Однако принцип действия и конструкция аналогичны, но энергия не полностью высвобождается через сопло, создавая реактивную тягу, а лишь частично, так как используемая энергия также приводит в движение пропеллер.
Двигатель турбовинтовой: устройство, схема, принцип работы. Производство турбовинтовых двигателей в России
— Газотурбинный двигатель, в котором большая часть энергии горячего газа используется для привода пропеллера через понижающий редуктор и только небольшая часть энергии потребляется источником тяги реактивного двигателя 684 дня не определено. Наличие понижающего редуктора необходимо для снижения скорости вершины лопасти до дозвуковой скорости.
Существует два основных типа турбореактивных двигателей: Двухвальные или свободно-турбинные двигатели (наиболее распространенные сегодня) и одновальные двигатели. В первом случае отсутствует механическая связь между газовой турбиной (называемой в этих двигателях газогенератором) и редуктором, и тяга является газодинамической. Воздушный пропеллер не сидит на общем валу с турбиной и компрессором. Двигатель имеет две турбины, одна из которых приводит в движение компрессор, а другая — пропеллер (через понижающий редуктор). Такая конструкция имеет множество преимуществ, включая возможность запуска двигателя самолета на земле без передачи на винт (в этом случае используется тормоз винта, а работающая газовая турбина обеспечивает самолет электроэнергией и воздухом высокого давления для бортовых систем). Во втором случае (как следует из названия) турбина с компрессором и пропеллер находятся на одном валу.
Общая характеристика
Турбинный двигатель относится к категории газовых турбин, которые были разработаны как гибкие преобразователи энергии и широко используются в авиации. Они состоят из теплового двигателя, в котором расширенные газы заставляют турбину вращаться и создавать крутящий момент, и других узлов, соединенных с валом. Турбинный двигатель оснащен пропеллером.
Читайте также: Как отличить настоящее моторное масло от подделки
Он представляет собой нечто среднее между поршневым двигателем и двигателем с турбокомпрессором. Вначале самолеты оснащались поршневыми двигателями, которые состояли из звездообразных цилиндров с валом внутри. Однако, поскольку они были слишком большими и тяжелыми и развивали лишь небольшую скорость, их перестали использовать, отдав предпочтение появляющимся турбодвигателям. Однако эти двигатели не были лишены недостатков. Они могли развивать сверхзвуковую скорость, но потребляли много топлива. Поэтому они были слишком дорогими, чтобы использовать их для перевозки пассажиров.
Турбодвигатель должен был преодолеть этот недостаток. И эта проблема была решена. Конструкция и принцип работы были взяты из механизма турбинного двигателя и поршневого двигателя — пропеллеров. Это позволило совместить небольшие размеры, экономичность и высокую эффективность.
Двигатели были изобретены и изготовлены в Советском Союзе в 1930-х годах, а массовое производство началось два десятилетия спустя. Производственная мощность варьировалась от 1880 до 11000 кВт. Они долгое время использовались в военной и гражданской авиации. Однако они не подходили для сверхзвуковых скоростей. Поэтому от них отказались с появлением такой мощности в военной авиации. Однако большинство гражданских самолетов оснащены ими.
Турбовинтовой двигатель самолета: устройство и принцип работы
Внешне турбинный двигатель самолета очень похож на поршневой двигатель. Но их сходство только визуальное, потому что во всех остальных отношениях они совершенно разные. Этот двигатель имеет совершенно разные характеристики, типы и режимы работы, и его возможности также различны.
HFO — это, по сути, газотурбинный двигатель, который нашел большой спрос в авиастроении. Газотурбинный двигатель был разработан для единственной цели: Он должен был быть гибким преобразователем энергии, что позволяло использовать его в авиации.
ГТД — это тип теплового двигателя. При сгорании топлива выделяются газы, которые заставляют турбину вращаться и генерировать крутящий момент. Также можно прикрепить необходимые удлинители к валу турбины. Воздушный винт является отличным дополнением к HFO.
HFO — это смесь для поршневых и турбинных двигателей. Первоначально самолеты оснащались только поршневыми двигателями. Они выглядели как цилиндры и были расположены в форме звезды, в центре которой находился вал, через который вращался пропеллер. Однако из-за низкой производительности и ограничений по скорости было решено отказаться от этого двигателя. На смену им пришли реактивные двигатели (ТВД).
Первый двигатель был разработан в СССР, первые успешные испытания были проведены в 1930-х годах, а в серийное производство ТВД поступил 20 лет спустя. Почти сразу же его стали устанавливать в гражданских и военных самолетах. Это улучшило его преимущество в воздухе.
Турбовинтовой двигатель
Турбореактивный двигатель — это газотурбинный двигатель, в котором большая часть энергии горячего газа используется для привода пропеллера через редуктор, и только небольшая часть энергии расходуется на тягу реактивного двигателя. Наличие понижающей передачи обусловлено необходимостью преобразования мощности: Турбина — это высокоскоростной агрегат с низким крутящим моментом, в то время как гребной вал требует относительно низкой скорости, но высокого крутящего момента.
Существует два основных типа турбинных двигателей: двухвальные или свободно-турбинные двигатели (наиболее распространенные сегодня) и одновальные двигатели. В первом случае отсутствует механическая связь между газовой турбиной (называемой в этих двигателях газогенератором) и редуктором, и привод является газодинамическим. Воздушный пропеллер не сидит на общем валу с турбиной и компрессором. Двигатель имеет две турбины, одна из которых приводит в движение компрессор, а другая — гребной винт (через понижающий редуктор). Такая конструкция имеет множество преимуществ, в том числе возможность запуска двигателя самолета на земле без передачи на пропеллер (в этом случае используется тормоз пропеллера, а работающая газотурбинная установка обеспечивает электроэнергию для самолета и воздух высокого давления для подвесных систем).
Поскольку эффективность воздушного винта снижается с увеличением скорости полета, турбореактивные двигатели в основном используются в относительно низкоскоростных самолетах, таких как местные авиалинии и транспортные самолеты. Однако турбовинтовые самолеты гораздо экономичнее турбореактивных на низких скоростях полета.
Учитывая, что турбинный двигатель работает только на дозвуковых скоростях, а турбовентиляторные двигатели лучше всего подходят для очень высоких скоростей, можно сделать вывод, что в определенном диапазоне скоростей комбинация двух двигателей является оптимальным решением (турбовентиляторный двигатель).
Поскольку и вентилятор, и лопасти пропеллера должны работать на дозвуковых скоростях, чтобы быть эффективными, вентилятор в кольцевом кожухе (который снижает скорость входящего потока) более эффективен на более высоких скоростях.
История
Первый рабочий THD в практическом смысле был разработан венгерским инженером Дьердем Ендрасиком. После многолетней работы над турбореактивным двигателем (и получения патента на свою конструкцию в 1929 году) он построил прототип мощностью 100 л.с.; первый в мире полномасштабный турбореактивный двигатель Jendrassik Cs-1 мощностью около 400 л.с. был построен на заводе Ganz в Будапеште и испытан в 1939-1942 годах.
Первый немецкий турбореактивный двигатель был разработан в середине 1930-х годов (в бытность профессором Берлинского технического университета) А.С. Гебребром Вагнером, позднее возглавившим авиационный отдел компании Junkers Flugzeugwerke. Он надеялся придать истребителям самые высокие ЛТХ.
Работа над квадроциклом была ускорена в послевоенные годы. Истребитель Gloster Meteor 18-й модели (позже названный Trent-Meteor) был оснащен турбореактивными двигателями Rolls-Royce RB.50 «Trent» вместо турбовальных двигателей и стал первым в мире турбореактивным самолетом (взлетел 20 сентября 1945 года). Этот самолет не выпускался серийно и остался прототипом.
Rolls-Royce разработал Dart на основе двигателей модели Trent. Этот двигатель был установлен на первый в мире серийный турбовинтовой самолет Vickers Viscount (первый полет в 1948 году). Конструкция турбореактивного двигателя Rolls-Royce Dart оказалась очень удачной: с модификациями и усовершенствованиями он выпускался около 50 лет (до 1987 года) и устанавливался на многочисленные модели самолетов.
Самым мощным из когда-либо разработанных двигателей был НК-12, который был создан в СССР.
Одним из наиболее широко производимых и широко используемых двигателей является семейство двигателей PT6, производимых компанией Pratt & Whitney Canada. Серийное производство началось в 1963 году и продолжается сегодня (2012 год). Двигатель выпускается в различных модификациях (разной мощности, для самолетов и вертолетов) и был установлен более чем на 100 типах самолетов различных производителей.
Турбовинтовой двигатель
Турбореактивные двигатели на первый взгляд похожи на поршневые, потому что у обоих есть общая черта — пропеллер. Но на этом сходство заканчивается, и дальше вступает на путь конструктивно иной двигатель, с другим принципом работы, с другими характеристиками и режимами работы, с другими возможностями.
Турбореактивные двигатели (ТЭД) — это тип газотурбинных двигателей, нашедших широкое применение в авиации. Сам газотурбинный двигатель (ГТД) был разработан как универсальный преобразователь энергии, который в итоге был использован в авиационной промышленности. Газовая турбина — это тепловой двигатель, в котором газы, расширенные при сгорании, заставляют вращаться турбину, создавая крутящий момент, а необходимые агрегаты могут быть подключены к валу турбины. В турбинном двигателе лопатка соединена с валом.
Турбинные двигатели представляют собой смесь поршневых и турбинных двигателей. Поршневые двигатели были первыми силовыми установками, которые были установлены на самолетах. Они имели форму звездообразных цилиндров с валом посередине, который вращал пропеллер. Однако из-за большого веса и ограниченной скорости от них в конечном итоге отказались в пользу турбинных двигателей. Турбинные двигатели также оказались далеки от идеала. Хотя они могут достигать сверхзвуковых скоростей, они довольно «прожорливы», что увеличивает расходы на топливо для их эксплуатации, а их использование в пассажирских и грузовых самолетах делает их полеты очень дорогими. Этот недостаток реактивных двигателей был преодолен соответствующими турбореактивными двигателями, которые в настоящее время успешно используются в авиации. Основываясь на структуре и принципе работы турбовентиляторных двигателей и умело сочетая их с работой винта поршневых двигателей, им удалось совместить малые размеры и легкий вес, экономичный расход топлива и высокую эффективность.
Hawker Beechcraft King Air 350
Двигатели ТВД были впервые разработаны и испытаны в Советском Союзе в 1930-х годах, а серийное производство этих двигателей началось в 1950-х годах. Диапазон их мощности составлял от 1880 до 11000 кВт. Турбореактивные двигатели давно и успешно используются в гражданской и военной авиации и известны своей надежностью и долговечностью. Примером может служить достойный ветеран отечественной авиационной промышленности — двигатель АИ-20, который использовался на самолетах Ил-18, Ан-8, Ан-32, Ан-12, БЕ-12 и Ил-38. В конце концов, однако, стало очевидно, что они могут быть увеличены только до определенного предела и не могут работать на сверхзвуковых скоростях, поэтому диапазон их использования стал сильно ограничен. Сегодня ВЧР в гражданской авиации используются в основном в низкоскоростных самолетах, а сверхзвуковые самолеты оснащаются турбовинтовыми двигателями. Турбореактивные двигатели установлены на самолетах Ан-24, Ан-32, Ил-18 и Ту-114.
Устройство и принцип работы турбовинтового двигателя
Структура турбинного двигателя довольно проста. Он состоит из пропеллера с редуктором, компрессора, камеры сгорания, турбины и эжекционного устройства — сопла. Компрессор нагнетает и сжимает воздух и направляет его в камеру сгорания, где впрыскивается топливо. Топливная смесь, образующаяся при смешивании воздуха с топливом, воспламеняется, образуя газы с высокой потенциальной энергией, которые расширяются и попадают на лопасти турбины, заставляя их вращаться, в то время как сама турбина приводит в движение пропеллер и компрессор. Энергия, которая не используется для вращения турбины, высвобождается в виде потока воздуха через сопло, создавая реактивную тягу, составляющую не более 10 % от общей тяги двигателя. Поскольку его значение незначительно, коэффициент искажения не считается реактивным. Разница лишь в том, что в первом случае вырабатываемая полезная энергия идет на вращение пропеллера, а во втором случае она полностью поступает в виде воздушного потока через сопло, который и формирует реактивную тягу.
Структура турбинного двигателя
Рабочий вал
Различают двухосевые и одноосевые турбинные двигатели. В одноосевых двигателях турбина с компрессором и пропеллер находятся на одном валу, в то время как в двухосевых двигателях между ними нет механической связи: Турбина и компрессор соединены с одним валом, а пропеллер соединен с другим через редуктор. Во втором случае конструкция двигателя включает две турбины, соединенные не механически, а газодинамически: одна для компрессора, другая для пропеллера. Это самый распространенный и эффективный вариант, который наиболее широко используется, несмотря на более сложную конструкцию. Это решение позволяет использовать мощность двигателя без работы пропеллеров, что полезно, когда самолет находится на земле и ему необходимо генерировать энергию и воздух под высоким давлением.
Компрессор
Компрессор в турбовентиляторном двигателе является многоступенчатым, с количеством ступеней от 2 до 6, что позволяет ему выдерживать большие колебания давления и температуры во время работы, а также регулировать и снижать скорость. Многоступенчатая конструкция также позволяет уменьшить вес и размер двигателя, что важно для авиационных двигателей, где важен каждый грамм. Компрессор состоит из лопастей рабочего колеса и направляющих лопаток. Направляющие лопасти могут быть регулируемыми (в этом случае лопасти вращаются вокруг своей оси) или нерегулируемыми.
Воздушный винт
Пропеллер создает необходимую тягу, но его скорость ограничена. Он наиболее эффективен при 750-1500 об/мин, после чего эффективность падает, и пропеллер превращается из движителя в тормоз. Это явление называется «эффектом увлечения» и связано с тем, что на больших скоростях определенные части лопастей винта движутся со скоростью, превышающей скорость звука, что приводит к неправильной работе винта. Это также происходит при увеличении диаметра лопастей, поскольку чем они длиннее, тем больше линейная скорость на их кончиках.
Преимущества и недостатки
В целом, можно выделить основные преимущества и недостатки турбовинтового самолета. Преимуществами турбовинтовых двигателей являются:
— Малый вес по сравнению с поршневыми двигателями,
— Экономичность и меньший расход топлива по сравнению с турбинными двигателями, что обусловлено наличием гребного винта, КПД которого иногда достигает 86%.
Однако, несмотря на свои преимущества, турбореактивные двигатели не могут полностью заменить реактивные двигатели, поскольку они не рассчитаны на высокие скорости. Их максимальная скорость составляет 750 км/ч, в то время как современная авиация требует гораздо более высоких скоростей. Еще одним недостатком является шум пропеллеров, который превышает пределы, установленные Международной организацией гражданской авиации.
Поэтому применение турбинных двигателей ограничено, несмотря на их высокую эффективность и экономичность. Они в основном используются в самолетах, летающих на низкой скорости и на большие расстояния, что позволяет значительно снизить стоимость пассажирских и грузовых рейсов. В этих случаях их использование полностью оправдано. Однако высокочастотные двигатели практически никогда не используются в военной авиации — здесь речь идет не об экономии топлива, а о скорости, маневренности и бесшумной работе, с чем турбореактивные двигатели прекрасно справляются. Однако авиационная промышленность постоянно работает над созданием сверхзвуковых пропеллеров, способных преодолеть звуковой барьер без потери эффективности и без «потери мертвого веса». Возможно, со временем эти двигатели вытеснят своих реактивных собратьев и займут свое место в современной авиации. В настоящее время они, возможно, не самые мощные, но все же это долговечные и надежные рабочие машины.
Компрессор
Компрессор в турбореактивном двигателе является ступенчатым, количество ступеней варьируется от 2 до 6. Благодаря этой системе двигатель лучше справляется с перепадами температуры и давления, а пилот может легко регулировать обороты двигателя. Не только двигатель лучше, но и ступенчатая система позволяет снизить вес двигателя.
Эта особенность очень важна для авиации, поскольку вес самолета также уменьшается, что позволяет развивать необходимую скорость и летать на большие расстояния, так как затраты на топливо зависят от веса самолета. Компрессор состоит из: Рабочие колеса с лопастями и направляющими лопатками.
Существуют различные типы этого устройства, первый — регулируемый, приводное устройство имеет лопасти, с помощью которых оно может вращаться вокруг вала. Второй тип не регулируется.
Воздушный винт
Пропеллер создает тягу, но каждый пропеллер имеет свои ограничения по скорости. Идеальная скорость вращения гребного винта составляет от 750 до 1 500 оборотов в минуту. На этой частоте мощность винта максимальна, но когда скорость превышает этот предел, мощность значительно снижается.
В то же время пропеллер начинает действовать как тормоз вместо того, чтобы увеличивать скорость. Это также называется «эффектом блокировки».
Это явление вызвано тем, что часть лопастей пропеллера превышает скорость звука и приводит к остановке двигателя. Этот эффект также возникает при увеличении диаметра лопастей, поскольку чем длиннее лопасти, тем выше скорость потока на кончиках лопастей.
Турбина
Турбина в двигателе может развивать до 20 000 оборотов в минуту, но пропеллер не выдержит такой скорости и просто выйдет из строя. По этой причине турбина оснащается редуктором, который, в свою очередь, уменьшает вращение и увеличивает крутящий момент. Независимо от структуры и формы коробки передач, ее задача остается неизменной: уменьшение скорости и увеличение крутящего момента.
По этой причине РПД не может полностью реализовать свой потенциал, и этот недостаток сильно влияет на военные самолеты, поскольку для них важны скорость и маневренность. Конструкторы и инженеры самолетов не оставляют места для разработки нового двигателя, позволяющего избежать подобных неудобств.
Рабочий вал
Существуют одновальные и двухвальные двигатели. В одновальном варианте компрессор, турбина и пропеллер находятся на одном валу. В двухосном варианте турбина и компрессор находятся на одном валу, а пропеллер — на другом валу через редуктор. Есть также две турбины, которые соединены газодинамически. Один из них предназначен для пропеллера, а другой — для компрессора. Это наиболее распространенный вариант, так как мощность может подаваться без работы пропеллеров. Это особенно полезно, когда самолет находится на земле.
Воздушный винт
Благодаря этой секции создается тяга, но скорость ограничена. Наилучшее значение — между 750 и 1500 об/мин, поскольку при более высоких скоростях эффективность снижается, и гребной винт становится тормозом вместо ускорения. Это явление называется «эффект блокировки». Это происходит из-за лопастей винта, которые начинают выходить из строя на высоких скоростях, когда они вращаются быстрее скорости звука. Тот же эффект наблюдается при увеличении их диаметра.
Читайте также: Дизель троит на холодную – причины неисправности дизельного двигателя
Турбина
Турбина может развивать скорость до двадцати тысяч оборотов в минуту, но пропеллер не может реагировать на такую скорость, поэтому для снижения скорости и увеличения крутящего момента предусмотрен понижающий редуктор. Редукторы могут быть разными, но их основное назначение, независимо от типа, заключается в снижении скорости и увеличении крутящего момента.
Эта особенность ограничивает использование турбовальных двигателей в военных самолетах. Тем не менее, разработка сверхзвукового двигателя ведется, хотя она пока не увенчалась успехом. Для увеличения тяги турбореактивный двигатель иногда оснащается двумя пропеллерами. Принцип их работы заключается в том, что они вращаются в противоположных направлениях, но используют один редуктор.
Примером может служить двигатель D-27 (турбинный двигатель), в котором два пропеллера соединены со свободной турбиной через один редуктор. Это единственная модель такой конструкции, используемая в гражданской авиации. Тем не менее, его успешная реализация считается серьезным достижением в улучшении характеристик этого двигателя.
Применение
Турбодвигатель использовался и на земле. На самом деле, правильнее будет сказать, что изначально он использовался на земле и «перекочевал» в небо только после появления авиации как таковой. Его можно встретить в автомобилях и на различных железнодорожных станциях дальнего следования, где он обычно используется в качестве альтернативы дизельному двигателю. По сравнению с дизельным двигателем, двигатель HFO легче, тише и мощнее, так как двигатели одинакового размера.
В промышленности и народном хозяйства
HFO успешно используется в качестве газового бустера на газоперекачивающих станциях. Он часто встречается в крупных газопроводах. Одной из последних разработок является газовая турбина T16 мощностью 16 МВт. Короткий видеоролик о применении турбодвигателя в энергетическом секторе.
Основные моменты:
- 16,5 МВт — мощность на валу.
- 37% — КПД, механический привод.
- 36% — КПД, электрический (простой цикл).
- 80% — КПД, комбинированное производство электроэнергии и тепла
- 200 000 часов — полный жизненный цикл
- выбросы NOx — не более 25 ppm.
Турбовальные двигатели используются в мобильных электростанциях для привода генератора. Электростанции с таким двигателем занимают меньшую площадь, чем электростанции с обычными двигателями.
В транспортной сфере
Хотя турбомашины чаще всего относят к вертолетным силовым установкам, их применение не ограничивается вертолетами. Часто турбодвигатели являются не основной силовой установкой, а вспомогательной силовой установкой. Такие блоки обычно устанавливаются на самолетах и используются для обеспечения питания основных систем самолета во время наземного обслуживания. То есть, когда самолет находится на земле, нет необходимости запускать основные двигатели для выработки энергии или создания давления в гидравлических системах; достаточно запустить этот небольшой блок. TVA также используется в качестве пускового устройства, которое вращает ротор турбины во время запуска. В данном случае это турбостартер.
Тип рельсового транспортного средства, на котором установлен TVaD, называется газотурбинным поездом. Принцип работы заключается в том, что турбинный двигатель вращает вал генератора, который, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию. Электричество подается на электродвигатели, которые, по сути, являются главной двигательной установкой. История газотурбинных двигателей началась в 1960-х годах, когда были построены первые прототипы, но с тех пор они уступили место более привычным электродвигателям. В то же время разработка газовых турбин продолжается с 2007 года, и даже создан прототип, работающий на жидком газе. Испытания прошли успешно, так что, возможно, в ближайшем будущем она поступит в серийное производство.
Производители наземных военных машин не обошли вниманием TVA. Некоторые танки, включая отечественный Т-80 и американский M1 Abrams, оснащены HFO. Короткий видеоролик, демонстрирующий разработку, внедрение и применение турбодвигателя в танке.
Турбодвигатели также используются в морском транспорте, как газотурбинные машины. К ним относятся суда на воздушной подушке или подводных крыльях. Самый известный отечественный самолет с газотурбинным двигателем — «Зубр», самый большой самолет. Этот гигант известен далеко за пределами России и является мировым рекордсменом среди судов на воздушной подушке по своим размерам. Что касается отечественных судов на воздушной подушке для пассажирских перевозок, то они еще не созданы. Спроектированный в 1980-х годах теплоход «Циклон» не пережил перестройку и со временем был забыт, а новые пассажирские суда, оснащенные ТВЧ, до сих пор не появились.
Воздушный винт
Благодаря этой секции создается тяга, но скорость ограничена. Наилучшее значение — между 750 и 1500 об/мин, поскольку при более высоких скоростях эффективность снижается, и гребной винт становится тормозом вместо ускорения. Это явление называется «эффект блокировки». Это происходит из-за лопастей винта, которые начинают выходить из строя на высоких скоростях, когда они вращаются быстрее скорости звука. Тот же эффект наблюдается при увеличении их диаметра.
Турбина может развивать скорость до двадцати тысяч оборотов в минуту, но пропеллер не может реагировать на такую скорость, поэтому для снижения скорости и увеличения крутящего момента предусмотрен понижающий редуктор. Редукторы могут быть разными, но их основное назначение, независимо от типа, заключается в снижении скорости и увеличении крутящего момента.
Эта особенность ограничивает использование турбовальных двигателей в военных самолетах. Тем не менее, разработка сверхзвукового двигателя ведется, хотя она пока не увенчалась успехом. Для увеличения тяги турбореактивный двигатель иногда оснащается двумя пропеллерами. Принцип их работы заключается в том, что они вращаются в противоположных направлениях, но используют один редуктор.
Примером может служить двигатель D-27 (турбинный двигатель), в котором два пропеллера соединены со свободной турбиной через один редуктор. Это единственная модель такой конструкции, используемая в гражданской авиации. Тем не менее, его успешная реализация считается серьезным достижением в улучшении характеристик этого двигателя.
Преимущества и недостатки
Преимущества и недостатки эксплуатации турбореактивного двигателя объясняются ниже. Преимуществами являются:
Читайте также: замена масла — какое моторное масло лучше для Lada Vesta.
- малый вес по сравнению с поршневыми агрегатами;
- экономичность по сравнению с турбореактивными моторами (благодаря воздушному винту коэффициент полезного действия достигает восьмидесяти шести процентов).
Несмотря на эти неоспоримые преимущества, в некоторых случаях предпочтительным выбором являются реактивные двигатели. Максимальная скорость турбодвигателя составляет семьсот пятьдесят километров в час. Однако эта цифра слишком мала для современной авиации. Кроме того, уровень шума очень высок и превышает допустимые значения Международной организации гражданской авиации.
Поэтому производство турбодвигателей в России ограничено. В основном они устанавливаются на самолетах, летающих на большие расстояния и на низких скоростях. Затем заявление обосновывается.
Однако в военной авиации, где наиболее важными характеристиками самолета должны быть не столько экономичность, сколько высокая маневренность и бесшумность, эти двигатели не отвечают необходимым требованиям, поэтому здесь используются турбореактивные двигатели.
В то же время сверхзвуковые пропеллеры постоянно совершенствуются, чтобы преодолеть «эффект заклинивания» и выйти на новый уровень. Если изобретение станет реальностью, возможно, от реактивных двигателей откажутся и в военных самолетах в пользу турбинных двигателей. Но пока их можно назвать лишь «рабочими лошадками», не самыми мощными, но вполне функциональными.
Двухконтурный турбореактивный двигатель
Основное отличие турбинного двигателя от турбовентиляторного заключается в том, что двигатель имеет два контура: внешний контур и внутренний контур. Внутренняя схема такая же, как у турбовентилятора: компрессор (подразделяется на LPC и LHE), камера сгорания, турбина (подразделяется на TVD и THD) и сопло. Внешний контур представляет собой один воздуховод с соплом на конце. У него нет ни камеры сгорания, ни турбины. Перед обоими контурами (сразу после впуска двигателя) находится компрессорная ступень, которая работает на оба контура.
Не очень чистая картина, не так ли? Давайте разберемся, как это работает.
Схематическое проектирование двухкоординатного и двухконтурного турбинного двигателя.
Воздух, поступающий в двигатель и проходящий через первую ступень компрессора низкого давления, разделяется на два потока. Часть воздуха попадает во внутренний контур, где происходят те же процессы, что и при разборке двигателя. Вторая часть воздуха поступает во внешний контур после получения энергии от первой ступени LPC (которая работает на два контура). Во внешнем контуре энергия воздуха используется только для компенсации гидравлических потерь (из-за трения). В конце этот воздух попадает в сопло внешнего контура и создает огромную тягу. Тяга, создаваемая внешним контуром, может составлять 80 % тяги всего двигателя.
Одной из наиболее важных особенностей турбовентилятора является двухконтурный коэффициент. Коэффициент двухконтурности — это соотношение между потоком воздуха во внешнем контуре и потоком воздуха во внутреннем контуре. Это число может быть либо больше, либо меньше единицы. В современных двигателях это число составляет более 12 единиц. Двигатели с соотношением двух контуров больше двух обычно называют турбовентиляторными, а первую ступень компрессора (ту, которая работает с обоими контурами) называют вентилятором.
Турбовентиляторный двигатель Boeing 757-200. На переднем плане виден всасывающий канал и вентилятор.
На некоторых двигателях вентилятор приводится в действие отдельной турбиной, расположенной ближе к соплу внутреннего контура. Это создает трехосевой двигатель. Например, Rolls Royce RB211 (установлен на самолетах L1011, B747, B757, B767), D-18T (Ан-124), D-36 (Як-42).
D-18T поперечное сечение изнутри
Основное преимущество турбореактивных двигателей заключается в том, что они могут создавать большую тягу и являются более экономичными, чем турбовальные двигатели.
На этом я хотел бы прекратить разговор о турбовентиляторах и перейти к следующему типу двигателей — РПД.
Турбовинтовые двигатели
Двигатель с турбонаддувом, как и турбодвигатель, является газотурбинным двигателем. И он работает почти как турбинный двигатель. Элементарный турбинный двигатель состоит из привычных элементов: Компрессор, камера сгорания, турбина и сопло. Кроме того, имеется коробка передач и гребной винт.
Принцип работы такой же, как и у турбинного двигателя, с той лишь разницей, что почти вся энергия газа в турбине используется для вращения компрессора и для вращения гребного винта через редуктор (здесь гребной винт и редуктор находятся на одном валу с компрессором). Пропеллер создает большую часть тяги. Остальная часть направляется в сопло после турбины и образует реактивную тягу, которая, однако, составляет лишь десятую часть общей мощности. Редуктор в этой схеме необходим для снижения скорости и передачи крутящего момента, поскольку турбина может вращаться с очень высокой скоростью, например, 10 000 об/мин, в то время как пропеллеру требуется всего 1 500 об/мин. И пропеллер довольно тяжелый.
Схематическое изображение ТВД
Но существует и другая форма турбинного двигателя: свободная турбина. Суть этой системы заключается в том, что отдельная турбина, механически не связанная с турбиной компрессора, размещается за обычной турбиной компрессора. Это называется свободной турбиной. Соединение между турбиной компрессора и свободной турбиной является только инерционным соединением. От свободной турбины отходит отдельный вал, к которому крепятся редуктор и пропеллер. Все остальное работает так же, как и в первом случае. Большинство современных двигателей устроены именно таким образом. Одним из преимуществ такой компоновки является то, что двигатель можно использовать на земле в качестве вспомогательной силовой установки (APU) без привода пропеллера.
Схематическая конструкция двигателя со свободной турбиной
Я хотел бы отметить, что мы не должны рассматривать турбинные двигатели как неэффективный пережиток прошлого. Я неоднократно слышал подобные заявления, но они ошибочны. Турбинный двигатель наиболее эффективен в определенных ситуациях, обычно в самолетах, которые не имеют очень высоких скоростей (например, 500 км/ч), а размеры самолета могут быть внушительными. В этом случае турбодвигатель может быть во много раз более выгодным, чем упомянутый ранее реактивный двигатель.
Это конец турбодвигателей. Мы постепенно приближаемся к концепции турбодвигателя.
Турбовальный двигатель
Большинство читателей здесь, вероятно, впервые услышали это название. Этот тип двигателя используется в вертолетах.
Турбореактивный двигатель очень похож на двигатель со свободной турбиной. Он также состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины компрессора и свободной турбины, которая связана со всем остальным только газодинамикой. Но такой двигатель не создает ни реактивной тяги, ни реактивного сопла, только выхлопные газы. Свободная турбина имеет свой собственный вал, соединенный с главным редуктором вертолета (главным ротором). Да, все вертолеты, которые я знаю, имеют такой редуктор, и обычно они имеют внушительные размеры. Проблема заключается в том, что скорость вращения несущего винта вертолета очень низкая. В самолетах, как я писал выше, они могут достигать 1500 об/мин, в то время как в вертолетах, таких как Ми-8, они достигают только 193 об/мин. А обороты двигателей вертолетов часто слишком высоки (из-за их малых размеров), поэтому их приходится снижать в сто и более раз. Иногда редуктор есть и на двигателе, и на самом вертолете, как на Ми-2 с двигателем ГТД-350.
Схематическая конструкция турбодвигателя
Двигатель ТВ3-117 вертолета Ми-8. С правой стороны видны выхлоп и приводной вал.
Итак, мы рассмотрели четыре типа газотурбинных двигателей. Надеюсь, мой текст был понятен и полезен для вас. Не стесняйтесь задавать вопросы и оставлять комментарии в комментариях.
