基本介紹
- 中文名：自由式渦輪發動機
- 外文名：Free turbine engine
- 類型：屬於渦輪螺旋槳發動機
簡介,基本原理,性能,效率及回響速度,啟動特性,渦輪維護性,
簡介
在自由式動力-渦輪發動機上，例如普惠PT-6發動機，螺旋槳是由分離的渦輪通過減速齒輪驅動的。螺旋槳和主發動機渦輪及壓縮機不在同一根軸上。如右圖所示。與固定軸發動機不同，在分軸式發動機上，在主發動機仍然運轉的時候，螺旋槳可以在空中或在地面上實現順槳。自由式動力-渦輪的設計允許飛行員選擇一個預期的螺旋槳調節轉速，而不管主發動機的轉速如何。
自由式渦輪發動機
自由式渦輪發動機基本原理
典型的自由式動力-渦輪發動機有兩個獨立的反向旋轉的渦輪。一個渦輪驅動壓縮機，而另一個渦輪通過減速齒輪箱驅動螺旋槳。主發動機中的壓縮機由三級軸流壓縮機和一級離心壓縮機組成。軸流級和離心級裝配在相同的軸上，並且作為一個單獨的單元運行。
吸人的空氣通過靠近發動機後端的環形高壓管進入發動機，然後向前流過連續的幾級壓縮機。氣流在進入燃燒室之前，被幾級離心壓縮機的放射狀擴散器向外引導，這時氣流方向實際上是相反的。燃燒產生的燃氣流動方向再次被反轉並向前膨脹，流過每一級渦輪。在離開渦輪之後，燃氣被收集到外圍的排氣渦形管，然後通過兩個靠近發動機前端的排氣口排放到大氣中。
氣動燃油控制系統調節燃油流量以便維持由燃氣發生器油門桿所設定的功率。除了在貝塔(beta)範圍內，在任意選擇的螺旋槳控制桿位置上，通過螺旋槳調速器的動作使得處於調節範圍內的螺旋槳速度保持恆定。
動力裝置(發動機和螺旋槳)的運行是通過每個發動機的三組控制實現的：油門桿、螺旋槳控制桿和燃油流量控制桿。如右圖所示。油門桿用於控制發動機的功率處於慢車到起飛功率的範圍內。油門桿的向前或向後運動則增加或降低燃氣發生器的轉速N1，並進而增加或降低發動機的功率。
自由式渦輪發動機控制結構
自由式渦輪發動機控制結構螺旋槳控制桿按常規工作，並且通過主調速器控制恆速螺旋槳。螺旋槳的轉速範圍通常為1500~1900 r/min。燃油流量控制桿控制流到發動機的燃油流量。與活塞式發動機飛機上的混合氣控制桿類似，燃油流量控制桿位於功率控制台的最右邊。但是渦輪螺旋槳發動機上的燃油流量桿實際上只負責打開/關閉輸送燃油的閥門。在地面運行時，有高速慢車(HIGH IDLE)和低速慢車(LOW IDLE)兩個檔位，但是燃油流量控制桿沒有測量功能。在渦輪發動機上是不需要貧油的；這個功能由一個專門的燃油控制單元自動執行。
性能
效率及回響速度
自由式渦輪發動機由於自由渦輪是由燃氣驅動的， 與燃氣發生器沒有機械連線， 因此， 自由渦輪發動機的效率在渦輪螺旋槳發動機類型中比單軸式渦槳發動機的稍低。如右圖，可知自由渦輪發動機的壓氣機布置在發動機後端，空氣從進氣道進入後需轉180°才能進入壓氣機，導致進氣損失偏大。反映到燃油經濟性上，與單軸式渦輪發動機相比，在輸出軸功率相當的前提下，自由渦輪發動機的燃油消耗率（SFC）較單軸發動機的高約6%~10%。
自由渦輪發動機常規結構
自由渦輪發動機常規結構另一方面，由於自由渦輪是靠燃氣驅動的，因此在飛行員想改變發動機狀態時，自由渦輪發動機將會有一定的延遲，例如從慢車到最大起飛功率，飛行員完成推桿動作後，大概得經過3s左右發動機才能到達所需的最大起飛功率狀態，在回響速度上慢於單軸發動機。
啟動特性
地面啟動時，自由渦輪發動機所需的扭矩更小。這是因為自由渦輪在啟動過程中僅需將燃氣發生器轉子（包括壓氣機及其渦輪） 帶動到點火轉速， 而單軸發動機在此過程中還需帶動發動機前端的螺旋槳及減速齒輪箱。因此，在小飛機上，一般只需紿自由滿輪發動機配備一塊啟動用的蓄電池而需要給單軸發動機配備兩塊。
在飛行中進行發動機再啟動時，自由渦輪發動機的再啟動包線更廣。自由渦輪發動機在飛行中進行再啟動有兩種模式，風車啟動及啟動發電機啟動。風車啟動指的是，渦槳發動機空中熄火後，由於螺旋槳的旋轉為風車狀態，發動機轉子也隨螺旋槳一起轉動，如飛行高度和速度在廠家允許的包線內，可根據需要進行點火啟動。而空中的啟動發電機啟動與地面正常啟動程式一樣。
渦輪維護性
自由渦輪發動機的渦輪維護性比較簡便。
發動機廠家根據自由渦輪的位置，在兩級渦輪（自由渦輪與壓氣機渦輪）之間設計成可方便拆卸的法蘭連線，當發動機需要進行熱部件檢查時，只需把發動機自由渦輪及前端的減速齒輪箱拆下即可，有時甚至不需要從飛機上拆下發動機。
