Silnik turbośmigłowy – historia, zasada działania i zastosowanie

W artykule przyjrzymy się bliżej historii tego wynalazku, zasadzie działania, budowie oraz różnicom w stosunku do innych typów silników. Wyjaśnimy też, czym różni się silnik turbośmigłowy od śmigłowego i jakie są podobieństwa i różnice między nim a silnikiem turboodrzutowym.

Już na początku XX wieku inżynierowie zaczęli badać możliwości wykorzystania turbin gazowych w samolotach. Lata 20. i 30. XX wieku przyniosły przełomowe rozwiązania, które znacząco wpłynęły na rozwój lotnictwa.

Silnik turbośmigłowy działa na zasadzie wykorzystania energii spalin do napędzania śmigła. Jego działanie można podzielić na kilka etapów:

1. Sprężanie powietrza
   Powietrze zasysane do silnika jest sprężane przez sprężarkę osiową lub promieniową.
2. Spalanie
   Sprężone powietrze miesza się z paliwem w komorze spalania. W wyniku zapłonu powstają gorące gazy, które gwałtownie się rozszerzają.
3. Napędzanie turbin
   Gorące gazy przechodzą przez turbinę, która przekształca ich energię w ruch obrotowy.
4. Przekazywanie mocy na śmigło
   Turbina napędza wał połączony ze śmigłem, które generuje ciąg niezbędny do lotu.

Silnik turbośmigłowy składa się z kilku kluczowych elementów:

• Sprężarka – spręża powietrze przed jego wprowadzeniem do komory spalania.
• Komora spalania – miejsce, w którym paliwo miesza się z powietrzem.
• Turbina – przekształca energię gazów na ruch obrotowy.
• Śmigło – generuje ciąg dzięki energii dostarczanej przez turbinę.

Silniki turbośmigłowe wykorzystują dwa podstawowe typy mechanizmów przekazywania mocy z turbiny na śmigło: wolną turbinę i przekładnię mechaniczną. Oba rozwiązania różnią się konstrukcją, zasadą działania oraz zastosowaniem, co ma kluczowe znaczenie dla charakterystyki pracy silnika i jego wydajności.

Wolna turbina to rozwiązanie, w którym śmigło napędzane jest przez oddzielną turbinę, niezależną od sprężarki.

• Zasada działania
  W silnikach z wolną turbiną spaliny opuszczające sekcję turbiny sprężarki przepływają przez dodatkowy stopień turbiny – tzw. turbinę wolną. Turbina ta napędza wał, który jest połączony bezpośrednio z piastą śmigła. Kluczowym elementem tego układu jest brak fizycznego połączenia między wałem turbiny sprężarki a wałem śmigła – umożliwia to niezależną regulację prędkości obrotowej śmigła w stosunku do pracy sprężarki.
• Zalety wolnej turbiny
  1. Lepsza kontrola prędkości obrotowej śmigła: Pozwala na bardziej precyzyjne dostosowanie prędkości obrotowej śmigła do warunków lotu i obciążenia.
  2. Mniejszy wpływ na sprężarkę: Obciążenie śmigła nie wpływa bezpośrednio na prędkość pracy sprężarki, co poprawia stabilność pracy silnika.
  3. Cicha praca: Brak przekładni redukującej prędkość zmniejsza poziom hałasu.
• Przykłady zastosowania
  Silniki z wolną turbiną są często stosowane w mniejszych samolotach turbośmigłowych, takich jak Beechcraft King Air czy Pilatus PC-12, gdzie kluczowa jest efektywność i elastyczność pracy w różnych warunkach lotu.

W silnikach z przekładnią mechaniczną moc z turbiny przenoszona jest na śmigło za pośrednictwem przekładni redukcyjnej.

• Zasada działania
  W tym układzie turbina napędza wał, który z kolei jest połączony z przekładnią redukcyjną. Zadaniem przekładni jest obniżenie prędkości obrotowej wału turbiny do wartości odpowiedniej dla śmigła. Przekładnia zapewnia, że śmigło, które pracuje optymalnie przy niskich obrotach (zwykle kilka tysięcy obrotów na minutę), może być zasilane przez turbinę pracującą przy znacznie wyższych prędkościach (rzędu kilkunastu tysięcy obrotów na minutę).
• Zalety przekładni mechanicznej
  1. Optymalne wykorzystanie mocy turbiny: Pozwala na przeniesienie wysokiej mocy turbiny bez przeciążania śmigła.
  2. Prostsza konstrukcja turbiny: Brak dodatkowego stopnia wolnej turbiny sprawia, że silnik może być bardziej kompaktowy.
• Wady przekładni mechanicznej
  1. Hałas i drgania: Przekładnia mechaniczna może generować hałas i wibracje, które wymagają dodatkowego tłumienia.
  2. Skłonność do zużycia: Elementy przekładni są narażone na zużycie, co wymaga regularnej konserwacji.
• Przykłady zastosowania
  Silniki z przekładnią są powszechnie używane w większych samolotach turbośmigłowych, takich jak Lockheed C-130 Hercules (wyposażony w silnik Allison T56), gdzie wymagana jest wysoka moc i trwałość przy długotrwałych operacjach.

Ten pierwszy jest bardziej wydajny na dużych wysokościach i przy większych prędkościach niż silnik tłokowy. Oto kluczowe różnice:

• Moc i wydajność
  Silniki turbośmigłowe są lżejsze i generują większą moc w stosunku do masy niż silniki tłokowe.
• Prostota konstrukcji
  Brak wielu ruchomych części, takich jak tłoki czy zawory, czyni je bardziej niezawodnymi.
• Ograniczenia silnika tłokowego
  Silniki tłokowe mają ograniczoną wydajność przy dużych prędkościach i wysokościach, co czyni je mniej efektywnymi w lotnictwie pasażerskim.

Silnik turboodrzutowy generuje ciąg bezpośrednio z gazów wylotowych, podczas gdy ten drugi przekazuje większość energii na śmigło i jest bardziej efektywny przy prędkościach poddźwiękowych na mniejszych wysokościach, natomiast turboodrzutowy sprawdza się lepiej w lotach z dużą prędkością.

Najmocniejszym silnikiem tego typu jest rosyjski NK-12, używany w bombowcach Tu-95. Generuje on moc rzędu 15 000 KM. Nie ma równych w swojej klasie.

Silnik turbośmigłowy, dzięki swojej wydajności i wszechstronności, pozostaje niezastąpionym rozwiązaniem w lotnictwie, szczególnie w samolotach pasażerskich i wojskowych.