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 самолета: устройство и принцип работы

Внешне турбовинтовой двигатель самолета сильно похож на моторы поршневого типа. Но их сходства только визуальны, так как во всем остальном они совершенно отличаются. У данного двигателя совсем другие характеристики, тип и режим работы, также отличаются и их возможности.

ТВД – по сути, являться газотурбинным двигателем, который нашел большой спрос в авиастроении. Газотурбинный двигатель был создан для единственной цели, он должен был стать универсальным преобразователем энергии, благодаря этой особенности он стал использоваться в авиации.

ГТД является своего рода тепловой машиной. В момент сгорания топлива идет выброс газов, которые и вращают турбину, тем самым создают крутящий момент. Также есть возможность прикрепить к валу турбины необходимые дополнения. К ТВД отличным дополнением будет воздушный винт.

ТВД является некой смесью моторов поршневого типа с турбореактивным. Изначально самолеты были оснащены только поршневыми двигателями. Они выглядели как цилиндры и устанавливались в форме звезды, в центре этой звезды ставился вал, благодаря которому и и происходило вращение воздушного винта. Но из-за их низких характеристик и ограничения в скорости было принято решение об отказе от данного двигателя. На замену им как раз пришли турбовинтовые двигатели (ТВД).

Самый первый двигатель был создан в СССР, первые успешные испытания были проведены еще в 30-х годах, ТВД поступили на массовое производство спустя 20 лет. Его почти сразу же начали устанавливать в гражданские и военные самолеты. Что позволило улучшить преимущество в небе.

Принцип работы ТВД

Строение двигателя является очень простым, в нем нет никаких сложных схем. В нем находиться воздушный винт с редуктором, компрессор, камера сгорания топлива, турбина и сопла (выходное устройство). С помощью компрессора происходит нагнетания и сжатие воздуха, после этого он отправляет этот воздух в камеру сгорание, куда подается топливо. Горючая смесь образуется во время смешивания сжатого воздуха и топливом.

После воспламенения смесь оставляет после себя газ с большим энергичным потенциалом. После газ начинает расширяться и выходит на лопасть турбины, тем самым начинает ее вращать. Вследствие этого начинается и вращение воздушного винта с компрессором, их вращение начинается за счет работы лопастей.

Не использованный газ выходит в сопло, и с помощью него образуется реактивная тяга. Величина тяги может доходить до 10 процентов тяги самого мотора. Из-за незначительно тяги ТВД не является реактивным двигателем. Если обратить внимание на строение и принцип работы двигателя, то его можно сравнить с турбореактивным двигателям. Но есть одна особенность в реактивном двигателе, остатки энергии не выходят в виде воздуха через сопло, они до конца расходиться на работу винта.

Существует две разновидности двигателя, в первом случае в двигателе находиться один рабочий вал, а во втором установлено два вала. В одновальном двигателе все расположено на единственном валу, в то время как на двухвальном ТВД, на одном валу расположена турбина с компрессором, а на втором находиться винт и редуктор, также они никак не связанны друг с другом.

Если в мотор двухвального типа, то его структура выглядит примерно так: в нем находиться две турбины, которые связанны между собой с помощью газодинамики. Одна турбина служит для работы компрессора, а другая в то время отвечает за работу самого винта. ТВД двухвального типа используют намного чаще, чем другой вариант двигателя, так как его характеристики намного лучше, чем у одновального типа. Но двигатель второго типа выглядит намного сложнее, чем другой тип двигателя. Также двухвальный ТВД способен начать выработку энергии до начала запуска самого винта.

Компрессор

Компрессор у ТВД обладает ступенчатой конструкцией, количество ступени варьируется от 2 до 6. Благодаря такой системе двигатель лучше работает с перепадами температуры и давлением, благодаря этому пилот может с легкостью регулировать обороты двигателя. Такая конструкция позволяет не только лучше работать мотору, но и из-за ступенчатой системы появилась возможность облегчить вес мотора.

Эта особенность очень важна для авиации, так как вес самолета также снижается, а за счет этого есть возможность развивать необходимую скорость и совершать перелеты на более длинные дистанции, так как топливо затратность зависит от веса самолета. В составе компрессора находиться: рабочие колеса с лопатками и направляющий аппарат.

Существует несколько видов аппарата, первый это регулируемый, в направляющем аппарате установлены лопатки, с помощью которых его можно поворачивать вокруг оси. А второй вариант не имеет возможности регулирования.

Воздушный винт

Благодаря воздушному винту создается тяга, но у каждого винта есть свои ограничения в скорости. Самая идеальная скорость вращения винта является 750-1,5 тысячи оборотов в минуту, в данной частоте уровень коэффициента полезного действия винта самый большой, но если скорость заходит за эти пределы, КПД начинает значительно падать.

В тоже время винт начинает приносить не повышение скорости, а наоборот начинает работать как тормоз. Такую особенность еще называют как «эффект запирания».

Такой эффект происходит из-за того что одна часть лопастей начинает набирать завышенные обороты и тем самым превышает скорость звука, из-за чего двигатель начинает неправильно работать. Такой эффект сработает также если лопастям увеличить их в диаметре, так как чем лопасть длиннее, тем выше скорость потока на концах лопастей.

Турбина

Турбина в двигателе может разогнаться до 20 тысяч оборотов в минуту, но воздушный винт не сможет справиться с такой скоростью и просто выйдет из строя. Из-за этого турбину оснащают редуктором, который в свою очередь занижает вращение и увеличивает крутящий момент. Несмотря на строения и формы редуктором, задача у них остается одной и той же, уменьшение скорости и повышение крутящего момента.

Из-за этого ТВД не может раскрыть всего своего потенциала, эти недостатки сильно ударяют по военным самолетам, так как им очень важна скорость и маневренность. Авиаконструкторы и инженеры не оставляют надежны в разработке нового двигателя, который позволит избежать таких неудобств.

Турбовинтовой двигатель.

Привет!

Транспортный самолет АН-8 с двигателями АИ-20.

Сегодня продолжаем более подробно говорить о типах авиационных двигателей. На повестке дня следующий тип – турбовинтовой двигатель ( ТВД ).
Кто читал мои статью здесь, тот конечно, знает, что турбовинтовой двигатель – это разновидность газотурбинного.

Газотурбинный двигатель – это тепловая машина и, как в любой тепловой машине, в нем есть устройство расширения, которым является турбина. Ну, а турбина нужна в первую очередь, чтобы вращать компрессор, а во вторую, для привода различных дополнительных агрегатов, то есть полезной нагрузки. Это может быть, например, электрогенератор, винт в судовой установке, а применительно к авиации – винт воздушный или же вспомогательная силовая установка (ВСУ).

Получается, что турбину можно как бы условно разделить на две части – турбину компрессора и турбину полезной нагрузки. Последнюю еще называют свободной турбиной . Часто на практике их так и делают в виде двух агрегатов. Если свободную турбину убрать, то останется неиспользованная часть энергии газового потока ( так называемая свободная энергия ), которая потом в реактивном сопле двигателя может быть преобразована в кинетическую энергию, и мы получим тягу двигателя за счет реакции струи. Вы уже наверное поняли :-), что в этом случае мы будем иметь турбореактивный двигатель.

Однако возможен и промежуточный вариант. То есть часть свободной энергии (большую) можно использовать для полезной нагрузки, а оставшуюся часть (меньшую) для работы в сопле, то есть для получения реактивной тяги. Вот именно по такому принципу и устроен турбовинтовой двигатель. Полезная нагрузка для него – это вышеупомянутый воздушный винт. Справедливости ради стоит сказать, что реактивная тяга играет для ТВД небольшую роль. Доля ее обычно не более 15% (на современных ТВД и того меньше).

Принципиальное устройство турбовинтового двигателя.

Итак классический ТВД по конструкции очень похож на обычный турбореактивный двигатель. У него есть компрессор , камера сгорания , турбина и сопло . Но добавлен еще один важный агрегат. Дело в том, что частота вращения ротора любого газотурбинного двигателя очень высока (до 30000 об/мин), а воздушный винт при таких оборотах работать не может. Поэтому между ротором двигателя и винтом устанавливается редуктор , понижающий обороты. Редукторы бывают разных конструкций, но функции у них одинаковы.

Анимация, показывающая принцип работы ТВД.

Как и все в этом мире 🙂 турбовинтовой двигатель имеет преимущества и недостатки. Это следствие того, что он соединил в себе качества поршневого и ТРД. Он, как газотурбинный двигатель ( родственник реактивного :-)) является представителем того самого семейства двигателей, которому в свое время сдал свои позиции поршневой движок (об этом здесь). Поэтому ТВД значительно легче поршневого при той же мощности. Это очень хорошо, ведь масса – важнейший показатель для авиации. Все тяжелое, как известно, летает без особой охоты :-).

Одновременно по сравнению с турбореактивным двигателем, турбовинтовой значительно экономичнее. Дело в том, что от поршневого ТВД взял себе воздушный винт. Этот агрегат, особенно в современных разработках имеет довольно высокий коэффициент полезного действия, до 86%, что и обуславливает экономичность всего двигателя.

Однако винту недоступны большие скорости. «Эффект запирания» не дает возможности винтовым самолетам летать со скоростями выше 750 км/ч (единственный самолет наш бомбардировщик ТУ-95 достигает скорости 920 км/ч). Кроме того современные воздушные винты достаточно шумны, что не одобряют нормы Международной организации гражданской авиации ( ICAO ).
Вот и получается, что турбовинтовой двигатель применяется в основном там, где не нужны большие скорости или же важна экономичность. Чаще всего – это ближне- и среднемагистральная гражданская авиация, а также транспортная авиация. Но, честно говоря, и оттуда ТВД частенько вытесняется современными экономичными двухконтурными турбореактивными двигателями .

Турбовинтовой двигатель АИ-20.

Турбовинтовой двигатель уже достаточно послужил людям и всегда отличался высокой экономичностью и большой надежностью. Хорошо известен, например, двигатель-ветеран АИ-20 (и его модификации, начало выпуска 1957 год)) . Он устанавливался на заслуженный пассажирский самолет ИЛ-18 , а также на транспортные самолеты тип АН-8 , АН-12 , АН-32 , на морские БЕ-12 и военно-морские ИЛ-38 . Этот двигатель в некоторых местах эксплуатируется до сих пор и отличается очень высокой надежностью. Такого ресурса, как у АИ-20 (40 000 часов летной эксплуатации!) нет наверное ни у одного двигателя.

Противолодочный самолет БЕ-12 с двигателями АИ-20.

Пассажирский ветеран ИЛ-18 с двигателями АИ-20.

И, конечно, списывать со счетов турбовинтовой двигатель еще рано. Конструкторы, соблазненные его высокой экономичностью постоянно ведут работу по улучшению существующих образцов и созданию новых. Разрабатываются новые типы винтов, в частности сверхзвуковых ( с переменным, правда, успехом :-)).

Турбовинтовентиляторный двигатель Д-27.

Примером служит сравнительно недавно появившийся двигатель Д-27 , разработанный в Запорожском машиностроительном конструкторском бюро „Прогресс“ имени академика А. Г. Ивченко. В том самом, где создавался когда-то АИ-20. Д-27 внешне очень похож на турбовинтовой двигатель, но на самом деле это качественный скачок вперед. Он даже название имеет измененное: турбовинтовентиляторный двигатель . Предназначен для пассажирских и транспортных самолетов, для которых скорость также важна, как и экономичность. Таких, например, как новый транспортник АН-70 . На оси свободной турбины Д-27 (понятно через редуктор :-)) установлено два винто-вентилятора , вращающихся в разные стороны. Этот двигатель не имеет аналогов и на данный момент является единственным рабочим двигателем такого типа в мире.

Транспортный самолет АН-70 с двигателями Д-27.

Прогресс не остановить :-), так что нам вполне вероятно еще предстоит увидеть новые типы самолетов с «нимбами» винтов и мягким гулом турбовинтовых двигателей.

В заключении предлагаю вам посмотреть два ролика. Первый хорошо показывает принцип работы ТВД. Пояснительные надписи на английском, но, я думаю, понять не сложно. Для тех, кто «совсем не англичанин» :-), поясню, что Gearbox — это редуктор, а Nozzle -это сопло, Inlet — это вход, Combustion Chamber — камера сгорания. Второй ролик — это анимация работы еще одного прогрессивного и очень интересного турбовинтового двигателя Pratt Whitney PT6A . Обратите внимание, что направление движения газов по тракту двигателя организовано «задом наперед» 🙂