Silniki – historia i budowa cz. 3 – turbośmigłowe

Koncepcja stworzenia silnika turbośmigłowego (turbiny gazowej napędzającej śmigło) pojawiła się równocześnie z pomysłem stworzenia silnika odrzutowego – w latach dwudziestych XX wieku. Działania takiego silnika jest bardzo podobne do silnika odrzutowego. Powietrze sprężane jest w sprężarce (osiowej lub odśrodkowej), następnie trafia do komory spalania, a spaliny napędzają turbinę. O ile w silniku odrzutowym ciąg wytwarzają rozpędzone spaliny wyrzucane przez silnik do tyłu, to w silniku turbośmigłowym możliwie największa część energii spalin służy do napędzania turbiny, a ta (połączona wałem) napędza śmigło. Spaliny w silniku turbośmigłowym opuszczają silnik z niewielką prędkością.

Budowa silnika turbośmigłowego. Od lewej: śmigło, przekładnia redukcyjna, sprężarka, komora spalania, turbina, wydech.
(ilustracja: Emoscopes & M0tty / Wikipedia / CC BY-SA)

Pierwszy poważny opis silnika turbośmigłowego opublikował w 1926 r. Alana A. Griffitha. 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-stopniowej) i turbina (11-stopniowej) 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.

Jendrassik Cs-1
(ilustracja: Kaboldy / Wikipedia / CC BY-SA)

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.

RR RB.50 Trent
(zdjęcie: Nimbus227 / Wikipedia / public domain)

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. 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 pierwsze 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.

XP-81
(zdjęcie: USAF / public domain)

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 (we Flight Simulatorze dostępny w wydaniu Just Flight) – 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.

Vickers Viscount
(zdjęcie: RuthAS / Wikipedia / CC)

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 jestLockheed C-130 Herkules (w FSX między innymi w wykonaniu CS).

C-130
(zdjęcie: US Navy / public domain)

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.

Tu-95, w towarzystwie amerykańskiego F-15. Niedźwiedzie (w nomenklaturze NATO Tu-95 nosił oznaczenie Bear) były często przechwytywane nad Atlantykiem, Oceanem Arktycznym i Pacyfikiem.
(zdjęcie: USAF / public domain)

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 wraz z rodzinami do Niemiec. 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, kiedy 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.

An-22
(zdjęcie: Oleg Belyakov / Wikipedia / CC BY-SA)

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 (wolną turbinę – napędzała przez wał i 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. Odnotowano również częste problemy z oblodzeniem źle zaprojektowanych wlotów powietrza.

Saunders-Roe Princess
(zdjęcie: RuthAS / Wikipedia / CC)

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 świetnie znane z Flight Simulatora Cessny 208 Caravan, Twin Ottery, Pilatusy PC-9 i PC-12. Wykorzystywane są również przy konwersjach samolotów napędzanych silnikami tłokowymi na napęd turbośmigłowy – Piper PA46T czy Turbine Duke.

Cessna 208
(zdjęcie: USAF / public domain)

PT6A dobrze ilustruję budowę nowoczesnego silnika turbośmigłowego. Jest zbudowany w układzie odwróconym, czyli ze sprężarką z tyłu, a turbiną z przodu – dzięki temu możliwe jest skrócenie wału napędowego. 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 wielu 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?

Bombardier Dash-8
(zdjęcie: administracja USA / public domain)

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 lekkich i regionalnych samolotów pasażerskich i transportowych.