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.
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.
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
Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 5 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.
Как это работает. Турбореактивный двухконтурный двигатель
Фото: ОАК
22 апреля 1941 года конструктор Архип Люлька получил авторское свидетельство на схему турбореактивного двухконтурного двигателя.
Сегодня по схеме Люльки выпускается большинство турбореактивных двухконтурных двигателей в мире.
Об устройстве турбореактивных двухконтурных двигателей и новых возможностях, которые они принесли в авиацию, – в нашем материале.
История создания
Поршневые двигатели, аналогичные тем, которые и сегодня стоят под капотом любой легковушки, поднимали в небо самолеты в первые сорок лет истории авиации. Во время Второй мировой войны, когда скорость боевых машин имела критическое значение, стало понятно, что поршневые самолеты подошли к своему пределу, и нужно искать что-то новое. Этим новым стал реактивный двигатель.
Еще в 1903 году, когда взлетали первые самолеты братьев Райт, Константин Циолковский предложил применять реактивную тягу для преодоления притяжения Земли в своем труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами».
В СССР самым успешным проектом ТРД стали работы авиаконструктора Архипа Люльки. Разрабатывать тему он начал еще в 1930-е годы. Осенью 1940 года группа конструктора в Ленинграде закончила проект двигателя, получившего название РД-1. В 1941 году Люлька запатентовал собственную схему двухконтурного турбореактивного двигателя, которая и сегодня является эталоном для подобных силовых установок во всем мире.
Турбореактивный двигатель РД-1
К началу Великой Отечественной войны команда Люльки успела на 70% выполнить двигатель РД-1 в металле, но эвакуация на Урал прервала работы. Когда стало известно, что немцы достигли успеха в реактивном двигателестроении, об Архипе Люльке вспомнили. Вместе с командой саперов конструктор смог вывезти из блокадного Ленинграда чертежи и детали своего реактивного первенца и возобновить разработки. В 1947 году состоялся первый полет истребителя-перехватчика Су-11 с первыми отечественными двигателями ТР-1, разработанными в конструкторском бюро Архипа Люльки.
Это была победа конструктора и начало длительного сотрудничества с КБ Павла Сухого.
Принцип работы турбореактивного двигателя
Если говорить совсем просто, не погружаясь в глубины термодинамики, то турбореактивный двигатель – это тепловая машина, преобразующая энергию в механическую работу. В качестве носителя энергии выступает атмосферный воздух, который, сжимаясь и расширяясь в двигателе, приводит самолет в движение.
Для получения максимального полезного эффекта в ТРД воздух перед сжатием необходимо охладить, а перед расширением нагреть. Поэтому механизм турбореактивного двигателя можно условно разделить на устройство для сжатия, нагреватель, устройство для расширения и охлаждения. В ТРД в их качестве выступают компрессор, камера сгорания, турбина, а за охлаждение газа отвечает атмосфера.
Сам процесс работы двигателя можно описать следующим образом. Воздух затягивается внутрь установки посредством компрессора с рядами рабочих лопаток на оси и затем сжимается.
Самой нагруженной частью ТРД является турбина, скорость вращения которой может составлять до 30 тыс. оборотов в минуту. А температура в камере сгорания может подниматься до 1,5 тыс. °C.
Чем отличается двухконтурный ТРД
В 1950-е годы, когда турбореактивные двигатели распространились в авиации, встал вопрос об их «прожорливости», то есть об уменьшении потребления топлива при сохранении мощности. Тогда Архип Люлька смог вернуться к своему проекту 1941 года – двухконтурному ТРД.
Конструктор предложил добавить в установку еще один воздушный контур.
При этом поступающий в двигатель воздух делится на два потока. Один поток, как и в прежних ТРД, поступает во внутренний контур. Другой поток воздуха проходит по внешнему контуру, минуя нагрев, и выбрасывается сразу в сопло вместе с горячими газами, что и создает дополнительную тягу.
Таким образом при сохранении нужной скорости можно экономить топливо. На дозвуковых скоростях турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД) обеспечивает экономный режим, а при необходимости самолет может выходить в режим форсажа и достигать сверхзвуковых скоростей. По этой схеме сегодня работает большинство турбореактивных двигателей в мире.
Двигатель АЛ-31Ф М2. Фото: wikimedia.org
Важным параметром в ТРДД является степень двухконтурности, то есть соотношение объемов газов, проходящих по внешнему и внутреннему контуру. Чем выше показатель, тем менее «прожорлив» двигатель. Для военных самолетов, где расход топлива не так критичен, как большая тяга, применяются ТРДД с низкой степенью двухконтурности.
А в пассажирских самолетах основная тяга двигателя создается за счет внешнего контура, поэтому они более экономичны, что влияет на стоимость перелетов.
Архип Люлька не дожил всего год до окончания государственных испытаний своего детища в 1985 году, но застал его массовый старт. Производство первого советского ТРДД, получившего название АЛ-31Ф в честь своего создателя, началось в 1981 году. Этот турбореактивный двухконтурный двигатель стал основой для целого семейства силовых установок, предназначенных для военной авиации. ОКБ имени А. Люльки – филиал ПАО «ОДК-УМПО» продолжает модернизировать АЛ-31 – возможности для его развития еще далеко не исчерпаны.
Чтобы двигать самолет по воздуху,
тяга создается каким-либо
двигательная система. Много низкоскоростного транспорта
Использование самолетов и малых пригородных самолетов
турбовинтовой
движение.
На этой странице мы обсудим некоторые основы турбовинтовых двигателей. Есть две основные части
турбовинтовая силовая установка, основной двигатель и воздушный винт.
ядро очень похоже на базовый турбореактивный двигатель
иметь
компрессор,
горелка и
турбина.
Однако на выходе из главной турбины пропускается горячий выхлопной газ.
через дополнительную турбину, показанную на схеме зеленым цветом, до
вход в
сопло.
В отличие от базового ТРД, большая часть энергии выхлопа используется
крутить эту дополнительную турбину.
Турбина крепится к дополнительному приводному валу, который проходит через
основной вал и соединен с коробка передач . Обращаясь к математике в нижней части слайда, тяга турбовинтовой — это сумма тяги винта плюс тяга ядра. Мы можем использовать нашу основную тягу уравнение на винт и сердечник для получения уравнения тяги для турбовинт. Обозначим условия набегающего потока индексом «0», условия на выходе винта «1», на выходе сердечника «е» и вход в ядро по «с». Массовый расход определяется выражением м точка и скорость потоков на V . Тогда основное уравнение тяги принимает вид: F = (m точка)0 * V1 — (m точка)0 * V0 + (m точка)e * Ve — (m точка)c * V1 Как мы уже отмечали выше, масса
скорость потока через пропеллер (м точка)0 намного больше, чем
массовый расход через сердечник двигателя (m dot)c . F = (m точка)0 * (V1 -V0) + (m точка)e * (Ve — V1) Первый член этого уравнения велик по сравнению с второй срок. Сравнивая с чистая теория пропеллера, тяга равна массовому расходу через пропеллер, умноженное на изменение скорости на пропеллере плюс меньшая тяга от основного двигателя. Поскольку пропеллеры становятся менее эффективными по мере увеличения скорости
самолетов увеличивается, турбовинтовые используются только для
низкая скорость
самолеты, как грузовые самолеты.
Высокоскоростной
транспорты обычно используют высокие
обойти турбовентиляторные из-за высокой эффективности использования топлива и высокой
скоростные возможности ТРДД. Виды деятельности: Экскурсии с гидом
Навигация ..
|
двигатели. Турбовинтовой двигатель использует ядро газовой турбины.
крутить пропеллер. Пропеллеры
развивать тягу, перемещая большую массу воздуха через
маленькое изменение скорости. Пропеллеры очень эффективны и могут использовать
почти любой двигатель для поворота винта. Самолет авиации общего назначения
использовать
двигатель внутреннего сгорания к
поверните пропеллер. В
турбовинтовой, используется газотурбинный сердечник. Как устроен турбовинтовой
работа двигателя?
Коробка передач тогда
соединен с гребным винтом, создающим большую часть тяги.
скорость истечения ядра низкая и дает небольшую тягу
потому что большая часть энергии выхлопа активной зоны ушла на превращение
приводной вал.
И у нас есть
Также отмечено, что скорость истечения сердечника Ве низкая и почти
равна скорости в ядре В1 . Массовый расход на выходе из
ядро (m dot)e почти равно массе ядра (m dot)c .
Математики используют
символ «~» для «почти равно». Собрав эту информацию, мы
можно упростить наше основное уравнение тяги:
Разновидностью турбовинтового двигателя является
турбовальный двигатель. В турбовальном двигателе коробка передач
подключен не к гребному винту, а к какому-то другому приводному устройству.
Турбовальные двигатели используются на многих вертолетах, а также танках,
лодки и даже гоночные автомобили в конце 1960-е годы.Как работает турбовинтовой двигатель
Турбовинтовой двигатель — это газотурбинный двигатель, приводящий в движение воздушный винт. В отличие от чисто турбореактивного двигателя, который создает тягу, турбовинтовой двигатель почти полностью полагается на свой воздушный винт для создания поступательного движения. Турбинная секция двигателя просто используется для вращения винта, и это вращательное действие винта заставляет его создавать необходимую тягу винта, которая тянет самолет вперед.
Преимущество турбовинтового двигателя по сравнению с винтовым самолетом с поршневым двигателем заключается в способности первого создавать большую мощность, которую можно поддерживать на больших высотах. Турбовинтовые двигатели также проще и надежнее по сравнению с поршневыми самолетами.
Фото: ATR
Что внутри турбовинтового двигателя?
Турбовинтовой двигатель внутри очень похож на реактивный двигатель, если не учитывать пропеллер. У него есть ступень компрессора, камера сгорания, ступень турбины и, наконец, выхлоп. Работа двигателя также аналогична. Воздух всасывается воздухозаборником двигателя и направляется в блок компрессора. Здесь воздух замедляется, а его давление увеличивается. Из компрессора воздух поступает в камеру сгорания, где он сжигается вместе с топливом, что увеличивает его скорость и температуру. Затем воздух подается на ступени турбины, и именно здесь видна основная разница между реактивным двигателем и турбовинтовым двигателем.
Внутреннее устройство турбовинтового двигателя.
Фото:
Эмоскопы
by Wikimedia
В реактивном двигателе турбины добавляют к потоку кинетическую энергию, и этот поток затем выбрасывается из выхлопных газов для создания тяги. Однако в турбовинтовых двигателях турбины соединены с гребным валом, и поэтому почти вся энергия, извлекаемая турбинами, используется для вращения гребного винта. Из-за того, что турбовинтовой двигатель является газотурбинным двигателем, создается небольшая реактивная тяга (около 5%).
Другим важным отличием является наличие редуктора. Пропеллеры становятся очень неэффективными при более высоких оборотах в минуту (оборотов в минуту), и, следовательно, вращение их со скоростью турбины в десятки тысяч оборотов в минуту невозможно. Здесь в дело вступает редуктор. Он расположен между гребным винтом и валом турбины гребного винта. Коробка передач уменьшает число оборотов винта, чтобы он вращался с приемлемой скоростью. Большинство турбовинтовых винтов работают со скоростью от 2000 до 3000 об/мин. Это значительное снижение, поскольку турбина двигателя вращается со скоростью от 20 000 до 30 000 об/мин.
Редуктор гребного винта. Фото: Нимбус227 by Wikimedia
Типы турбовинтовых двигателей
Турбовинтовой двигатель с фиксированным валом
В турбовинтовом двигателе с фиксированным валом пропеллерная турбина прикреплена к компрессору двигателя или секции газогенератора. В этой системе сложнее контролировать скорость вращения гребного винта, поскольку ступени компрессора необходимо вращать с определенной скоростью, чтобы обеспечить правильную работу двигателя.
Garret TPE 331 в разрезе. Это турбовинтовой двигатель с фиксированным валом. Фото: Хустведт по Викимедиа
Турбовинтовой двигатель со свободной турбиной
Турбовинтовой двигатель со свободной турбиной имеет отдельную силовую турбину, которая не имеет механических соединений с газогенератором или компрессором. Эта свободная турбина вращает пропеллер, она также известна как силовая турбина. Поскольку механической связи нет, силовая турбина вращается за счет газов от сгорания.
В турбовинтовом двигателе со свободной турбиной силовая турбина или свободная турбина (фиолетовые) не имеют механической связи с турбиной газогенератора (зеленые).
Фото:
Млиу92
by Wikimedia
Преимущества двигателя со свободной турбиной заключаются в том, что, во-первых, при запуске двигателя требуется меньший крутящий момент, поскольку стартеру не нужно вращать турбину гребного винта. Это снижает износ стартера. Другое преимущество состоит в том, что в таком двигателе можно использовать тормоз воздушного винта, благодаря чему силовая турбина может быть остановлена при работающем сердечнике двигателя. Это позволяет двигателю действовать как APU. Самолет ATR использует эту функцию, и это позволяет системам самолета, таким как кондиционер, работать без вращения винта.
Кроме того, в режимах полета с малой мощностью, таких как фаза руления, число оборотов пропеллера можно контролировать на более низком уровне для снижения шума.
Мощность, вырабатываемая турбовинтовым двигателем
В реактивном двигателе количество вырабатываемой им мощности выражается в единицах силы, создаваемой тягой. В турбовинтовых двигателях мощность не является силой, поскольку она не создает тяги.
Мощность, которую производит турбовинтовой двигатель, выражается в лошадиных сил (л.с.) , как и у автомобиля. Эта мощность зависит от двух факторов. Об/мин гребного винта (Np) и Крутящий момент (TQ) на нем. Формула для этого может быть записана следующим образом:
Крутящий момент (TQ) = Мощность в лошадиных силах (л.с.)/об/мин гребного винта (Np)
Работает.
В кабине турбовинтового самолета пилоту предоставляется индикация как крутящего момента, так и оборотов винта. И эти две основные индикации пилоты используют для управления двигателем. В полете в заданное время частота вращения воздушного винта остается постоянной, поскольку она управляется блоком постоянной скорости или регулятором для поддержания требуемой пилотом скорости вращения. По этой причине мощность, вырабатываемая двигателем, регулируется крутящим моментом. Таким образом, пилоты используют крутящий момент в качестве основного регулятора мощности.
Увеличение крутящего момента равно увеличению мощности, а падение крутящего момента равно уменьшению мощности.
Основными показателями двигателя в кабине для турбовинтового двигателя являются крутящий момент и обороты. Фото: Оливье Клейнен, Wikimedia
Как пилоты управляют турбовинтовым двигателем?
Самолет с турбовинтовым двигателем (двигателями) имеет два рычага управления двигателем. Рычаг мощности и рычаг состояния. Рычаг мощности можно использовать для увеличения или уменьшения мощности путем планирования сжигания топлива, в то время как рычаг состояния регулирует скорость вращения винта, изменяя угол его лопасти. В большинстве современных турбовинтовых двигателей имеется электронный блок управления двигателем (ECU). ЭБУ использует положение рычага включения питания, положение рычага состояния и информацию о параметрах воздуха, чтобы обеспечить оптимальную подачу топлива для работы двигателя.
Находясь в воздухе, пилот установил рычаг состояния, чтобы установить желаемое число оборотов в минуту.
Затем это число оборотов поддерживается постоянным блоком постоянной скорости или блоком управления воздушным винтом. Если пилот перемещает рычаг мощности вперед, для сгорания добавляется больше топлива, и двигатель пытается вращать винт на более высоких оборотах. Затем это обнаруживается блоком постоянной скорости, который увеличивает угол наклона лопастей пропеллера и, в свою очередь, уменьшает число оборотов в минуту до требуемого пилотом значения (больший угол лопастей означает, что лопасти поглощают больше воздуха). Точно так же, когда рычаг мощности отводится назад для уменьшения мощности, обороты гребного винта уменьшаются. Это снова обнаруживается блоком управления винтом, который уменьшает угол наклона лопасти винта. Это увеличивает число оборотов в минуту до установленного пилотом числа оборотов в минуту.
Состояние рычагов ATR 76. Фото: ATR
Блок управления гребным винтом может регулировать угол гребного винта только до определенного предела. Оказавшись ниже этого предела, он больше не может его контролировать.
В большинстве случаев блок управления воздушным винтом может контролировать угол наклона лопастей или число оборотов воздушного винта на протяжении всего полета. Как только рычаг мощности переведен в режим холостого хода, достигается предел блока управления воздушным винтом. Ниже холостого хода рычаг мощности обеспечивает полный контроль над углом лопасти винта. Это называется бета-диапазон. Ниже холостого хода движение рычага мощности, таким образом, изменяет угол наклона лопасти плюс график подачи топлива. Оттягивание рычага назад уменьшает угол отвала, а перемещение вперед увеличивает угол отвала. Во многих турбовинтовых двигателях торможение рычагов мощности ниже уровня холостого хода в воздухе запрещено, потому что это переводит винт в неуправляемый диапазон, когда блок управления винтом больше не контролирует угол наклона лопастей. Это может уменьшить угол наклона лопастей винта до точки превышения скорости, что приведет к повреждению двигателя до точки отказа.
Таким образом, пилоты никогда не должны тянуть рычаги питания ниже уровня фиксации режима холостого хода в полете.