Un turboeje de turbina libre es una forma de motor de turbina de gas de turboeje o turbohélice en el que 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 impulsan los compresores, de ahí el término "libre", que hace referencia a la independencia del eje de salida de potencia (o carrete). Esto se opone a la extracción de potencia 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 distintas velocidades y que estas velocidades pueden variar entre sí, lo que resulta especialmente ventajoso en el caso de cargas variables, como en el caso de los motores de 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 y llega a 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 que impulsa el compresor y luego a través de una turbina de potencia "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, que se modela utilizando el ciclo Brayton . La turbina de potencia (libre) está en un eje separado.
Los motores de turboeje se caracterizan a veces por la cantidad de carretes. Esto se refiere a la cantidad de conjuntos de compresor y turbina en la etapa de 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]
Un escenario de falla particular, una falla de la caja de cambios, mostró que una disposición de turbina libre tenía más riesgo que un turbohélice de un solo eje. Podría sufrir una sobrevelocidad 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 cambios, 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 de Severn . Una falla en la caja de cambios de reducción de la hélice Bristol Proteus provocó una sobrevelocidad y la liberación de la turbina de potencia del motor Nº 3. Cortó el tanque de aceite y comenzó un incendio que amenazó la integridad del larguero del ala . El piloto, Bill Pegg, realizó un aterrizaje forzoso en el lodo del estuario. [4] [5] Los engranajes del Proteus fueron rediseñados y se instaló un dispositivo de corte de combustible de emergencia para evitar que se repitiera algo similar. En 1994, Gunston [1] escribió que le parecía sorprendente que la protección no fuera común en los motores de turbina libre. Sin embargo, las normas de certificación permiten otros métodos para evitar el exceso de velocidad, como el roce de los discos y la interferencia de las palas.
La mayoría de los motores de turboeje y turbohélice utilizan actualmente turbinas libres, incluidos los destinados a la generación de energía estática, la propulsión marina y, en particular, los destinados a helicópteros.
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Los helicópteros son un mercado importante para los motores de turboeje. Cuando los motores de turboeje estuvieron disponibles en la década de 1950, se adoptaron rápidamente tanto para nuevos diseños como para reemplazar a 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 del Westland Wessex , [6] y también permitir considerablemente más peso de carga útil. Para el Westland Whirlwind , esto convirtió el inadecuado HAS.7 con motor de pistón en el HAR.9 con motor de turbina de Havilland Gnome . Como uno de los primeros helicópteros antisubmarinos , el HAS.7 había sido tan limitado en peso que podía llevar un sonar de búsqueda o un torpedo, pero no ambos.
El motor de turbina libre resultó ser particularmente adecuado. No necesita embrague, ya que el generador de gas puede ponerse en marcha mientras el eje de salida permanece estacionario. En el caso del Wessex, esto se utilizó para lograr un despegue particularmente rápido desde un arranque en frío. Al bloquear el rotor principal (y la turbina de potencia) con el freno del rotor, se podía poner en marcha el motor y luego, con el generador de gas a una velocidad de 10.500 rpm, se soltaba el freno, lo que permitía que la turbina de potencia acelerara y llevara el rotor a su velocidad de funcionamiento desde una posición estacionaria en solo 15 segundos y un tiempo desde el arranque del motor hasta el despegue de solo 30 segundos. [6]
Otra ventaja del diseño de turbina libre era la facilidad con la que se podía diseñar y fabricar un motor contrarrotante, simplemente invirtiendo la turbina de potencia. [7] Esto permitió que los motores manuales se fabricaran en pares cuando fuera necesario. También permitió los motores contrarrotantes, donde el núcleo del generador de gas y la turbina de potencia giraban en direcciones opuestas, lo que reducía 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 para 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 movimiento hacia compresores LP axiales y, por lo tanto, motores de diámetro más pequeño 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 siguen estando 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 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.
El primer motor de turbina de gas de turbina libre fue el turbohélice Bristol Theseus . [8] Esta fue la primera turbina de gas Bristol y su diseño general había sido producido por Frank Owner en Tockington Manor . Funcionó por primera vez en julio de 1945 y en diciembre de 1946 fue el primer turbohélice en pasar una prueba de tipo de 100 horas . [8]
Algunos motores turbohélice de gran tamaño, como el Bristol Proteus original y el moderno TP400, tienen turbinas libres. El TP400 tiene un diseño de tres ejes, con dos turbinas de compresor y una turbina de potencia independiente. Cuando la turbina está en la parte trasera del motor, un motor turbohélice requiere un eje de transmisión largo hacia delante, hasta la caja de engranajes de reducción de la hélice . Estos ejes largos pueden ser un problema de diseño difícil y se debe controlar cuidadosamente cualquier vibración del eje.
En el caso de los motores turbohélice pequeños, el diseño de turbina libre ha llegado a dominar y estos diseños también suelen estar invertidos en general, con la entrada de aire y el compresor en la parte trasera, alimentando hacia delante 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, lo que evita la necesidad de un eje de transmisión largo. Estos motores suelen ser reconocibles externamente, ya que utilizan escapes externos en "codo" delante del motor principal. Un ejemplo particularmente común de esto es el motor PT6 , del que se han producido más de 50.000.
Una configuración atractiva y sencilla que hace uso de la turbina libre es el motor propfan , con un ventilador no conducido montado en la parte trasera en configuración de empuje , en lugar del diseño tractor más familiar. El primer motor de este tipo fue el muy temprano y prometedor Metropolitan-Vickers F.3 de 1942 con un ventilador conducido, seguido por el F.5 sin conducto y mucho más ligero . El desarrollo de estos motores se detuvo abruptamente debido a adquisiciones corporativas, en lugar de razones técnicas. Rolls-Royce continuó con los estudios de diseño para tales motores en la década de 1980, [9] al igual que GE , pero aún no han aparecido como motores comerciales. [10]
La ventaja del propulsor de hélice con turbina de potencia libre es su simplicidad. Las palas de la hélice están unidas directamente al exterior del disco giratorio de la turbina. No se requieren cajas de engranajes ni ejes de transmisión. La corta longitud de los componentes giratorios también reduce la vibración. La estructura estática del motor a lo largo de 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 álabes guía entre sí, eliminando la necesidad de álabes estáticos. [9]
El tanque de batalla principal M1 Abrams está propulsado por un motor de turbina de gas de dos cilindros Honeywell AGT1500 (anteriormente Textron Lycoming ). Se ha diseñado un derivado comercial llamado TF15 para aplicaciones marinas y ferroviarias, [11] [12] y también se desarrolló una versión apta para vuelo, el PLT27, pero perdió un contrato importante ante el turboeje GE T700 . [13]
Los motores de turboeje se utilizaron para impulsar varias locomotoras de turbina de gas , entre las que destaca la Turbomeca Turmo en el servicio Turbotrain (Francia) y Turboliner (Estados Unidos).