Двигатель турбовинтовой: устройство, схема, принцип работы. производство турбовинтовых двигателей в россии

Технические характеристики

Основные метрологические и технические характеристики трансформаторов тока ТВД приведены в таблице 1.

ТВД

Реактивные двигатели

К реактивным относятся турбореактивные, турбореактивные двухконтурные, прямоточные и пульсирующие реактивные двигатели.

Турбореактивный двигатель (ТРД)

Этот тип двигателя является основным в реактивной авиации.

Сила тяги, необходимая для движения, создаётся путём преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи продуктов сгорания топлива.

В теплотехнике существует понятие «рабочее тело». Это какое-то условное тело, которое расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Энергию рабочее тело получат при сжатии, а при расширении оно выполняет механическую работу, благодаря которой приводится в движение рабочий орган.

В турбореактивном авиационном двигателе рабочим телом является атмосферный воздух, который через входное устройство подаётся в компрессор, где и сжимается. Следующий этап – камера сгорания, где воздух нагревается и смешивается с продуктами сгорания керосина. Образовавшаяся газовоздушная смесь попадает на турбину, через рабочие лопатки вращает её, расширяется и теряет часть своей энергии. Эта энергия превращается в механическую энергию основного вала, расходуется на работу компрессора, а также на работу топливных и масляных насосов, привода электрогенераторов, которые вырабатывают электроэнергию для различных бортовых систем самолёта.

Но основная часть энергии газовоздушной смеси разгоняется в специальном сужающемся устройстве, которое называется реактивное сопло.

За счёт реактивной струи появляется сила тяги двигателя.

На сверхзвуковых самолётах применяют турбореактивные двигатели с форсажной камерой. В них между турбиной и соплом установлена дополнительная камера, которая и называется форсажной. В этой камере сжигается дополнительное топливо, что вызывает увеличение тяги (форсаж) до 50 %. Но его расход в таких двигателях значительно выше, чем у обычных ТРД.

Турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД)

1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура.

Этот двигатель имеет два контура: внутренний и внешний. Его отличие от обычного турбореактивного заключается в том, что весь воздушный поток сначала попадает в компрессор низкого давления. Затем основная часть воздуха проходит по внутреннему контуру такой же путь, как и в обычном турбореактивном двигателе. То есть, попадает в другой компрессор, сжимается, нагревается, смешивается в камере сгорания с топливом и разгоняется в сопле для образования реактивной тяги. А вторая часть воздуха проходит напрямую по внешнему контуру поверх внутреннего контура, оставаясь холодной, и выбрасывается, не сгорая

Тем самым создаётся дополнительная тяга и уменьшается расход топлива, что очень важно для самолёта. А также снижается и шум двигателя

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД)

1 — воздух; 2 — впрыск горючего; 3 — стабилизатор пламени; 4 — камера сгорани; 5 — сопло; 6 — форсунки.

Этот двигатель не имеет ни турбины, ни компрессора. Он состоит из трёх обязательных элементов: диффузора, камеры сгорания и сопла.

Диффузор повышает статистическое давление за счёт торможения встречного потока воздуха. В камере сгорания происходит сгорание топлива. Окислителем служит кислород воздуха, поступающий из диффузора. Тяга создаётся за счёт реактивной струи, вытекающей из сопла.

В зависимости от скорости полёта ПВРД подразделяют на дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые. Каждая из групп имеет свои конструктивные особенности.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель

1 — воздух; 2 — горючее; 3 — клапанная решётка; 4 — форсунки; 5 — свеча зажигания; 6 — камера сгорания; 7 — сопло.

В таком двигателе имеется камера сгорания с входными клапанами и длинное выходное сопло цилиндрической формы. Когда клапаны открываются, в камеру сгорания подаются воздух и топливо. Искра свечи зажигания поджигает смесь. Образуется избыточное давление, которое закрывает клапаны. А продукты сгорания выбрасываются через сопло, тем самым создавая реактивную тягу.

И прямоточные, и пульсирующие воздушно-реактивные двигатели на практике применяются довольно редко.

Технологические аспекты

Принципиальная схема, показывающая работу турбовинтового двигателя

Сравнение пропульсивной эффективности для различных конфигураций газотурбинных двигателей

Выхлопная тяга в турбовинтовом двигателе приносится в жертву мощности на валу, которая получается за счет извлечения дополнительной мощности (до той, которая необходима для привода компрессора) от расширения турбины. За счет дополнительного расширения турбинной системы остаточная энергия в выхлопной струе мала. Следовательно, выхлопная струя обычно создает около или менее 10% общей тяги. Большая часть тяги поступает от гребного винта на низких скоростях и меньше — на высоких.

Турбовинтовые могут иметь байпасные отношения до 50-100 хотя воздушный поток движителя менее четко определен для пропеллеров, чем для вентиляторов.

Пропеллер соединен с турбиной через редуктор что преобразует высокие Об / мин /низкий крутящий момент выход на низкие обороты / высокий крутящий момент. Сам пропеллер обычно винт постоянной скорости (переменного шага) тип, аналогичный тому, что используется с более крупными самолетами поршневые двигатели.[нужна цитата ]

В отличие от вентиляторов малого диаметра, используемых в турбовентилятор В реактивных двигателях пропеллер имеет большой диаметр, что позволяет ему разгонять большой объем воздуха. Это позволяет снизить скорость воздушного потока для заданной величины тяги. Поскольку на низких скоростях более эффективно ускорять на небольшую степень большое количество воздуха, чем небольшое количество воздуха в большей степени, низкий загрузка диска (тяга на площадь диска) увеличивает энергоэффективность самолета, и это снижает расход топлива.

Воздушные винты теряют эффективность по мере увеличения скорости самолета, поэтому турбовинтовые двигатели обычно не используются на высокоскоростных самолетах. выше 0,6–0,7 Мах. Тем не мение, пропфан двигатели, которые очень похожи на турбовинтовые, могут летать на крейсерской скорости, приближающейся к 0,75 Маха. Чтобы повысить эффективность гребного винта в более широком диапазоне скоростей полета, турбовинтовые двигатели обычно оснащаются гребными винтами с постоянной скоростью (изменяемым шагом). Лопасти винта с постоянной скоростью увеличивают шаг по мере увеличения скорости самолета, что позволяет использовать более широкий диапазон скоростей, чем у гребного винта с фиксированным шагом. Еще одним преимуществом этого типа гребного винта является то, что он также может использоваться для создания отрицательной тяги при замедлении на взлетно-посадочной полосе. Кроме того, в случае отказа двигателя пропеллер может быть , таким образом сводя к минимуму сопротивление неработающего гребного винта.

Хотя самые современные турбореактивный и турбовентилятор двигатели используют осевые компрессоры, турбовинтовые двигатели обычно содержат хотя бы одну ступень центробежный компрессор которые имеют то преимущество, что они просты и легки за счет обтекаемой формы.[нужна цитата ]

Хотя силовая турбина может быть объединена с секцией газогенератора, многие турбовинтовые двигатели сегодня имеют свободную силовую турбину на отдельном коаксиальном валу. Это позволяет гребному винту вращаться свободно, независимо от скорости компрессора.Остаточная тяга на турбовале предотвращается дальнейшим расширением в турбинной системе и / или усечением и поворотом выхлопа на 180 градусов для получения двух противоположных струй. Помимо вышесказанного, между турбовинтовым двигателем и турбовальным двигателем очень мало различий.

Принимать или отрицать?

Процитирую высказывание Юрия Аношко и поддержавшего его Владимира Барвиненко («Критиканство положений теории плодов не дает»): «Что касается перехода воздуха и космоса в разряд театра войны или военных действий… это положение является измышлением только вашим (Анатолия Корабельникова. – Авт.) и Юрия Криницкого. Оно не принято не только официально, но и ученым миром».

Не берусь найти первооткрывателя идеи, но знаю многих ученых, которые разрабатывали эту тему. В 2006 г. в ВА ВКО имени Маршала Советского Союза Г. К. Жукова издан «Справочник офицера воздушно-космической обороны» под общей редакцией профессора С. К. Бурмистрова. Эта настольная книга специалистов ВКО содержит главу III, которая называется «Среда воздушно-космического пространства как театр военных действий». Примечательно, что в авторском коллективе справочника – Юрий Аношко и Владимир Барвиненко. Что же касается «ученого мира, не принявшего ВК ТВД», то в числе разработчиков «Справочника офицера ВКО» – уважаемые ученые, конструкторы и педагоги: Игорь Ашурбейли, Александр Горьков, Анатолий Ноговицын, Борис Чельцов и два десятка профессионалов из ВА ВКО.

Кроме того, на тему ВК ТВД регулярно публикуют материалы А. И. Хюпенен, С. И. Покладов. О космическом ТВД (а это категория уже, чем ВК ТВД) имеются монографии и статьи Ю. Д. Подгорных, Е. С. Сиротинина, В. Я. Долгова. Лауреат Ленинской и Государственной премий, главный конструктор сложных космических систем, разработчик систем ПКО Константин Александрович Власко-Власов называет космос фронтом. Профессор И. В. Ерохин не употреблял термин ВК ТВД. Но в его книге «Воздушно-космическая сфера и вооруженная борьба в ней» смысл, закладываемый в понятие ВК сфера, в точности совпадает с предлагаемым понятием ВК ТВД. Проработав с известнейшим ученым в одном кабинете более 10 лет, могу об этом не предполагать, а утверждать.

Устройство

Первый контур вмещает в себя компрессоры высокого и низкого давления, камеру сгорания, турбины высокого и низкого давления и сопло. Второй контур состоит из направляющего аппарата и сопла. Такая конструкция является базовой, но возможны и некоторые отклонения, например, потоки внутреннего и внешнего контура могут смешиваться и выходить через общее сопло, или же двигатель может оснащаться форсажной камерой.

Теперь коротко о каждом составляющем элементе ТРДД. Компрессор высокого давления (КВД) – это вал, на котором закреплены подвижные и неподвижные лопатки, формирующие ступень. Подвижные лопатки при вращении захватывают поток воздуха, сжимают его и направляют внутрь корпуса. Воздух попадает на неподвижные лопатки, тормозится и дополнительно сжимается, что повышает его давление и придает ему осевой вектор движения. Таких ступеней в компрессоре несколько, а от их количества напрямую зависит степень сжатия двигателя. Такая же конструкция и у компрессора низкого давления (КНД), который расположен перед КВД. Отличие между ними заключается только в размерах: у КНД лопатки имеют больший диаметр, перекрывающий собой сечение и первого и второго контура, и меньшее количество ступеней ( от 1 до 5).

В камере сгорания сжатый и нагретый воздух перемешивается с топливом, которое впрыскивается форсунками, а полученный топливный заряд воспламеняется и сгорает, образуя газы с большим количеством энергии. Камера сгорания может быть одна, кольцевая, или же выполняться из нескольких труб.

Турбина по своей конструкции напоминает осевой компрессор: те же неподвижные и подвижные лопатки на валу, только их последовательность изменена. Сначала расширенные газы попадают на неподвижные лопатки, выравнивающие их движение, а потом на подвижные, которые вращают вал турбины. В ТРДД турбин две: одна приводит в движение компрессор высокого давления, а вторая – компрессор низкого давления. Работают они независимо и между собой механически не связаны. Вал привода КНД обычно расположен внутри вала привода КВД.

Сопло – это сужающаяся труба, через которую выходят наружу отработанные газы в виде реактивного потока. Обычно каждый контур имеет свое сопло, но бывает и так, что реактивные потоки на выходе попадают в общую камеру смешения.

Внешний, или второй, контур – это полая кольцевая конструкция с направляющим аппаратом, через которую проходит воздух, предварительно сжатый компрессором низкого давления, минуя камеру сгорания и турбины. Этот поток воздуха, попадая на неподвижные лопасти направляющего аппарата, выравнивается и движется к соплу, создавая дополнительную тягу за счет одного только сжатия КНД без сжигания топлива.

Форсажная камера – это труба, размещенная между турбиной низкого давления и соплом. Внутри у нее установлены завихрители и топливные форсунки с воспламенителями. Форсажная камера дает возможность создания дополнительной тяги за счет сжигания топлива не в камере сгорания, а на выходе турбины. Отработанные газы после прохождения ТНД и ТВД имеют высокую температуру и давления, а также значительное количество несгоревшего кислорода, поступившего из второго контура. Через форсунки, установленные в камере, подается топливо, которое смешивается с газами, и воспламеняется. В результате тяга на выходе возрастает порой в два раза, правда, и расход топлива при этом тоже растет. ТРДД, оснащенные форсажной камерой, легко узнать по пламени, которое вырывается из их сопла во время полета или при запуске.

форсажная камера в разрезе, на рисунке видны завихрители.

Самым важным параметром ТРДД является степень двухконтурности (к) – отношение количества воздуха, прошедшего через второй контур, к количеству воздуха, прошедшего через первый. Чем выше этот показатель, тем более экономичным будет двигатель. В зависимости от степени двухконтурности можно выделить основные виды двухконтурных турбореактивных двигателей. Если его значение к<2, это обычный ТРДД, если же к>2, то такие двигатели называются турбовентиляторными (ТВРД). Есть также турбовинтовентиляторные моторы, у которых значение достигает и 50-ти, и даже больше.

В зависимости от типа отведения отработанных газов различают ТРДД без смешения потоков и с ним. В первом случае каждый контур имеет свое сопло, во втором газы на выходе попадают в общую камеру смешения и только потом выходят наружу, образуя реактивную тягу. Двигатели со смешением потоков, которые устанавливаются на сверхзвуковые самолеты, могут снабжаться форсажной камерой, которая позволяет увеличивать мощность тяги даже на сверхзвуковых скоростях, когда тяга второго контура практически не играет роли.

Театр или не театр?

Какой объем пространства вообще можно назвать театром военных действий? Ответ на этот вопрос в свое время дал Жомини. Он называет три признака ТВД:

• охват своей и неприятельской территории;
• наличие стратегически важных рубежей или объектов, которые следует захватить, уничтожить, удержать или защитить;
• физико-географические условия и военная инфраструктура, обеспечивающие развертывание и применение группировок войск стратегического масштаба.

С этой «классической» позиции проанализируем современное воздушно-космическое пространство.

По первому признаку

Воздушное пространство в настоящее время условно разделено на воздушные направления. Каждое из них простирается по принципу «от противника» и в своей проекции на земную поверхность охватывает территорию зарубежных стран, акватории морей, где базируются и откуда могут прилететь средства воздушного нападения; территорию районов России, попадающих в боевой радиус этих СВН. Что касается космической зоны, она тем более единая и используется в мирных и военных целях всеми государствами, имеющими соответствующие технологии.

По второму признаку

Силы воздушно-космического нападения имеют своей основной целью поражение наземных объектов России. По досягаемости они «простреливают» всю территорию нашей страны (как, собственно говоря, и российские СЯС способны достичь любой точки планеты). А значит, нет такого стратегического объекта, который бы не находился в пределах гипотетического ВК ТВД. Но и в самом космическом пространстве «висят» аппараты, обеспечивающие военную безопасность нашей Родины. Они также являются стратегически важными объектами. Противник будет стремиться их уничтожить, а мы – защитить.

По третьему признаку

Еще несколько десятилетий назад космос был средой с неприемлемыми для человека физико-географическими условиями. Но развитие технологий привело к тому, что в нем сегодня месяцами находятся космические экипажи, выполняя поставленные задачи. А в большинстве случаев этого и не требуется, поскольку управление космическими аппаратами осуществляется дистанционно. Воздушная среда обжита еще раньше и не представляет проблем для применения стратегических группировок сил воздушного нападения.

Наконец, что касается инфраструктуры. Часть ее создана на поверхности Земли. Это аэродромы, космодромы, пункты управления, радиолокационные станции и т. д. Но основные элементы инфраструктуры ВК ТВД появятся непосредственно перед началом военных действий, поскольку оперативное и боевое построение сил воздушно-космического нападения происходит в воздухе и космосе по заблаговременно разработанным планам стратегической воздушно-космической операции (СВКНО), воздушной наступательной операции (ВНО) и массированного ракетно-авиационного удара (МРАУ).

Этим достигается внезапность воздушно-космического нападения, что невозможно на обычном ТВД. Элементы создаваемой воздушной инфраструктуры – это воздушные пункты управления, связи и навигации, пункты дозаправки, зоны барражирования постановщиков помех и т. д. В космосе уже сейчас развернута и функционирует орбитальная группировка, решающая в мирное время задачи разведки, навигации, управления. Она же является продуктом оперативного оборудования космического пространства в интересах войны, хотя такого понятия тоже не существует в официальной терминологии.

Для создания и построения всего этого требуются часы, а то и десятки минут. Для обороняющейся стороны в таких жестких временных рамках создавать группировку Войск ВКО, способную отразить воздушно-космическую агрессию только по факту обнаружения построенной противником группировки СВКН, уже поздно. Группировка ВКО должна быть создана, развернута и готова к боевым действиям заблаговременно, то есть и вчера, и сегодня, и завтра. Соответственно оперативным оборудованием ВК ТВД надо заниматься заблаговременно.

Таким образом, по всем обозначенным признакам современное воздушно-космическое пространство может считаться самостоятельным воздушно-космическим театром военных действий.

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.