Турбовинтовой двигатель.

Привет!

Турбовинтовой двигатель

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 здесь, тот конечно, знает, что турбовинтовой двигатель – это разновидность газотурбинного.

Газотурбинный двигатель – это тепловая машина 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 (ВСУ).

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 турбореактивный двигатель.

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).

Турбовинтовой двигатель

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.

Турбовинтовой двигатель

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 поршневой движок (об этом здесь). 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. «Эффект запирания» 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

Турбовинтовой двигатель АИ-20.

Турбовинтовой двигатель 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.

Турбовинтовой двигатель

Противолодочный самолет БЕ-12 с двигателями АИ-20.

Турбовинтовой двигатель

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 :-)).

Турбовинтовой двигатель

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: турбовинтовентиляторный двигатель. 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.

Турбовинтовой двигатель

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.

{lang: 'ru'}

No related posts.

This entry was posted in АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ and tagged , . Bookmark the permalink.

30 Комментариев: Турбовинтовой двигатель.

  1. Денис говорит:

    Добрый день!
    Замечательный сайт и подача материала! Держите в том же духе! Спасибо!

    Есть вопрос. Еще не все материалы о -винтовых (если можно так обобщить) двигателях прочитал. Но вот хочется понять. Верно ли утверждение, что попадание птицы / любого аналогичного объекта, будет фатальным для турбореактивных двигателей?
    Тот же вопрос касаемо винтовых и турбовинтовых двигателей.
    Спасибо 🙂

    • Юрий говорит:

      Не обязательно фатальным. Иной раз обходится вообще без последствий. Все зависит от обстоятельств. Их немало. Величина (размеры, масса), материал предмета, количество, особенности конструкции двигателей, скорость попадания, направление, место в которое попал предмет (птица) и т.д. Но в принципе двигатель — наиболее опасное место и наиболее частые повреждения — лопатки компрессора, что может повлечь за собой нарушения работы компрессора и всего двигателя вплоть до остановки его. Мне приходилось неоднократно устранять последствия попадания птиц в двигатели военных самолетов (МиГ-25, Су-24). Все обходилось без крупных осложнений, в основном кончалось проверкой тракта компрессора и зачисткой забоин на лопатках. Следы попадания обнаруживались только при послеполетном осмотре. Самая крупная птица на моей памяти — ворона. Вот в этой статье кое-что о попадании птиц ранее написано было http://avia-simply.ru/ptici-protiv-ptic/.

  2. Дмтирий говорит:

    Добрый день. Предлагаю добавить в Вашу статью про турбовинтовой двигатель данные из статьи про двигатель GE90 для Boeing 777 htt://sp.popmech.ru/gereports/#/articles/4

  3. Артём говорит:

    Юрий, расскажите пожалуйста, в чем уникальность Д-27? Каков там принцип работы и чем он отличается от классических ТВД? Заранее благодарю.

    • Юрий говорит:

      Прошу прощения за задержку с ответом. Почему-то Ваш комментарий (в числе некоторых других) слетел у меня в спам. Только сейчас это увидел. По вопросу… Уникальность Д-27 пожалуй только в том, что это единственный двигатель такого типа (ТВВД), полностью готовый к широкому серийному производству. Более конкретно я о таком типе двигателя после некоторых раздумий решил тут не писать. Все-таки многовато будет для комментария. Лучше сделать статью. Она будет видимо невелика (может суховата :-)), но ответит (я надеюсь :-)) на все вопросы. Так что заходите на сайт, в январе я ее сделаю…

  4. Андрей говорит:

    а не подскажете, есть ли турбовинтовые двигатели для малой авиации … например на автожир (гироплан) можно что -то подобрать и поставить ?

    • Юрий говорит:

      Честно говоря так чтобы совсем на легкие аппараты точно не подскажу. Мне известен только М601F, но он хоть и для малой авиации, но не для УЛА. Есть правда чешский ТР-100. Он как раз для ультралегких пилотируемых и не пилотируемых ЛА и параметры у него хорошие. Но он насколько я знаю находился в стадии испытаний….

  5. Sergey говорит:

    Вопрос по поводу двигателя Pratt & Whitney PT6A. Сопло у него находится в передней части, а воздух засасывается в задней части. Следовательно, выхлопные газы засасываются в турбину. Оказывает ли это негативное воздействие на двигатель?

    • Юрий говорит:

      Если бы газы попадали на вход в двигатель, то это отрицательно могло бы повлиять на работу двигателя вплоть до его выключения. Но они туда не попадают, потому что выходные и входные устройства двигателя снабжены специальным патрубками, которые разделяют потоки газа и входящего в двигатель воздуха. Эти патрубки обычно принадлежность мотогондолы. Входные патрубки чаще всего монтируются по нижней части мотогондолы и выведены в переднюю часть двигателя сразу за винтом, выхлопные патрубки отогнуты назад по потоку. Так что потоки воздуха и газа не пересекаются. Это можно видеть на всех самолетах, где стоят такие двигатели (например Л-410, или здесь)

  6. Вадим говорит:

    Огромное спасибо за полный и понятный ответ на мон вопрос. Тогда есть еще один…при отказе генераторов можно ли использовать ВСУ , для опеспечения бортового питания самолета? Спасибо заранее

    • admin говорит:

      Не за что :-)… На Ваш вопрос есть краткий ответ: можно. Более того нужно. На разных типах самолетов такой режим работы предусмотрен, и на это есть специальные инструкции.

      • Роман говорит:

        ТГ -16 проработает один час,так как на не которых самолётах не продуманна система подпитки топливного бака, а расход у них очень большой,а сго-генератор врятли откажет на всех 4х движках..

  7. Вадим говорит:

    Спасибо за материал…есть вопрос ..а как идет запуск турбовинтового двигателя…и чем его запускают. Спасибо

    • admin говорит:

      Турбовинтовой движок запускается в принципе так же, как и любой воздушно-реактивный или газотурбинный двигатель. То есть все начинается с раскрутки ротора турбокомпрессора двигателя. Эту функцию во большинстве случаев выполняет электрический стартер-генератор. По достижении оборотов примерно 10-12% от максимальных происходит розжиг камеры сгорания пусковым топливом, далее идет основное топливо и продолжается раскрутка ротора совместно стартером и турбиной двигателя. На определенных оборотах стартер отключается и переходит на работу в режиме генератора. Происходит рассоединение муфты сцепления, двигатель выходит на обороты малого газа. Запуск в принципе автоматический, но контроль за температурой осуществляется (чтобы не было большого заброса). Питание на стартер подается от наземной установки или от уже запущенного другого двигателя или от вспомогательной силовой установки, если она имеется на борту (например ТГ-16 для самолетов АН-24, АН-26, АН-12 и др.). Для запуска самой ВСУ мощного электропитания не требуется и в принципе она может быть запущена от аккумуляторов самолета. Надеюсь, я ответил на Ваш вопрос :-)…

  8. юдин говорит:

    А Вы не могли бы обьяснить зачем менять шаг винта? с вертолетами-понятно,а на самолетах с поршневыми двигателями-он что делает?,я читал мемуары летчиков ВОВ-там постоянно это упоминается.Это как коробка передач на автомобиле? или от высоты полета зависит? Извините если мой вопрос кажется Вам глупым

    • admin говорит:

      Никакой он не глупый :-). Нормальный закономерный вопрос. И мыслите Вы в правильном направлении. Действительно по выполняемым функциям система изменения шага винта похожа на коробку передач. То есть она нужна для обеспечения (выбора) наиболее выгодного режима работы двигателя в определенных условиях. А это значит получение необходимой тяги при наименьшей нагрузке на двигатель (частота вращения) и наименьшем расходе топлива. Все это позволяет получить от летательного аппарата максимум того, что он может. Ну еще конечно реверс тяги для торможения и флюгирование при остановке двигателя в полете (дабы уменьшить сопротивление). Сейчас на современных аппаратах стоят системы автоматического регулирования. они поддерживают нужный угол установки лопастей в зависимости от режима полета (чаще всего при постоянной номинальной частоте вращения двигателя). Вот как-то так :-)… Надеюсь я ответил на Ваш вопрос…

  9. дмитрий говорит:

    спасибо!!!очень интересно написанно =)

  10. Людмила говорит:

    Красиво лопасти смотрятся у турбовинтового двигателя.

  11. Спас ибо за статью. Турбовинтовой двигатель еще послужит.

  12. Светлана говорит:

    Статья основательная! Честно говоря, впервые видела схему турбовинтового двигателя.

  13. Людмила говорит:

    Интересно почитать про различия самолетных двигателей, начинаешь по названиям понимать, что он из себя представляет.

  14. Игорь говорит:

    Я живу в Запорожье, знаю этот завод, на котором делают новые двигатели Д — 27. В местной прессе часто возникают дискуссии по поводу нового двигателя, и различным препятствиям, которые мешают в продвижении двигателя. Различные группы на уровне правительств лобируют и тормозят его выход на мировой рынок.
    Так что новое и сейчас с трудом «пробивает себе дорогу»:)

  15. kris1961 говорит:

    Приятно, что Россия имеет преимущество в развитии экономичных двигателей.

  16. Natalja говорит:

    Статья фундаментальная. Спасибо за информацию. Удачи и успехов.

  17. Татьяна говорит:

    Судя по очень качественным и профессиональным статьям, далеко пойдете со своим блогом. Чего вам от всей души желаю.

  18. Евгения говорит:

    Хороший и интересный материал. Спасибо

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *