestra la entrada de aire circunferencial del Gazelle y los dos escapes (cubiertas rojas) por lado

Motor de helicóptero ucraniano MS-14VM, con un escape lateral típico y con el eje de potencia de salida de la turbina que lo atraviesa

Los helicópteros son un mercado importante para los motores turboeje. Cuando los motores turboeje estuvieron disponibles en la década de 1950, se adoptaron rápidamente tanto para nuevos diseños como para reemplazar los motores de pistón. Ofrecían más potencia y una relación potencia / peso mucho mejor. Los helicópteros de pistón de este período tenían un rendimiento apenas adecuado; el cambio a un motor de turbina podría reducir varios cientos de libras de peso del motor, 600 lb (270 kg) para el Napier Gazelle de Westland Wessex , ^[6] y también permitiría considerablemente más peso de carga útil. Para el Westland Whirlwind , esto convirtió el inadecuado HAS.7 con motor de pistón en el de Havilland Gnome.HAR.9. Como uno de los primeros helicópteros antisubmarinos, el HAS.7 había sido tan restringido en peso que podía llevar un sonar de búsqueda o un torpedo de ataque, pero no ambos.

Se encontró que el motor de turbina libre era particularmente adecuado. No necesita un embrague, ya que el generador de gas puede arrancarse mientras el eje de salida permanece estacionario. Para el Wessex, esto se utilizó para dar un despegue particularmente rápido desde un arranque en frío. Al bloquear el rotor principal (y la turbina de potencia) con el freno de rotor, el motor podría arrancar y luego, con el generador de gas a una velocidad de 10.500 rpm, el freno se soltó permitiendo que la turbina de potencia acelerara y llevara el rotor a su posición. velocidad de funcionamiento desde parado en solo 15 segundos y un tiempo desde el arranque del motor hasta el despegue de solo 30 segundos. ^[6]

Una ventaja adicional del diseño de turbina libre era la facilidad con la que se podía diseñar y fabricar un motor de contrarrotación, simplemente invirtiendo la turbina de potencia. ^[7] Esto permitió que los motores manuales se fabricaran en pares, cuando fuera necesario. También permitió motores contrarrotantes, donde el núcleo del generador de gas y la turbina de potencia giraban en direcciones opuestas, reduciendo el momento general de inercia. Para el mercado de reemplazo de motores de helicópteros, esta capacidad permitió que los motores anteriores de cualquier dirección se reemplazaran de manera simple. ^{[7] La} libertad omni-ángulo de algunos motores turboeje de su ángulo de instalación también permitió la instalación en diseños de helicópteros existentes, sin importar cómo se habían dispuesto los motores anteriores. ^[7] Sin embargo, con el tiempo, el movimiento hacia los compresores LP axiales y, por lo tanto, los motores de menor diámetro alentó un cambio al diseño ahora estándar de uno o dos motores colocados uno al lado del otro, horizontalmente sobre la cabina.

Aeronave

Haya T-34C con motor PT-6, mostrando los codos de escape delante del motor

Los aviones turbohélice todavía están propulsados ​​por una gama de motores de turbina libres y no libres. Los motores más grandes han conservado en su mayoría el diseño no libre, aunque muchos son diseños de dos ejes en los que la turbina de "potencia" impulsa la hélice y el compresor de baja presión, pero el compresor de alta presión tiene su propia turbina.

Algunos grandes motores turbohélice, como el Bristol Proteus original y el moderno TP400, tienen turbinas libres. El TP400 tiene un diseño de tres ejes, con dos turbinas compresoras y una turbina de potencia separada. Donde la turbina está en la parte trasera del motor, un motor turbohélice requiere un eje de transmisión largo hacia adelante a la caja de cambios de reducción de la hélice . Estos ejes largos pueden ser un problema de diseño difícil y deben controlar cuidadosamente cualquier vibración del eje.

Para los motores turbohélice pequeños, el diseño de turbina libre ha llegado a dominar y estos diseños también se invierten en su mayoría en general, con su entrada de aire y el compresor en la parte trasera, alimentando hacia adelante a la sección caliente y la turbina de potencia en la parte delantera. Esto coloca la salida de la turbina cerca de la caja de engranajes de la hélice, evitando la necesidad de un eje de transmisión largo. Estos motores suelen ser reconocibles desde el exterior, ya que utilizan escapes externos en forma de codo delante del motor principal. Un ejemplo particularmente común de esto es el motor PT6 , del cual se han producido más de 50.000.

Ventiladores de empuje

Ventilador no conducido GE36

Una configuración atractiva y simple que hace uso de la turbina libre es el motor propfan , con un ventilador no conducido montado en la parte trasera en configuración de empujador , en lugar del diseño de tractor más familiar. El primer motor de este tipo fue el muy temprano y prometedor Metropolitan-Vickers F.3 de 1942 con un ventilador con conductos, seguido por el F.5 no conducido y mucho más ligero . El desarrollo de estos motores se detuvo abruptamente debido a adquisiciones corporativas, más que a razones técnicas. Rolls-Royce continuó con los estudios de diseño de dichos motores en la década de 1980, ^[8] al igual que GE , pero aún no han aparecido como motores comerciales. ^[9]

La ventaja del ventilador propulsor con turbina de potencia libre es su simplicidad. Las palas de hélice están unidas directamente al exterior del disco de turbina giratorio. No se requieren cajas de cambios ni ejes de transmisión. La corta longitud de los componentes giratorios también reduce la vibración. La estructura estática del motor en esta longitud es un tubo de gran diámetro dentro de la turbina. En la mayoría de los diseños, se utilizan dos anillos de turbina y hélice contrarrotantes . Las turbinas contrarrotantes entrelazadas pueden actuar como álabes guía entre sí, eliminando la necesidad de álabes estáticos. ^[8]

Tierra y mar

Cambio de la turbina AGT1500 en un tanque M1 Abrams

El tanque de batalla principal M1 Abrams está propulsado por un motor de turbina de gas de dos carretes Honeywell AGT1500 (anteriormente Textron Lycoming ). Se diseñó un derivado comercial como el TF15 para aplicaciones marítimas y ferroviarias, ^{[10] [11]} y también se desarrolló una versión con clasificación de vuelo, el PLT27, pero se perdió un contrato importante con el turboeje GE T700 . ^[12]

Los motores turboeje se utilizaron para impulsar varias locomotoras de turbina de gas , sobre todo utilizando el servicio Turbomeca Turmo en Turbotrain (Francia) y Turboliner (Estados Unidos).

Ver también

• Motor de pistón libre
• Motor turbocompuesto

Referencias

1. Gunston, Bill (2006) [1995]. El desarrollo de motores aeronáuticos de turbina y jet (4ª ed.). Patrick Stephens Limited. págs. 43–44. ISBN 978-1-85260-618-3.
2. Parsons, Dan (18 de marzo de 2015). "La industria pide al Ejército de los Estados Unidos, uno o dos ejes para un nuevo motor de helicóptero" . FlightGlobal . Consultado el 30 de marzo de 2020 .
3. Ehrich, Frederic F. (5-9 de marzo de 1961). Revisión del diseño y desarrollo del motor turbohélice / turboeje T64 (PDF) . Conferencia y exhibición de energía de turbinas de gas. Washington, DC: Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos.
4. "Historia de Romeo X-Ray" . Fideicomiso de Preservación de Aeronaves de Britannia .
5. "Descripción del accidente - G-ALRX" . Red de seguridad operacional de la aviación .
6. "Wessex" . Vuelo . 29 de noviembre de 1957. p. 838.
7. "Aero Engines 1957" . Vuelo . 26 de julio de 1957. p. 118.
8. El motor a reacción (4ª ed.). Rolls-Royce plc . 1986. págs. 6, 53–54. ISBN 0-902121-04-9.
9. "¿Qué pasó con los propfans?" . Vuelo . 12 de junio de 2007.
10. Lauriat, TB (8 al 12 de junio de 1986). El AVCO-Lycoming TF15: una turbina de gas marina regenerativa (PDF) . Conferencia y exhibición internacional de turbinas de gas. Dusseldorf, Alemania: Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos.
11. Horan, Richard (1 al 4 de junio de 1992). Motor Textron Lycoming AGT1500: transición para aplicaciones futuras (PDF) . Congreso y Exposición Internacional de Turbinas de Gas y Aeromotores. Colonia, Alemania: Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos.
12. Leyes, Richard A .; Fleming, William A. (1999). La historia de los motores de aviones de turbina de gas pequeños de América del Norte . Reston, Virginia: Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica, Inc. págs. 218–222. ISBN 1-56347-332-1. Consultado el 30 de marzo de 2020 .