フリータービンターボシャフト

ギアボックスの故障という特定の故障シナリオでは、フリータービン方式は単軸ターボプロップよりも危険であることが判明した。プロペラ負荷との接続が失われると、タービンが過回転して破壊される可能性がある。（同様のギアボックス故障が発生した単軸方式では、タービンは依然としてコンプレッサーから負荷の大部分を受けている）。このような故障は、1954年に発生した2番目の試作機ブリストル・ブリタニア、G-ALRXの事故につながり、同機はセヴァーン河口に不時着を余儀なくされた。ブリストル・プロテウス・プロペラ減速ギアボックスの故障により、3番エンジンのパワータービンが過回転して解放された。タービンはオイルタンクを突き破り、翼桁の健全性を脅かす火災が発生した。パイロットのビル・ペッグは河口の泥に不時着した。^{[ 4 ] [ 5 ]}プロテウスのギアは再設計され、同様の再発を防ぐために緊急燃料遮断装置が取り付けられた。 1994年に執筆したガンストン^{[ 1 ]}は、フリータービンエンジンでは保護が一般的ではないことに驚きを表明した。しかし、認証規則では、ディスクの摩擦やブレードの干渉など、過回転を防ぐための他の方法が認められている。

ヘリコプターはターボシャフトエンジンの主要な市場です。1950年代にターボシャフトエンジンが利用可能になると、新しい設計とピストンエンジンの代替の両方で急速に採用されました。より高い出力と、はるかに優れた出力重量比を提供しました。この時期のピストンヘリコプターはかろうじて十分な性能でした。タービンエンジンに切り替えることで、エンジンの重量を数百ポンド（ウェストランド ウェセックスのネイピア ガゼルでは600ポンド（270 kg））減らすことができ、^{[ 6 ]}ペイロード重量を大幅に増やすことができました。ウェストランド ワールウィンドでは、不十分なピストンエンジンのHAS.7を、デ ハビランド ノームタービン動力のHAR.9に変更しました。最初の対潜ヘリコプターの1つであるHAS.7は、重量制限が非常に大きかったため、捜索ソナーか魚雷のどちらか一方しか搭載できませんでした。  

フリータービンエンジンは特に適していることがわかった。出力軸が静止したままガス発生器を始動できるため、クラッチは不要である。ウェセックスでは、この方式は冷間始動からの特に速い離陸を実現するために使用された。ローターブレーキでメインローター（およびパワータービン）をロックすることでエンジンを始動し、ガス発生器が10,500rpmの速度に達したら ブレーキを解除してパワータービンを加速させ、ローターを静止状態からわずか15秒で動作速度まで上げ、エンジン始動から離陸までの時間をわずか30秒に短縮することができた。^{[ 6 ]}

フリータービン設計のもう 1 つの利点は、パワー タービンを逆方向にするだけで、逆回転エンジンを簡単に設計および製造できることでした。^{[ 7 ]}これにより、必要に応じて左右のエンジンをペアで製造することができました。また、ガス ジェネレーター コアとパワー タービンが反対方向に回転し、全体の慣性モーメントが減少する逆回転エンジンも可能になりました。ヘリコプター エンジンの交換市場では、この機能により、どちらの方向の以前のエンジンも簡単に交換することができました。^{[ 7 ]}一部のターボシャフト エンジンは、設置角度が全角度で自由であるため、以前のエンジンの配置に関係なく、既存のヘリコプター設計に組み込むことができました。^{[ 7 ]}しかし、やがて、軸流 LP コンプレッサーへの移行と、より小径のエンジンへの移行により、キャビン上部に水平に並べて配置された 1 つまたは 2 つのエンジンという、現在標準となっているレイアウトへの移行が促進されました。

ターボプロップ機は、現在でも自由回転式および非自由回転式のさまざまなタービンエンジンによって駆動されている。大型エンジンは大部分が非自由回転式設計を維持しているが、多くは2軸設計となっており、「動力」タービンがプロペラと低圧コンプレッサーを駆動し、高圧コンプレッサーは独自のタービンを備えている。

最初の自由タービン式ガスタービンエンジンは、ブリストル・テセウス・ターボプロップでした。^{[ 8 ]}これはブリストル初のガスタービンであり、その大まかな設計はトッキントン・マナーのフランク・オーナーによって行われました。1945年7月に初運転され、1946年12月には100時間の型式試験に合格した最初のターボプロップとなりました。^{[ 8 ]}

オリジナルのブリストル・プロテウスや最新のTP400など、一部の大型ターボプロップエンジンはフリータービンを採用している。TP400は3軸設計で、2つのコンプレッサータービンと独立したパワータービンを備えている。タービンがエンジンの後部に位置するターボプロップエンジンでは、プロペラ減速ギアボックスまで長い駆動軸が必要となる。このような長い軸は設計上の課題となりやすく、軸の振動を慎重に制御する必要がある。

小型ターボプロップエンジンでは、フリータービン設計が主流となっており、これらの設計は全体的に逆配置になっていることが多く、吸気口と圧縮機が後方にあり、前方の高温部とパワータービンへと空気が供給されます。これにより、タービン出力がプロペラギアボックスの近くに配置されるため、長いドライブシャフトが不要になります。このようなエンジンは、メインエンジンの前に外部の「エルボ」型排気口があるため、外観から容易に識別できます。特に代表的な例としてPT6エンジンがあり、5万基以上が生産されています。

プッシャープロップファン

自由タービンを利用した魅力的なシンプルな構成として、プロップファンエンジンがある。これは、より一般的なトラクターレイアウトではなく、プッシャー構成で後部にダクトなしファンが取り付けられている。このようなエンジンの最初のものは、ダクト付きファンを備えた非常に初期の有望な1942年のメトロポリタン・ビッカースF.3で、続いてダクトなしではるかに軽量なF.5が登場した。これらのエンジンの開発は、技術的な理由ではなく、企業の買収により突然中止された。ロールス・ロイスは1980年代までこのようなエンジンの設計研究を続け^{[ 9 ]} 、 GEも同様であったが、これらはまだ商用エンジンとして登場していない^{[ 10 ] 。}

自由動力タービンを備えたプッシャープロップファンの利点は、そのシンプルさです。プロペラブレードは回転するタービンディスクの外側に直接取り付けられます。ギアボックスやドライブシャフトは必要ありません。回転部品の長さが短いため、振動も低減されます。この長さのエンジンの静的構造は、タービン内部の大きな直径のチューブです。ほとんどの設計では、タービンとプロペラの2つの逆回転リングが使用されます。噛み合った逆回転タービンは、互いのガイドベーンとして機能し、静的ベーンの必要性をなくします。 ^{[ 9 ]}

M1エイブラムス主力戦車は、ハネウェルAGT1500（旧テキストロン・ライカミング）2軸ガスタービンエンジンを搭載している。商用派生型として、船舶および鉄道用途向けのTF15が設計され^{[ 11 ] [ 12 ]}、飛行定格バージョンであるPLT27も開発されたが、GE T700ターボシャフトに主要な契約を奪われた^{[ 13 ] 。}

ターボシャフトエンジンは、いくつかのガスタービン機関車の動力源として使用されており、中でも特筆すべきは、ターボトレイン（フランス）とターボライナー（アメリカ）で使用されたターボメカ・トゥルモである。