Привет!
Центробежная ступень компрессора ТВаД.
Сегодня продолжаем серию рассказов о типах авиационных двигателей.
Как известно, основной узел любого газотурбинного двигателя ( ГТД) – это турбокомпрессор. В нем компрессор работает в связке с турбиной, которая его вращает. Функции турбины этим могут и ограничиться. Тогда вся оставшаяся полезная энергия газового потока, проходящего через двигатель, срабатывается в выходном устройстве (реактивном сопле). Как говорил мой преподаватель «спускается на ветер» :-). Тем самым создается реактивная тяга и ГТД становится обычным турбореактивным двигателем (ТРД).
Но можно сделать и по-другому. Турбину ведь можно заставить кроме компрессора вращать и другие нужные агрегаты, используя ту самую оставшуюся полезную энергию. Это может быть, например, самолетный воздушный винт. В этом случае ГТД становится уже турбовинтовым двигателем, в котором 10-15% энергии все же расходуется «на воздух» :-), то есть создает реактивную тягу.
Принцип работы турбовального двигателя.
Но если вся полезная энергия в двигателе срабатывается на валу и через него передается для привода агрегатов, то мы уже имеем так называемый турбовальный двигатель (ТваД).
Такой двигатель чаще всего имеет свободную турбину. То есть вся турбина как бы поделена на две части, между собой механически несвязанные. Связь между ними только газодинамическая. Газовый поток, вращая первую турбину, отдает часть своей мощности для вращения компрессора и далее, вращая вторую, тем самым через вал этой (второй) турбины приводит в действие полезные агрегаты. Сопла на таком двигателе нет. То есть выходное устройство для отработанных газов конечно имеется, но соплом оно не является и тяги не создает. Просто труба… Зачастую еще и искривленная :-).
Компоновка двигателя Arriel 1E2.
Турбовальный двигатель ARRIEL 1E2.
Eurocopter BK 117 c 2-мя турбовальными двигателями Arriel 1E2.
Выходной вал ТваД, с которого снимается вся полезная мощность, может быть направлен как назад, через канал выходного устройства, так и вперед, либо через полый вал турбокомпрессора, либо через редуктор вне корпуса двигателя.
Компоновка двигателя Arrius 2B2.
Турбовальный двигатель ARRIUS 2B2.
Eurocopter EC 135 с 2-мя турбовальными двигателями Arrius 2B2.
Надо сказать, что редуктор – непременная принадлежность турбовального двигателя. Ведь скорость вращения как ротора турбокомпрессора, так и ротора свободной турбины велика настолько, что это вращение не может быть напрямую передано на приводимые агрегаты. Они просто не смогут выполнять свои функции и даже могут разрушиться. Поэтому между свободной турбиной и полезным агрегатом обязательно ставится редуктор для снижения частоты вращения приводного вала.
Компоновка двигателя Makila 1A1.
Турбовальный двигатель MAKILA 1A1
Eurocopter AS 332 Super Puma с 2-мя турбовальными двигателями Makila 1A1
Компрессор у ТваД может быть осевым (если двигатель мощный) либо центробежным. Часто компрессор бывает и смешанным по конструкции, то есть в нем есть как осевые, так и центробежные ступени. В остальном принцип работы этого двигателя такой же, как и у ТРД. Примером разнообразия конструкций ТваД могут служить двигатели известной французской двигателестроительной фирмы TURBOMEKA. Здесь я представляю ряд иллюстраций на эту тему (их сегодня вообще много как-то получилось :-)… Ну много — не мало… :-)).
Компоновка двигателя Arrius 2K1
Турбовальный двигатель ARRIUS 2K1.
Вертолет Agusta A-109S с 2-мя турбовальными двигателями Arrius 2K1.
Основное свое применение турбовальный двигатель находит сегодня конечно же в авиации, по большей части на вертолетах. Его часто и называют вертолетный ГТД. Полезная нагрузка в этом случае – несущий винт вертолета. Известным примером ( кроме французов :-))могут служить широко распространенные до сих пор отличные классические вертолеты МИ-8 и МИ-24 с двигателями ТВ2-117 и ТВ3-117.
Вертолет МИ-8Т с 2-мя турбовальными двигателями ТВ2-117.
Турбовальный двигатель ТВ2-117.
Вертолет МИ-24 с 2-мя турбовальными двигателями ТВ3-117.
Турбовальный двигатель ТВ3-117 для вертолета МИ-24.
Кроме того ТваД может применяться в качестве вспомогательной силовой установки (ВСУ, о ней подробнее в следующей статье :-)), а также в виде специальных устройств для запуска двигателей. Такие устройства представляют собой миниатюрный турбовальный двигатель, свободная турбина которого раскручивает ротор основного двигателя при его запуске. Называется такое устройство турбостартер. В качестве примера могу привести турбостартер ТС-21, используемый на двигателе АЛ-21Ф-3, который устанавливается на самолеты СУ-24, в частности на мой родной СУ-24МР :-)…
Двигатель АЛ-21Ф-3 с турбостартером ТС-21.
Турбостартер ТС-21, снятый с двигателя.
Фронтовой бомбардировщик СУ-24М с 2-мя двигателями АЛ-21Ф-3.
Однако, говоря о турбовальных двигателях, нельзя не сказать о совсем неавиационном направлении их использования. Дело в том, что ведь изначально газотурбинный двигатель не был монополией авиации. Главный его рабочий орган, газовая турбина, создавался задолго до появления самолетов. И предназначался ГТД для целей более прозаических, нежели полеты в воздушной стихии :-). Эта самая воздушная стихия его все же завоевала. Однако неавиационное приземленное предназначение существует и серьезности своей не потеряло, скорее наоборот.
На земле, так же как и в воздухе ГТД (турбовальный двигатель) применяется на транспорте.
Первое – это перекачка природного газа по крупным магистралям через газоперекачивающие станции. ГТД используются здесь в качестве мощных насосов.
Второе – это водный транспорт. Суда, использующие турбовальные газотурбинные двигатели называют газотурбоходы. Это чаще всего суда на подводных крыльях, у которых гребной винт приводит в движение турбовальный двигатель механически через редуктор или электрически через генератор, который он вращает. Либо это суда на воздушной подушке, которая создается при помощи ГТД.
Газотурбоход "Циклон-М" с 2-мя газотурбинными двигателями ДО37.
Пасажирских газотурбоходов за российскую историю было всего два. Последнее очень перспективное судно «Циклон-М» появилось в очень неудобное для себя время в 1986 году. Успешно пройдя все испытания, оно «благополучно» перестало существовать для России. Перестройка… Более таких судов не строили. Зато у военных в этом плане дела обстоят несколько лучше. Чего стоит один только десантный корабль «Зубр», самое большое в мире судно на воздушной подушке.
Десантный корабль на воздушной подушке "Зубр" с газотурбинными двигателями.
Третье – это железнодорожный транспорт. Локомотивы на которых стоят турбовальные газотурбинные двигатели, называют газотурбовозы. На них используется так называемая электрическая передача. ГТД вращает электрогенератор, а вырабатываемый им ток, в свою очередь, вращает электродвигатели, приводящие локомотив в движение. В 60-е годы прошлого века в СССР проходили довольно успешную опытную эксплуатацию три газотурбовоза. Два пассажирских и один грузовой. Однако они не выдержали соревновавния с электровозами и в начале 70-х проект был свернут. Но в 2007 году по инициативе ОАО «РЖД» был изготовлен опытный образец газотурбовоза с ГТД, работающем на сжиженном природном газе (опять криогенное топливо :-)). Газотурбовоз успешно прошел испытания, планируется его дальнейшая эксплуатация.
И наконец четвертое, самое, наверное, экзотическое… Танки. Грозные боевые машины. На сегодняшний момент достаточно широко известны два типа ныне использующихся боевых танков с газотурбинными двигателями. Это американский М1 Abrams и российский Т-80.
Танк M1A1 Abrams с газотурбинным двигателем AGT-1500.
Во всех вышеописанных случаях применения ГТД (суть турбовальный двигатель), он обычно заменяет дизельный двигатель. Это происходит потому, что (как я уже описывал здесь) при одинаковых размерах турбовальный двигатель значительно превосходит дизельный по мощности, имеет гораздо меньший вес и шумность.
Танк Т-80 с газотурбинным двигателем ГТД-1000Т.
Однако у него есть и крупный недостаток.Он обладает сравнительно низким коэффициентом полезного действия, что обуславливает большой расход топлива. Это естественно снижает запас хода любого транспортного средства (и танка в том числе :-)). Кроме того он чувствителен к грязи и посторонним предметам, всасываемым вместе с воздухом. Они могут повредить лопатки компрессора. Поэтому приходится создавать достаточно объемные системы очистки при использовании такого двигателя.
Эти недостатки достаточно серьезны. Именно поэтому турбовальный двигатель получил гораздо большее распространение в авиации, чем в наземном транспорте. Там этот трудяга-движок, ничего не пуская «на ветер» :-), заставляет подниматься в воздух вертолеты. И они в родной для них стихии из несуразных, на первый взгляд, машин превращаются в изумительные по красоте и возможностям творения рук человеческих… Все-таки авиация – это здорово :-)…
P.S. Вы только посмотрите, что они вытворяют!
Все фотографии и схемы кликабельны.
Небольшое дополнение о способах наземного использования ГТД. Их используют на целой категории пожарных автомобилей — АГВТ (автомобиль газоводяного тушения). Там газовая турбина вращает центробежный насос, а ее отработавшие газы, иногда смешанные с водой, подаются на очаг крупного пожара. Испаряясь частично при смешивании, частично при попадании на очаг горения, такая смесь не дает проникать кислороду к очагу горения. Поскольку расход топлива у газовых турбин очень большой, подобные автомобили имеются не в каждой пожарной части. Например, знаю, что они защищают от пожара крупные объекты энергетики
Точно, видел такие. Только там используют ТРД (т.к. важно наличие реактивной струи). На многих стоят (или стояли) движки ВК-1 (от МиГ-15). А на одном фото видел установку, использовавшуюся для тушения пожаров на нефтяных скважинах в Кувейте. На базе танка Т-34 два двигателя Р11 (от Миг-21)… Интересная штука :-)..
Еще используют для разминирования 🙂 См. Прогрев-Т
а чем он отличается от ТВД?
Принципиально они близки. Но есть отличия. В ТВД обычно присутствует какой-то процент реактивной тяги (до 15% примерно), в ТВаД ее практически нет и выходящий поток часто даже не параллелен продольной оси двигателя. Степень понижения оборотов в редукторе ТВаД больше, потому что он вращает большой несущий винт вертолета (чаще всего). ТВД обычно располагается в мотогондолах на крыле самолетов, летающих с большими скоростями по сравнению с вертолетами, поэтому важны бывают его поперечные размеры из соображений меньшего лобового сопротивления. Конструктивно ТВД чаще всего относительно «заужены» и редуктор у них располагается между корпусом двигателя и винтом. В ТВаД размеры и форма не критичны, потому что он расположен в корпусе вертолета и скорости невысоки. Расположение редуктора здесь более упрощено. ….
Благодарю за ответ, теперь разобрался
Здравствуйте Юрий, сайт у вас получился действительно интересный, но сколько про двигатели читал у вас разделе про двигатели, нигде толком не нашел про КПД современных двигателей. Наткнулся только в статье про компрессоры на КПД компрессоров и все.
Вопрос какие КПД у современных двигателей и как КПД зависит от размера двигателя?
Прошу прощения за задержку с ответом. Почему-то Ваш комментарий (в числе некоторых других) слетел у меня в спам. Только сейчас это увидел. Я думаю, что лучше будет ответ на Ваш вопрос сделать не в комментарии, а в виде небольшой статьи (большой тут не выйдет :-)), в которой можно будет все собрать на эту тему и с формулами. Сделаю это в течение января.
Добрый день, я в этой области новичок, но интерисуют несколько вопросов относительно турбовального двигателя Arrius 2C/2F французской фирмы Societe Turbomeca:
1. На каком топливе он работает?
2. Как вычислить его расход?
3. Продолжительность срока службы? Или где найти ответы на эти вопросы?
На эти вопросы ответить можно так (не очень конкретно, к сожалению). Топливо — керосин, авиационный конечно, тот, который предусмотрен для ГТД. В России это например ТС-1(Т-1), зарубежным аналогом может служить например Jet A-1. Расход топлива Вы сами не посчитаете. Расход этот рассчитывается на этапе проектирования составлением сложной математической модели, зависящей от многих параметров. Потом при доводке двигателя доводится и он экспериментальным путем и потом выдается как готовый параметр (в тех. паспорте или тех описании). В дальнейшем для каждой конкретной модели вертолета на каждый конкретный полет рассчитывается расход топлива исходя из расхода двигателя по тех паспорту и множества соответствующих условий полета по соответствующим методикам (обычно таблицы специальные существуют). Конкретно марку разрешенного топлива и исходный расход топлива для нужных режимов можно посмотреть в тех.описании двигателя. Там же есть и ресурс, то есть срок службы. Я знаю, что у Arrius 2C/2F межремонтный ресурс от 2700 до 3000 часов (по разным источникам). Сколько полный ресурс не знаю увы….
Все (или почти все) эти данные можно в принципе найти в интернете через поисковик, но я их здесь не привожу, потому что уж больно они разные и за достоверность ручаться не приходится. Можно еще найти в документации на вертолеты, где стоят такие двигатели. Некоторые тех. описания, а также training manual можно найти на соответсвующих сайтах типа twirpx.com, частенько попадается, хотя лучше всего искать на англоязычных сайтах, там много чего есть. Ну и наконец, если у Вас вопрос сформировался конкретный, то можно просто написать в Turbomeka в контакты на их сайте. Не исключено, что ответят.
Больше увы ничем не помогу пока…. Может, что-то позже попадется, тогда отпишу :-)…
спасибо 🙂
подскажите пожалуйста по какому циклу работает ТВаД
Турбовальный двигатель, как и любой ГТД работает по циклу Брайтона. Немного точнее об этом написано в этой моей статье в верхней ее части. Там и иллюстрации есть. Загляните…
Юрий, спасибо за напоминание о юности! Авиационным техником так и не стал, в 90 тых опытные «колдуны» были не нужны, не то что мы- соложата…
Но ощущения, что встретился с другом, при виде ТВ2-117 АГ, останется на всю жизнь…
Юрий, у меня три вопроса. Почему на первой, принципиальной схеме двигателя канал компрессора не сужается к КС ? Нас на ещё на ОКД учили, что компрессор сконструирован как диффузор! Может, что то изменилось? И сейчас достаточно работы лопаток, а поток может двигаться по ровному каналу? Можете посоветовать сайт где можно найти материал про процессы проходящие в двигателе? И последнее,расскажите про газотурбинные двигатели для электростанций,если можно…
Да… Ощущения все эти мне очень хорошо знакомы :-)…
На счет схемы. Понимаете, это даже не схема, а просто рисунок для пояснения принципиальной компоновки турбовального двигателя. Для этой цели он подходит, потому и выбран (красочный к тому же :-)). А что касается профилирования канала компрессора, то он, конечно, изображен неверно. Канал компрессора по тракту сужается, ничего не изменилось. Но Вам не совсем верно, видимо, говорили. Компрессор не сконструирован, как диффузор, потому что диффузор как раз расширяется для торможения потока и повышения давления. Но компрессор выполняет те же функции, то есть повышает давление. При повышении статического давления в канале поток должен замедляться. Поэтому для сохранения постоянной скорости потока по тракту канал делают сужающимся (разгон).
Сужения добиваются путем уменьшения диаметра либо наружной либо внутренней стенки канала, либо обеих сразу.
По поводу сайта… Вы уже не первый спрашиваете :-)… Вы знаете, я не знаю такого готового сайта. В основном везде по частям, не всегда понятно. Сам я учился теории двигателей по учебникам и с преподавателями, там качество обучения совсем другое было (по крайней мере на мой взгляд :-)). Можете ко мне заглядывать в рубрику «Авиационные двигатели», там есть кое-что и еще буду писать. Если встречу что-нибудь приемлемое по теории сообщу Вам….
ГТД для электростанций…. интересно. Не авиация, конечно, но можно заняться этим вопросом.. Постараюсь :-)…
Небольшое уточнение.По п.1 применения на земле.
ГТД(ГТУ) входит в состав ГПА в качестве привода нагнетателя(компрессора),осуществляющего компримирование природного газа.
Насосы — это у нефтяников.
Отличная статья,прочёл с удовольствием!Турбины навсегда!
Все правильно, совершенно согласен :-).
Очень познавательный и удачный сайт. Хорошо, что наткнулся — теперь за обедом обязательно читаю какую-нибудь статью.
С Вашего позволения замечу, что на приведенной фотографии все же точно не Ми-8Т с ТВ2-117. Изображен вертолет уже с модернизированной трансмиссией и двигателями ТВ3-117: Ми-8МТ, МТВ или АМТ — их различить уже сложнее)). Просто у Ми-8Т рулевой винт с другой стороны)).
Ну, да. Конечно же Вы правы. Это не МИ-8Т и движки у него, соответственно другие. Сам писал об этом не раз (не на этом сайте, правда) и сам же недосмотрел… Бывает. До конца недели обязательно заменю фото, будет время. Спасибо за поправку :-)…
А каким боком тут АЛ-21Ф-3. Это вообще ТРДДФ. Чудики..
Статью Вы, видимо, не читали :-). АЛ-21Ф-3 там как один из примеров (просто мне этот двигатель близок :-)). Конечно он не турбовальный, а боком он таким, что на нем стоит турбостартер ТС-21, который и есть суть двигатель турбовальный. Об этом как раз и написано в статье…
))) смотрел сонный, по тому и пропустил)))
Здравствуйте! Спасибо за информацию. Доступно очень.
Возник один вопрос касающейся терминологии:
Самолет с толкающими соосными винтами на одном волу и двумя турбомоторами — это правильнее говорить «турбовальные» или «турбовинтовые» двигатели?
И если можно схему этой компоновки 🙂
У Вас этот нюанс не отражен…
Спасибо вам,все ваши объяснения понятны и хорошо иллюстрированы,побольше бы таких познавательных сайтов!!!Удачи вам!!!…:-)
PS.Я и хотел узнать,как это ухитряются снять крутящий момент с бешено вращающейся основной турбины(шестерёнкам туго придётся…;-(!,теперь понял:с помощью СВОБОДНОЙ ТУРБИНЫ обороты которой не зависят от основной.Ещё раз спасибо!!!
Не за что :-)… Заходите, буду рад… Подписывайтесь на обновления (если уже это не сделали :-)), тогда будете в курсе новых статей…
Очень давно интересовала тема ГТД для вертолётов и особенно передача мощности от двигателя к винту. Сколько ни искал, не мог найти. А тут случайто вышел на этот сайт и всё выяснил. Спасибо. Есть ещё один вопрос. При работе этого двигателя на вертолёте издаётся звук как-будто от поршневого двигателя. Почему так?
Не за что :-). Заходите, буду рад. По поводу звука, здесь, видимо, дело в лопастях. Винт (лопасти), что несущий, что тянущий, — главный источник шума на летательных аппаратах. Отсюда и похожесть возникает.
Я был несколько шокирован Вашим ответом на мои замечания по поводу Вашей статьи об новых двигателях.Большое спасибо Вам ,что следите за Вашими публикациями.А сейчас у меня к Вам мой главный вопрос как к специалисту по авиадвигателям. Каким образом осуществляется смазка и охлаждение подшипников газовых турбин где температура среды достигает свыше 2000 градусов. И еще если Вам известно то поясните каким образом осущесвляется смазка двигателей по радиальной компановке — ведь у них нет поддона
Отвечаю сразу на два вопроса :-). Смазка и охлаждение — это по сути дела один процесс. Причем функция охлаждения для ТРД даже более важна, чем функция смазки. Температура в турбине конечно довольно высока, но в самой задней опоре ротора (то есть в корпусе подшипника) она ощутимо ниже, потому что опора отделена от газовой полости турбины различного вида специальными уплотнениями, плюс обычно всегда имеют место мероприятия, уменьшающие теплопередачу от газового потока к поверхности деталей газовоздушного тракта (а потом, соответственно, и к деталям корпуса подшипника), такие как, например, пленочное воздушное охлаждение. Тем не менее температура в опоре ротора все же высока и основной теплосъем производится маслом. Оно подается под давлением через форсунки на подшипник. Поддона как такового нет, но определенные масляные полости все же есть в корпусе подшипника. Масло стекает туда и после попадает в откачивающие насосы. Причем производительность откачивающих насосов больше, чем нагнетающего, так что отработанное масло быстро из подшипников удаляется, унося с собой лишнее тепло. Далее масло попадает в топливо-масляные радиаторы, где охлаждается, нагревая топливо…. Вот как-то так :-). Конструкции различных движков могут, конечно, отличаться, но принцип вобщем-то одинаков. Надеюсь я ответил на Ваш вопрос. Если возникнут еще неясности, спрашивайте, все, что знаю, расскажу :-)…
Спасибо за увлекательный и понятный для не профессионала урок
Не за что :-)… Заходите, буду рад видеть Вас на сайте….
Да , действительно на земле мало применяется таких двигателей , похоже только в авиации они и приживутся (прижились).
Всегда с огромным удовольствием бываю на вашем сайте. Вы очень интересно и профессионально обо всем рассказываете.
Всегда удивляюсь таким сложным «агрегатам», мало того, что кто-то это умеет обслуживать, но ведь это еще кто-то все и придумал!
какие сложные устройства и механизмы! Сикорский обзавидовался бы…
… какие сложные устройства и механизмы! Сикорский обзавидовался бы…(с)
А при чем тут Сикорский ?
Игорь Иванович ДВИГАТЕЛЯМИ не занимался.
Он разрабатывал, как раз всё, что «вокруг двигателя». )))
Как всегда , Вы на высоте ! Очень интересная и полезная информация , приятно заходить к Вам . Спасибо , за труд .Жду в гости , С уважением , Евгений Карунос .
Благодарю за признание, Евгений :-)… Заходите, буду рад…
Вот теперь хоть буду знать за счет чего летит самолет в котором я сижу…
Скорее вертолет :-)… Такие движки практически только на вертолетах стоят…
нет, принцип и самолетных движков тот же)))
Прошу прощения, не очень понимаю, что Вы имеете в виду :-)…
.. нет, принцип и самолетных движков тот же))).. (с)
Да , Елена…, да..
Ибо «принцип» — у ВСЕХ ДВС один.
«Внутреннее сгорание» топлива.
А вот «по способу отбора мощности» разница между вертолетом и самолетом,таки ЕСТЬ.
И , как вам справедливо выше заметили, «турбовальный» двигатель, скорее ВЕРТОЛЕТНЫЙ, нежели самолетный !
Очень интересная статья, столько много картинок сразу все понятно.
Очень полезно получить столь познавательную информацию о таких технологичных аспектах
Просто так написано, но принцип работы стал понятен спасибо
Очень интересно и такое различное применение!