Турбовинтовой двигатель | Техника и человек

Турбовинтовые двигатели на первый взгляд внешне напоминают поршневые моторы по общей черте и тех и других — воздушному винту. Но на этом сходство прекращается, далее наступает путь конструктивно совершенно иной машины, с иным принципом работы, с иными характеристиками и режимами работы, с иными возможностями.

Турбовинтовые двигатели (ТВД) – это разновидность газотурбинных двигателей, которые нашли широкое применение в авиации. Сами по себе газотурбинные двигатели (ГТД) были разработаны в качестве универсального преобразователя энергии, которые в итоге стали использовать в авиастроении. Газотурбинный двигатель представляет собой тепловую машину, в которой при сгорании топлива расширенные газы вращают турбину, создавая крутящий момент, а к валу турбины можно подключать необходимые агрегаты. В случае с ТВД к валу подключается воздушный винт.

Турбовинтовые двигатели – это своеобразная «помесь» поршневых моторов с турбореактивными. Поршневые двигатели были первыми силовыми установками, которыми снабжались самолеты. Они представляли собой цилиндры, расположенные в виде звезды, в центре которой располагался вал, вращающий воздушный винт. Но из-за своего большого веса и ограничений по скорости от них со временем отказались, отдав предпочтение турбореактивным двигателям. Правда, ТРД тоже оказались далеко не идеальными. При возможности развивать сверхзвуковую скорость они довольно «прожорливые», что повышает затраты на топливо при их эксплуатации, а их использование на пассажирских и грузовых самолетах делает перелеты слишком дорогими. Именно этот недостаток реактивных двигателей и было возложено устранить их турбовинтовым сородичам, которые на сегодняшний день успешно используются в авиации. Взяв за основу строение и принцип работы ТРД и умело совместив его с работой воздушного винта от поршневых моторов, они смогли соединить в себе небольшие габариты и малый вес, экономный расход топлива и высокий КПД.

Hawker Beechcraft King Air 350

Впервые в Советском Союзе ТВД сконструировали и испытали еще в 30-х годах, а в 50-е началось их серийное производство. Диапазон их мощностей был в пределах 1880-11000 кВт. Турбовинтовые двигатели долгое время успешно использовались в гражданской и военной авиации, отличаясь надежностью и долговечностью. Примером может служить заслуженный «ветеран» отечественного авиастроения АИ-20, которым оснащались ИЛ-18, АН-8, АН-32, АН-12, БЕ-12, ИЛ-38. Но со временем стало понятно, что увеличивать их мощность можно только до определенного предела, а использовать их на сверхзвуковых скоростях не получится, так что сфера их использования резко сократилась. Сейчас ТВД в основном используются в гражданской авиации на самолетах с низкой скоростью, тогда как сверхзвуковые самолеты оснащены турбореактивными двигателями. ТВД устанавливаются на АН-24, АН-32, ИЛ-18, ТУ-114.

Устройство и принцип работы турбовинтового двигателя

Строение турбовинтового двигателя довольно простое. Он состоит из воздушного винта с редуктором, компрессора, камеры сгорания, турбины и выходного устройства – сопла. Компрессор нагнетает и сжимает воздух, направляя его в камеру сгорания, куда впрыскивается топливо. Горючая смесь, полученная при смешивании воздуха с топливом, воспламеняется, образуя газы с высокой потенциальной энергией, которые, расширяясь, поступают на лопасти турбины, вращая ее, а сама турбина вращает воздушный винт и компрессор. Энергия, не потраченная на вращение турбины, выходит в виде потока воздуха через сопло, образуя реактивную тягу, величина которой не более 10% от общей тяги мотора. Поскольку она незначительна по своей величине, ТВД не считается реактивным. Как видно, по своему строению и принципу работы турбовинтовой двигатель очень напоминает турбореактивный с той лишь разницей, что в первом случае выработанная полезная энергия идет на вращение винта, а во втором она полностью выходит в виде потока воздуха через сопло, образуя реактивную тягу.

Строение турбовинтового двигателя

Рабочий вал

Различают двухвальные и одновальные турбовинтовые двигатели. В одновальных ТВД турбина с компрессором и винт расположены на одном валу, тогда как в двухвальных между ними нет механической связи: турбина и компрессор закреплены на одном валу, а винт через редуктор – на другом. Во втором случае конструкция мотора включает в себя две турбины, связанные между собой не механически, а газодинамически: одна для компрессора, вторая для винта. Это более распространенный и эффективный вариант, который, несмотря на более сложную конструкцию, используется чаще. Такое решение позволяет использовать энергию двигателя без запуска винтов, что удобно в случаях, когда самолет находится на земле и нужно обеспечить выработку электроэнергии и подачу воздуха высокого давления.

Компрессор

Компрессор ТВД имеет ступенчатую конструкцию с числом ступеней в пределах 2-6, что позволяет воспринимать значительные перепады давления и температур при работе, регулировать и снижать обороты. Многоступенчатая конструкция также дает возможность снизить массу и размеры мотора, что немаловажно для авиационных двигателей, где на счету каждый грамм веса. Компрессор состоит из рабочех колес с лопатками и направляющего аппарата. Направляющий аппарат может быть как регулируемым (с поворачивающимися лопатками вокруг своей оси), так и не регулируемым.

Воздушный винт

Воздушный винт создает необходимую тягу, но при этом скорость его вращения ограничена. Наиболее эффективно он работает на скорости 750-1500 об/мин, после чего КПД падает, а сам винт из движителя фактически превращается в тормоз. Это явление носит название «эффект запирания» и связано оно с тем, что отдельные части лопастей винта на высоких оборотах начинают двигаться со скоростью, превышающей скорость звука, что становится причиной его некорректной работы. Это же происходит, если увеличить диаметр лопастей, ведь чем они длиннее,  тем больше линейная скорость на их концах.

Турбина

Турбина же развивает скорость до 20 000 об/мин, но винт на таких оборотах просто не сможет работать, поэтому он оснащается понижающим редуктором, уменьшающим скорость вращения и повышающим момент. Редукторы по своему строению могут отличаться, но их задача – понижение скорости вращения и увеличение момента – остается неизменной. Ограничение скорости вращения винта во многом ограничивает использование ТВД особенно в военной авиации, где важна скорость, но ученые и конструкторы ведут активную работу по созданию сверхзвукового двигателя, правда, пока их старания не увенчались успехом. Для увеличения тяги на некоторых моделях устанавливаются по два винта, которые в процессе работы вращаются в противоположные стороны, приводимые в движение одним редуктором. Примером такого двигателя является Д-27, который называют турбовинтовентиляторным. Он оснащен двумя винто-вентиляторами, закрепленными через редуктор на оси свободной турбины. Пока это единственный двигатель такого рода, который используется в гражданской авиации на самолетах АН-70, но его появление и успешное использование смогут стать настоящим прорывом в сфере улучшения эксплуатационных показателей ТВД.

Преимущества и недостатки

Подведя итоги, можно выделить основные преимущества и недостатки ТВД. Преимуществами турбовинтовых двигателей являются:

— небольшой вес в сравнение с поршневыми моторами;

— экономичность и меньший расход топлива в сравнение с турбореактивными двигателями, что объясняется наличием воздушного винта, КПД которого порой достигает 86%.

Но при всех своих достоинствах ТВД не могут полностью заменить собой реактивные двигатели, ведь их конструкция не позволяет развивать большие скорости. Их скоростной предел составляет 750 км/час, тогда как современная авиация требует намного большего. Еще один минус – шум при работе винта, превышающий гранично допустимые значения, определенные Международной организацией гражданской авиации.

Таким образом, несмотря на высокий КПД и экономичность, использование турбовинтовых двигателей ограничено. В основном ими оснащаются самолеты, летающие с небольшой скоростью и на дальние расстояния, что позволяет значительно снизить стоимость пассажирских и грузовых перелетов. В этих случаях их использование полностью оправдано. Но в военной авиации ТВД практически не используются – здесь важны не экономия топлива, а скорость, маневренность и бесшумность, что вполне могут обеспечить турбореактивные двигатели. Вместе с тем в авиационной промышленности постоянно ведутся работы по созданию сверхзвуковых винтов, которые смогли бы преодолевать звуковой барьер без потерь КПД и «эффекта запирания». Возможно, со временем этим двигателям удастся вытеснить своих реактивных собратьев и занять их место в современном авиастроении. Пока же ТВД остаются пусть и не самыми мощными, но выносливыми и надежными «рабочими лошадками».

Турбовинтовой двигатель принцип работы

Двигатель турбовинтовой принадлежит к классу газотурбинных, которые разрабатывались как универсальные преобразователи энергии и стали широко использоваться в авиации. Они состоят из тепловой машины, где расширенные газы вращают турбину и образуют крутящий момент, а к ее валу прикрепляют другие агрегаты. Двигатель турбовинтовой снабжается воздушным винтом. Он представляет собой нечто среднее между поршневыми и турбореактивными агрегатами.

• Устройство турбовинтового двигателя и принцип его работы
• Рабочий вал
• Компрессор
• Воздушный винт
• Турбина
• Преимущества и недостатки
• Сфера использования
• Источники:

Сначала в самолеты устанавливали поршневые двигатели, состоящие из цилиндров в форме звезды с расположенным внутри валом. Но из-за того, что они имели слишком большие габариты и вес, а также низкую возможность скорости, их перестали использовать, отдав предпочтение появившимся турбореактивным установкам. Но и эти двигатели не были лишены недостатков. Они могли развивать сверхзвуковую скорость, но потребляли очень много топлива. Поэтому их эксплуатация обходилась слишком дорого для пассажирских перевозок.

Двигатель турбовинтовой должен был справиться с подобным недостатком. И эта задача была решена. Конструкция и принцип работы были взяты из механизма турбореактивного мотора, а от поршневого — воздушные винты. Таким образом, стало возможным совмещение небольших габаритов, экономичности и высокого коэффициента полезного действия.

Устройство турбовинтового двигателя и принцип его работы

Конструкция мотора:

• редуктор;
• воздушный винт;
• камера сгорания;
• компрессор;
• сопло.

Схема турбовинтового двигателя выглядит следующим образом: после нагнетания и сжатия компрессором воздух попадает в камеру сгорания. Туда же впрыскивается топливо. Полученная смесь воспламеняется и создает газы, которые при расширении поступают в турбину и вращают ее, а она, в свою очередь, вращает компрессор и винт. Нерастраченная энергия выходит через сопло, создавая реактивную тягу. Так как величина ее не является существенной (всего десять процентов), не считается турбореактивным турбовинтовой двигатель.

Рабочий вал

Бывают двигатели с одним или двумя валами. В одновальном варианте на одном валу находятся и компрессор, и турбина, и винт. В двухвальном — на одном из них установлены турбина и компрессор, а на другом — винт через редуктор. Здесь же имеются две турбины, связанные друг с другом газодинамическим способом. Одна из них предназначена для винта, а другая — для компрессора. Такой вариант наиболее распространен, так как энергия может применяться без запуска винтов. А это особенно удобно, когда самолет находится на земле.

Компрессор

Эта деталь состоит из двух-шести ступеней, позволяющих воспринимать существенные перепады температуры и давления, а также снижать обороты. Благодаря такой конструкции получается понизить вес и габариты, что является очень важным для авиационных двигателей. В компрессор входят рабочие колеса и направляющий аппарат. На последнем может быть предусмотрена или не предусмотрена регуляция.

Воздушный винт

Благодаря этой детали образуется тяга, но скорость является ограниченной. Лучшим показателем считается уровень от 750 до 1500 оборотов в минуту, так как при увеличении коэффициент полезного действия начнет падать, и винт вместо разгона будет превращаться в тормоз. Явление называется «эффектом запирания». Оно вызвано лопастями винта, которые на высоких оборотах при вращении, превышающей скорость звука, начинают функционировать некорректно. Тот же самый эффект будет наблюдаться при увеличении их диаметра.

Турбина

Турбина способна развить скорость до двадцати тысяч оборотов в минуту, но винт не сможет ей соответствовать, поэтому здесь имеется понижающий редуктор, сокращающий скорость и увеличивающий крутящий момент.

Редукторы могут быть разными, но главная их задача вне зависимости от вида — снижать скорость и повышать момент.

Именно эта характеристика ограничивает использование турбовинтового двигателя в военных самолетах. 

Преимущества и недостатки

Преимуществами являются:

• малый вес по сравнению с поршневыми агрегатами;
• экономичность по сравнению с турбореактивными моторами (благодаря воздушному винту коэффициент полезного действия достигает восьмидесяти шести процентов).

Недостатки:

 — скоростной предел — 750км/ч, что мало для современной авиации;

— высокий шум, превышающий допустимые значения Международной организации гражданской авиации.

Сфера использования

Турбовинтовые двигатели используются в тех случаях, когда скорости полета самолета относительно невелики. На большом количестве современных транспортных самолетов применяются именно ТВД. Их преимущество прежде всего в экономичности. 

Для турбовинтовых двигателей сила тяги состоит из тяги воздушного винта и силы тяги, возникающей при истечении газа из сопла. В зависимости от скорости полета самолета изменяются доли двух составляющих тяги.

При малых скоростях (крейсерских для транспортных самолетов) доля тяги от воздушных винтов значительно превышает вторую составляющую.

В ТВД часто используется комбинация компрессоров.

Реактивную тягу также создает струя раскаленных газов, выходящая из сопла двигателя.

Отношение объемов воздуха, прокачиваемых через внешний контур и через камеру сгорания, называется «степенью двухконтурности».

Двигатели, у которых степень двухконтурности высока и составляет от 2 до 10, называют турбовентиляторными, а имеющее сравнительно большой диаметр первое колесо компрессора низкого давления — вентилятором.

Преимущества турбовентиляторного двигателя от турбореактивного таковы: во‑первых, если большая часть реактивной тяги создается продуваемым воздухом, а не реактивными газами, повышается топливная эффективность, а значит, экономичность и экологичность всей силовой установки. Во‑вторых, на выходе из сопла (или сопл) холодный воздух смешивается с горячими газами, снижая общее давление смеси. Это делает двигатель менее шумным.

Туробореактивные двигатели ставят на самолеты с требованием значительной скорости и соответственно мощности.

Конструкция двухконтурных турбореактивных двигателей обеспечивает поступление воздуха в значительных количествах, что на высоких скоростях обеспечивает большую тягу. Второй контур, контур низкого давления, таким образом, дает дополнительную силу тяги. Соотношение двух составляющих общей тяги зависит от конструкции двигателей и режимов работы.

Источники:

• FB.ru
• Пикабу!
• bigenc.ru
• Drive2.ru
• мастерок
• zr.ru
• SYL.ru

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 5 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Как работает турбовинтовой двигатель

Capwatts86

Турбовинтовые двигатели сочетают в себе надежность реактивных самолетов с эффективностью винтовых самолетов на малых и средних высотах. Турбовинтовые двигатели, устанавливаемые на любой самолет, от пассажирского самолета на 50+ мест до одноместного пилота, идеально подходят для безопасных и эффективных региональных путешествий. Вот как они работают…

Из всех турбовинтовых двигателей одним из самых популярных является Pratt & Whitney PT6. С тех пор, как семейство поступило на вооружение в 19 году, было выпущено более 41 000 двигателей PT6A.60-х годов, налетав более 335 миллионов часов. Мощность 69 моделей PT6 варьируется от 500 лошадиных сил на валу (SHP) до более 2000 SHP. Хотя не все турбовинтовые двигатели работают точно так же, как PT6, все они следуют одним и тем же основным принципам. Из-за его широкой популярности это отличный пример, на котором стоит сосредоточиться.

Обратный поток

В отличие от турбовентиляторных или турбореактивных самолетов, воздух проходит через турбовинтовые двигатели, такие как PT6, за счет обратного потока.

Большие воздухозаборники под винтом или рядом с ним забирают воздух в воздухозаборники, где он движется назад к противопожарной перегородке двигателя. Достигнув заднего предела воздухозаборника, воздух совершает поворот на 180 градусов назад в сторону передней части самолета.

Кроме того, воздух снова меняет направление, когда достигает камеры сгорания, что позволяет сделать двигатель короче и компактнее.

Сжатие

Первые ступени компрессора с осевым потоком используют ряд вращающихся лопастей аэродинамической формы для ускорения и сжатия воздуха. Это называется осевым потоком, потому что воздух проходит через двигатель в направлении, параллельном валу двигателя. Когда воздух проходит через компрессор, каждый набор лопастей становится немного меньше, что увеличивает энергию и сжатие воздуха.

Между каждым набором лопаток компрессора находятся неподвижные лопатки аэродинамической формы, называемые «статорами». Эти статоры (которые также называются лопастями) увеличивают давление воздуха за счет преобразования энергии вращения в статическое давление. Статоры также готовят воздух для входа в следующий набор вращающихся лопастей. Другими словами, они выпрямляют и стабилизируют поток воздуха.

После прохождения последней ступени осевого компрессора воздух поступает на ступень центробежного компрессора. Воздух выбрасывается наружу, от ядра двигателя, к камерам сгорания. В эфире сделали еще 9поворот на 0 градусов.

Сжигание

В камере сгорания возникает огонь. Когда воздух выходит из компрессора и поступает в камеру сгорания, он смешивается с топливом и воспламеняется. Звучит просто, но на самом деле это очень сложный процесс. Это связано с тем, что камера сгорания должна поддерживать стабильное, постоянное сгорание топливно-воздушной смеси, в то время как воздух проходит через камеру сгорания с чрезвычайно высокой скоростью.

Диффузор замедляет поток воздуха из компрессора, облегчая воспламенение. Купол и завихритель создают турбулентность воздуха, чтобы он легче смешивался с топливом. А форсунки топливных форсунок, как вы, наверное, догадались, распыляют топливо в воздух, создавая топливно-воздушную смесь, которая может воспламениться. Оттуда во вкладыше происходит фактическое сгорание. Вкладыш имеет несколько впускных отверстий, что позволяет воздуху поступать в несколько точек зоны горения.

Воспламенители являются последними частями стадии горения; они очень похожи на свечи зажигания в вашем автомобиле или самолете с поршневым двигателем. Как только воспламенители зажгут огонь, он станет самоподдерживающимся, и воспламенители выключаются (хотя это часто используется в качестве резервного в плохую погоду и в условиях обледенения).

Турбины

Когда воздух проходит через камеру сгорания, он проходит через турбину компрессора. Турбина представляет собой набор лопаток аэродинамической формы, очень похожих на лопатки компрессора. Когда горячий воздух с высокой скоростью обтекает лопасти турбины, они извлекают энергию из воздуха, вращая турбину компрессора по кругу и вращая вал двигателя, к которому она подключена. Это тот же вал, к которому подсоединены секция компрессора и все вспомогательное оборудование с приводом от двигателя. Это самоподдерживающийся цикл мощности, пока горит пламя в камере сгорания. Около 70% общей мощности двигателя предназначено для вращения секции компрессора и вспомогательного оборудования, приводимого в действие двигателем, в PT6.

Думаете, вы просто перечитываете статью о том, как работает газотурбинный двигатель? И вот здесь все действительно начинает меняться…

Хотя турбина компрессора может вращать заднюю часть вала двигателя (секция компрессора и вспомогательное оборудование, приводимое в действие двигателем) со скоростью более 37 000 об/мин, она НЕ вращает гребной винт. Полностью отдельный второй вал двигателя расположен прямо перед турбиной компрессора.

Воздушный поток, проходящий мимо турбины компрессора, сталкивается с силовыми турбинами двигателя. Эти силовые турбины вращаются так же, как турбина компрессора, с лопастями аэродинамической формы. Этот передний вал двигателя напрямую соединен с гребным винтом, обеспечивая его вращение. Около 30% общей мощности двигателя расходуется на вращение гребного винта в PT6.

Забавный факт: Поскольку PT6 является двигателем со свободной турбиной, теоретически вы можете держать винт в руке, пока двигатель запускается. Единственное, что вращает винт, это воздух, проходящий через колеса силовой турбины. Поскольку эти турбины соединены со своим собственным валом двигателя, отдельным от секции компрессора, вполне возможно, что при предельно малой мощности пропеллер может оставаться неподвижным, когда воздушный поток проходит мимо турбин… Но, пожалуйста, не пытайтесь повторить это дома.

Редуктор

Пропеллер в передней части турбовинтового двигателя не может вращаться со скоростью около 33 000 об/мин силовых турбин. Установлен ряд редукторов для снижения оборотов до красной отметки 1900 об / мин, как это ограничено в большинстве двигателей PT6.

Следующий? Вы угадали… тяга. Теперь, когда гребной вал вращается с разумной скоростью, гребной винт может создавать тягу. Прочтите эту статью, чтобы узнать, как создается эта тяга.

Выхлоп

Отработанный воздух бесполезен после прохождения через силовые турбины. Он просто отводится от двигателя через выхлопные трубы. В некоторых самолетах POH предоставляет число, которое показывает тягу, создаваемую непосредственно выхлопными газами. Обычно это всего лишь несколько процентов от общей генерируемой тяги. Пропеллер все равно выигрывает!

Преимущества турбовинтовых самолетов

Несмотря на то, что турбовинтовые самолеты обычно имеют более низкие практические потолки, чем самолеты с турбовентиляторными или турбореактивными двигателями, они потребляют значительно меньше топлива на одного пассажира. Из-за кривой КПД они наиболее эффективны на скоростях менее 400 узлов. Несмотря на высокую стоимость, они чрезвычайно надежны.

Это делает турбовинтовые двигатели идеальным типом двигателя для относительно коротких региональных рейсов. Вот почему вы найдете их на таких самолетах, как Dash-8-Q400, Cessna Caravan, Pilatus PC-12 и Beechcraft King Air.

Bernal Saborio G. (berkuspic)

Собираем все вместе

Оснащение самолета турбовинтовым двигателем — лучшее из двух миров для региональных полетов на малых высотах. Воздух сжимается, сгорает и преобразуется в энергию, которая вращает пропеллер. По сравнению с поршневыми самолетами у них относительно мало движущихся частей с гораздо меньшей вибрацией, что делает их чрезвычайно надежными.

Вы летали на турбовинтовом? Расскажите нам об этом в комментариях ниже.

Станьте лучшим пилотом.
Подпишитесь, чтобы получать последние видео, статьи и викторины, которые помогут вам стать более умным и безопасным пилотом.

Зарегистрироваться >

•  

  НАЗВАНИЕ

  • • Бирка
  • Автор
  • Дата

Турбовинтовой двигатель