Турбовинтовой двигатель Pratt & Whitney Canada PT6: История и особенности

Введение

Турбовинтовая семейство авиационных двигателей от Pratt & Whitney Canada

Турбовинтовой авиационный двигатель Pratt & Whitney Canada PT6 производится компанией Pratt & Whitney Canada. Его проектирование началось в 1958 году, первый запуск состоялся в феврале 1960 года, первый полёт – 30 мая 1961 года, а в 1964 году двигатель поступил в эксплуатацию и с тех пор постоянно модернизируется. PT6 состоит из двух основных секций: газогенератор с вспомогательной коробкой передач и свободная турбина с редукторной коробкой передач. На самолётах двигатель часто устанавливают «задом наперёд», с воздухозаборником сзади и выхлопом спереди, чтобы турбина напрямую соединялась с воздушным винтом. Было произведено множество вариантов PT6, не только как турбовинтовые двигатели, но и как турбовальные двигатели для вертолётов, наземного транспорта, судов на воздушной подушке и лодок; в качестве вспомогательных силовых установок; и для промышленного применения. К ноябрю 2015 года было произведено 51 000 двигателей, которые отработали 400 миллионов лётных часов с 1963 по 2016 год. Он известен своей надёжностью, с частотой отказов в полёте 1 случай на 651 126 часов в 2016 году. Турбовинтовой двигатель PT6A покрывает диапазон мощности, а PT6B/C – это турбовальные варианты для вертолётов.

Разработка

В 1956 году президент компании Pratt & Whitney Canada (PWC) Рональд Райли поручил менеджеру по инженерии Дику Гатри нанять команду специалистов по газовым турбинам для разработки небольшого газотурбинного двигателя. Спрос на радиальный двигатель Wasp оставался высоким, и его производство было прибыльным, но целью было стать ведущей двигателестроительной компанией Канады, сосредоточившись на небольшом газотурбинном двигателе. Райли выделил Гатри скромный бюджет в 100 000 канадских долларов. Гатри набрал двенадцать инженеров, имевших опыт работы в различных организациях, включая Национальный исследовательский совет в Оттаве, Orenda Engines в Онтарио, Bristol Aero Engines и Blackburn Aircraft. Они завершили детальное проектирование двигателя для небольшого реактивного учебного самолета Canadair CL 41. Это был турбореактивный двигатель, но проект был передан P&WA, которые доработали его в Pratt & Whitney JT12. Команде пришлось дождаться результатов оценки рынка, чтобы определить свой следующий двигатель – турбовинтовой для двухмоторных самолетов PT6. Ранняя разработка PT6, впервые запущенного в декабре 1963 года, была сопряжена с инженерными проблемами, превышением сметы и отсутствием продаж. Проект был близок к отмене. PT6 впервые совершил полет 30 мая 1961 года, установленный в качестве третьего двигателя в носовой части самолета Beech 18, который был переоборудован компанией de Havilland на своем предприятии в Даунсвью, Северный Йорк, Онтарио. Серийное производство началось в 1963 году, а в следующем году двигатель поступил в эксплуатацию. Beech 18 продолжал использоваться в качестве летающей испытательной платформы для PT6 и винтов до 1980 года, когда его заменили на Beech King Air. На King Air испытательный двигатель или винт заменял один из стандартных. В 1974 году Beech 18 не смог достичь достаточной скорости и высоты для испытаний PT6A 50 для самолета de Havilland Canada Dash 7, поэтому Vickers Viscount был модифицирован в качестве испытательного стенда для PT6 с установкой Dash 7 в носовой части. Первая серийная модель PT6, PT6A 6, была сертифицирована в декабре 1963 года. Первым применением стал Beech Queen Air, что побудило армию США приобрести парк самолетов U-21 Ute. Это способствовало запуску производства King Air, в результате которого Beechcraft продал около 7000 самолетов к 2012 году. В период с 1963 по 2016 год удельная мощность возросла на 50%, удельный расход топлива снизился на 20%, а общая степень сжатия достигла 14:1. Разработка продолжается, и хотя базовая конфигурация сегодня остается прежней, как и в 1964 году, обновления включали охлаждаемые лопатки первой ступени турбины, дополнительные компрессорные и турбинные ступени, а также лопатки турбины из монокристаллов в начале 1990-х годов. Степень сжатия составляет 13:1 в поворотно-лопастном винте AgustaWestland AW609 – это максимальное значение, которое можно использовать без охлаждаемых лопастей турбины. В ответ на разработку General Electric GE93, в 2017 году Pratt & Whitney Canada начала испытания основных технологий и систем для предлагаемого двигателя, предназначенного для замены наиболее мощных версий PT6. Предполагалось, что это будет развитие базового модуля PT6C, занимающего промежуточное положение между PT6C 67C/E и семейством PW100. Ожидалось, что двигатель будет готов к запуску к концу 2017 года для первоначальной вертолетной платформы с сокращением удельного расхода топлива на 10–15%. Этот двигатель мощностью 2000 л.с. будет ориентирован на возможный новый рынок, такой как Super PC 12, более мощный TBM или увеличенный King Air.

In 1956, Pratt & Whitney Canada's (PWC) president, Ronald Riley, ordered engineering manager Dick Guthrie to hire a team of gas turbine specialists to design a small gas turbine engine. Demand for the Wasp radial engine was still strong and its production was profitable but the aim was to become Canada's prime engine company by focusing on a small gas turbine engine. Riley gave Guthrie a modest budget of C$100,000. Guthrie recruited twelve engineers with experience gained at various places including the National Research Council in Ottawa, Orenda Engines in Ontario, Bristol Aero Engines and Blackburn Aircraft. They completed the detailed design of an engine for Canadair's small jet trainer, the CL 41. It was a thrust turbojet but the design was taken over by P&WA who developed it into the Pratt & Whitney JT12. The team had to wait for market assessments to define their next engine, a turboprop for twin engined aircraft, the PT6. The early development of the PT6, which first ran in December 1963, was beset with engineering problems, cost overruns and lack of sales. It was almost cancelled. The PT6 first flew on 30 May 1961, mounted as a third engine in the nose of a Beech 18 aircraft which had been converted by de Havilland at its Downsview facility in North York, Ontario. Full scale production started in 1963, with service entry the following year. The Beech 18 continued as a PT6 and propeller flying test bed until it was replaced with a Beech King Air in 1980. The King Air test engine or propeller replaced one of the standard ones. In 1974 the Beech 18 had been unable to fly fast enough and high enough to test the PT6A 50 for the de Havilland Canada Dash 7 so a Vickers Viscount was modified as a PT6 test bed with a Dash 7 installation in the nose. The first production PT6 model, the PT6A 6, was certificated in December 1963. The first application was the Beech Queen Air, enticing the U. S. Army to buy a fleet of the U 21 Ute variant. This helped launch the King Air with Beechcraft selling about 7,000 by 2012. From 1963 to 2016 power to weight ratio was improved by 50%, brake specific fuel consumption by 20% and overall pressure ratio reached 14:1. Its development continues and while today its basic configuration is the same as in 1964, updates have included a cooled first stage turbine vane, additional compressor and turbine stages and single crystal turbine blades in the early 1990s. Its pressure ratio is 13:1 in the AgustaWestland AW609 tiltrotor, the highest that can be used without cooled turbine blades. In response to the General Electric GE93, in 2017 Pratt & Whitney Canada started testing core technology and systems for a proposed engine to replace the most powerful versions of the PT6. It was considered likely to be a development of the PT6C core, and would fit between the PT6C 67C/E and the PW100 family. It was expected to be ready to launch by the end of 2017 for an initial helicopter platform with a 10 15% reduction in brake specific fuel consumption. This 2,000 hp engine would target a possible new market such as a Super PC 12, a more powerful TBM, or a bigger King Air.

PW100

Когда компания de Havilland Canada запросила значительно более мощный двигатель для DHC-8, примерно вдвое превосходящий по мощности Large PT6, Pratt & Whitney Canada разработала новый двигатель, первоначально известный как PT7, а затем переименованный в Pratt & Whitney Canada PW100.

Дизайн

Скорость износа деталей газовой турбины неравномерна, поскольку наиболее горячие детали требуют замены или ремонта чаще, чем менее нагретые. Если горячие детали можно снять, не нарушая работу остальной части двигателя, например, без снятия двигателя целиком с самолета, то затраты на техническое обслуживание снижаются. Это было достигнуто в PT6 за счет размещения самых горячих деталей – газогенераторной турбины и камеры сгорания – на конце винта. Они снимаются, не отсоединяя остальную часть двигателя и его соединения с самолетом. Эта компоновка была запатентована конструктором Ньюлендом, одним из первоначальных разработчиков PT6. Аналогичная общая компоновка со свободной турбиной для отбора мощности на выходе (двигатель P.181) была продемонстрирована компанией Armstrong Siddeley Motors на авиасалоне в Фарнборо в 1957 году. Одним из ранних усовершенствований конструкции, внедренным в PT6A 20, стал трубчатый диффузор, запатентованный Враной, еще одним из первоначальных разработчиков PT6. Он заменил лопаточный диффузор, использовавшийся в центробежных компрессорах. Трубчатый диффузор стал стандартным конструкторским решением для P&WC. Другое изменение конструкции улучшило работу компрессора при частичных оборотах. Обычно для обеспечения нормальной работы компрессора на низких оборотах двигателя из него выпускают воздух. В PT6 предусмотрена система выпуска воздуха, которая повторно использует этот воздух, направляя его обратно в компрессор в тангенциальном направлении – идея, запатентованная Schaum и др. под названием «Турбинный двигатель с индуцированным предварительным завихрением на входе компрессора». Он работает как переменный лопаточный аппарат и известен как «Jet Flap». Все версии двигателя состоят из двух секций, которые легко разделяются для обслуживания: газогенератор подает горячий газ под давлением на свободную силовую турбину. Стартер должен раскручивать только газогенератор, что облегчает запуск двигателя, особенно в холодную погоду. В некоторых установках, таких как версия PT6A 66B в самолете Piaggio Avanti P180, двигатель установлен в обратном порядке, при этом винт выполняет функцию «толкателя», а вспомогательная коробка передач обращена к передней части самолета.

The rate at which parts deteriorate in a gas turbine is unbalanced insofar as the hottest parts need replacing or repairing more often than the cooler running parts. If the hotter parts can be removed without disturbing the rest of the engine, for example without removing the complete engine from the aircraft, maintenance costs are reduced. It was achieved with the PT6 by having the hottest parts, the gas generator turbine and combustor, at the propeller end. They are removed without disturbing the rest of the engine with its connections to the aircraft. This arrangement was patented by designer Newland, one of the original PT6 team. A similar general arrangement with a free turbine power take off at the exhaust end (the P.181 engine) had been shown by Armstrong Siddeley Motors at the Farnborough Airshow in 1957. An early design improvement, incorporated in the PT6A 20, was the pipe diffuser patented by Vrana, another of the original PT6 team. It replaced the vaned type diffuser used in centrifugal compressors. The pipe diffuser became standard design practice for P&WC. Another design change improved the part speed functioning of the compressor. It is common to bleed air from a compressor to make it work properly at low engine speeds. The PT6 has a bleed arrangement which reuses the bleed air by returning it in a tangential direction at the entry to the compressor, an idea patented by Schaum et al. and titled "Turbine Engine With Induced Pre Swirl at Compressor Inlet". It acts like a variable vane and is known as a "Jet Flap". All versions of the engine consist of two sections that can be easily separated for maintenance: a gas generator supplies hot pressurized gas to a free power turbine. The starter has to accelerate only the gas generator, making the engine easy to start, particularly in cold weather. In some installation such as the PT6A 66B version in the Piaggio Avanti P180, the engine is reversed, with the propeller acting as a "pusher", the accessory gearbox facing the front of the aircraft.

Эксплуатационная история

К 40-летию первого полета в 2001 году было поставлено более 36 000 двигателей PT6A, не считая других модификаций. По состоянию на октябрь 2003 года 31 606 поставленных двигателей отработали более 252 миллионов часов. К ноябрю 2015 года было произведено 51 000 двигателей. Вероятность отказа – 1 случай на 333 000 часов эксплуатации с 1963 по 2016 год. Наработка между капитальными ремонтами составляет от 3600 до 9000 часов, а интервал проверок горячей секции – от 1800 до 2000 часов. Ранние версии PT6 не оснащались системой FADEC, однако автодроссель можно было установить в качестве модернизации с помощью привода, изначально для однодвигательных самолетов, таких как PC 12, и потенциально для двухдвигательных турбовинтовых самолетов. В октябре 2019 года серия PT6 E была представлена на самолете PC 12 NGX – первом турбовинтовом самолете общего назначения с электронной системой управления винтом и двигателем, управляемой одним рычагом, и улучшенным мониторингом для увеличения интервалов технического обслуживания с 300 до 600 часов. Наработка на ТBO (Time Between Overhaul) увеличилась на 43% до 5000 часов, что позволило снизить эксплуатационные расходы двигателя как минимум на 15%. В апреле 2022 года компания Daher объявила, что обновленный SOCATA TBM 960 будет оснащаться двигателем PT6E 66XT.

Маленький

Малые варианты эквиваленты с валовой мощностью (eshp) с валовой мощностью (shp) применения
PT6A 6, 6A, 6B 525 500 Heron TP XP БПЛА из Израиля
PT6A 11 528 500
PT6A 11AG 580 550 Air Tractor AT 400 (402A / 402B) Schweizer Ag Cat G 164B Турбина
PT6A 15AG (сельскохозяйственный) 715 680 Air Tractor AT 400 (402A/402B) Air Tractor AT 502, 502A и 502B Frakes Turbocat Model A / B / C Schweizer Ag Cat G 164B Турбина
PT6A 20 579 550 De Havilland Canada DHC 6 Twin Otter Srs. 100 200
PT6A 20A, 20B, 6/C 579 550
PT6A 21 580 550 Beechcraft King Air C90A / B / SE Beechcraft Bonanza (конверсия турбины) Royal Turbine Duke Evektor EV 55 Outback
PT6A 25, 25A 580 550 Beechcraft T 34C Turbo Mentor Pilatus PC 7 Turbo Trainer
PT6A 25C 783 750 Embraer EMB 312 Tucano Pilatus PC 7 Mk. II МПЗЛ 130 Орлик / ТС II Турбо Орлик
PT6A 27 715 680 Beechcraft Model 99A, B99 De Havilland Canada DHC 6 Twin Otter 300 Harbin Y 12 (CATIC / HAIG) Embraer EMB 110 Bandeirante Let L 410 Turbolet Pilatus PC 6/B Turbo Porter
PT6A 28 715 680 Embraer EMB 121 Xingu Beechcraft King Air 100 Series
PT6A 29 778 750
PT6A 34 783 750 Embraer EMB 110 Bandeirante/111 Embraer EMB 821 Carajá Grumman Mallard (Frakes turbine conversion) JetPROP DLX PAC P 750 XSTOL (750XL) Quest Kodiak (Daher) Vazar Dash 3 Turbine Otter De Havilland Canada DHC 6 Twin Otter 400 Thrush S2R T34 Pilatus PC 6/B Turbo Porter (STC)
PT6A 34B 783 750
PT6A 34AG 783 750 Air Tractor AT 502B Frakes/Grumman Turbo Cat Model A / B / C Pacific Aerospace 750 PZL Okecie PZL 106 Turbo Kruk Schweizer Ag Cat G 164B/D Turbine Thrush Model 510P Thrush S2R T34
PT6A 35 787 750 Blue 35 JetPROP DLX
PT6A 36 783 750 Thrush S2R T34 (только сухая конфигурация)
PT6A 38 801 750
PT6A 110 502 475 Schweizer AG Cat Turbine Royal Turbine Duke
PT6A 112 528 500 Cessna Conquest I
PT6A 114 632 600 Cessna 208 Caravan
PT6A 114A 725 675 Cessna 208 Caravan 675, 208B
PT6A 116 736 700
PT6A 121 647 615
PT6A 135 787 750
PT6A 135A 787 750 Beechcraft King Air F90 1 / C90GT / C90GTi / C90GTx Blackhawk XP135A Cheyenne Series Blackhawk XP135A Conquest I Blackhawk XP135A King Air 90 Series Cessna Conquest I Lancair Evolution Silverhawk 135 / StandardAero C90 / E90 StandardAero Cheyenne Series StandardAero King Air F90T G Aviation Super Cheyenne Vazar Dash 3 Turbine Otter
PT6A 140 912 867 Cessna Grand Caravan EX
PT6A 140A 945 900 ASIC ULtimate Grand Caravan (модернизация) Blackhawk Aerospace XP140 (модернизация Caravan) Evolution Aircraft EVOT 850 (ранее Lancair)
PT6A 140AG 911 867 Air Tractor 502XP Thrush Model 510P

+Smallvariantequivalentshafthorsepower(eshp)shafthorsepower(shp)applicationsPT6A 6, 6A, 6B525500Heron TP XP UAV from IsraelPT6A 11528500PT6A 11AG580550Air Tractor AT 400 (402A / 402B)Schweizer Ag Cat G 164B TurbinePT6A 15AG (agricultural)715680Air Tractor AT 400 (402A/402B)Air Tractor AT 502, 502A and 502BFrakes Turbocat Model A / B / CSchweizer Ag Cat G 164B TurbinePT6A 20579550De Havilland Canada DHC 6 Twin Otter Srs. 100 200PT6A 20A, 20B, 6/C20579550PT6A 21580550Beechcraft King Air C90A / B / SEBeechcraft Bonanza (turbine conversion)Royal Turbine DukeEvektor EV 55 OutbackPT6A 25, 25A580550Beechcraft T 34C Turbo MentorPilatus PC 7 Turbo TrainerPT6A 25C783750Embraer EMB 312 TucanoPilatus PC 7 Mk. II MPZL 130 Orlik / TC II Turbo OrlikPT6A 27715680Beechcraft Model 99A, B99De Havilland Canada DHC 6 Twin Otter 300Harbin Y 12 (CATIC / HAIG)Embraer EMB 110 BandeiranteLet L 410 TurboletPilatus PC 6/B Turbo PorterPT6A 28715680Embraer EMB 121 XinguBeechcraft King Air 100 SeriesPT6A 29778750PT6A 34783750Embraer EMB 110 Bandeirante/111Embraer EMB 821 CarajáGrumman Mallard (Frakes turbine conversion)JetPROP DLXPAC P 750 XSTOL (750XL)Quest Kodiak (Daher)Vazar Dash 3 Turbine OtterDe Havilland Canada DHC 6 Twin Otter 400Thrush S2R T34Pilatus PC 6/B Turbo Porter (STC)PT6A 34B783750PT6A 34AG783750Air Tractor AT 502BFrakes/Grumman Turbo Cat Model A / B / CPacific Aerospace 750PZL Okecie PZL 106 Turbo KrukSchweizer Ag Cat G 164B/D TurbineThrush Model 510PThrush S2R T34PT6A 35787750Blue 35JetPROP DLXPT6A 36783750Thrush S2R T34 (dry configuration only)PT6A 38801750PT6A 110502475Schweizer AG Cat TurbineRoyal Turbine DukePT6A 112528500Cessna Conquest IPT6A 114632600Cessna 208 CaravanPT6A 114A725675Cessna 208 Caravan 675, 208BPT6A 116736700PT6A 121647615PT6A 135787750PT6A 135A787750Beechcraft King Air F90 1 / C90GT / C90GTi / C90GTxBlackhawk XP135A Cheyenne SeriesBlackhawk XP135A Conquest IBlackhawk XP135A King Air 90 SeriesCessna Conquest ILancair EvolutionSilverhawk 135 / StandardAero C90 / E90StandardAero Cheyenne SeriesStandardAero King Air F90T G Aviation Super CheyenneVazar Dash 3 Turbine OtterPT6A 140912867Cessna Grand Caravan EXPT6A 140A945900ASIC ULtimate Grand Caravan (upgrade)Blackhawk Aerospace XP140 (Caravan upgrade)Evolution Aircraft EVOT 850 (formerly Lancair)PT6A 140AG911867Air Tractor 502XPThrush Model 510P

Приложения

Двигатель применяется более чем в 100 различных областях.

Спецификации (PT6A-6)

+Модели газотурбинных двигателей мощность удельный расход топлива (СУГ) /ч степень повышения давления (ОПР) диам. длина вес области применения л.с. кВт фунты/л.с. г/кВт кг PT6A 21 3,1 / 1,1 — Beech Bonanza, King Air C90A/B/SE PT6A 25 3,1 / 1,1 — Beech T 34C PT6A 25C 3,1 / 1,1 — Embraer Tucano, Pilatus PC 7, PZL 130 Orlik PT6A 27 3,1 / 1,1 — Pilatus PC 6 PT6A 114/A 3,1 / 1,1 — Cessna 208 Caravan PT6A 135A 3,1 / 1,1 7 Cessna Conquest, Piper Cheyenne, Beech King Air F90 PT6A 42 3,1 / 1,2 8 Beech King Air 200/B200, C 12 Huron PT6A 60A 4,1 / 1,2 8,5 Beech Super King Air 300/350 PT6A 64 4,1 / 1,2 8,5 Socata TBM 700 PT6A 66 4,1 / 1,2 9,5 Piaggio P.180 Avanti PT6A 65B 4,1 / 1,2 — Ayres Turbo Thrush, PZL M28 Skytruck, Beech 1900/C PT6A 67B 4,1 / 1,2 10,8 Pilatus PC 12 PT6A 67D 4,1 / 1,2 10,8 Beech 1900D PT6A 68 4,1 / 1,2 — Beech T 6 Texan II PT6A 68B 4,1 / 1,2 — Pilatus PC 21 PT6B 37A 3,1 / 1,1 — Agusta A119 Koala PT6C 67A 4,1 / 1,1 — — — Bell/Agusta BA609 PT6C 67C 4,1 / 1,2 — — — Agusta A 139 PT6T 3B/BF 2 × 3,1 / 1,1 — Bell 412/SP/HP/EP PT6T 3D/DF 2 × 3,1 / 1,1 — Bell 412/SP/HP/EP PT6T 6 2 × 3,1 / 1,1 — Bell 212, 412/SP/HP/EP, Sikorsky S 58T PT6T 68 2 × 3,1 / 1,1 — Bell 412HP