Silnik turbiny lotniczej składa się z wlotu powietrza, sprężarki, komory spalania, sekcji turbiny i wydechu. Ciąg jest wytwarzany przez zwiększenie prędkości powietrza przepływającego przez silnik. Silniki turbinowe są bardzo pożądanymi elektrowniami lotniczymi. Charakteryzują się płynną pracą i wysokim stosunkiem mocy do masy oraz wykorzystują łatwo dostępne paliwo do silników odrzutowych. Przed niedawnymi postępami w zakresie materiałów, projektowania silników i procesów produkcyjnych stosowanie silników turbin w małych/lekkich samolotach produkcyjnych było kosztowne. Obecnie kilku producentów lotnictwa produkuje lub planuje produkcję małych/lekkich samolotów napędzanych turbinami. Te mniejsze statki powietrzne napędzane turbiną zazwyczaj mieszczą się od trzech do siedmiu pasażerów i są określane jako bardzo lekkie odrzutowce (VLJ) lub mikroodrzutowe. [Rysunek 6-22]

6.9.1 Rodzaje silników turbinowych #

Silniki turbinowe są klasyfikowane według rodzaju używanych sprężarek. Istnieją trzy typy sprężarek — przepływ odśrodkowy, przepływ osiowy i przepływ odśrodkowy. Kompresja powietrza wlotowego uzyskuje się w silniku przepływu odśrodkowego poprzez przyspieszenie powietrza na zewnątrz prostopadle do osi wzdłużnej maszyny. Silnik z przepływem osiowym spręża powietrze przez szereg obrotowych i stacjonarnych profili poruszających powietrze równolegle do osi wzdłużnej. Konstrukcja przepływu odśrodkowego-osiowego wykorzystuje oba rodzaje sprężarek, aby uzyskać pożądaną kompresję.

Droga, jaką powietrze przechodzi przez silnik i sposób wytwarzania mocy, określa typ silnika. Istnieją cztery typy silników turbin lotniczych: Turbojet, Turbośmig, Turbofan i TurboShaft.

6.9.2 Turboodrzutowy #

Silnik turboodrzutowy składa się z czterech sekcji: sprężarki, komory spalania, sekcji turbiny i wydechu. Sekcja sprężarki przepuszcza powietrze wlotowe z dużą prędkością do komory spalania. Komora spalania zawiera wlot paliwa i zapalnik do spalania. Rozprężające się powietrze napędza turbinę, która jest połączona za pomocą wału ze sprężarką, podtrzymując pracę silnika. Przyspieszone spaliny z silnika zapewniają ciąg. Jest to podstawowe zastosowanie sprężania powietrza, zapalania mieszanki paliwowo-powietrznej, wytwarzania mocy w celu samodzielnego utrzymania pracy silnika i wydechu do napędu. [Rysunek 6-23]

Silniki turboodrzutowe są ograniczone pod względem zasięgu i wytrzymałości. Powoli reagują również na aplikacje przepustnicy przy niskich prędkościach sprężarki.

6.9.3 Turbośmigłowy #

Silnik turbośmigłowy to silnik turbinowy, który napędza śmigło przez przekładnię redukcyjną. Gazy spalinowe napędzają turbinę energetyczną połączoną za pomocą wału, który napędza zespół przekładni redukcyjnej. Przekładnia redukcyjna jest konieczna w silnikach turbośmigłowych, ponieważ optymalne osiągi śmigła osiągane są przy znacznie niższych prędkościach niż obroty silnika. Silniki turbośmigłowe są kompromisem między silnikami turboodrzutowymi a silnikami tłokowymi. Silniki turbośmigłowe są najbardziej wydajne przy prędkościach od 250 do 400 mil na godzinę i wysokości między 18 000 a 30 000 stóp. Działają również dobrze przy wolnych prędkościach wymaganych do startu i lądowania oraz są oszczędne. Minimalne specyficzne zużycie paliwa przez silnik turbośmigłowy jest zwykle dostępne w zakresie wysokości 25 000 stóp do tropopauzy. [Rysunek 6-24]

6.9.4 Turbowentylator #

Turbofany zostały opracowane, aby łączyć jedne z najlepszych cech TurboJet i Turbośmigł. Silniki turbowentylatorowe są zaprojektowane tak, aby tworzyć dodatkowy ciąg poprzez skierowanie wtórnego przepływu powietrza wokół komory spalania. Powietrze obejściowe Turbofan generuje zwiększony ciąg, chłodzi silnik i pomaga w tłumieniu hałasu wydechowego. Zapewnia to prędkość rejsu typu TurboJet i niższe zużycie paliwa.

Powietrze wlotowe, które przechodzi przez silnik turbowentylatorowy, jest zwykle podzielone na dwa oddzielne strumienie powietrza. Jeden strumień przechodzi przez rdzeń silnika, a drugi strumień omija rdzeń silnika. To właśnie ten obejście strumienia powietrza jest odpowiedzialne za termin „silnik obejściowy”. Współczynnik obejściu turbofanowego odnosi się do stosunku masowego przepływu powietrza, który przechodzi przez wentylator podzielony przez masowy przepływ powietrza, który przechodzi przez rdzeń silnika. [Rysunek 6-25]

6.9.5 Turbował #

Czwartym powszechnym typem silnika odrzutowego jest turbosprężenie. [Rysunek 6-26] Dostarcza moc do wału, który napędza coś innego niż śmigło. Największa różnica między silnikiem turboodrzutowym a silnikiem turboshaft polega na tym, że na

Silnik turboshaft, większość energii wytwarzanej przez rozszerzające się gazy jest wykorzystywana do napędzania turbiny, a nie wytwarzania ciągu. Wiele śmigłowców korzysta z turbosprężarki gazowej turbiny gazowej. Ponadto silniki turboshaft są szeroko stosowane jako pomocnicze jednostki napędowe w dużych samolotach.

6.9.6 Instrumenty silnika turbiny #

Instrumenty silnika, które wskazują ciśnienie oleju, temperaturę oleju, prędkość obrotową silnika, temperaturę spalin i przepływ paliwa, są wspólne dla silników turbinowych i tłokowych. Istnieją jednak pewne instrumenty, które są unikalne dla silników turbinowych. Przyrządy te dostarczają wskazania stosunku ciśnienia silnika, ciśnienia tłoczenia turbiny i momentu obrotowego. Ponadto większość silników turbin gazowych ma wiele przyrządów wykrywających temperaturę, zwanych termoparami, które zapewniają pilotom odczyty temperatury w sekcji turbiny i wokół niej.

6.9.7 Stosunek ciśnienia do silnika (EPR) #

Wskaźnik współczynnika ciśnienia silnika (EPR) służy do wskazania mocy silnika TurboJet/Turbofan. EPR to stosunek wylotu turbiny do ciśnienia wlotowego sprężarki. Pomiary ciśnienia są rejestrowane przez sondy zainstalowane na wlocie silnika i na wydechu. Po zebraniu dane są przesyłane do przetwornika różnicy ciśnień, który jest wskazany na wskaźniku EPR pokładu pokładowego. Konstrukcja systemu EPR automatycznie kompensuje efekty prędkości i wysokości. Zmiany temperatury otoczenia wymagają zastosowania korekty do wskazań EPR, aby zapewnić dokładne ustawienia mocy silnika.

6.9.8 Temperatura spalin (EGT) #

Czynnikiem ograniczającym w silniku turbiny gazowej jest temperatura sekcji turbiny. Temperatura przekroju turbiny musi być ściśle monitorowana, aby zapobiec przegrzaniu łopatek turbiny i innych elementów sekcji wydechowej. Jednym z powszechnych sposobów monitorowania temperatury sekcji turbiny jest miernik EGT. EGT to limit pracy silnika używany do monitorowania ogólnych warunków pracy silnika. Odmiany systemów EGT mają różne nazwy w zależności od lokalizacji czujników temperatury. Wspólne wskaźniki czujnika temperatury turbiny obejmują wskaźnik temperatury wlotu turbiny (TIT), wskaźnik temperatury wylotu turbiny (TOT), wskaźnik temperatury międzystopniowej (ITT) i wskaźnik temperatury gazu turbiny (TGT).

6.9.9 Miernik momentu obrotowego #

Moc silnika turbośmigłowego/turbosprężnego jest mierzona przez miernik momentu obrotowego. Moment obrotowy to siła skręcająca przyłożona do wału. Momentomierz mierzy moc przyłożona do wału. Silniki turbośmigłowe i turbosprężne są zaprojektowane tak, aby wytwarzać moment obrotowy do napędzania śmigła. Mierniki momentu obrotowego są kalibrowane w jednostkach procentowych, funtach lub PSI.

6.9.10 Wskaźnik N1 #

N1 reprezentuje prędkość obrotową sprężarki niskiego ciśnienia i jest prezentowany na wskaźniku jako procent projektowych obrotów na minutę. Po uruchomieniu prędkość sprężarki niskiego ciśnienia jest regulowana przez koło turbiny N1. Koło turbiny N1 jest połączone ze sprężarką niskociśnieniową przez koncentryczny wał.

6.9.11 Wskaźnik N2 #

N2 reprezentuje prędkość obrotową sprężarki wysokociśnieniowej i jest przedstawiony na wskaźniku jako procent projektowych obrotów na minutę. Sprężarka wysokociśnieniowa jest regulowana przez koło turbiny N2. Koło turbiny N2 jest połączone ze sprężarką wysokociśnieniową przez koncentryczny wał. [Rysunek 6-27]

6.9.12 Uwagi operacyjne silnika turbiny #

Duża różnorodność silników turbinowych sprawia, że pokrycie określonych procedur operacyjnych jest niepraktyczne, ale istnieją pewne względy operacyjne wspólne dla wszystkich silników turbinowych. Są to granice temperatury silnika, uszkodzenie obiektów obcych, gorący rozruch, przeciągnięcie sprężarki i płomień.

6.9.13 Ograniczenia temperatury silnika #

Najwyższa temperatura w każdym silniku turbiny występuje na wlocie turbiny. Temperatura na wlocie turbiny jest zatem zwykle czynnikiem ograniczającym działanie silnika turbiny.

6.9.14 Odmiany ciągu #

Ciąg silnika turbiny zmienia się bezpośrednio w zależności od gęstości powietrza. Wraz ze zmniejszaniem się gęstości powietrza zmniejsza się ciąg. Dodatkowo, ponieważ gęstość powietrza spada wraz ze wzrostem temperatury, podwyższone temperatury również spowodują zmniejszenie ciągu. Podczas gdy zarówno turbiny, jak i silniki z napędem posuwisto-zwrotnym wpływają w pewnym stopniu na wysoką wilgotność względną, silniki turbinowe odczują znikomą utratę ciągu, podczas gdy silniki tłokowe mają znaczną utratę mocy hamowania.

6.9.15 Uszkodzenie przez obiekty obce (FOD) #

Ze względu na konstrukcję i funkcjonowanie wlotu powietrza silnika turbiny zawsze istnieje możliwość pochłonięcia gruzu. Powoduje to znaczne uszkodzenia, szczególnie w przypadku sekcji sprężarki i turbiny. Gdy dojdzie do spożycia szczątków, nazywa się to uszkodzeniem obcych obiektów (FOD). Typowy FOD składa się z małych nacięć i wgnieceń spowodowanych połknięciem małych obiektów z rampy, drogi kołowania lub pasa startowego, ale dochodzi do uszkodzeń FOD spowodowanych uderzeniami ptaków lub połknięciem lodu. Czasami FOD powoduje całkowite zniszczenie silnika.

Zapobieganie FOD jest priorytetem. Niektóre wloty silnika mają tendencję do tworzenia wiru między podłożem a wlotem podczas operacji naziemnych. W tych silnikach można zainstalować rozpraszacz wirowy. Mogą być również wykorzystywane inne urządzenia, takie jak ekrany i/lub deflektory. Procedury przed lotem obejmują kontrolę wizualną pod kątem wszelkich oznak FOD.

6.9.16 Silnik turbiny Start Hot/Hung Start #

Gdy EGT przekracza bezpieczną granicę samolotu, doświadcza „gorącego startu”. Jest to spowodowane zbyt dużą ilością paliwa dopływającego do komory spalania lub niewystarczającą prędkością obrotową turbiny. Za każdym razem, gdy silnik ma gorący rozruch, zapoznaj się z AFM/POH lub odpowiednią instrukcją konserwacji, aby uzyskać wymagania dotyczące kontroli.

Jeśli silnik nie przyspieszy do właściwej prędkości po zapłonie lub nie przyspieszy do biegu jałowego, nastąpił zawieszony lub falstart. Zawieszony start może być spowodowany niewystarczającym źródłem zasilania rozruchowego lub usterką kontroli paliwa.

6.9.17 Uszkodzenia kompresorów #

Ostrza kompresora są małymi płatami i podlegają tym samym zasadom aerodynamicznym, które dotyczą każdego profilu. Łopatka sprężarki ma kąt natarcia, który jest wynikiem prędkości powietrza wlotowego i prędkości obrotowej sprężarki. Te dwie siły łączą się, tworząc wektor, który definiuje rzeczywisty kąt natarcia płata do zbliżającego się powietrza wlotowego.

Przeciągnięcie sprężarki to nierównowaga między dwiema wielkościami wektorowymi, prędkością wlotową i prędkością obrotową sprężarki. Przeciągnięcia sprężarki występują, gdy kąt natarcia łopat kompresora przekracza krytyczny kąt natarcia. W tym momencie płynny przepływ powietrza jest przerywany i powstają turbulencje z wahaniami ciśnienia. Uszkodzenia sprężarki powodują, że powietrze przepływające w sprężarce zwalnia i zatrzymuje się, czasem cofa się w kierunku. [Rysunek 6-28]

Uszkodzenia kompresora mogą być przejściowe i przerywane lub stabilne i poważne. Wskazania przejściowego/przerywanego przeciągnięcia są zwykle przerywane „bang” w miarę odwracania odwrotnego ognia i przepływu. Jeśli straga się rozwinie i stanie się stabilna, silne wibracje i głośny ryk mogą rozwinąć się w wyniku ciągłego odwrócenia przepływu. Często wskaźniki pokładowe nie wykazują łagodnego lub przejściowego przeciągnięcia, ale wskazują na rozwinięte przeciągnięcie. Typowe wskazania przyrządów obejmują wahania obrotów i wzrost temperatury spalin. Większość przestojów nie jest szkodliwa dla silnika i często koryguje się po jednej lub dwóch pulsacjach. Możliwość poważnego uszkodzenia silnika spowodowanego przeciągnięciem w stanie ustalonym jest natychmiastowa. Odzyskiwanie musi być osiągnięte poprzez szybkie zmniejszenie mocy, zmniejszenie kąta natarcia samolotu i zwiększenie prędkości lotu.

Chociaż wszystkie silniki turbiny gazowe są narażone na przeciągnięcia sprężarek, większość modeli ma systemy, które je hamują. Jeden system wykorzystuje zmienną łopatkę prowadzącą wlotową (VIGV) i zmienne łopatki stojana, które kierują wchodzące powietrze do łopatek wirnika pod odpowiednim kątem. Aby zapobiec przestojom ciśnienia powietrza, należy obsługiwać statek powietrzny zgodnie z parametrami ustalonymi przez producenta. Jeśli usterka kompresora rozwinie się, postępuj zgodnie z procedurami zalecanymi w AFM/POH.

6.9.18 Płomień #

Płomień występuje podczas pracy silnika turbiny gazowej, w którym nieumyślnie gaśnie ogień w silniku. Jeśli w komorze spalania zostanie przekroczony bogaty limit stosunku paliwa/powietrza, płomień wybuchnie. Ten stan jest często określany jako bogaty płomień. Na ogół wynika to z bardzo szybkiego przyspieszenia silnika, w którym zbyt bogata mieszanka powoduje spadek temperatury paliwa poniżej temperatury spalania. Może to być również spowodowane niewystarczającym przepływem powietrza do podparcia spalania.

Częstszym występowaniem płomienia wynika z niskiego ciśnienia paliwa i niskich prędkości obrotowych silnika, które zazwyczaj są związane z lotem na dużych wysokościach. Taka sytuacja może również wystąpić, gdy silnik zdławiony z powrotem podczas zjazdu, co może spowodować wyłączenie z chudego stanu. Słaba mieszanka może łatwo spowodować wygaśnięcie płomienia, nawet przy normalnym przepływie powietrza przez silnik.

Wszelkie przerwy w dostawie paliwa mogą spowodować płomień. Może to być spowodowane długotrwałymi nietypowymi postawami, nieprawidłowo działającym systemem kontroli paliwa, turbulencjami, oblodzeniem lub wyczerpaniem paliwa.

Objawy płomienia zwykle są takie same, jak te po awarii silnika. Jeśli płomień jest spowodowany stanem przejściowym, na przykład brakiem równowagi między przepływem paliwa a prędkością silnika, po skorygowaniu warunku może zostać podjęta próba uruchomienia. W każdym razie piloci muszą przestrzegać obowiązujących procedur awaryjnych określonych w AFM/POH. Ogólnie rzecz biorąc, procedury te zawierają zalecenia dotyczące wysokości i prędkości lotu, w których Airstart najprawdopodobniej zakończy się sukcesem.

6.9.19 Porównanie wydajności #

Możliwe jest porównanie wydajności elektrowni tłokowej i różnych typów silników turbinowych. Aby porównanie było dokładne, moc ciągu (użyteczna moc) dla napędu tłokowego musi być używana zamiast mocy hamowania, a ciąg sieciowy musi być używany w silnikach napędzanych turbinami. Ponadto konfiguracja i rozmiar projektu statku powietrznego muszą być w przybliżeniu takie same. Przy porównywaniu wydajności przydatne są następujące definicje: moc hamowania (BHP) — moc faktycznie dostarczana do wału wyjściowego. Moc hamulca to rzeczywista moc użytkowa. Nacisk netto — ciąg wytwarzany przez silnik turboodrzutowy lub turbowentylatorowy. Moc oporowa (THP) — odpowiednik mocy ciągu wytwarzanego przez silnik turboodrzutowy lub turbowentylatorowy. Równoważna moc wału (ESHP) — w odniesieniu do silników turbośmigłowych suma mocy wału (SHP) dostarczanej do śmigła i THP wytwarzanego przez spaliny. Rysunek 6-29 pokazuje porównanie czterech typów silników w ciągu netto wraz ze wzrostem prędkości lotu. Ta liczba służy wyłącznie do celów wyjaśniających i nie dotyczy konkretnych modeli silników. Oto cztery typy silników:

• Silnik tłokowy
• Turbina, kombinacja śmigła (Turboprop)
• Silnik turbinowy z wentylatorem (Turbofan)
• TurboJet (czysty odrzutowiec)

Wykreślając krzywą wydajności dla każdego silnika, można dokonać porównania maksymalnej zmiany prędkości samolotu z typem zastosowanego silnika. Ponieważ wykres jest tylko środkiem porównawczym, wartości liczbowe ciągu netto, prędkości samolotu i oporu nie są uwzględniane.

Porównanie czterech elektrowni na podstawie ciągu netto uwidacznia pewne możliwości wydajności. W zakresie prędkości pokazanym po lewej stronie linii A, zasilacz tłokowy przewyższa pozostałe trzy typy. Turbośmigłek przewyższa turbowentylator w zakresie po lewej stronie linii C. Silnik Turbofan przewyższa turboodrzutowy w zakresie po lewej stronie linii F. Silnik Turbofan przewyższa silnik tłokowy po prawej stronie B i Turbośmigłowy na prawo od linii C. Turboodrzutowy przewyższa silnik posuwisto-zwrotny na prawo od linii D, turbośmigło na prawo od linii E, a turbowentyl na prawo od linii F.

Punkty, w których krzywa oporu statku powietrznego przecina krzywe ciągu netto, to maksymalne prędkości samolotu. Pionowe linie od każdego z punktów do linii bazowej wykresu wskazują, że statek turboodrzutowy może osiągnąć wyższą prędkość maksymalną niż samoloty wyposażone w inne typy silników. Samolot wyposażony w silnik Turbofan osiągnie wyższą prędkość maksymalną niż samolot wyposażony w silnik turbośmigłowy lub tłokowy.