Un turboeje de turbina libre es una forma de turboeje o motor de turbina de gas turbohélice donde la potencia 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 las turbinas que accionan los compresores, de ahí el término "libre", en referencia a la independencia del eje (o carrete) de salida de potencia. Esto se opone a que la energía se extraiga del eje de la turbina/compresor a través de una caja de cambios.
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 resulta especialmente ventajoso para cargas variables, como por ejemplo los motores turbohélice. [1]
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Un turboeje de turbina libre ingiere aire a través de una entrada. El aire pasa a través de un compresor hacia 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 expulsados 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, el cual se modela mediante el Ciclo Brayton . La turbina de potencia (libre) se encuentra en un eje independiente.
Los motores de turboeje a veces se caracterizan por el número de carretes. Se refiere al número de conjuntos compresor-turbina de la etapa del generador de gas y no incluye el conjunto turbina de potencia libre. [2] Como ejemplo, el General Electric T64 tiene un diseño de carrete único que utiliza un compresor axial de 14 etapas; el eje de potencia independiente es coaxial con el eje del generador de gas. [3]
Un escenario de falla particular, una falla en la caja de cambios, mostró que una disposición de turbina libre corría más riesgo que un turbohélice de un solo eje. Podría sufrir una sobrevelocidad de la turbina hasta su destrucción tras perder su conexión con la carga de la hélice. (En una disposición de un solo eje con una falla similar en la caja de cambios, la turbina aún recibiría la mayor parte de su carga del compresor). Tal fallo provocó el accidente en 1954 del segundo prototipo del Bristol Britannia , G-ALRX, que se vio obligado a aterrizar en el estuario del Severn . Un fallo en la caja reductora de la hélice Bristol Proteus provocó un exceso de velocidad y liberación de la turbina de potencia del motor Nº3. Atravesó el tanque de aceite y provocó un incendio que amenazó la integridad del larguero del ala . El piloto, Bill Pegg, realizó un aterrizaje forzoso sobre el barro del estuario. [4] [5] Los engranajes Proteus fueron rediseñados y se instaló un dispositivo de cierre de combustible de emergencia para evitar que vuelva a ocurrir algo similar. En un artículo de 1994, Gunston [1] encontró sorprendente que la protección no fuera común en los motores de turbina libre. Sin embargo, las regulaciones de certificación permiten otros métodos para prevenir el exceso de velocidad, como el roce del disco y la interferencia de la cuchilla.
La mayoría de los motores turboeje y turbohélice utilizan ahora turbinas libres. Esto incluye aquellos para la generación de energía estática, como propulsión marina y particularmente para helicópteros.
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Los helicópteros son un mercado importante para los motores turboeje. Cuando los motores de 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 esta época apenas tenían un rendimiento 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 permitir un peso de carga útil considerablemente mayor. Para el Westland Whirlwind , esto convirtió el inadecuado HAS.7 con motor de pistón en el HAR.9 propulsado por turbina De Havilland Gnome . Como uno de los primeros helicópteros antisubmarinos, el HAS.7 tenía un peso tan limitado que podía llevar un sonar de búsqueda o un torpedo, pero no ambos.
El motor de turbina libre resultó especialmente adecuado. No necesita embrague, ya que el generador de gas puede arrancar mientras el eje de salida permanece estacionario. En el caso del Wessex, esto se utilizó para conseguir un despegue especialmente rápido desde un arranque en frío. Al bloquear el rotor principal (y la turbina de potencia) con el freno del rotor, se podía arrancar el motor y luego, con el generador de gas a una velocidad de 10.500 rpm, se liberaba el freno, lo que permitía que la turbina de potencia acelerara y llevara el rotor a su posición máxima. velocidad de funcionamiento desde parado en sólo 15 segundos y un tiempo desde el arranque del motor hasta el despegue de sólo 30 segundos. [6]
Otra ventaja del diseño de turbina libre era la facilidad con la que se podía diseñar y fabricar un motor contrarrotativo, simplemente invirtiendo la turbina de potencia. [7] Esto permitió que los motores manuales se fabricaran en pares cuando fuera necesario. También permitió motores contrarrotativos, donde el núcleo del generador de gas y la turbina de potencia giraban en direcciones opuestas, reduciendo el momento de inercia general. Para el mercado de reemplazo de motores de helicópteros, esta capacidad permitió reemplazar fácilmente los motores anteriores de cualquier dirección. [7] La libertad omniangular de algunos motores de turboeje en su ángulo de instalación también permitió la instalación en diseños de helicópteros existentes, sin importar cómo se hubieran dispuesto los motores anteriores. [7] Sin embargo, con el tiempo, el cambio hacia compresores LP axiales y, por lo tanto, motores de menor diámetro alentó un cambio hacia el diseño ahora estándar de uno o dos motores colocados uno al lado del otro, horizontalmente sobre la cabina.
Los aviones turbohélice todavía funcionan con 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 donde la turbina de "potencia" impulsa la hélice y el compresor de baja presión, mientras que el compresor de alta presión tiene su propia turbina.
Algunos motores turbohélice grandes, 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. Cuando la turbina está en la parte trasera del motor, un motor turbohélice requiere un eje de transmisión largo hacia la caja de cambios reductora de la hélice . Ejes tan largos pueden ser un problema de diseño difícil y deben controlarse cuidadosamente cualquier vibración del eje.
Para los motores turbohélice pequeños, el diseño de turbina libre ha llegado a dominar y estos diseños también están en su mayoría invertidos en general, con la entrada de aire y el compresor en la parte trasera, alimentando la sección caliente y la turbina de potencia en la parte delantera. Esto coloca la salida de la turbina cerca de la caja de cambios de la hélice, evitando la necesidad de un eje de transmisión largo. Estos motores suelen ser reconocibles externamente, ya que utilizan escapes externos en forma de "codo" delante del motor principal. Un ejemplo especialmente común de ello es el motor PT6 , del que se han fabricado más de 50.000 unidades.
Una configuración atractivamente simple que hace uso de la turbina libre es el motor propfan , con un ventilador sin conductos 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 prometedor Metropolitan-Vickers F.3 de 1942 con un ventilador con conductos, seguido por el F.5 sin conductos 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 estudios de diseño para dichos motores hasta la década de 1980, [8] al igual que GE , pero aún no han aparecido como motores comerciales. [9]
La ventaja del ventilador de empuje con turbina de potencia libre es su sencillez. Las palas de la hélice están unidas directamente al exterior del disco giratorio de la turbina. 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 contrarrotativos de turbina y hélice. Las turbinas contrarrotativas entrelazadas pueden actuar como paletas guía entre sí, eliminando la necesidad de paletas estáticas. [8]
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 ha diseñado un derivado comercial como el TF15 para aplicaciones marítimas y ferroviarias, [10] [11] y también se desarrolló una versión con capacidad de vuelo, el PLT27, pero perdió un contrato importante con el turboeje GE T700 . [12]
Los motores turboeje se utilizaron para propulsar varias locomotoras de turbina de gas , sobre todo utilizando la Turbomeca Turmo en el servicio Turbotrain (Francia) y Turboliner (Estados Unidos).