Турбовинтовой двигатель принцип работы кратко

Обновлено: 05.07.2024

ТУРБОВИНТОВО́Й ДВИ́ГАТЕЛЬ (ТВД), авиационный газотурбинный двигатель , в котором тяга в осн. создаётся воздушным винтом , приводимым во вращение газовой турбиной , и частично (8–12%) реакцией потока газов, вытекающих из реактивного сопла. Атмосферный воздух, поступающий в ТВД при полёте, сжимается в воздухозаборнике и компрессоре (имеет 2–6-ступенчатую конструкцию), затем подаётся в камеру сгорания, куда впрыскивается через форсунку авиационное топливо . Образовавшиеся при сгорании топлива газы расширяются в газовой турбине, вращающей компрессор и возд. винт; окончательное расширение газов происходит в реактивном сопле. Для согласования скорости вращения ротора компрессора и возд. винта либо (у вертолётов) для передачи вращающего момента на винт, ось которого расположена под углом к оси турбины, используется редуктор . ТВД получили распространение на дозвуковых самолётах с Маха числом полёта М

Двигатель турбовинтовой принадлежит к классу газотурбинных, которые разрабатывались как универсальные преобразователи энергии и стали широко использоваться в авиации. Они состоят из тепловой машины, где расширенные газы вращают турбину и образуют крутящий момент, а к ее валу прикрепляют другие агрегаты. Двигатель турбовинтовой снабжается воздушным винтом. 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.

Устройство турбовинтового двигателя и принцип его работы

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 реактивную тягу. Так как величина ее не является существенной (всего десять процентов), не считается турбореактивным турбовинтовой двигатель.

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.

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.

Воздушный винт

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.

Именно эта характеристика ограничивает использование турбовинтового двигателя в военных самолетах.

Преимущества и недостатки

малый вес по сравнению с поршневыми агрегатами;
экономичность по сравнению с турбореактивными моторами (благодаря воздушному винту коэффициент полезного действия достигает восьмидесяти шести процентов).

- скоростной предел - 750км/ч, что мало для современной авиации;

- высокий шум, превышающий допустимые значения Международной организации гражданской авиации.

Сфера использования

Турбовинтовые двигатели используются в тех случаях, когда скорости полета самолета относительно невелики. На большом количестве современных транспортных самолетов применяются именно ТВД. Их преимущество прежде всего в экономичности.

Для турбовинтовых двигателей сила тяги состоит из тяги воздушного винта и силы тяги, возникающей при истечении газа из сопла. В зависимости от скорости полета самолета изменяются доли двух составляющих тяги.

При малых скоростях (крейсерских для транспортных самолетов) доля тяги от воздушных винтов значительно превышает вторую составляющую.

В ТВД часто используется комбинация компрессоров.

Реактивную тягу также создает струя раскаленных газов, выходящая из сопла двигателя.

Двигатели, у которых степень двухконтурности высока и составляет от 2 до 10, называют турбовентиляторными, а имеющее сравнительно большой диаметр первое колесо компрессора низкого давления — вентилятором.

Преимущества турбовентиляторного двигателя от турбореактивного таковы: во‑первых, если большая часть реактивной тяги создается продуваемым воздухом, а не реактивными газами, повышается топливная эффективность, а значит, экономичность и экологичность всей силовой установки. Во‑вторых, на выходе из сопла (или сопл) холодный воздух смешивается с горячими газами, снижая общее давление смеси. Это делает двигатель менее шумным.

Туробореактивные двигатели ставят на самолеты с требованием значительной скорости и соответственно мощности.

Конструкция двухконтурных турбореактивных двигателей обеспечивает поступление воздуха в значительных количествах, что на высоких скоростях обеспечивает большую тягу. Второй контур, контур низкого давления, таким образом, дает дополнительную силу тяги. Соотношение двух составляющих общей тяги зависит от конструкции двигателей и режимов работы.

Внешне турбовинтовой двигатель самолета сильно похож на моторы поршневого типа. Но их сходства только визуальны, так как во всем остальном они совершенно отличаются. У данного двигателя совсем другие характеристики, тип и режим работы, также отличаются и их возможности.

ТВД – по сути, являться газотурбинным двигателем, который нашел большой спрос в авиастроении. Газотурбинный двигатель был создан для единственной цели, он должен был стать универсальным преобразователем энергии, благодаря этой особенности он стал использоваться в авиации.

ГТД является своего рода тепловой машиной. В момент сгорания топлива идет выброс газов, которые и вращают турбину, тем самым создают крутящий момент. Также есть возможность прикрепить к валу турбины необходимые дополнения. К ТВД отличным дополнением будет воздушный винт.

ТВД является некой смесью моторов поршневого типа с турбореактивным. Изначально самолеты были оснащены только поршневыми двигателями. Они выглядели как цилиндры и устанавливались в форме звезды, в центре этой звезды ставился вал, благодаря которому и и происходило вращение воздушного винта. Но из-за их низких характеристик и ограничения в скорости было принято решение об отказе от данного двигателя. На замену им как раз пришли турбовинтовые двигатели (ТВД).

Самый первый двигатель был создан в СССР, первые успешные испытания были проведены еще в 30-х годах, ТВД поступили на массовое производство спустя 20 лет. Его почти сразу же начали устанавливать в гражданские и военные самолеты. Что позволило улучшить преимущество в небе.

Принцип работы ТВД

Строение двигателя является очень простым, в нем нет никаких сложных схем. В нем находиться воздушный винт с редуктором, компрессор, камера сгорания топлива, турбина и сопла (выходное устройство). С помощью компрессора происходит нагнетания и сжатие воздуха, после этого он отправляет этот воздух в камеру сгорание, куда подается топливо. Горючая смесь образуется во время смешивания сжатого воздуха и топливом.

После воспламенения смесь оставляет после себя газ с большим энергичным потенциалом. После газ начинает расширяться и выходит на лопасть турбины, тем самым начинает ее вращать. Вследствие этого начинается и вращение воздушного винта с компрессором, их вращение начинается за счет работы лопастей.

Не использованный газ выходит в сопло, и с помощью него образуется реактивная тяга. Величина тяги может доходить до 10 процентов тяги самого мотора. Из-за незначительно тяги ТВД не является реактивным двигателем. Если обратить внимание на строение и принцип работы двигателя, то его можно сравнить с турбореактивным двигателям. Но есть одна особенность в реактивном двигателе, остатки энергии не выходят в виде воздуха через сопло, они до конца расходиться на работу винта.

Существует две разновидности двигателя, в первом случае в двигателе находиться один рабочий вал, а во втором установлено два вала. В одновальном двигателе все расположено на единственном валу, в то время как на двухвальном ТВД, на одном валу расположена турбина с компрессором, а на втором находиться винт и редуктор, также они никак не связанны друг с другом.

Если в мотор двухвального типа, то его структура выглядит примерно так: в нем находиться две турбины, которые связанны между собой с помощью газодинамики. Одна турбина служит для работы компрессора, а другая в то время отвечает за работу самого винта. ТВД двухвального типа используют намного чаще, чем другой вариант двигателя, так как его характеристики намного лучше, чем у одновального типа. Но двигатель второго типа выглядит намного сложнее, чем другой тип двигателя. Также двухвальный ТВД способен начать выработку энергии до начала запуска самого винта.

Компрессор

Компрессор у ТВД обладает ступенчатой конструкцией, количество ступени варьируется от 2 до 6. Благодаря такой системе двигатель лучше работает с перепадами температуры и давлением, благодаря этому пилот может с легкостью регулировать обороты двигателя. Такая конструкция позволяет не только лучше работать мотору, но и из-за ступенчатой системы появилась возможность облегчить вес мотора.

Эта особенность очень важна для авиации, так как вес самолета также снижается, а за счет этого есть возможность развивать необходимую скорость и совершать перелеты на более длинные дистанции, так как топливо затратность зависит от веса самолета. В составе компрессора находиться: рабочие колеса с лопатками и направляющий аппарат.

Существует несколько видов аппарата, первый это регулируемый, в направляющем аппарате установлены лопатки, с помощью которых его можно поворачивать вокруг оси. А второй вариант не имеет возможности регулирования.

Воздушный винт

Благодаря воздушному винту создается тяга, но у каждого винта есть свои ограничения в скорости. Самая идеальная скорость вращения винта является 750-1,5 тысячи оборотов в минуту, в данной частоте уровень коэффициента полезного действия винта самый большой, но если скорость заходит за эти пределы, КПД начинает значительно падать.

Такой эффект происходит из-за того что одна часть лопастей начинает набирать завышенные обороты и тем самым превышает скорость звука, из-за чего двигатель начинает неправильно работать. Такой эффект сработает также если лопастям увеличить их в диаметре, так как чем лопасть длиннее, тем выше скорость потока на концах лопастей.

Турбина

Из-за этого ТВД не может раскрыть всего своего потенциала, эти недостатки сильно ударяют по военным самолетам, так как им очень важна скорость и маневренность. Авиаконструкторы и инженеры не оставляют надежны в разработке нового двигателя, который позволит избежать таких неудобств.

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).

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 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.

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.

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: 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.

Транспортный самолет АН-70 с двигателями Д-27.

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.

Hawker Beechcraft King Air 350

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

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.

Читайте также: