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.
Ударные волны на пропеллере размещаются между турбиной и осью гребного винта и уменьшают скорость вращения гребного винта в зависимости от скорости вращения гребного винта, пропеллера и скорости воздушного судна. С определенной скоростью концы лопастей будут подвергаться трансзвуковым ударным волнам, и их эффективность будет резко снижаться. Пропеллеры, приводимые в движение редукторами, оснащены механизмом регулировки угла клина лезвия в зависимости от полета Этот механизм может быть автоматическим или ручным.
Схема планетарного или эпициклического редуктора. Сателлитная несущая, которая фиксирована относительно рамы, не показана на чертеже ниже. Резание двухступенчатого эпициклического редуктора со спиральными зубчатыми зубьями Преимущества таких зубьев: - износ и снижение уровня шума; - регулярность передачи при высокоскоростном передаваемом крутящем моменте может быть выше.
Турбовинтовые двигатели – это своеобразная «помесь» поршневых моторов с турбореактивными. Поршневые двигатели были первыми силовыми установками, которыми снабжались самолеты. Они представляли собой цилиндры, расположенные в виде звезды, в центре которой располагался вал, вращающий воздушный винт. Но из-за своего большого веса и ограничений по скорости от них со временем отказались, отдав предпочтение турбореактивным двигателям. Правда, ТРД тоже оказались далеко не идеальными. При возможности развивать сверхзвуковую скорость они довольно «прожорливые», что повышает затраты на топливо при их эксплуатации, а их использование на пассажирских и грузовых самолетах делает перелеты слишком дорогими. Именно этот недостаток реактивных двигателей и было возложено устранить их турбовинтовым сородичам, которые на сегодняшний день успешно используются в авиации. Взяв за основу строение и принцип работы ТРД и умело совместив его с работой воздушного винта от поршневых моторов, они смогли соединить в себе небольшие габариты и малый вес, экономный расход топлива и высокий КПД.
Турбинные турбовинтовые турбины
Некоторые турбовинтовые двигатели оснащены коробкой передач, которая сдвигается вверх, что позволяет иметь больший диаметр пропеллера или увеличивать защиту гребного винта по отношению к земле. Ниже приведена смещенная коробка передач. В турбине турбинного двигателя механическая мощность передается через тот же самый вал в компрессор и в пропеллер через редуктор. В этом случае компрессор и приемник имеют одинаковую скорость вращения. Принципиальная схема турбинного винта с тремя турбинами, двумя центробежными компрессорами и планетарной редукционной шестерней.
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.
Турбовинтовые турбины со свободной турбиной
Более сложная конструкция турбинной турбинной турбины обычно состоит из трех модулей:. - газовая турбина, состоящая из одного или нескольких компрессоров и одной или нескольких турбин с одной или несколькими ступенями. - турбина, называемая одиночной или многоступенчатой силовой турбиной, которая управляет осью, а затем редуктор, расположенный между осью силовой турбины и валом пропеллера.
Возвращение самолетов пропеллера
Для авиакомпании стоимость самолета на километр на одного пассажира имеет первостепенное значение при выборе самолета. На региональных расстояниях до 400 морских миль скорость не является основной проблемой, поскольку время, сэкономленное на реактивном самолете, по сравнению с турбовинтом ограничено 10 минутами: оно почти незаметно для обоих расходы на работу авиакомпаний, чем для их пассажиров. Только с 400 узлов турбовентиляторный двигатель струй становится более интересным из-за ограничений пропеллеров по размеру и скорости вращения.
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.
Для упомянутых выше расстояний и скоростей турбовинтовой двигатель гораздо интереснее с точки зрения равновесия между временем в пути и стоимостью этого пути. Поэтому он предлагает минимальные эксплуатационные расходы. Кроме того, это конкурентное преимущество возрастает с ростом цен на нефть, что вызвало отскок турбовинтовых двигателей.
Технология для комфорта
Последние версии пропеллерных самолетов представляют собой огромный шаг вперед в обслуживании пассажирского комфорта. Эти технологические достижения меняют восприятие пользователей этого типа самолетов, которые теперь считаются современными и предлагают комфорт, эквивалентный комфорту региональных самолетов. Примечательно также сокращение внешнего шума с 262 до 252 децибел: это позволяет легко соблюдать нормативные пороговые значения для шумовых выбросов в течение следующих двадцати лет, как это определено Международной организацией гражданской авиации.
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.
В дополнение к пропеллерам и кабине турбовинтовые двигатели выигрывают от других технологических новшеств последнего поколения. Это также позволит расширить метеорологические ограничения при посадке в плохую погоду, что улучшит регулярность операции. Трезвый и зеленый Потребление топлива играет все более важную роль в выборе региональных авиакомпаний. Это не является наименьшим из преимуществ, тогда как экономические и экологические проблемы занимают видное место в принятии решений. У региональной авиации уже есть свой «зеленый самолет»!
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.
Многообещающее долгосрочное будущее
В Европе, кроме того, расходы на экипаж, аэропортовые сборы и растущие экологические налоги помогают увеличить эксплуатационные расходы компаний, делая турбовинтовой самолет еще более привлекательным. Хорошая коммерческая ситуация с пропеллером будет продолжаться в долгосрочной перспективе. Причины их привлекательности - особенно высокие цены на топливо, а также производительность и эффективность на дорогах и коротких взлетно-посадочных полосах, а также использование новейших технологий - будут и впредь актуальны в ближайшие годы.
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.
Ожидается, что из этих новых поставок 60% будут использованы для расширения флота, а остальные 40% будут использованы для замены старых самолетов самолетов, турбовинтовых двигателей и самолетов. В Азии, с другой стороны, большинство компаний будут продолжать расширять свой флот, чтобы справиться с увеличением числа пассажиров и развитием новых дорог.
Что позволяет подписка на онлайн-версию?
Это делается один или два раза в день. Это позволяет нам связаться с авторами, не публикуя их адрес. В настоящее время родные статьи - это бесплатный доступ. В ближайшем будущем консультация по последним статьям будет ограничена для не-абонентов. Возможно много изменений, которые еще не активированы в текущих формах.
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. Для увеличения тяги на некоторых моделях устанавливаются по два винта, которые в процессе работы вращаются в противоположные стороны, приводимые в движение одним редуктором. Примером такого двигателя является Д-27, который называют турбовинтовентиляторным. Он оснащен двумя винто-вентиляторами, закрепленными через редуктор на оси свободной турбины. Пока это единственный двигатель такого рода, который используется в гражданской авиации на самолетах АН-70, но его появление и успешное использование смогут стать настоящим прорывом в сфере улучшения эксплуатационных показателей ТВД.
Подписка в мобильный год с даты регистрации подписки Возможность подписки на сайт самостоятельно, без получения бумажного журнала. Чтобы воспользоваться этим, вы должны обратиться в службу каталогов. Другие возможности находятся в стадии подготовки и будут объявлены, как только они будут завершены.
Это простая идентификация с активного почтового адреса, на который отправляется пароль
В любом случае, если вы не отключите свой браузер, будет сохраняться аутентификация в течение определенного времени, близкого к месяцу. Регистрация производится в виде полуавтоматической работы. Эта роль подписчика будет автоматически проверяться при каждом последующем соединении. Потому что высокая цена на нефть является ключом к воскрешению турбовинтового строителя, базирующегося в Тулузе в тени его старшего брата Эйрбуса.
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%.
Его соперники уже устранены. В то время турбовинты, считавшиеся слишком медленными и шумными, были полностью повреждены самолетами, которые, по мнению всех авиационных экспертов, подтолкнули бы их к досрочному выходу на пенсию, поскольку с конца 1990-х годов все региональные авиакомпании клянутся больше, чем Эмбраер и другие бомбардиры по простой причине: эти летательные аппараты сокращают время полета, поэтому расстояния, независимо от керосинового счета. Экономия энергии еще не модная или даже проблематичная для бизнес-модели компаний.
Наконец, франко-итальянская группа, увлеченная своими амбициями своими акционерами, не садится в самолет, несмотря на несколько возможностей для запуска. И это будет продолжаться до конца десятилетия. От ликвидатора до начальника запуска. Ликвидатор, Филиппо Баньято, наконец, берет кепку начального босса на этапе взлета и находит за своим перцем и солеными усами улыбку.
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.
Особенно они имеют низкие эксплуатационные расходы. Поставки снижаются медленнее, чем заказы. Меньше расхода топлива на одного пассажира, чем автомобиль. Азиатско-тихоокеанская зона, реле роста. Есть 236 самолетов, которые составляют 5, 3 миллиарда долларов.
Эти 157 фирменных продаж добавляют к отставанию производителя на историческом уровне 224 самолетов, обеспечивая три года производства. Малайзия и Филиппины на линии видимости. Сегодня около 260 его 200 самолетов эксплуатируются операторами, расположенными в этой области, и в настоящее время около 80 дополнительных самолетов.
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. Пока же ТВД остаются пусть и не самыми мощными, но выносливыми и надежными «рабочими лошадками».
Самый современный в мире турбовинтовой двигатель
Новая 90-местная программа? С технической скоростью пунктуальности более 99, 5% этот самолет перевозил около 400 миллионов пассажиров по всему миру.
Преимущества композитных пропеллеров
Его модульная конструкция упрощает обновление и добавление дополнительного оборудования и возможностей. Что касается грузовых мощностей, которые имели бы воздушные суда, то в конце длительных обсуждений было решено не преследовать цель достижения полной негативной способности. Самолет должен был быть произведен на различных заводах, расположенных в Европе, которые будут собраны на заводе в Севилье.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 ().
Проект был запущен в «Эксплуатационной концепции операции». Самолет был разработан для выполнения всего спектра задач, характерных для современного воздушного воздушного транспорта, а именно: авиапассажиров, негабаритных грузовых авиаперевозок, поставок в полете, аэромедицинской эвакуации, а также стратегических боевики, раненные Операционной зоной, а также как парашютисты, так и материалы, специальные операции, разгрузка при очень низких нагрузках. Это одновременно и театральный театр, то есть дальний, начинающийся непосредственно с материнской базы или внутри театра, то есть с короткой дистанцией, связывающий разные несмежные театры.
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 .
Среди этих миссий наиболее значительным, отражающим основные оперативные потребности, которые необходимо выполнить, является стратегическая транспортировка высоко взвешенных и унитарных материалов, которые в терминах доктринальных терминов называются негативными. Проблемы разработки воздушных судов Дизайн этого самолета представляет собой настоящую технологическую задачу по ряду аспектов. Фактически, в рамках, где впервые в Западной Европе было достигнуто новое строительство стратегического военного самолета с огромными возможностями, было также принято решение прибегать к турбодвигателям вместо турбовентитуры, которые оборудуют другие большие самолеты.
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).
Другим очень важным аспектом проекта является его «однофазная» характеристика. Эти аспекты имеют решающее значение для успеха проекта. Это связано с тем, что, поскольку массовое производство является основной методологией в Советском Союзе для военной промышленности, такое вмешательство было значительно ниже, чем необходимое для обеспечения надлежащего обслуживания. Среди прочего, как технологический уровень используемых материалов, так и проектирование систем технического обслуживания на практике не позволяли предлагать альтернативные варианты выбора интегральной замены двигателя, когда появились первые признаки сбоя или в конце его эксплуатационной жизни.
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 .