Турбовинтовой реактивный двигатель. Турбовинтовой двигатель. Двухконтурные турбореактивные двигатели
Двигатель турбовинтовой похож на поршневый: и тот, и другой имеют воздушный винт. Но во всем остальном они разные. Рассмотрим, что собой представляет этот агрегат, как работает, каковы его плюсы и минусы.
Общая характеристика
Двигатель турбовинтовой принадлежит к классу газотурбинных, которые разрабатывались как универсальные преобразователи энергии и стали широко использоваться в авиации. Они состоят из где расширенные газы вращают турбину и образуют крутящий момент, а к ее валу прикрепляют другие агрегаты. Двигатель турбовинтовой снабжается воздушным винтом.
В современных турбовинтовых двигателях выброс компрессора является редким событием. Всплеск турбовинтового двигателя является результатом нестабильности рабочего цикла двигателя. Вспышка компрессора может быть вызвана износом двигателя, это может быть результатом проглатывания птиц или льда, или это может быть последним симптомом от типа «серьезного повреждения двигателя».
Рабочий цикл турбинного двигателя состоит из впуска, сжатия, сгорания и выхлопа, которые происходят одновременно в разных местах двигателя. Часть цикла, подверженная нестабильности, является фазой сжатия. В турбинном двигателе сжатие выполняется аэродинамически, когда воздух проходит через ступени компрессора. Воздух, протекающий над аэродинамическими профилями компрессора, может останавливаться так же, как воздух над крылом самолета. Когда происходит срыв аэродинамического профиля, прохождение воздуха через компрессор становится неустойчивым, и компрессор больше не может сжимать входящий воздух.
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.
Воздух высокого давления за стойлом в задней части двигателя выходит вперед через компрессор и выходит из впускного отверстия. Этот побег внезапный, быстрый и часто довольно слышный, как удар. Вспышка двигателя может сопровождаться видимой вспышкой перед входом и назад из выхлопной трубы. Приборы могут показывать высокую межтурбиновую температуру и коэффициент давления в двигателе или изменения скорости вращения ротора; но во многих киосках событие заканчивается так быстро, что инструменты не успевают ответить.
Пламя является условием, когда процесс горения в горелке прекратился. Свет зажигания двигателя может загореться. Загорание может возникнуть из-за того, что двигатель не работает из-за топлива, тяжелой погодной погоды, столкновения с вулканическим пеплом, неисправности системы управления или нестабильной работы двигателя. Моментальное пламя может восприниматься как кратковременное колебание мощности, сопровождаемое светом зажигания.
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
Двигатели были изобретены и сооружены еще в тридцатых годах прошлого века при Советском Союзе, а два десятилетия спустя начали их массовый выпуск. Мощность варьировалась от 1880 до 11000 кВт. Длительный период их применяли в военной и гражданской авиации. Однако для сверхзвуковой скорости они годными не были. Поэтому с появлением таких мощностей в военной авиации от них отказались. Зато гражданские самолеты в основном снабжаются именно ими.
Никакое пилотное действие не требуется, если двигатель заработает в течение нескольких секунд. «Двигатель огня» почти всегда относится к огню вне двигателя, но внутри гондолы. Огонь в непосредственной близости от двигателя должен быть сообщен летному экипажу пожарным предупреждением в летной палубе. Маловероятно, что летный экипаж увидит, услышит или сразу почувствует запах двигателя.
Было показано, что даже при наличии признаков пожара сразу же после взлета есть достаточное время, чтобы продолжить подниматься на безопасную высоту перед посещением двигателя. Летные экипажи должны расценивать любое пожарное предупреждение как огонь, даже если индикация исчезает, когда рычаг питания отстает на холостом ходу. Индикация может быть результатом пневматических утечек горячего воздуха в гондоле. Указание пожара также может быть вызвано пожаром, который является небольшим или защищенным от детектора, так что огонь не проявляется при малой мощности.
Устройство турбовинтового двигателя и принцип его работы
Конструкция мотора очень проста. В него входят:
- 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 Так как величина ее не является существенной (всего десять процентов), не считается турбореактивным турбовинтовой двигатель.
Пожарные индикаторы могут также возникнуть из-за неисправности систем обнаружения. Одним из самых тревожных событий для пассажиров, бортпроводников, наземного персонала и даже управления воздушным движением является свидетельство пожара на выхлопной трубе.
Топливо может залить в кожух турбины и выхлопнуть при запуске или остановке, а затем зажечь. Это может привести к появлению сильно видимой струи пламени из задней части двигателя. Пассажиры начали экстренную эвакуацию в этих случаях, что привело к серьезным травмам.
Некоторые самолеты имеют сверхтемпературные датчики, установленные вокруг выхлопной трубы; другие не могут указывать на аномалию летного экипажа, пока экипаж или контрольная башня не обратят внимание на проблему. Если уведомление о пожаре двигателя без каких-либо противопожарных признаков в кабине экипажа, летный экипаж должен выполнить процедуру пожара на выхлопной трубе. Он будет включать двигатель двигателя, чтобы помочь погасить огонь, в то время как большинство других аномальных процедур двигателя не будет.
Принцип работы и конструкция, впрочем, схожи с ним, но энергия здесь не полностью выходит через сопло, создавая реактивную тягу, а лишь частично, так как полезная энергия еще и вращает 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.
Обычная система пожаротушения двигателя не эффективна для управления пожаром выхлопной трубы. Авиационные двигатели чаще всего встречаются с птицами в окрестностях аэропортов либо во время взлета, либо во время посадки. Встреча с птицами происходит во время дневных и ночных полетов. Безусловно, большинство столкновений с птицами не влияют на безопасный исход полета. В более чем половине птичьего проглатывания в двигателях летный экипаж даже не знает, что проглатывание имело место. Когда задействована большая птица, летный экипаж может заметить стук, удар или вибрацию.
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.
Если птица входит в сердечник двигателя, может быть запах сожженной плоти в кабине экипажа или пассажирском салоне из воздуха. Птицы могут повредить двигатель или пропеллер. Посторонний объект Ущерб от других источников, таких как фрагменты шин, обломки взлетно-посадочной полосы или животные, также может быть встречен с аналогичными результатами.
Тяжелое повреждение двигателя может быть трудно определить. Для летных экипажей важно знать, что серьезное повреждение двигателя может сопровождаться такими симптомами, как предупреждение о пожаре или выброс двигателя, поскольку ступени компрессора, которые удерживают давление, могут быть не повреждены или в рабочем состоянии из-за повреждения двигателя.
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 начинают функционировать некорректно. Тот же самый эффект будет наблюдаться при увеличении их диаметра.
Захват двигателя описывает ситуацию, когда роторы двигателя перестают вращаться в полете, возможно, очень внезапно. Статические и вращающиеся части запираются друг против друга, приводя к остановке ротора. Захват не может произойти без очень сильного повреждения двигателя, до места, где лопасти и лопасти компрессора и турбины в основном разрушаются. Это не мгновенный процесс - в вращающемся роторе очень много инерции по сравнению с энергией, необходимой для разрушения взаимосвязанных вращающихся и статических компонентов.
Симптомы захвата двигателя в полете могут включать в себя вибрацию, скорость вращения нулевого ротора, мягкий воздушный рывок и, возможно, необычные шумы. Неисправность типа «отсутствие рычага питания» может быть полностью упущена, что может иметь серьезные последствия для самолета.
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.
Если двигатель медленно теряет мощность - или если при перемещении рычага питания двигатель не отвечает - самолет будет испытывать асимметричную тягу. Это может быть частично скрыто усилиями автопилота по поддержанию требуемого состояния полета. В нескольких случаях это приводило к расстройству самолета, что не всегда можно было восстановить.
Вибрация является симптомом широкого разнообразия условий работы двигателя, от очень доброкачественных до серьезных. Нелегко определить причину вибрации при отсутствии других необычных признаков. Хотя вибрация от некоторых отказов может ощущаться очень сильной на летной палубе, это не повредит самолет. Нет необходимости принимать меры, основанные только на показаниях вибрации, но это может быть очень полезно для подтверждения проблемы, выявленной другими способами.
Именно эта характеристика ограничивает использование турбовинтового двигателя в военных самолетах. Однако разработки по созданию сверхзвукового двигателя не прекращаются, хоть пока и не являются успешными. Для повышения тяги иногда двумя винтами снабжается турбовинтовой двигатель. Принцип работы при этом у них реализуется за счет вращения в противоположные стороны, но при помощи одного редуктора.
Исходным эффектом является рыскание, которое происходит из-за асимметрии тяговой линии. Размер этого начального момента рыскания зависит от тяги двигателя и расстояния между тягой и центром тяжести самолета. Первоначальный момент рыскания также зависит от скорости разрушения тяги «мертвого» двигателя и, в конечном счете, его сопротивления. Кроме того, рыскание усугубляется эффектом перетаскивания винта-винта. Общий момент может быть очень большим, особенно когда самолет находится на высокой мощности и малой скорости.
Это происходит, когда самолет продолжает рыскать по направлению к отказоустойчивому двигателю, что приводит к уменьшению подъема от «отступающего» крыла и рулона, вызванного рысканием, к отказоустойчивому двигателю. Этот валик усиливается смещением крыльев и потерей лифта от сливного потока на воздушном судне с пропеллером перед двигателем. Как и аэродинамические последствия отказа, штраф за исполнение очень значителен.
В качестве примера можно рассмотреть двигатель Д-27 (турбовинтовентиляторный), имеющий два винтовых вентилятора, прикрепленных на свободной турбине редуктором. Это единственная модель данной конструкции, используемая в гражданской авиации. Но его успешное применение считают большим скачком по улучшению эксплуатационных качеств рассматриваемого мотора.
В то время как отказ двигателя представляет собой 50% -ную потерю доступной мощности, это может привести к снижению производительности на 80%. Отказ двигателя: руководство для контроллеров. Вопрос: Поскольку пропеллеры становятся менее эффективными по мере увеличения скорости самолета, турбовинтовые двигатели подходят для низкоскоростных самолетов.
С. провели последние семь лет, работая над новым, что может разблокировать прибыльное пространство. Но они добавили в технологии реактивных двигателей смеси, которые зарегистрировали более 1 миллиарда летных часов, но никогда не использовались в турбовинте такого размера.
Преимущества и недостатки
Выделим минусы и плюсы, которыми характеризуется работа турбовинтового двигателя. 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).
Однако, несмотря на такие неоспоримые достоинства, реактивные двигатели в ряде случаев являются более предпочтительным вариантом. Скоростной предел турбовинтового мотора составляет семьсот пятьдесят километров в час. Однако для этого очень мало. Кроме того, шум образуется очень высокий, превышающий допустимые значения Международной организации гражданской авиации.
Конструкция также делает использование энергии более эффективной. Новый двигатель также будет включать в себя трехмерные части, охлажденные лопасти турбины и интегрированное управление движением, которое управляет как двигателем, так и пропеллером в качестве единой системы для уменьшения рабочей нагрузки пилота.
На изображении выше показана карта опрыскивания большого поля на Филиппинах. Двигатели должны функционировать как часы, и для достижения нужной точности требуют особого обучения высококвалифицированных людей. Здесь рабочий заканчивает лопасть турбины.
Поэтому производство турбовинтовых двигателей в России ограниченно. В основном их устанавливают в самолеты, которые летают на большие расстояния и с небольшой скоростью. Тогда применение оправданно.
Однако в военной авиации, где главными характеристиками, которыми должны обладать самолеты, являются высокая маневренность и бесшумная работа, а не экономичность, эти двигатели не отвечают необходимым требованиям и здесь используются турбореактивные агрегаты.
Этот инструмент позволяет работникам точно позиционировать лопасти рассеивателя перед сборкой. На диаграмме выреза показана архитектура нового турбовинтового двигателя. Запускает семейство передовых турбовинтовых двигателей после его выбора, чтобы задействовать недавно открытое одномоторное турбовинтовое судно следующего поколения.
В основе его лежит мощный компрессор с почти удвоенным отношением давления к сравнимым двигателям, связанный с полнофункциональной интегрированной системой управления движением, которая будет регулировать как мощность двигателя, так и пропеллера как целую систему.
В то же время постоянно ведутся разработки по созданию сверхзвуковых винтов, чтобы преодолеть «эффект запирания» и выйти на новый уровень. Возможно, когда изобретение станет реальностью, от реактивных двигателей откажутся в пользу турбовинтовых и в военных самолетах. Но в настоящее время их можно назвать лишь «рабочими лошадками», не самыми мощными, зато стабильно функционирующими.
Двигатель будет на 20% лучше гореть топливом и производить на 10% больше мощности на высоте, чем аналогичные турбовинтовые двигатели. Мы считаем, что это чрезвычайно инновационный для этого класса, но без необходимости разрушать границы. Мы используем коммерческую технологию двигателя, которая позволит нам работать при более высоких температурах с гораздо лучшими интервалами технического обслуживания, чем сегодня в этом классе.
По словам Моттье, сконфигурированный вокруг двух противолежащих валов, приводимых в действие силовой турбиной, конструкция «ломает новую землю», имея цифровую электронную систему управления, которая регулирует как основной газотурбинный двигатель, так и пропеллер. Система управляет оптимальными условиями, а также различными механизмами отказа. Система будет обеспечивать динамический контроль, а не полагаться на заранее определенные графики управления. Там есть какие-то умники, - говорит Моттье.
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 , тот конечно, знает, что турбовинтовой двигатель – это разновидность газотурбинного.
Газотурбинный двигатель – это 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 ().
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 .
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 (об этом ). 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. 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.
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: . 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 .