Турбогвинтовий двигун, АВІАЦІЯ, Зрозуміла ВСІМ
Транспортний літак АН-8 із двигунами АІ-20.
Сьогодні продовжуємо докладніше говорити про типи авіаційних двигунів. На порядку денному наступний тип -турбогвинтовий двигун (ТВД). Хто читав мої статті тут, той звичайно, знає, що турбогвинтовий двигун - це різновид газотурбінного.
Газотурбінний двигун – це теплова машина і, як у будь-якій тепловій машині, у ньому є пристрій розширення, яким є турбіна. Ну а турбіна потрібна в першу чергу, щоб обертати компресор, а в другу, для приводу різних додаткових агрегатів, тобто корисного навантаження. Це може бути, наприклад, електрогенератор, гвинт в судновій установці, а стосовно авіації - гвинт повітряний або допоміжна силова установка (ЗСУ).
Виходить, що турбіну можна умовно розділити на дві частини - турбіну компресора і турбіну корисного навантаження. Останню ще називають вільною турбіною. Часто практично їх так і роблять у вигляді двох агрегатів. Якщо вільну турбіну прибрати, то залишиться невикористана частина енергії газового потоку (так звана вільна енергія), яка потім у реактивному соплі двигуна може бути перетворена на кінетичну енергію, і ми отримаємо тягу двигуна за рахунок реакції струменя. Ви вже напевно зрозуміли, що в цьому випадку ми матимемо турбореактивний двигун.
Однак можливий проміжний варіант. Тобто частину вільної енергії (велику) можна використовувати для корисного навантаження, а частину, що залишилася (меншу) для роботи в соплі, тобто для отримання реактивної тяги. Ось саме за таким принципом і влаштований турбогвинтовий двигун. Корисне навантаження для нього – це вищезгаданий повітряний гвинт. Заради справедливості вартосказати, що реактивна тяга відіграє для ТВД невелику роль. Частка її зазвичай трохи більше 15% (на сучасних ТВД ще менше).
Принципове влаштування турбогвинтового двигуна.
Отже, класичний ТВД по конструкції дуже схожий на звичайний турбореактивний двигун. У нього є компресор, камера згоряння, турбіна та сопло. Але додано ще один важливий агрегат. Справа в тому, що частота обертання ротора будь-якого газотурбінного двигуна дуже висока (до 30000 об/хв), а повітряний гвинт за таких оборотів працювати не може. Тому між ротором двигуна і гвинтом встановлюється редуктор, що знижує оберти. Редуктори бувають різних конструкцій, але функції вони однакові.
Анімація, що показує принцип роботи ТВД.
Як і все у цьому світі 🙂турбовинтовий двигун має переваги та недоліки. Це наслідок того, що він поєднав у собі якості поршневого та ТРД. Він, як газотурбінний двигун ( родич реактивного :-)) є представником тієї самої родини двигунів, якому свого часу здав свої позиції поршневий двигун (про це тут). Тому ТВД значно легше поршневого за тієї ж потужності. Це дуже добре, адже маса – найважливіший показник для авіації. Все важке, як відомо, літає без особливого полювання :-).
Одночасно в порівнянні з турбореактивним двигуном, турбогвинтовий значно економічніший. Справа в тому, що від поршневого ТВД взяв повітряний гвинт. Цей агрегат, особливо в сучасних розробках, має досить високий коефіцієнт корисної дії, до 86%, що і зумовлює економічність всього двигуна.
Однак гвинту недоступні великі швидкості. "Ефект замикання" не дає можливості гвинтовим літакам літати зі швидкостями вище 750 км/год.(Єдиний літак наш бомбардувальник ТУ-95 досягає швидкості 920 км/год). Крім того, сучасні повітряні гвинти досить галасливі, що не схвалюють норми Міжнародної організації цивільної авіації (ICAO). От і виходить, щотурбогвинтовий двигун застосовується в основному там, де не потрібні великі швидкості або важлива економічність. Найчастіше – це близько- та середньомагістральна цивільна авіація, а також транспортна авіація. Але, чесно кажучи, і звідти ТВД часто витісняється сучасними двоконтурними економічними турбореактивними двигунами.
Турбогвинтовий двигун АІ-20.
Турбогвинтовий двигун вже досить послужив людям і завжди відрізнявся високою економічністю та великою надійністю. Добре відомий, наприклад, двигун-ветеран АІ-20 (та його модифікації, початок випуску 1957) . Він встановлювався на заслужений пасажирський літак ІЛ-18, а також на транспортні літаки тип АН-8, АН-12, АН-32, на морські БЕ-12 та військово-морські ІЛ-38. Цей двигун в деяких місцях експлуатується і досі відрізняється дуже високою надійністю. Такого ресурсу, як у АІ-20 (40 000 годин льотної експлуатації!) немає, напевно, у жодного двигуна.
Протичовневий літак БЕ-12 з двигунами АІ-20.
Пасажирський ветеран ІЛ-18 із двигунами АІ-20.
І, звичайно, списувати з рахунків турбогвинтовий двигун ще рано. Конструктори, спокушені його високою економічністю, постійно ведуть роботу з поліпшення існуючих зразків та створення нових. Розробляються нові типи гвинтів, зокрема надзвукових (зі змінним, щоправда, успіхом :-)).
Турбогвинтовентиляторний двигун Д-27.
Прикладом служить порівняно недавно з'явивсядвигун Д-27, розроблений у Запорізькому машинобудівному конструкторському бюро „Прогрес“ імені академіка О. Г. Івченка. У тому самому, де створювався колись АІ-20. Д-27 зовні дуже схожий натурбогвинтовий двигун, але насправді це якісний стрибок вперед. Він навіть назву має змінене: турбогвинтовентиляторний двигун. Призначений для пасажирських та транспортних літаків, для яких швидкість також важлива, як і економічність. Таких, наприклад, як новий транспортник АН-70. На осі вільної турбіни Д-27 (зрозуміло через редуктор :-)) встановлено два гвинто-вентилятори, що обертаються в різні боки. Цей двигун не має аналогів і зараз є єдиним робочим двигуном такого типу у світі.
Транспортний літак Ан-70 з двигунами Д-27.
Прогрес не зупинити :-), так що нам цілком імовірно доведеться побачити нові типи літаків з «німбами» гвинтів і м'яким гулом турбогвинтових двигунів.
На закінчення пропоную вам подивитися два ролики. Перший добре показує принцип роботи ТВД. Пояснювальні написи англійською, але, я думаю, зрозуміти не складно. Для тих, хто "зовсім не англієць" :-), поясню, що Gearbox - це редуктор, а Nozzle - це сопло, Inlet - це вхід, Combustion Chamber - камера згоряння. Другий ролик - це анімація роботи ще одного прогресивного і дуже цікавого турбогвинтового двигуна Pratt Whitney PT6A. Зверніть увагу, що напрямок руху газів трактом двигуна організовано «задом наперед» 🙂