Турбовальный двигатель.

Привет!

Центробежная ступень компрессора ТВаД.

Сегодня продолжаем серию рассказов о типах авиационных двигателей.

Как известно, основной узел любого газотурбинного двигателя ( ГТД) – это турбокомпрессор. В нем компрессор работает в связке с турбиной , которая его вращает. Функции турбины этим могут и ограничиться. Тогда вся оставшаяся полезная энергия газового потока, проходящего через двигатель, срабатывается в выходном устройстве ( реактивном сопле ). Как говорил мой преподаватель «спускается на ветер» :-). Тем самым создается реактивная тяга и ГТД становится обычным турбореактивным двигателем (ТРД).

Но можно сделать и по-другому. Турбину ведь можно заставить кроме компрессора вращать и другие нужные агрегаты, используя ту самую оставшуюся полезную энергию. Это может быть, например, самолетный воздушный винт. В этом случае ГТД становится уже турбовинтовым двигателем, в котором 10-15% энергии все же расходуется «на воздух» :-), то есть создает реактивную тягу.

Принцип работы турбовального двигателя.

Но если вся полезная энергия в двигателе срабатывается на валу и через него передается для привода агрегатов, то мы уже имеем так называемый турбовальный двигатель ( ТваД ).

Такой двигатель чаще всего имеет свободную турбину . То есть вся турбина как бы поделена на две части, между собой механически несвязанные. Связь между ними только газодинамическая . Газовый поток, вращая первую турбину, отдает часть своей мощности для вращения компрессора и далее, вращая вторую, тем самым через вал этой (второй) турбины приводит в действие полезные агрегаты. Сопла на таком двигателе нет. То есть выходное устройство для отработанных газов конечно имеется, но соплом оно не является и тяги не создает. Просто труба… Зачастую еще и искривленная :-).

Компоновка двигателя Arriel 1E2.

Турбовальный двигатель ARRIEL 1E2.

Eurocopter BK 117 c 2-мя турбовальными двигателями Arriel 1E2.

Выходной вал ТваД, с которого снимается вся полезная мощность, может быть направлен как назад, через канал выходного устройства, так и вперед, либо через полый вал турбокомпрессора, либо через редуктор вне корпуса двигателя.

Компоновка двигателя Arrius 2B2.

Турбовальный двигатель ARRIUS 2B2.

Eurocopter EC 135 с 2-мя турбовальными двигателями Arrius 2B2.

Надо сказать, что редуктор – непременная принадлежность турбовального двигателя. Ведь скорость вращения как ротора турбокомпрессора, так и ротора свободной турбины велика настолько, что это вращение не может быть напрямую передано на приводимые агрегаты. Они просто не смогут выполнять свои функции и даже могут разрушиться. Поэтому между свободной турбиной и полезным агрегатом обязательно ставится редуктор для снижения частоты вращения приводного вала.

Компоновка двигателя Makila 1A1.

Турбовальный двигатель MAKILA 1A1

Eurocopter AS 332 Super Puma с 2-мя турбовальными двигателями Makila 1A1

Компрессор у ТваД может быть осевым (если двигатель мощный) либо центробежным. Часто компрессор бывает и смешанным по конструкции, то есть в нем есть как осевые, так и центробежные ступени. В остальном принцип работы этого двигателя такой же, как и у ТРД. Примером разнообразия конструкций ТваД могут служить двигатели известной французской двигателестроительной фирмы TURBOMEKA . Здесь я представляю ряд иллюстраций на эту тему (их сегодня вообще много как-то получилось :-)… Ну много — не мало… :-)).

Компоновка двигателя Arrius 2K1

Турбовальный двигатель ARRIUS 2K1.

Вертолет Agusta A-109S с 2-мя турбовальными двигателями Arrius 2K1.

Основное свое применение турбовальный двигатель находит сегодня конечно же в авиации, по большей части на вертолетах. Его часто и называют вертолетный ГТД. Полезная нагрузка в этом случае – несущий винт вертолета. Известным примером ( кроме французов :-))могут служить широко распространенные до сих пор отличные классические вертолеты МИ-8 и МИ-24 с двигателями ТВ2-117 и ТВ3-117 .

Вертолет МИ-8Т с 2-мя турбовальными двигателями ТВ2-117.

Турбовальный двигатель ТВ2-117.

Вертолет МИ-24 с 2-мя турбовальными двигателями ТВ3-117.

Турбовальный двигатель ТВ3-117 для вертолета МИ-24.

Кроме того ТваД может применяться в качестве вспомогательной силовой установки ( ВСУ , о ней подробнее в следующей статье :-)), а также в виде специальных устройств для запуска двигателей. Такие устройства представляют собой миниатюрный турбовальный двигатель, свободная турбина которого раскручивает ротор основного двигателя при его запуске. Называется такое устройство турбостартер . В качестве примера могу привести турбостартер ТС-21 , используемый на двигателе АЛ-21Ф-3 , который устанавливается на самолеты СУ-24 , в частности на мой родной СУ-24МР :-)…

Двигатель АЛ-21Ф-3 с турбостартером ТС-21.

Турбостартер ТС-21, снятый с двигателя.

Фронтовой бомбардировщик СУ-24М с 2-мя двигателями АЛ-21Ф-3.

Однако, говоря о турбовальных двигателях, нельзя не сказать о совсем неавиационном направлении их использования. Дело в том, что ведь изначально газотурбинный двигатель не был монополией авиации. Главный его рабочий орган, газовая турбина , создавался задолго до появления самолетов. И предназначался ГТД для целей более прозаических, нежели полеты в воздушной стихии :-). Эта самая воздушная стихия его все же завоевала. Однако неавиационное приземленное предназначение существует и серьезности своей не потеряло, скорее наоборот.

На земле, так же как и в воздухе ГТД (турбовальный двигатель) применяется на транспорте.

Первое – это перекачка природного газа по крупным магистралям через газоперекачивающие станции. ГТД используются здесь в качестве мощных насосов.

Второе – это водный транспорт. Суда, использующие турбовальные газотурбинные двигатели называют газотурбоходы . Это чаще всего суда на подводных крыльях, у которых гребной винт приводит в движение турбовальный двигатель механически через редуктор или электрически через генератор, который он вращает. Либо это суда на воздушной подушке, которая создается при помощи ГТД.

Газотурбоход «Циклон-М» с 2-мя газотурбинными двигателями ДО37.

Пасажирских газотурбоходов за российскую историю было всего два. Последнее очень перспективное судно « Циклон-М » появилось в очень неудобное для себя время в 1986 году. Успешно пройдя все испытания, оно «благополучно» перестало существовать для России. Перестройка… Более таких судов не строили. Зато у военных в этом плане дела обстоят несколько лучше. Чего стоит один только десантный корабль «Зубр» , самое большое в мире судно на воздушной подушке.

Десантный корабль на воздушной подушке «Зубр» с газотурбинными двигателями.

Третье – это железнодорожный транспорт. Локомотивы на которых стоят турбовальные газотурбинные двигатели, называют газотурбовозы . На них используется так называемая электрическая передача. ГТД вращает электрогенератор, а вырабатываемый им ток, в свою очередь, вращает электродвигатели, приводящие локомотив в движение. В 60-е годы прошлого века в СССР проходили довольно успешную опытную эксплуатацию три газотурбовоза. Два пассажирских и один грузовой. Однако они не выдержали соревновавния с электровозами и в начале 70-х проект был свернут. Но в 2007 году по инициативе ОАО «РЖД» был изготовлен опытный образец газотурбовоза с ГТД, работающем на сжиженном природном газе (опять криогенное топливо :-)). Газотурбовоз успешно прошел испытания, планируется его дальнейшая эксплуатация.

И наконец четвертое , самое, наверное, экзотическое… Танки . Грозные боевые машины. На сегодняшний момент достаточно широко известны два типа ныне использующихся боевых танков с газотурбинными двигателями. Это американский М1 Abrams и российский Т-80 .

Танк M1A1 Abrams с газотурбинным двигателем AGT-1500.

Во всех вышеописанных случаях применения ГТД (суть турбовальный двигатель), он обычно заменяет дизельный двигатель. Это происходит потому, что (как я уже описывал здесь) при одинаковых размерах турбовальный двигатель значительно превосходит дизельный по мощности, имеет гораздо меньший вес и шумность.

Танк Т-80 с газотурбинным двигателем ГТД-1000Т.

Однако у него есть и крупный недостаток.Он обладает сравнительно низким коэффициентом полезного действия, что обуславливает большой расход топлива. Это естественно снижает запас хода любого транспортного средства (и танка в том числе :-)). Кроме того он чувствителен к грязи и посторонним предметам, всасываемым вместе с воздухом. Они могут повредить лопатки компрессора. Поэтому приходится создавать достаточно объемные системы очистки при использовании такого двигателя.

Эти недостатки достаточно серьезны. Именно поэтому турбовальный двигатель получил гораздо большее распространение в авиации, чем в наземном транспорте. Там этот трудяга-движок, ничего не пуская «на ветер» :-), заставляет подниматься в воздух вертолеты. И они в родной для них стихии из несуразных, на первый взгляд, машин превращаются в изумительные по красоте и возможностям творения рук человеческих… Все-таки авиация – это здорово :-)…

P.S. Вы только посмотрите, что они вытворяют!

Вертолетные двигатели: обзор, характеристики

На сегодняшний день люди изобрели множество разных видов техники, которая может не только перемещаться по дорогам, но и летать. Самолеты, вертолеты и другие летательные аппараты позволили исследовать воздушное пространство. Вертолетные двигатели, которые потребовались для нормальной работоспособности соответствующих машин отличаются высокой мощностью.

Общее описание устройства

В настоящее время такие агрегаты бывают двух типов. Первый вид – это поршневые или же двигатели внутреннего сгорания. Второй вид – воздушно-реактивные моторы. Кроме того, в качестве вертолетного двигателя может выступать еще и ракетный. Однако он обычно применяется не в качестве основного, а кратковременно включается в работу машины, когда необходима дополнительная мощность, к примеру, во время посадки или же взлета техники.

Раньше довольно часто использовались турбовинтовые двигатели для установки на вертолеты. У них была одновальная схема, однако они достаточно сильно стали вытесняться другими типами оборудования. Особенно сильно это стало заметно на многодвигательных вертолетах. На такой технике наиболее широкое распространение получили двухвальные турбовинтовые вертолетные двигатели с так называемой свободной турбиной.

Двухвальные агрегаты

Отличительная черта таких устройств была в том, что у турбокомпрессора отсутствовала прямая механическая связь с несущим винтом. Применение двухвальных турбовинтовых агрегатов считалось довольно эффективным, так как они позволяли наиболее полно использовать силовое устройство вертолета. Все дело в том, что в таком случае частота вращения несущего винта техники не зависела от частоты вращения турбокомпрессора, это в свою очередь позволяло подбирать оптимальную частоту под каждый режим полета отдельно. Если говорить другими словами, то двухвальный турбовинтовой вертолетный двигатель обеспечивал эффективную и надежную работу силовой установки.

Реактивный привод винта

В вертолетах также используется реактивный привод винта. В таком случае окружное усилие будет прикладываться непосредственно к самим лопастям винта, не применяя при этом тяжелой и сложной механической трансмиссии, которая бы заставляла вращаться весь винт целиком. Чтобы создать такое окружное усилие, используются либо автономные реактивные двигатели, которые располагаются на лопастях несущего винта, либо прибегают к истечению газа (сжатому воздуху). В данном случае выходить газ будет через специальные сопловые отверстия, которые располагаются на конце каждой лопасти.

Что касается экономичной работы реактивного привода, то здесь она будет уступать механическому. Если выбирать наиболее экономичный вариант только среди реактивных устройств, то лучшим является турбореактивный двигатель, который располагается на лопастях винта. Однако конструктивно создать такое приспособление оказалось слишком трудно, именно поэтому широкого практического применения такие приборы не получили. Из-за этого заводы вертолетных двигателей не стали заниматься его массовым производством.

Первые модели турбовальных устройств

Первые турбовальные двигатели были созданы еще в 60–70 гг. Необходимо упомянуть, что в то время такое оборудование полностью отвечало всем запросам не только гражданской авиации, но и военной. Такие агрегаты были способны обеспечить паритет, а в некоторых случаях и превосходство над изобретениями конкурентов. Наиболее массовое производство вертолетных двигателей турбовального типа обеспечивалось за счет сборки модели ТВ3-117. Стоит отметить, что этот аппарат имел несколько разных модификаций.

Кроме него, хорошее распространение получила также модель Д-136. До выхода этих двух моделей выпускались Д-25В и ТВ2-117, однако на тот момент они уже не могли оказать конкуренцию новым двигателям, а потому их производство прекратили. Однако справедливо будет сказать, что их было выпущено достаточно много, и они все еще установлены на тех видах воздушного транспорта, которые были выпущены достаточно давно.

Градация оборудования

В середине 80-х годов возникла необходимость в унификации устройства вертолетного двигателя. Чтобы решить поставленную задачу, все турбовальные и турбовинтовые двигатели, имеющиеся на тот момент, было решено привести к общему типоразмерному ряду. Данное предложение было принято на правительственном уровне, а потому возникло деление на 4 категории.

Первая категория – это устройства мощностью 400 л. с., вторая – 800 л. с., третья – 1600 л. с. и четвертая – 3200 л. с. Помимо этого, было разрешено создание еще двух моделей вертолетного газотурбинного двигателя. Их мощность составляла 250 л. с. (0 категория) и 6000 л. с. (5 категория). Кроме этого, подразумевалось, что каждая категория этих устройств будет способна формировать мощность на 15–25 %.

Дальнейшее развитие

Для того чтобы полностью обеспечить развитие и строительство новых моделей, ЦИАМ провела достаточно обширную научно-исследовательскую работу. Это позволило получить научно-технический задел (НТЗ), по которому будет идти развитие данного направления.

В таком НТЗ указывалось, что принцип работы вертолетных двигателей будущих поколений должен строиться на простом принципе термодинамического цикла Брайтона. В этом случае развитие и строительство новых агрегатов будет перспективным. Что касается конструктивного исполнения новых моделей, то они должны быть с одновальным газогенератором, а силовая турбина с выводом вала мощности вперед через данный газогенератор. Кроме этого, в конструкцию должен входить и встроенный редуктор.

В соответствии со всеми требованиями научно-технического задела на Омском МКБ были начаты работы по изготовлению такой модели двигателя для вертолета, как ТВ ГДТ ТВ-0-100, мощность этого аппарата должна была составлять 720 л. с., а применять его было решено на такой машине, как Ка-126. Однако в 90-е годы все работы были остановлены, несмотря на то что в тот период устройство было достаточно совершенным, а также имело возможность форсировать мощность до таких показателей, как 800–850 л. с.

Производство на ОАО «Рыбинские моторы»

В это же время на ОАО «Рыбинские моторы» занимались доводкой такой модели двигателя, как ТВ ГДТ РД-600В. Мощность устройства составляла 1300 л. с., а использовать его планировали для такого типа вертолета, как Ка-60. Газогенератор для такого агрегата был выполнен по достаточно компактной схеме, в которую входил четырехступенчатый центробежный компрессор. В нем были 3 осевых ступени и 1 центробежная. Частота вращения, которую обеспечивал такой агрегат, достигала 6000 об/мин. Отличным дополнением было и то, что такой двигатель дополнительно снабжался защитой от пыли и грязи, а также от попадания других посторонних предметов. Данный тип двигателя прошел множество разнообразных испытаний, а его окончательная сертификация была завершена в 2001 году.

Далее стоит отметить, что параллельно с доработкой этого мотора специалисты работали над созданием турбовинтового двигателя ТВД-1500Б, который планировалось применять на вертолетах модели Ан-38. Мощность данной модели всего на 100 л. с. выше и, таким образом, составляла 1400 л. с. Что касается газогенератора, то его схема и комплектация были такими же, как и на модели РД-600В. При их разработке, создании и комплектации планировалось, что они будут составлять базу для семейства таких двигателей, как турбовальные, турбовинтовые.

Мотоцикл с вертолетным двигателем

На сегодняшний день производство различного рода техники продвинулось достаточно широко. Это справедливо практически для всех отраслей, включая производство мотоциклов. Каждый производитель старался всегда сделать свою новую модель более уникальной и оригинальной, чем у конкурентов. Из-за такого стремления не так давно компания Marine Turbine Technologies выпустила первый мотоцикл, в конструкцию которого входил вертолетный двигатель. Естественно, что данное изменение сильно затронуло как конструктивную часть машины, так и ее технические характеристики.

Параметры техники

Естественно, что характеристики мотоцикла, который имеет в своем распоряжении двигатель от вертолета, обладает также уникальными техническими параметрами. Кроме того, что такое нововведение позволило разогнать мотоцикл до практически немыслимых 400 км/ч, есть и другие свойства, на которые также стоит обратить свое внимание.

Во-первых, объем топливного бака у такой модели составляет 34 литра. Во-вторых, вес техники достаточно сильно увеличился и составляет 208,7 кг. Мощность такого мотоцикла составляет 320 лошадиных сил. Максимальная возможная скорость, которую удалось развить на таком аппарате – 420 км/ч, а размер его колесных дисков составляет 17 дюймов. Последнее, о чем стоит сказать, так это о том, что работа вертолетного двигателя сильно сказалась и на процессе разгона, из-за чего техника достигает своего предела за считаные секунды.

Первое такое творение, которое компания Marine Turbine Technologies показала миру, называлось Y2K. Тут можно добавить, что точное время разгона до 100 км/ч занимает всего полторы секунды.

Подводя итог всему вышесказанному, можно сказать, что отрасль по созданию вертолетных двигателей прошла достаточно долгий путь, а нынешнее развитие технологий позволило применять продукцию даже в такой технике, как мотоциклы.