Авиационные газотурбинные двигатели. Привет студент

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.

Напротив, в случае поршневых двигателей пространство закрывается и, следовательно, давление увеличивается, объем остается постоянным в момент сгорания. Именно из-за более высокого пикового давления в поршневых двигателях их цилиндры массивны. Согласно графику давления-объема, чем больше объем области, определяемой кривой теплового цикла, тем больше энергии передается в газ и тем больше мощность двигателя при поддержании одного и того же воздушного потока.

Для достижения высокого оборота наиболее важными факторами являются. Высокое сжатие воздуха за последней ступени компрессора высокая температура газа перед турбиной. Из этих двух условий необходимо искать огнеупорные материалы, эффективные системы охлаждения, использование современных методов моделирования и точность проектирования и строительства.

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.

Высокая температура горения также влияет на количество сжигаемого кислорода из потока воздуха. При таких температурах весь воздушный кислород не горит. Тем не менее, это просто музыка будущего, потому что сегодня нет известных материалов, которые долго терпели бы такую температуру.

Чем больше газа подается компрессором и камерой сгорания, тем больше энергии можно использовать для натягивания тяги. Поскольку непрерывное увеличение выходной скорости, среди прочего, увеличивало бы шум и уменьшало бы эффективность двигателя, часть энергии расширяющихся газов поглощается другими турбинами, которые управляют вторым ходом. Это касается турбокомпрессоров и турбовинтовых двигателей, где добавленная турбина приводит в действие нагнетатель или пропеллер, который при соответствующих условиях обеспечивает больше крутящего момента для меньшего расхода топлива.

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.

Связь между давлением, объемом и температурой. Воздух, как рабочая среда реактивного двигателя, получает и дает энергию - он меняет свое давление, объем и температуру на каждой фазе рабочего цикла. Давление, объем и температура тесно связаны. Когда газ не подается или не удаляется, он по-прежнему поддерживает постоянное отношение давления и объема к температуре.

Если есть нулевые потери при сжатии и расширении газа, процесс называется адиабатическим. На практике, однако, существуют такие эффекты, как трение и турбулентность, а эффективность снижается. Хорошая энергетическая эффективность для компрессора и турбины составляет 90%.

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.

Для каждой части двигателя требуется подходящий расход потока газа. В компрессоре возрастает давление, увеличение скорости нежелательно. В камере сгорания ток должен быть замедлен для идеального воспламенения смеси. Вместо этого газ должен ускориться перед турбиной, чтобы дать ему достаточно кинетической энергии. В сопле наивысшая скорость требуется, чтобы максимально увеличить количество газа.

Регулирование скорости газа служит для изменения поперечного сечения воздушных каналов. Если вам нужно преобразовать скорость в давление, поперечное сечение увеличивается - канал расходящийся = расходящийся. И наоборот, если энергия тепла и давления сожженных газов преобразуется в скорость, поперечное сечение канала или выпускного сопла уменьшается - сходится = сходится. Это верно, если скорость газа дозвуковая или равна локальной скорости звука.

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.

Если газ течет со сверхзвуковыми скоростями, необходимо использовать сходящуюся расходящуюся насадку, которая максимизирует коэффициент усиления кинетической энергии от дымовых газов. Все воздуховоды и насадки требуют высококачественного дизайна, чтобы избежать ненужных потерь энергии, излишней турбулентности и небезопасных вибраций двигателя.

Если у вас есть какие-либо комментарии или если вы столкнулись с ошибкой, введите. В первой части представлены графики, созданные из базы данных параметров около 750 реактивных двигателей - турбокомпрессора, турбокомпрессора, гражданского и военного. Наблюдаются характерные зависимости параметров данного класса двигателя. Вторая часть этой страницы сравнивает интересные характеристики конкретных типов двигателей.

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.

Зависимость удельного расхода топлива от байпасного отношения двухпотоковых двигателей

Потребление двигателей с низким коэффициентом байпаса относительно велико в максимальном режиме и близко к двигателям турбонагнетателя. Кроме того, такой высокий коэффициент байпаса практически исключает использование на боевых самолетах. Поэтому дополнительное сгорание на таком двигателе является ненужной и дорогостоящей «роскошью».

Зависимость предполагаемой скорости выхлопного газа от байпасного отношения двухпотоковых двигателей.

При получении МиГ-25 при полном сгорании каждую секунду потребляется более 21 литра топлива.

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.

Толчок к весу самолета или начальному ускорению самолета

Это, вероятно, самый «веселый» самолет всех времен, по крайней мере, в плане этого режима работы двигателя. Если вы когда-либо были на летном самолете, то, по крайней мере, в первый раз вы, возможно, были удивлены ускорением самолета в начале, которое ставит вас на место. В следующей таблице и диаграмме вы можете сравнить, как другие типы воздушных судов и другие транспортные средства.

Начальное ускорение при старте намного выше, чем значение, указанное в таблице. В следующих расчетах не учитывается сопротивление качению шасси, значение ускорения уменьшается до нескольких процентов. Для аэрокосмической техники значение ускорения ниже известно как отношение тяги к весу. Если это значение превышает число 1, то сопротивление преодолеет вес, и, теоретически, теоретически это приведет к выходу его приводных устройств. Опять же, значения, полученные отношением не установленного усилия и веса, снова.

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.

Сравнение высокоскоростных характеристик двух двигателей

Установленный ход обычно немного меньше и, следовательно, отношение тяги к воздуху. В качестве доказательства можно сравнить график скоростных характеристик обоих двигателей. В этих условиях отношение хода к весу старого двигателя 1. 7 и нового двигателя составляет 1, 97, разница не столь значительна.

Некоторые «лучшие» в авиадвигателях

Все рассмотренные штрихи во всех сравнениях относятся к деинсталлированным двигателям, в боевых самолетах падает с нулевой скоростью двигателя до примерно 75%, для транспортных самолетов - до 90%. Все чаще это число увеличивается в боевых самолетах. Наибольшая тяга реактивного двигателя с дополнительным сгоранием.

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.

Двигатель с самым высоким общим статическим расходом. Самолет с наибольшим общим ударом. Самый мощный турбовинтовой двигатель. Самолет с наибольшей общей мощностью. Однако были разработаны гораздо меньшие турбинные двигатели, но их было всего несколько миллиметров, но они, вероятно, не стали практическими.

Текущий двигатель с наибольшим количеством произведенных изделий. Современные боевые самолеты обычно представлены как сверхзвуковой реактивный истребитель. Однако в последние годы турбовинтовая авиационная промышленность процветает и может использоваться в самых разнообразных задачах. Существуют типы и страны, которые были выбраны для этой категории авиационных инженеров.

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 конце Второй мировой войны на сцену вышли реактивные двигатели, было ясно, что это был конец эпохи поршневых двигателей. Вскоре пропеллеры анахронизма и власти уже продвинулись в развитии реактивных истребителей или бомбардировщиков. Боевые самолеты нашли довольно ограниченное использование турбовинтовых агрегатов, которые очень тонко сочетают некоторые преимущества пропеллера и реактивного двигателя. Однако начало века означало их большой возврат к месту происшествия, когда интерес к маленьким турбовинтовым военным самолетам резко возрос.

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.

Сегодня они испытывают потрясающее расширение и предсказывают светлое будущее, в котором размер этого рыночного сектора достигнет четырехзначного числа самолетов. Турбовинтовой двигатель представляет собой привод, который включает в себя компрессор и турбину, но в отличие от реактивного двигателя машина не перемещает первичную реактивную силу горячих газов, выходящих из сопла. Турбина с помощью редуктора вращает пропеллер, который тянет или толкает поршень, как для поршневого двигателя, хотя меньшая часть мощности двигателя преобразуется в прямую тягу из выхлопных газов. струй.

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.

Двигатели с турбонаддувом нашли наибольшее применение в транспортных самолетах, но постепенно стали идеальным решением для небольших боевых самолетов. Турбовинтовой двигатель имеет около половины расхода топлива по сравнению с током, что неизбежно увеличивает дальность и выносливость такого самолета. Легкие боевые самолеты этой категории также имеют более низкие затраты на покупку, эксплуатацию и техническое обслуживание, а также короткие и немощенные взлеты. На малых высотах и скоростях они предлагают удивительную ловкость, а из-за меньших размеров и более слабого теплового излучения они довольно сложная цель.

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.

По всем этим причинам они могут найти широкий спектр приложений. Благодаря своей настойчивости они подходят для пограничных и прибрежных патрулирования и долгосрочных боевых действий, в то время как их маневренность и диапазон скоростей делают их идеальным инструментом для борьбы с вертолетами. Они обычно двузначные, поэтому они также подходят для обучения.

Не совсем новый сектор рынка

На самом деле, маленькие турбовинтовые боевые самолеты не являются новостями. Во время «холодной войны» появилось много их типов, но большинство из них не достигло большого успеха. В некоторых случаях они были вооруженными модификациями гражданской техники, спортивных или сельскохозяйственных самолетов, в то время как другие были специально разработаны для таких заданий. Тем не менее, верно, что турбовинтовые военные самолеты стояли на воздушных судах развитых стран на грани интереса.

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. 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.

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. 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.

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. Пока же ТВД остаются пусть и не самыми мощными, но выносливыми и надежными «рабочими лошадками».