Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель

В это время Опытный завод № 2 под Куйбышевом заполучил опытного двигателиста бывшего концерна «Юнкерс». Это был Фердинанд Бранднер, бывший ведущий проекта поршневого мотора с 24 цилиндрами Jumo 222. В 1944-м, когда эту тему закрыли, его назначили гауляйтером промышленности Австрии. Там он попадает в советский плен. Ему удается доказать, что он конструктор двигателей «Юнкерса». Тогда, в 1946 году, его отправляют в Уфу, где он налаживает серийное производство реактивного двигателя Jumo 004 под обозначением РД-10.

Теперь, после объединения двух ОКБ, Фердинанд Бранднер становится неофициальным руководителем немецких конструкторов. Номенклатура трофейных двигателей была достаточно большой. Но стало ясно, что Опытный завод № 2 не в состоянии разрабатывать все направления. Да это оказалось и не нужно. Двигатели Jumo 004 и BMW 003 уже серийно выпускаются в Уфе и Казани под индексами РД-10 и РД-20. Реанимированный и модифицированный Jumo 012, с тягой, в три раза большей, продемонстрировал все свои возможности в разных вариантах. Оказалось, что для будущих советских истребителей он тяжеловат и расходует много топлива, а моторные ОКБ Климова, Микулина и Люльки набирались знаний и опыта. Их реактивные двигатели уже были не хуже немецких и английских.

Турбовинтовой двигатель Jumo 022

Назначенный в мае 1949 года главным конструктором Опытного завода № 2, Николай Кузнецов нацеливает коллектив конструкторов на доводку одного немецкого двигателя – турбовинтового Jumo 022. Только один экземпляр этого уникального технического сооружения немцы успели изготовить в конце войны, но так и не испытали. И вот он здесь, под Куйбышевом, и здесь же многие его создатели.

Николай Кузнецов с реактивными двигателями «Юнкерса» был хорошо знаком. Он год проработал главным конструктором моторного завода в Уфе. Там Jumo 004 стал родным, пока его превращали в серийный РД-10. Там Кузнецов работал с Бранднером, а теперь перетащил сюда из Уфы многих опытных инженеров. На завод стали распределять и молодых специалистов. Общая численность работников перевалила за две тысячи.

Первоначально на «Юнкерсе» турбовинтовой 022 создавался на базе турбореактивного 012 с таким расчетом, что половина тяги будет создаваться двумя соосными винтами противоположного вращения, другая половина – реактивным соплом.

Турбовинтовой двигатель НК-12

Немецкий опытный турбовинтовой двигатель послужил «печкой», от которой начали танцевать. Главный вопрос – как понизить удельный расход. Немецкие конструкторы активно совершенствовали двигатель. Начальник отдела турбины доктор Кордес создает новую методику ее расчета и проектирования. Удельный расход снизился. Модернизированный Jumo 022 впервые прошел 50-часовые государственные испытания. С марта 1951 года двигатель стали называть ТВ-2, а в мае начались его успешные испытания в воздухе на летающей лаборатории Ту-4.

В начале 1950 года бригада перспективных проектов, которой руководит доктор Йозеф Фогтс, получает задание разработать проект турбовинтового двигателя удвоенной мощности для стратегического бомбардировщика. В этой бригаде трудились самые умные и образованные немцы. Доктор Хельмут Гайнрих руководил термодинамическими расчетами. Доктор Макс Лоренц – аэродинамика и воздушные винты с реверсом. Основной компоновщик двигателей «Юнкерса» Отто Гассенмайер все идеи переводил в графику на кальках чертежей.

Разработанный проектировщиками двигатель мощностью десять тысяч лошадиных сил на воздушных винтах не приняли конструкторы. Начальник бригады компрессоров Ганс Дайнхард категорически заявил, что получить степень повышения давления 13 в четырнадцати ступенях невозможно. Начальник бригады камер сгорания Манфред Герлах не видит возможности удвоения количества сжигаемого топлива. Начальник бригады редуктора Рихард Эльце назвал разработанный планетарно-дифференциальный редуктор, обеспечивающий противоположное вращение двух воздушных винтов, технической авантюрой. Начальник бригады прочности доктор Рудольф Шайност сказал, что гарантировать работоспособность такого двигателя он не может и проект не поддерживает. Только начальник бригады турбин доктор Герхард Кордес верил в реальность создания четырехступенчатой турбины. Главный немецкий конструктор Фердинанд Бранднер сделал по проекту только несколько замечаний, так и не одобрив его. Но, несмотря на разногласия немецких конструкторов, Кузнецов дает команду двигатель разрабатывать, организуя параллельно экспериментальные исследования проблемных узлов и агрегатов.

В 1951 году Сталин забраковал дальний бомбардировщик Туполева Ту-85 из-за его малой скорости и дальности. «Немецкое» ОКБ Кузнецова получило задание разработать турбовинтовой двигатель ТВ-12 мощностью более двенадцати тысяч лошадиных сил для стратегического бомбардировщика Ту-95.

Через год новый двигатель с пятиступенчатой турбиной «запирался» и не хотел запускаться. Только в ноябре 1952 года, когда были изобретены и установлены управляемые клапаны перепуска воздуха в компрессоре, проблему решили. Потом долго доводили редуктор. Только специальная система охлаждения и смазки шестерен дала результат. Доводка компрессора и турбины также потребовала времени.

Читать еще:  Давление форсунок двигателя д245

Гигантский турбовинтовой двигатель еще испытывали по частям и вносили изменения в его конструкцию, когда в ноябре 1953 года немцам разрешили вернуться домой. Уникальная машина, в создании которой они приняли самое активное и весомое участие, продемонстрирует свое рождение только через год. За создание самого мощного в мире серийного турбовинтового двигателя НК-12 Николай Кузнецов будет удостоен звания Героя Социалистического Труда и получит Ленинскую премию.

Значение работы двигателистов «Юнкерса» в Советском Союзе трудно переоценить. Начиная с 1946 года они выступали в роли учителей и творцов новых конструкторских решений. В Куйбышев, в поселок Управленческий, приезжали конструкторы и технологи от всех организаций, связанных с выпуском реактивных двигателей. Эксперименты и результаты испытаний вариантов новых двигателей, проводимые немецкими специалистами, становились достоянием конструкторов ОКБ Микулина, Климова и Люльки, а также ученых ЦИАМа, НИАТа и ВИАМа.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

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

Турбовинтовые двигатели имеют коэффициент двухконтурности 50-100, хотя воздушный поток движущей силы менее четко определен для гребных винтов, чем для вентиляторов.

Пропеллер соединен с турбиной через редуктор, который преобразует выходную мощность с высоким числом оборотов / низким крутящим моментом в низкие обороты / высокий крутящий момент. Сам пропеллер обычно представляет собой воздушный винт с постоянной скоростью (с изменяемым шагом), аналогичный тому, который используется в более крупных авиационных поршневых двигателях , за исключением того, что требования к управлению воздушным винтом сильно различаются.

В отличие от вентиляторов малого диаметра, используемых в турбовентиляторных реактивных двигателях, пропеллер имеет большой диаметр, что позволяет ему разгонять большой объем воздуха. Это позволяет снизить скорость воздушного потока для данной величины тяги. Поскольку на низких скоростях более эффективно ускорять большое количество воздуха в небольшой степени, чем небольшое количество воздуха в большой степени, низкая нагрузка на диск (тяга на единицу площади диска) увеличивает энергоэффективность самолета, а это снижает использование топлива.

Пропеллеры работают хорошо, пока скорость полета самолета не станет достаточно высокой, чтобы воздушный поток, проходящий мимо кончиков лопастей, достиг скорости звука. При превышении этой скорости пропорция мощности, приводящей в движение воздушный винт, которая преобразуется в тягу воздушного винта, резко падает. По этой причине турбовинтовые двигатели не используются на самолетах, которые летают со скоростью более 0,6–0,7 Маха . Однако винтовые двигатели, которые очень похожи на турбовинтовые, могут летать на крейсерской скорости, приближающейся к 0,75 Маха. Для поддержания эффективности гребного винта в широком диапазоне скоростей полета в турбовинтовых двигателях используются гребные винты с постоянной скоростью (изменяемым шагом). Шаг лопастей винта с постоянной скоростью увеличивается по мере увеличения скорости самолета. Еще одним преимуществом этого типа гребного винта является то, что он также может использоваться для создания обратной тяги для уменьшения тормозного пути на взлетно-посадочной полосе. Кроме того, в случае отказа двигателя гребной винт может быть убран , что минимизирует сопротивление неработающего гребного винта.

Хотя силовая турбина может быть объединена с секцией газогенератора, сегодня многие турбовинтовые двигатели имеют свободную силовую турбину на отдельном коаксиальном валу. Это позволяет гребному винту вращаться свободно, независимо от скорости компрессора.

История [ | ]

Впервые схему турбовинтового двигателя (ТВД), в котором воздушный винт имел привод от газовой турбины, разработал русский инженер и авиатор лейтенант флота М. Н. Никольский в 1913 г. [2] Модель этого двигателя была построена и испытана. Его предполагали использовать для самолета «Илья Муромец». [3] Двигатель Никольского развивал мощность 120 квт (160 л. с.) и имел трёхступенчатую газовую турбину. [4]

В 1923 году В. И. Базаров предложил схему своего газотурбинного двигателя (ГТД), близкую к схемам современных турбовинтовых двигателей; в 1930 В. В. Уваров при участии Н. Р. Брилинга спроектировал, а в 1936 построил ГТД с центробежным компрессором. [4] Независимо от отечественных инженеров в Великобритании учёный и инженер Алан Арнольд Гриффит [en] в 1926 году предложил свой проект подобного двигателя.

Читать еще:  Двигатель 604 мерседес характеристики

Первый в практическом смысле работающий ТВД был создан венгерским инженером Дьёрдем Ендрашиком (György Jendrassik). После ряда лет работы над ТВД (и получения патента на его конструкцию в 1929 г.) он построил прототип двигателя мощностью 100 л. с.; первый в мире полномасштабный турбовинтовой двигатель, Jendrassik Cs-1 мощностью около 400 л. с. был построен и испытывался на предприятии Ganz Works в Будапеште между 1939 и 1942 г. Двигатель не был запущен в производство.

В то же время в СССР в 1934 г. была создана и прошла длительные испытания первая отечественная высокотемпературная газотурбинная установка ГТУ-1, ставшая прообразом будущих турбовинтовых двигателей. Установка состояла из одноступенчатого центробежного компрессора, кольцевой камеры сгорания и одноступенчатой газовой турбины. В 1938–1939 гг. под руководством профессора В.В. Уварова для самолета ТБ-3 были впервые построены опытные газотурбинные установки ГТУ-3 мощностью по 1150 л. с., выполненные по схеме турбовинтового двигателя. Под его же руководством с 1943 г. в ЦИАМ разрабатывался летный образец экспериментального ТВД Э-3080, развивавшего мощность на валу 625 л. с. и создававшего дополнительную тягу 160 кгс. [5] [6]

Первый немецкий турбовинтовой двигатель в середине 30-х годов разработал (будучи профессором Технического университета в Берлине) будущий глава отдела планёров самолетов на «Junkers Flugzeugwerke» Герберт Вагнер. Он надеялся, что тот может дать боевому самолету высочайшие ЛТХ.

Работы по ТВД ускорились в послевоенные годы. На 18-м образце реактивного истребителя Gloster Meteor (позднее получил обозначение Trent-Meteor) вместо штатных турбореактивных были установлены турбовинтовые двигатели Rolls-Royce RB.50 «Trent», и он стал первым в мире турбовинтовым самолётом (взлетел 20 сентября 1945 года). Эта машина не строилась серийно и осталась прототипом.

На основе двигателей модели Trent компания Rolls-Royce разработала модель Dart. Этот двигатель устанавливался на первый в мире серийный турбовинтовой самолёт Vickers Viscount (первый полёт в 1948). Конструкция ТВД Rolls-Royce Dart оказалась весьма успешной: с учётом модификаций и усовершенствований, он выпускался порядка 40 лет (до 1987 г) и устанавливался на многие модели самолётов.

Самым мощным из когда-либо созданных ТВД был строившийся в СССР двигатель НК-12.

Одним из самых массовых и широко применяющихся ТВД в настоящее время является семейство ТВД Pratt & Whitney Canada PT6. Серийный выпуск был начат в 1963 г. и продолжается на настоящее время (2012). Двигатель выпускается в ряде модификаций (различной мощности, для самолётов и вертолётов) и устанавливается на более чем 100 типах самолётов различных производителей.

использование

В сравнении с турбовентиляторы, турбовинтовые двигатели наиболее эффективны при скорости полета ниже 725 км / ч (450 миль / ч; 390 узлов), потому что скорость струи винта (и выхлопа) относительно мала. Современные турбовинтовые авиалайнеры движутся почти с той же скоростью, что и малые. региональный самолет авиалайнеры, но сжигают две трети топлива на пассажира. [32] Однако по сравнению с турбореактивный (который может летать на большой высоте для увеличения скорости и эффективность топлива) винтовой самолет имеет более низкий потолок.

По сравнению с поршневыми двигателями, их большая удельная мощность (что позволяет сократить время взлета) и надежность может компенсировать более высокие начальные затраты, техническое обслуживание и расход топлива. В качестве реактивное топливо получить легче, чем avgas в отдаленных районах самолеты с турбовинтовыми двигателями, такие как Cessna Caravan и Квест Кадьяк используются как Буш самолеты.

Турбовинтовые двигатели обычно используются на небольших дозвуковых самолетах, но Туполев Ту-114 может достигать 470 кн (870 км / ч, 541 миль / ч). Большой военный самолет, словно Туполев Ту-95, и гражданский самолет, такой как Локхид L-188 Электра, также были турбовинтовые. В Airbus A400M питается от четырех Европроп TP400 двигатели, которые являются вторыми по мощности турбовинтовыми двигателями из когда-либо производимых, после 11 МВт (15 000 л.с.) Кузнецов НК-12.

Турбовинтовой деловой самолет включить Пайпер Меридиан, Socata TBM, Pilatus PC-12, Piaggio P.180 Avanti, Бичкрафт Кинг Эйр и Супер Кинг Эйр. В апреле 2017 года во всем мире насчитывалось 14 311 турбовинтовых бизнес-самолетов. [35]

Надежность

В период с 2012 по 2016 год ATSB наблюдал 417 событий с турбовинтовыми самолетами, 83 в год, более 1,4 миллиона летных часов: 2,2 на 10 000 часов. Три случая были «высоким риском», включая неисправность двигателя и незапланированную посадку на одномоторном Cessna 208 Караваны, четыре «средний риск» и 96% «низкий риск». Два случая привели к легким травмам из-за неисправности двигателя и столкновения с землей в сельскохозяйственный самолет и пять несчастных случаев были связаны с авиационными работами: четыре в сельском хозяйстве и один в скорая помощь. [36]

Читать еще:  Электрическая схема зажигания двигателя лифан

Преимущества и недостатки

Выделим минусы и плюсы, которыми характеризуется работа турбовинтового двигателя. Преимуществами являются:

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

Однако, несмотря на такие неоспоримые достоинства, реактивные двигатели в ряде случаев являются более предпочтительным вариантом. Скоростной предел турбовинтового мотора составляет семьсот пятьдесят километров в час. Однако для современной авиации этого очень мало. Кроме того, шум образуется очень высокий, превышающий допустимые значения Международной организации гражданской авиации.

Поэтому производство турбовинтовых двигателей в России ограниченно. В основном их устанавливают в самолеты, которые летают на большие расстояния и с небольшой скоростью. Тогда применение оправданно.

Однако в военной авиации, где главными характеристиками, которыми должны обладать самолеты, являются высокая маневренность и бесшумная работа, а не экономичность, эти двигатели не отвечают необходимым требованиям и здесь используются турбореактивные агрегаты.

В то же время постоянно ведутся разработки по созданию сверхзвуковых винтов, чтобы преодолеть «эффект запирания» и выйти на новый уровень. Возможно, когда изобретение станет реальностью, от реактивных двигателей откажутся в пользу турбовинтовых и в военных самолетах. Но в настоящее время их можно назвать лишь «рабочими лошадками», не самыми мощными, зато стабильно функционирующими.

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.

«Русский самолёт» L-410

Ещё в 2008 году начался приход русских на чешский завод, точнее, после приобретения 51% акций, а в 2015 году УЗГА построил новые цеха и начал производство L-410 в ходе процесса постепенно заменяя все узлы и детали на отечественные комплектующее. Сам чехи уже называют L-410 «русским самолётом» и в действительности он станет полностью отечественным, как только уральский завод наладит серийный выпуск российских турбовинтовых двигателей ВК-800С.

Уральские специалисты наладили выпуск L-410 в 2016 году и готовят эти машины к суровым русским условиям. Самолёт оснащают нескольким видам шасси – лыжное предназначено для посадки на снежную поверхность, а поплавковое – на воду также готовится вариант для посадки на мягкий грунт и неподготовленные площадки. Словом, машину адаптируют полностью к эксплуатации в любых климатических условиях России, в том числе и на Крайнем Севере.

Лыжное шасси для L-410 найдёт применение на аэродромах Крайнего Севера и неподготовленных площадках Арктики.

Выпускаемый на уральском заводе L-410 получил современную авионику, связь и оборудование, изготовленные исключительно из отечественных комплектующих. Очевидно, что и двигатели у этой машины скоро будут российского производства.

Многоцелевой 19-местный самолёт L-410 востребован в различных вариантах как для гражданской авиации, так и для военной. Для обоих ведомств эта машина превосходно подходит как учебно-тренировочная для подготовки и обучения курсантов. На данный момент — это единственный самолёт обучения будущих пилотов военно-транспортной авиации. Простая и лёгкая в управлении машина способна прощать ошибки в пилотировании, особенно на посадке и лучших самолётов этого класса для подготовки курсантов пока не предвидится.

Пассажирский салон L-410 весьма комфортный и удобный.

Для гражданской авиации машина найдёт применение в грузопассажирском варианте, а её санитарная версия будет востребована в труднодоступной местности и при проведении поисково-спасательных работ. В военном ведомстве найдут применение разведывательные, санитарные и десантные варианты L-410.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector