Турбовинтовой двигатель - Википедия об этом техническом чуде

Турбовинтовой двигатель – уникальное изобретение, позволившее самолетам совершать экономичные полеты на небольших скоростях. Это гибрид газотурбинного и классического двигателя. Давайте разберемся, как он устроен и почему так эффективен.

История создания турбовинтовых двигателей

Появление первого образца современного турбированного двигателя датируется 1905 годом, Далее идеи турбовинтовых двигателей развивали в 1920-1930-х годах. Российские инженеры В.И. Базаров и В.В. Уваров, а также британский ученый Алан Гриффит предложили проекты газотурбинных двигателей, по сути являвшихся прообразами будущих турбовинтовых моторов.

Однако практически работающий образец турбовинтового двигателя впервые построил венгерский инженер Дьердь Ендрашик. После получения патента в 1929 году, он создал прототип мощностью 100 л.с., а в 1939-1942 годах испытал первый в мире полномасштабный турбовинтовой двигатель Jendrassik Cs-1 мощностью около 400 л.с. Этот двигатель так и не был запущен в серийное производство.

Первый в мире серийный турбовинтовой самолет – Виккерс «Виконт» взлетел в 1948 году с двигателем Dart компании Rolls-Royce.

В середине 1930-х годов немецкий инженер Герберт Вагнер разработал опытный образец турбовинтового двигателя, но из-за начала войны работы пришлось свернуть.

Активное внедрение турбовинтовых двигателей началось только после окончания Второй мировой войны. 20 сентября 1945 года в Британии поднялся в воздух первый турбовинтовой самолет - модифицированный истребитель Gloster Meteor с двумя двигателями Rolls-Royce Trent. Этот самолет остался опытным образцом, но на базе двигателей Trent была разработана модель Dart. Именно она стала первым серийным турбовинтовым двигателем, установленным на пассажирский Vickers Viscount в 1948 году.

Принцип работы турбовинтового двигателя

По принципу работы турбовинтовой двигатель напоминает обычный турбореактивный, но имеет ряд отличий:

• Наличие воздушного винта, приводимого в движение газовой турбиной
• Использование редуктора для согласования скоростей вращения турбины и винта
• Меньшая доля реактивной тяги по сравнению с турбореактивным двигателем

Рассмотрим последовательность работы турбовинтового двигателя:

1. Воздух поступает в компрессор и сжимается.
2. Сжатый воздух подается в камеру сгорания.
3. Через форсунку в камеру впрыскивается топливо, происходит сгорание.
4. Образовавшиеся горячие газы расширяются в турбине, вращая ее.
5. Турбина через редуктор приводит в движение воздушный винт.
6. Газы дополнительно расширяются в реактивном сопле, создавая реактивную тягу.

Таким образом, основная тяга турбовинтового двигателя создается винтом, а реактивная тяга играет вспомогательную роль.

Основные компоненты турбовинтового двигателя

Рассмотрим подробнее устройство и назначение ключевых компонентов турбовинтового двигателя.

Компрессор

Компрессор сжимает поступающий в двигатель воздух перед подачей в камеру сгорания. У турбовинтовых двигателей используются многоступенчатые осевые или центробежные компрессоры с коэффициентом сжатия от 4 до 16.

Камера сгорания

В камере сгорания происходит смешивание сжатого воздуха с топливом и их воспламенение. Конструкция камеры должна обеспечивать эффективное и полное сгорание топлива.

Турбина

Турбина преобразует энергию расширяющихся газов в механическую энергию вращения. У турбовинтовых двигателей турбина состоит из нескольких ступеней с лопатками из жаропрочных материалов.

Редуктор

Редуктор понижает число оборотов турбины (до 30000 об/мин) до оптимальных оборотов воздушного винта (500-1500 об/мин). Чаще всего используются планетарные редукторы.

Воздушный винт

Винт преобразует механическую энергию вращения в тягу за счет гребного эффекта. У турбовинтовых двигателей применяются винты регулируемого шага из композитных материалов.

Каждый из этих компонентов играет важную роль в работе турбовинтового двигателя. Их конструкция и характеристики определяют основные показатели двигателя.

Преимущества турбовинтовых двигателей

По сравнению с турбореактивными двигателями, турбовинтовые имеют ряд преимуществ:

• Высокая топливная эффективность на крейсерских режимах полета
• Хорошие взлетно-посадочные характеристики
• Возможность использования дешевых видов топлива
• Высокий ресурс работы и надежность
• Меньший уровень шума

Благодаря воздушному винту, КПД турбовинтового двигателя значительно выше, чем у турбореактивного на крейсерских режимах полета. Это позволяет существенно экономить на расходе топлива.

Кроме того, турбовинтовые двигатели хорошо работают на малых и средних скоростях полета, обеспечивая хорошие характеристики при взлете и посадке. А благодаря простоте конструкции они отличаются высокой надежностью и долговечностью.

Недостатки турбовинтовых двигателей

При всех достоинствах, у турбовинтовых двигателей есть и некоторые недостатки:

• Снижение КПД винта на больших скоростях полета
• Ограничение максимальной скорости дозвуковыми значениями
• Повышенный уровень шума от винта
• Большая масса и габариты по сравнению с турбореактивными двигателями

Из-за эффекта сжатия потока на концах лопастей, КПД винта резко падает при приближении скорости полета к скорости звука. Поэтому турбовинтовые двигатели не пригодны для сверхзвуковых самолетов.

Кроме того, винт создает значительный шум, что ограничивает использование таких двигателей на пассажирских лайнерах. А конструктивная сложность приводит к большей массе по сравнению с турбореактивными аналогами.

Применение турбовинтовых двигателей

Несмотря на ограничения, турбовинтовые двигатели широко применяются в авиации благодаря своей экономичности.

Они используются на:

• Региональных пассажирских самолетах (ATR-42, Bombardier Q400)
• Военно-транспортных самолетах (Ан-12, С-130 Hercules)
• Сельскохозяйственных самолетах (Ан-2, PZL-106)
• Вертолетах (Ми-2, Bell 206)

Среди наиболее известных и массовых моделей турбовинтовых двигателей:

• АИ-20 (СССР)
• ТВ7-117 (Россия)
• PT6 (Канада)
• Trent (Великобритания)

Они зарекомендовали себя надежными и экономичными двигателями, отработавшие десятки тысяч часов налета на разных типах воздушных судов.

Перспективы развития турбовинтовых двигателей

Несмотря на конкуренцию со стороны турбореактивных двигателей, турбовинтовые моторы продолжают совершенствоваться:

• Разрабатываются новые, более экономичные модели двигателей
• Создаются усовершенствованные винты с улучшенными характеристиками
• Появляются гибридные турбовинтовентиляторные двигатели
• Растет применение на беспилотных летательных аппаратах

Турбовинтовые двигатели сохранят свои позиции там, где требуется высокая эффективность при умеренных скоростях - на региональных пассажирских перевозках, сельхоз и патрульной авиации.