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.
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.
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.
Турбовинтовой двигатель. | АВИАЦИЯ, ПОНЯТНАЯ ВСЕМ.
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» 🙂
Фотографии кликабельны.
This entry was posted in АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ and tagged двигатель самолета, турбовинтовой двигатель. Bookmark the permalink.
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? Ну, вот где 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
| ||||||||||||||||||
The banner informs younger students of the Kid’s Page»>
Много низкоскоростного транспорта
самолеты и небольшие пригородные самолеты используют турбовинтовой двигатель .
На этой странице мы обсудим некоторые основы турбовинтовых двигателей.
двигатели. Турбовинтовой использует газовую турбину
основной
крутить пропеллер. Как упоминалось на предыдущей странице,
винтовые двигатели
развивать тягу, перемещая большую массу воздуха через
маленькое изменение скорости. Пропеллеры очень эффективны и могут использовать
почти любой двигатель для вращения винта (включая человека!). В
турбовинтовой, используется газотурбинный сердечник. Как устроен турбовинтовой
работа двигателя?
Приводной вал, также показанный на
зеленый, подключен к коробка передач . Коробка передач тогда
соединен с гребным винтом, создающим большую часть тяги.
скорость истечения турбовинтового двигателя низкая и дает небольшую тягу
потому что большая часть энергии выхлопа активной зоны ушла на превращение
приводной вал.