Турбовинтовой двигатель принцип работы

Двигатель турбовинтовой: устройство, схема, 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.

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

• 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

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

— 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.

Турбовинтовой двигатель

Турбовинтово́й дви́гатель — тип газотурбинного двигателя, в котором основная часть энергии горячих газов используется для привода воздушного винта через понижающий частоту вращения редуктор, и лишь небольшая часть энергии составляет выхлоп реактивной тяги. Наличие понижающего редуктора обусловлено необходимостью преобразования мощности: турбина — высокооборотный агрегат с малым крутящим моментом, в то время как для вала воздушного винта требуются относительно малые обороты, но большой крутящий момент.

Существуют две основные разновидности турбовинтовых двигателей: двухвальные, или со свободной турбиной (наиболее распространенные в настоящее время), и одновальные. В первом случае между газовой турбиной (называемой в этих двигателях газогенератором) и трансмиссией не существует механической связи, и привод осуществляется газодинамическим способом. Воздушный винт не находится на общем валу с турбиной и компрессором. Турбин в таком двигателе две: одна приводит в движение компрессор, другая (через понижающий редуктор) — винт. Такая конструкция имеет ряд премуществ, в том числе и возможность работы силового агрегата самолёта на земле без передачи на воздушный винт (в этом случае используется тормоз воздушного винта, а работающий газотурбинный агрегат обеспечивает самолёт электрической мощностью и воздухом высокого давления для бортовых систем).

В связи с уменьшением эффективности воздушного винта при увеличении скорости полёта, турбовинтовые двигатели в основном распространены на относительно малоскоростных летательных аппаратах, таких как самолёты местных авиалиний и транспортные самолёты. Исключение составляет стратегический бомбардировщик Ту-95 и самолеты, созданные на его базе (Ту-114, Ту-126, Ту-142), летающие со скоростью порядка 800 км/ч. Вместе с тем турбовинтовые двигатели на малых скоростях полёта гораздо экономичнее, чем турбореактивные двигатели.

Если учесть, что турбовинтовой двигатель работает только на дозвуковых скоростях, а турбореактивные двигатели лучше использовать для получения очень больших скоростей полёта, то можно сделать вывод, что в некотором диапазоне скоростей комбинирование этих двух двигателей является оптимальным решением (турбовентиляторный двигатель).

Ввиду того, что как лопасти вентилятора, так и лопасти винта для эффективного функционирования должны работать на дозвуковых скоростях, вентилятор в кольцевом обтекателе (который понижает скорость набегающего потока) является более эффективным на больших скоростях.

Содержание

История

Первый в практическом смысле работающий ТВД был создан венгерским инженером Дьёрдем Ендрашиком (György Jendrassik). После ряда лет работы над ТВД (и получения патента на его конструкцию в 1929 г.) он построил прототип двигателя мощностью 100 л. с.; первый в мире полномасштабный турбовинтовой двигатель, Jendrassik Cs-1 мощностью около 400 л. с. был построен и испытывался на предприятии Ganz Works в Будапеште между 1939 и 1942 г. Двигатель не был запущен в производство.

Первый немецкий турбовинтовой двигатель в середине 30-х годов разработал (будучи профессором Технического университета в Берлине) будущий глава отдела планёров самолетов на «Junkers Flugzeugwerke» Герберт Вагнер. Он надеялся, что тот может дать боевому самолету высочайшие ЛТХ.

Работы по ТВД ускорились в послевоенные годы. На 18-м образце реактивного истребителя Gloster Meteor (позднее получил обозначение Trent-Meteor) вместо штатных турбореактивных были установлены турбовинтовые двигатели Rolls-Royce RB.50 «Trent», и он стал первым в мире турбовинтовым самолётом (взлетел 20 сентября 1945 года). Эта машина не строилась серийно и осталась прототипом.

На основе двигателей модели Trent компания Rolls-Royce разработала модель Dart. Этот двигатель устанавливался на первый в мире серийный турбовинтовой самолёт Vickers Viscount (первый полёт в 1948). Конструкция ТВД Rolls-Royce Dart оказалась весьма успешной: с учётом модификаций и усовершенствований, он выпускался порядка 40 лет (до 1987 г) и устанавливался на многие модели самолётов.

Самым мощным из когда-либо созданных ТВД был строившийся в СССР двигатель НК-12.

Одним из самых массовых и широко применяющихся ТВД в настоящее время является семейство ТВД Pratt & Whitney Canada PT6 (англ.) русск. . Серийный выпуск был начат в 1963 г. и продолжается на настоящее время (2012). Двигатель выпускается в ряде модификаций (различной мощности, для самолётов и вертолётов) и устанавливается на более чем 100 типах самолётов различных производителей.

Турбовинтовентиляторный двигатель

Турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД) – это двигатель, занимающий промежуточное положение между турбовинтовым (ТВД) и турбовентиляторным реактивным двигателем (ТВРД). Уже по его названию можно сделать вывод, что в себе он сочетает преимущества использования воздушного винта и вентилятора.

Как известно, ТВД является наиболее экономичным типом моторов, использование которого позволяет значительно сократить расходы на топливо, но при этом он довольно шумный и не может развивать сверхзвуковые скорости. Тяга в ТВД образуется преимущественно за счет вращения лопастей воздушного винта, имеющего довольно большой диаметр, а реактивная ее составляющая не превышает 10-20%.

В свою очередь, ТВРД представляет собой реактивный двухконтурный двигатель, конструкция и принцип работы которого позволяют уменьшить расход топлива в сравнении с обычными турбореактивными двигателями. Самолеты с ТВРД могут развивать сверхзвуковые скорости, а экономия топлива обеспечивается наличием второго контура – кольцевого канала, опоясывающего внутренний корпус. Вентилятор в таком двигателе не создает непосредственно тягу, как воздушный винт, а является, по сути, компрессором низкого давления, нагнетающим воздух в первый и второй контур.

Особенности двигателя

ТВВД оснащается одним или двумя винтовентиляторами, которые одновременно нагнетают воздух в первый контур, представляющий собой обычный турбореактивный двигатель, и создает дополнительную тягу. ТВВД – это вид двухконтурных турбореактивных двигателей с очень высокой степенью двухконтурности (в среднем 20-50, но может доходить и до 90). Под степенью двухконтурности имеется в виду отношения количества воздуха, прошедшего по второму контуру, к количеству воздуха, прошедшего через первый. Чем выше этот показатель, тем более эффективным является двигатель.

ТВВД, как и другие представители семейства газотурбинных двигателей, состоит из компрессора, камеры сгорания топлива, газовой турбины и сопла. Кроме того, этот тип мотора имеет дополнительную турбину, приводящую в движение винтовентилятор через редуктор. В этом отношении ТВВД схож с ТВД, где воздушный винт тоже соединен с приводной турбиной через редуктор, понижающий угловую скорость вращения и увеличивающую момент, правда, лопасти винтовентилятора меньше лопастей винта почти в 2 раза и он играет немного другую роль в общей работе мотора. Турбина в двигателе вращается со скоростью, достигающей 20-30 тыс. оборотов, но ни винт, ни винтовентилятор не могут эффективно работать при такой скорости, именно поэтому и используется редуктор. Вместе с тем его наличие в конструкции – это «слабое звено». Обычно в ТВВД используются планетарные редукторы, а они считаются самыми неэффективными среди всех видов шестеренчатых передач. Они чувствительны к повышенным нагрузкам, требовательны к качеству масла и к его рабочим параметрам. Вместе с тем особенности геометрии лопастей винтовентилятора позволяют повысить его КПД до 80-90% при полетах на дозвуковых скоростях, что перекрывает все конструктивные недостатки.

ТВВД установленный на самолете АН-70

Принцип работы

Принцип работы ТВВД в общих чертах напоминает принцип работы двухконтурного турбореактивного двигателя, коим он в определенной степени и является. Поток воздуха попадает в первый контур – корпус двигателя. Там он попадает в осевой компрессор на его подвижные лопатки, которые сжимают его и вытесняют в направлении неподвижные лопаток, придающих ему осевое направление движения. Ряд неподвижных и подвижных лопаток – это ступень компрессора, и чем больше таких ступеней, тем выше степень сжатия воздуха.

После сжатия в компрессоре воздушный поток под давлением поступает в камеру сгорания, где находятся топливные форсунки и воспламенители. Сама камера сгорания может быть кольцевой или же состоять из нескольких отдельных жаровых труб. В ней воздух перемешивается с впрыснутым через форсунки топливом, образуя топливный заряд, который воспламеняется и сгорает, образуя расширенные газы.

Продукты горения в виде газов, находящихся под высоким давлением, выходят из камеры сгорания и попадают на лопасти турбины. Турбина, как и компрессор, имеет неподвижные и подвижные лопатки, только устанавливаются они наоборот: сначала газы проходят через неподвижные лопасти, выравнивая свое направление, а затем попадают на подвижные, отдавая им часть своей энергии. За счет воздействия газов на лопатки турбина вращается, приводя в движение компрессор, закрепленный с ней на одном валу. Как и компрессор, турбина состоит из нескольких ступеней, но их количество не превышает 5-ти.

В турбовинтовентиляторном двигателе кроме основной турбины есть еще одна, вращающая винтовентилятор, и эти турбины работают независимо одна от другой. Вал привода вентилятора обычно размещается внутри вала привода компрессора, при расположении винтовентилятора в передней части двигателя. Если винтовентилятор располагается в задней части ТВВД, то свободная турбина связана напрямую с винтами через корпус, что упрощает конструкцию. Турбина винтовентилятора размещена за основной турбиной и приводится в движение все теми же газами.

После прохождения турбин отработанные газы, все еще имеющие высокую скорость и температуру, выходят наружу через сопло, образуя реактивную тягу. Сопло в самом простом исполнении – это сужающаяся труба, но в некоторых случаях можно регулировать ее сечение и даже направленность выхода реактивного потока.

Виды компоновок турбовинтовентиляторных двигателей

На сегодняшний момент в мире встречаются ТВВД 2 основных компоновок, по расположению винтовентилятора.

а — винтовентилятор впереди; б — винтовентилятор в обтекателе; в — винтовентилятор сзади

В отличие от ТВРД ТВВД не имеет второго контура, как такового, то есть у него нет внешнего корпуса. Винтовентилятор может оснащаться обтекателем, который иногда ошибочно принимается за внешний корпус второго контура, но это совсем не обязательно – он может выполняться и полностью открытым. Сам винтовентилятор – это винт с укороченными лопастями сложной геометрической формы. Их саблевидная форма позволяет не просто пропускать воздух, создавая тягу, но и частично сжимать его и направлять на компрессор, а также уменьшать волновое аэродинамическое сопротивление. Двигатель может иметь один винтовентилятор или два, вращающихся в противоположные стороны. Разное направление вращения – это еще одна причина использования планетарного редуктора.

В сравнении с турбовинтовым двигателем турбовинтовентиляторный менее шумный, при его работе уровень вибраций гораздо ниже. Если же сравнить его с турбовентиляторным реактивным двигателем, то, благодаря высокой степени двухконтурности, он сжигает меньше топлива при одинаковой мощности (экономия составляет порядка 25-30%).

Использование

Несмотря на свою высокую эффективность, ТВВД пока не нашли массового применения в авиации. На сегодняшний день одним из немногих таких двигателей, который действительно используется на самолетах, является Д-27. Это творение Запорожского машиностроительного конструкторского бюро «Прогресс» им. академика А.Г. Ивченко, которое изначально планировалось устанавливать на самолеты АН-70, АН-120, ЯК-44 и БЕ-42. Из всех перечисленных этот двигатель был установлен только на самолет АН-70, который и сейчас успешно используется в гражданской авиации. Остальные же разработки были остановлены или полностью прекращены, что особенно жаль, учитывая, что аналогов Д-27 нет во всем мире.

Из других разработок ТВВД стоит также отметить Д-236 на основе Д-36 и НК-93. К сожалению, ни первый, ни второй так и не были установлены на действующие модели самолетов, а тестировались исключительно на стендах.

Как было отмечено выше, ТВВД в «чистом виде» представлены только моделью Д-27, но среди двигателей зарубежного производства есть модели, напоминающие их по своему строению и принципу работы. Среди них наиболее известным является GE36 (Ultra High Bypass Turbofan или Unducted fan UDF) – двигатель с открытым ротором. Это не ТВВД в привычном понимании, но все же общие черты у них есть. В случае с GE36 открытые лопасти винта расположены не перед компрессором, а на задней части корпуса двигателя, поэтому он не нагнетает воздух в первый контур, как вентилятор или винтовентилятор. Привод винта осуществляется за счет свободной турбины, а его лопасти имеют сложную саблевидную форму. Использование такого двигателя позволяет сэкономить до 35% топлива в сравнении с ТВРД, но при этом при работе он создает много шума. Пока GE36 не устанавливается на самолеты, но работы по его усовершенствованию все же продолжаются.

Двигатель General Electric GE36

ТВВД – это перспективное направление в разработке авиационных двигателей, дающее возможность экономии расхода топлива при полетах на дозвуковых скоростях без потерь мощности. Возможно, в будущем все же возобновятся работы по их конструированию и усовершенствованию.

На последок видео работы турбовинтовентиляторного двигателя в совокупи с машиной КБ Антонова АН- 70 и полет АН-70 с ТВВД Д-27.