Турбовинтовой двигатель (ТВД) - авиационный газотурбинный двигатель, создающий основную силу тяги винтом, а дополнительную - струёй газов, вытекающих из реактивного сопла.
Необходимость в переходе от поршневых установок к турбовинтовым возникла при проектировании и эксплуатации с большой грузоподъёмностью и дальностью полёта. Летательные аппараты обладающие большой, принципиальная схема турбовинтового двигателя грузоподъемностью должны иметь двигатели способные развивать необходимую тягу при минимальном удельном весе. По тому критерию подходят турбореактивные установки. Но они крайне неэффективны на малых скоростях. Решением проблемы стало комбинирование технологий винтомоторных двигателей с реактивной тепловой машиной.
Конструктивно турбовинтовой двигатель схож с турбореактивным, но у ТВД имеется винт, создающий основную часть тяги, и редуктор, связывающий винт с валом тепловой машины. Редуктор используется для уменьшения оборотов винта по сравнению с оборотами газовой турбины. Рабочие обороты турбины колеблются между 18 и 21 тысячами об/мин. При таких оборотах КПД винта падает почти до нуля, тогда как максимальный КПД винт достигается при оборотах от 750 до 1500 об/мин.
Существуют варианты ТВД с двумя винтами, направленными в противоположные стороны. Подобный тип двигателей применяется на летательных аппаратах, требующих большой мощности двигателей.
Тяга в турбовинтовых установках, преимущественно (до 90%), создаётся винтом, и лишь малая доля струёй отработанных газов
Основные преимущества ТВД перед другими газотурбинными двигателями состоят в лучших тяговых характеристиках на взлёте и в большей экономичности на скоростях полёта до 800 км/ч.
Реактивные двигатели
Реактивный двигатель -- двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. По закону сохранения импульса, летательный аппарат получает такой же импульс, какой имеет рабочее тело при выходе из двигателя.
Реактивный двигатель сочетает в себе двигатель с движителем, то есть он создаёт тяговое усилие только за счёт Первый отечественный турбореактивный двигатель ТР-1
взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.
Все разновидности реактивных двигателей объединяет наличие двух основных элементов конструкции: камеры сгорания и сопла. Камера сгорания - объём, образованный совокупностью деталей двигателя, в котором происходит сжигание горючей смеси. После отработки горючего, Продукты сгорания устремляются в реактивное сопло, в котором тепловая энергия газов переходит в их кинетическую энергию, когда из сопла газы вытекают наружу с большой скоростью, тем самым создавая реактивную тягу.
Дальнейшая классификация будет зависеть от наличия в двигателе компрессора - узла, предназначенного для нагнетания рабочего тела в камеру сгорания. Наиболее значимыми представителями компрессорных двигателей являются: турбореактивные двигатели и двухконтурные турбовинтовые двигатели. Группа бескомпрессорных состоит из прямоточных и пульсирующих реактивных двигателей.
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. Двигатель снабжен воздушным винтом, который устанавливается впереди компрессора.
Воздушный винт с валом связан редуктором, так как его скорость вращения значительно меньше скорости вращения компрессора-турбины. 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.
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. На лучших современных самолетах (МиГ-29 , МиГ-31 и др.) в качестве силовой установки используются двухконтурные турбореактивные двигатели. В турбореактивном двигателе для кратковременного повышения тяги двигателя используется форсажная камера. Абсолютное большинство современных истребителей в качестве силовой установкиимеют двигатели с форсажной камерой (Миг-29, Су-33 и др.).
Турбовинтовые двигатели для вертолетов стали применяться значительно позже. Двигатели в 19591961 гг. имели m = 0,1.
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 , тот конечно, знает, что турбовинтовой двигатель – это разновидность газотурбинного.
Газотурбинный двигатель – это 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 ().
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 .
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 (об этом ). 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. 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 АИ-20.
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: . 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.
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 .
Турбовинтовой авиационный двигатель НК-12 (ТВ-2, ТВ-12).
Разработчик: ОКБ-276, Н.Д.Кузнецов
Страна: СССР
Построен: 1954 г.
Начало гос. испытаний: 1955 г.
Принят на вооружение: 1955 г.
В 1946 году в посёлке Управленческий, расположенном на берегу Волги в 30 км от Куйбышева, был организован опытный завод № 2. На его базе было сформировано два конструкторских бюро: ОКБ-1 (главный конструктор А.Шайбе) и ОКБ-2 (главный конструктор К.Престель), численность работающих в 1947 году составляла около 2500 человек, из них 662 — немецкие специалисты. При организации завода предполагалось, что в СССР немцы продолжат работы, начатые ими в Германии — создание форсированных образцов серийных немецких ТРД «Jumo-004» и «BMW-003» и новых мощных реактивных двигателей «Jumo-012» и «BMW-018». Однако в конце 1946 года появилась новая задача: разработка турбовинтовых двигателей.
После серии опытно-конструкторских работ по турбовинтовым двигателям «022» и «028», мотокомпрессорному реактивному двигателю «032» и турбореактивному «003с» в 1948 году было принято решение объединить два ОКБ и сосредоточить усилия на разработке одного двигателя — «022». В середине 1948 года проектирование двигателя завершилось, три экземпляра передали в производство. В 1949 году, в самый разгар работ по «022», на завод № 2 пришел новый руководитель — Николай Дмитриевич Кузнецов. Он уже имел опыт работы по немецким реактивным двигателям — в 1946 году вместе с Климовым и Бранднером на заводе в Уфе осваивал производство «Jumo-004».
В 1951 году двигатель «022» получил наименование ТВ-2 (турбовинтовой двигатель-2). Вместо обычного четырёхлопастного пропеллера были применены соосные винты противоположного вращения.
Специалистам выдали новое задание: построить ТВД большой мощности — 12000 л.с. Такие двигатели требовались для нового стратегического бомбардировщика Ту-95 .
Самым простым методом обеспечить требуемые характеристики новой силовой установки было соединение вместе двух форсированных ТВ-2 с передачей мощности на один общий редуктор. Однако, сначала стендовые испытания, а затем и катастрофа Ту-95 с двигателями 2ТВ-2Ф показали, что для надежной работы необходимо создавать новый двигатель.
На новом двигателе число ступеней турбины увеличили до пяти. Благодаря созданию нового жаропрочного сплава нимоник появилась возможность повысить давление в компрессоре и увеличить температуру газа перед турбиной. Для повышения КПД двигателя выполнили большое количество исследований по уменьшению потерь в лопаточных машинах, применили уплотняющие вставки, позволяющие минимизировать радиальные зазоры в турбине, создали пустотелые охлаждаемые лопатки оригинальной конструкции. Был изготовлен новый редуктор, решены вопросы регулирования ТВД с соосными винтами противоположного вращения.
В результате всех этих мероприятий удалось добиться требуемой мощности, высокой надежности и хорошей топливной эффективности двигателя. По удельному расходу топлива он оказался намного экономичнее своего предшественника ТВ-2.
В начале 1953 года закончилась сборка двигателя. Он получил обозначение ТВ-12. Стендовые испытания ТВ-12 прошли успешно. Двигатель продемонстрировал требуемую мощность и высокий ресурс. Создание ТВ-12 (НК-12) было финальной работой, в которой участвовали немецкие специалисты. В конце 1953 года последние немцы покинули завод. Окончательными испытаниями и последующим усовершенствованием двигателя занимался советский коллектив под руководством Н.Д.Кузнецова.
Для его лётных испытаний в 1953 году специально были оборудованы три самолета Ту-4ЛЛ (Летающая Лаборатория). Двигатель ТВ-12 был установлен на месте правого внутреннего поршневого мотора АШ-73 . При этом ТВ-12 превосходил АШ-73 по мощности более чем в 5 раз, а его винты по диаметру были больше примерно в 1,5 раза. Испытания проводили ведущий летчик-испытатель М.А.Нюхтиков и ведущий инженер Д.И.Кантор. После Госиспытаний в конце 1954-го — феврале 1955 года был совершен первый полет самолета «95-2», второго прототипа Ту-95 с двигателями ТВ-12. Серийный двигатель стал называться НК-12 — по первым буквам имени и фамилии руководителя опытного завода.
Одновальный турбовинтовой двигатель НК-12МВ состоит из следующих основных узлов:
-14-ступенчатого осевого компрессора;
-кольцевой камеры сгорания;
-реактивной 5-ступенчатой турбины;
-нерегулируемого реактивного сопла и дифференциального редуктора (передаточное отношение 0,0882).
Степень повышения давления в компрессоре меняется от 9 до 13 в зависимости от высоты, а также от положения механизации компрессора. Номинальная скорость вращения вала двигателя - 8300 об/мин, каждого из двух винтов - 735 об/мин. НК-12 является самым мощным и экономичным турбовинтовым двигателем в мире (удельный расход топлива в крейсерском полете - 0,161 кг/л.с.ч.), его также отличает чрезвычайно высокая надёжность.
Двигатель подвешивается к демпферам гондолы двигателя самолёта на четырёхстержневой раме-подвеске.
Силовая, несущая часть двигателя состоит из:
-картера вала заднего винта;
-картера редуктора;
-картера турбины, соединённого с картером редуктора четырьмя силовыми раскосами;
-статора турбины;
-задней опоры.
Эти узлы вместе с картером компрессора образуют остов двигателя, внутри которого размещаются ходовая часть редуктора с валами воздушных винтов, ротор компрессора, ротор турбины, камера сгорания, приводы агрегатов и другие узлы и детали.
Ротор имеет правое направление вращения, смотря по направлению полёта. Компрессор осевого типа, 14-ступенчатый с регулируемым входным направляющим аппаратом (ВНА) и с 5-ю клапанами перепуска воздуха дроссельного типа с гидравлическим управлением. ВНА управляется в зависимости от высоты и скорости полёта, клапаны перепуска воздуха управляются в зависимости от оборотов — при запуске и работе на режиме земного малого газа открыты, при повышении оборотов до 7900 об/мин поочерёдно закрываются. Камера сгорания кольцевая с 12 головками, турбина реактивная 5-ступенчатая. КПД компрессора — 0,88, турбины — 0,94, что является рекордом до настоящего времени. Для уменьшения радиальных зазоров были применены легкосрабатываемые покрытия на элементах проточной части статора. Для лопаток турбины были использованы литейные жаропрочные сплавы, которые при высокой температуре имеют пределы длительной прочности выше, чем деформируемые сплавы.
На НК-12 впервые были применена система регулирования подачи топлива в едином блоке (командно-топливный агрегат), регулирование радиальных зазоров в турбине. Из практики зарубежного авиадвигателестроения известно, что попытка создания ТВД мощностью более 10000 л.с. вызвала большие трудности в конструировании достаточно надежного редуктора с высоким КПД и малой массой и окончилась неудачей. В ОКБ Н.Д.Кузнецова эта задача была решена в содружестве с М.Л.Новиковым — профессором Военно-воздушной академии им. Н.Е.Жуковского благодаря применению зубчатых передач оригинальной конструкции.
Кроме того, на НК-12 впервые были применены:
— регулировка компрессора клапанами перепуска воздуха;
— система регулирования подачи топлива в едином блоке (командно-топливный агрегат);
— автоматическое флюгирование винтов как система защиты двигателя;
— регулирование радиальных зазоров в турбине.
С двигателем используются тянущие автоматические соосные винты изменяемого шага, с центробежным фиксатором шага, гидроцентробежным механизмом поворота лопастей с установкой лопастей во флюгерное положение и на упор промежуточного угла — АВ-60К либо АВ-60Н на Ту-95 , Ту-114 и Ту-142 , АВ-90 на Ан-22 . АВ-60К состоит из двух четырёхлопастных флюгируемых винтов противоположного вращения с изменяемым в полёте шагом и электрической системой противообледенения. Направление вращения винтов, если смотреть по направлению полета, переднего винта — правое, заднего винта — левое. Вес воздушного винта: переднего 518 кг, заднего 637 кг, общий 1155 кг, диаметр 5,6 м. Автоматическое флюгирование винтов используется как система защиты двигателя и самолёта. Винты разработаны в ОКБ-150 (позднее, Ступинское КБ машиностроения, сейчас — НПП «Аэросила»). Руководитель ОКБ-150, К.И.Жданов, получил в 1957 году за их разработку Ленинскую премию.
Модификации:
ТВ-2 — Доведен до производства, использовался очень ограниченно.
-2ТВ-2Ф — сдвоенный вариант ТВ-2. Испытания окончились неудачей.
-ТВ-12, он же НК-12 — первый серийный вариант. Предполагалось установить на транспортно-десантный самолет, но проект был закрыт.
-НК-12М — ТВД повышенной мощности. Первое испытание НК-12М состоялось в сентябре 1955 года, Госиспытания 19 июня 1956 года.
-НК-12МА — устанавливался на самолёт Ан-22. Воздушный винт АВ-90 диаметром 6,2 м.
-НК-12МВ — устанавливался на Ту-95К , Ту-114, Ту-126 , ТУ-142. Воздушный винт диаметром 5,6 м и массой 1155 кг.
-НК-12МК — устанавливался на экранолёт «Орлёнок».
-НК-12МП — двигатель для ракетоносца Ту-95МС . Увеличен ресурс, снижен расход топлива, применены новые приводы для более мощных генераторов. Устанавливался также на Ту-142М.
НК-16 (ТВ-16): мощность увеличена до 16000 л.с.
НК-12СТ, НК-14СТ: приводы газоперекачивающих агрегатов.
НК-14Э: привод генератора в блочно-модульных электростанциях.
Технические характеристики двигателя НК-12МВ:
Топливо (ГТД): керосин
Турбина, тип: реактивная
Турбина, количество ступеней: 5
Редуктор, передаточное число: 0,0882
Компрессор, кол-во ступеней: 14
Камера сгорания, тип: кольцевая с 12 головками
Обороты двигателя, взлетный режим, об/мин / %: 8300 ± 50
Обороты двигателя, номинальный режим, об/мин / %: 8300 ± 50
Обороты двигателя, малый газ, об/мин / %: 6600 + 200.
Двигатель НК-12 в экспозиции музея.
