Турбовинтовой
Турбовинтовой двигатель — это газотурбинный двигатель самолета , приводящий в движение пропеллер . [1]
Турбовинтовой двигатель состоит из воздухозаборника , редуктора , компрессора , камеры сгорания , турбины и рабочего сопла . [2] Воздух поступает во впускной коллектор и сжимается компрессором. Затем топливо добавляется к сжатому воздуху в камере сгорания, где воздушная смесь сгорает . топливно - Горячие газы сгорания расширяются через ступени турбины, генерируя энергию в точке выхлопа. Часть энергии, вырабатываемой турбиной, используется для привода компрессора и электрогенератора . Затем газы выбрасываются из турбины. В отличие от турбореактивного или турбовентиляторного двигателя двигателя, выхлопные газы не обеспечивают достаточной мощности для создания значительной тяги, поскольку почти вся мощность двигателя используется для приведения в движение воздушного винта. [3]
Технологические аспекты
[ редактировать ]
Тяга выхлопа турбовинтового двигателя приносится в жертву мощности на валу, которая получается за счет извлечения дополнительной мощности (помимо той, которая необходима для привода компрессора) за счет расширения турбины. Благодаря дополнительному расширению турбинной системы остаточная энергия выхлопной струи невелика. [4] [5] [6] Следовательно, выхлопная струя создает около 10% общей тяги. [7] Большая часть тяги исходит от гребного винта на низких скоростях и меньшая на более высоких. [8]
Турбовинтовые двигатели имеют степень двухконтурности 50–100, [9] [10] хотя расход рабочего воздуха для винтов менее четко определен, чем для вентиляторов. [11] [12]
Пропеллер соединен с турбиной через редуктор , который преобразует выходные данные с высокими оборотами в минуту и низким крутящим моментом в низкие обороты и высокий крутящий момент. Это может быть две основные конструкции: со свободной турбиной и с фиксированной турбиной. Турбовальный двигатель со свободной турбиной, установленный на Pratt & Whitney Canada PT6 , где газогенератор не соединен с воздушным винтом. Это позволяет произойти удару гребного винта или аналогичному повреждению без повреждения газогенератора и позволяет снять и заменить в таком случае только силовую часть (турбину и коробку передач), а также позволяет снизить нагрузку при запуске во время запуска двигателя с земли. . В то время как к фиксированному валу подключены редуктор и газогенератор, как, например, на Honeywell TPE331 .
Сам пропеллер обычно представляет собой пропеллер с постоянной скоростью (изменяемого шага), аналогичный тому, который используется в поршневых двигателях более крупных самолетов , за исключением того, что требования к управлению воздушным винтом сильно отличаются. [13] Из-за медленной реакции газотурбинного двигателя на потребляемую мощность, особенно на низких скоростях, воздушный винт имеет больший диапазон выбранного хода для быстрого изменения тяги, особенно при рулении, реверсе и других наземных операциях. [14] Пропеллер имеет 2 режима: Альфа и Бета. Альфа — это режим для всех полетных операций, включая взлет. Бета, режим, обычно состоящий из нулевой или отрицательной тяги, используется для всех наземных операций, кроме взлета. [14] Бета-режим подразделяется на два дополнительных режима: бета-версия для такси и бета-версия плюс мощность. Бета-версия для руления, как следует из названия, используется для операций руления и состоит из всех диапазонов шага от самого низкого шага альфа-диапазона до нулевого шага, создавая очень небольшую тягу или нулевую тягу, и обычно доступ к ней осуществляется путем перемещения рычага управления в положение бета-версия для такси. Бета плюс мощность представляет собой обратный диапазон и создает отрицательную тягу, часто используется для посадки на короткие взлетно-посадочные полосы, где самолету необходимо быстро замедлиться, а также для операций заднего хода. Доступ к нему осуществляется путем перемещения рычага мощности ниже бета-диапазона для руления. [14] Из-за того, что пилот не может видеть заднюю часть самолета на предмет движения задним ходом, а также из-за того, что при движении назад поднимается большое количество мусора, производители часто ограничивают скорость, которую можно использовать (бета-плюс), и ограничивают ее использование на неулучшенных взлетно-посадочных полосах. [14] Флюгирование этих винтов осуществляется рычагом управления воздушным винтом. [14]
Винт постоянной скорости отличается от винта постоянной скорости поршневого двигателя системой управления. Турбовинтовая система состоит из трех регуляторов винтов , регулятора, регулятора превышения скорости и регулятора дозаправки топлива. [14] Регулятор работает во многом так же, как работает регулятор воздушного винта поршневого двигателя, хотя регулятор турбовинтового двигателя может включать в себя бета-регулирующий клапан или бета-подъемную тягу для бета-режима и обычно располагается в положении на 12 часов. [14] Существуют также другие регуляторы, которые включены дополнительно в зависимости от модели, например, регулятор превышения скорости и долива топлива на Pratt & Whitney Canada PT6 и регулятор пониженной скорости на Honeywell TPE331 . [14] Турбовинтовой двигатель также отличается от других типов газотурбинных двигателей тем, что блок управления подачей топлива соединен с регулятором, помогающим определять мощность.
Чтобы сделать двигатель более компактным, можно использовать обратный поток воздуха. В турбовинтовом двигателе с обратным потоком воздухозаборник компрессора находится в задней части двигателя, а выхлопной канал расположен вперед, что сокращает расстояние между турбиной и воздушным винтом. [15]
В отличие от вентиляторов малого диаметра, используемых в турбовентиляторных двигателях, пропеллер имеет большой диаметр, что позволяет разгонять большой объем воздуха. Это позволяет снизить скорость воздушного потока при заданной величине тяги. Поскольку на низких скоростях более эффективно ускорять большое количество воздуха в малой степени, чем небольшое количество воздуха в большой степени, [16] [17] малая нагрузка на диски самолета (тяга на единицу площади диска) повышает энергоэффективность , а это снижает расход топлива. [18] [19]
Пропеллеры работают хорошо до тех пор, пока скорость полета самолета не станет достаточно высокой, чтобы поток воздуха мимо кончиков лопастей достиг скорости звука. За пределами этой скорости доля мощности, приводящей в движение винт, которая преобразуется в тягу винта, резко падает. По этой причине турбовинтовые двигатели обычно не используются на самолетах. [4] [5] [6] летающие со скоростью более 0,6–0,7 Маха , [7] за некоторыми исключениями, такими как Туполев Ту-95 . Однако винтовентиляторные двигатели, очень похожие на турбовинтовые, могут летать со скоростью, приближающейся к 0,75 Маха. Чтобы поддерживать эффективность воздушного винта в широком диапазоне скоростей полета, в турбовинтовых двигателях используются винты с постоянной скоростью (изменяемого шага). Лопасти винта с постоянной скоростью увеличивают свой шаг по мере увеличения скорости самолета. Еще одним преимуществом винта этого типа является то, что его также можно использовать для создания обратной тяги для уменьшения тормозного пути на взлетно-посадочной полосе. Кроме того, в случае отказа двигателя гребной винт можно флюгировать , что сводит к минимуму сопротивление неработающего гребного винта. [20]
Хотя силовая турбина может быть встроена в секцию газогенератора, многие турбовинтовые двигатели сегодня имеют свободную силовую турбину на отдельном коаксиальном валу. Это позволяет пропеллеру свободно вращаться независимо от скорости компрессора. [21]
История
[ редактировать ]
Алан Арнольд Гриффит опубликовал статью о конструкции компрессора в 1926 году. Последующая работа в Королевском авиационном заводе исследовала конструкции на основе осевого компрессора, которые приводили в движение пропеллер. С 1929 года Фрэнк Уиттл начал работу над конструкциями на основе центробежных компрессоров, которые будут использовать всю мощность газа, вырабатываемую двигателем, для реактивной тяги. [22]
Первый в мире турбовинтовой двигатель сконструировал венгерский инженер-механик Дьёрдь Ендрашик . [23] Йендрасик опубликовал идею турбовинтового двигателя в 1928 году, а 12 марта 1929 года запатентовал свое изобретение. В 1938 году он построил небольшую (100 л.с., 74,6 кВт) экспериментальную газовую турбину. [24] Более крупный Jendrassik Cs-1 с прогнозируемой мощностью 1000 л.с. производился и испытывался на заводе Ганц в Будапеште в период с 1937 по 1941 год. Он имел осевую конструкцию с 15 компрессорами и 7 ступенями турбины, кольцевой камерой сгорания. Первый запуск состоялся в 1940 году, из-за проблем со сгоранием его мощность ограничилась 400 л.с. Два двигателя Jendrassik Cs-1 были двигателями для первого в мире турбовинтового самолета — Varga RMI-1 X/H . Это был венгерский истребитель-бомбардировщик времен Второй мировой войны , у которого была построена одна модель, но перед первым полетом он был уничтожен в результате бомбардировки. [25] [26] В 1941 году двигатель был заброшен из-за войны, и завод перешел на производство обычных двигателей.
Первое упоминание о турбовинтовых двигателях в широкой прессе было в выпуске британского авиационного издания Flight за февраль 1944 года , который включал подробный чертеж в разрезе того, как может выглядеть возможный турбовинтовой двигатель будущего. Чертеж был очень близок к тому, как будет выглядеть будущий Rolls-Royce Trent. [27] Первым британским турбовинтовым двигателем был Rolls-Royce RB.50 Trent , переоборудованный Derwent II, оснащенный понижающей передачей и Rotol пятилопастным винтом диаметром 7 футов 11 дюймов (2,41 м). Два Трента были установлены на Gloster Meteor EE227 - единственном "Трент-Метеоре" - который, таким образом, стал первым в мире самолетом с турбовинтовым двигателем, совершившим полет, хотя и в качестве испытательного стенда, не предназначенного для производства. [28] [29] Первый полет он совершил 20 сентября 1945 года. На основе своего опыта работы с Trent компания Rolls-Royce разработала Rolls-Royce Clyde , первый турбовинтовой двигатель, получивший сертификат типа для военного и гражданского использования. [30] и «Дарт» , ставший одним из самых надежных турбовинтовых двигателей, когда-либо построенных. Производство дротиков продолжалось более пятидесяти лет. с двигателем Dart Vickers Viscount был первым турбовинтовым самолетом, который был запущен в производство и продан в больших количествах. [31] Это был также первый четырехмоторный турбовинтовой двигатель. Его первый полет состоялся 16 июля 1948 года. Первым в мире одномоторным турбовинтовым самолетом был Armstrong Siddeley Mamba с двигателем Boulton Paul Balliol , который впервые поднялся в воздух 24 марта 1948 года. [32]
Советский Союз строил на основе предварительного проекта немецкого турбовинтового двигателя времен Второй мировой войны, разработанного Junkers Motorenwerke, в то время как BMW, Heinkel-Hirth и Daimler-Benz также работали над проектами. [33] Хотя у Советского Союза были технологии для создания планера стратегического бомбардировщика с реактивным двигателем, сравнимого с Боинговым B-52 Stratofortress , вместо этого они произвели Туполев Ту-95 Bear, оснащенный четырьмя турбовинтовыми двигателями Кузнецова НК-12 , соединенными с восемью контрагентами. вращающиеся гребные винты (по два на гондолу) со сверхзвуковой концевой скоростью для достижения максимальной крейсерской скорости, превышающей 575 миль в час, что быстрее, чем у многих первых реактивных самолетов , и сравнимо с крейсерской скоростью реактивного самолета для большинства миссий. «Медведь» станет их самым успешным дальним боевым и разведывательным самолетом и символом советской власти до конца 20 века. США использовали турбовинтовые двигатели с винтами противоположного вращения, такие как Allison T40 , на некоторых экспериментальных самолетах в 1950-х годах. с двигателем T40 Летающая лодка Convair R3Y Tradewind некоторое время эксплуатировалась в ВМС США.
Первым американским турбовинтовым двигателем стал General Electric XT31 , впервые использованный в экспериментальном Consolidated Vultee XP-81 . [34] XP-81 впервые поднялся в воздух в декабре 1945 года и стал первым самолетом, в котором использовалась комбинация турбовинтового и турбореактивного двигателя. Технология более ранней конструкции T38 компании Allison превратилась в Allison T56 , используемую в авиалайнере Lockheed Electra , его военно-морском патрульном варианте P-3 Orion и военно-транспортном самолете C-130 Hercules .
Первым вертолетом с турбинным двигателем и валовым приводом был Kaman K-225 , развитие Чарльза Кеймана K-125 синхроптера , двигатель Boeing T50 . использовался турбовальный в котором 11 декабря 1951 года [35]
В декабре 1963 года состоялась первая поставка от Pratt & Whitney Canada турбовинтового двигателя Pt6 для тогдашнего самолета Beechcraft 87, который вскоре стал называться Beechcraft King Air . [36]
В 1964 году были осуществлены первые поставки Garrett AiResearch TPE331 (теперь принадлежащего Honeywell Aerospace ) на Mitsubishi MU-2 , что сделало его самым быстрым турбовинтовым самолетом того года. [37]
Использование
[ редактировать ]
В отличие от турбовентиляторных двигателей , турбовинтовые двигатели наиболее эффективны на скоростях полета ниже 725 км/ч (450 миль в час; 390 узлов), поскольку скорость струи винта (и выхлопа) относительно низкая. [ нужна ссылка ] Современные турбовинтовые авиалайнеры летают почти с той же скоростью, что и небольшие региональные реактивные авиалайнеры, но сжигают две трети топлива на одного пассажира. [38]
По сравнению с поршневыми двигателями их большее соотношение мощности к весу (что позволяет осуществлять более короткие взлеты) и надежность могут компенсировать их более высокую первоначальную стоимость, техническое обслуживание и расход топлива. Поскольку в отдаленных районах реактивное топливо добыть легче, чем авиационный бензин самолеты с турбовинтовыми двигателями, такие как Cessna Caravan и Quest Kodiak используются , в качестве кустовых самолетов .
Турбовинтовые двигатели обычно используются на небольших дозвуковых самолетах, но Туполев Ту-114 может развивать скорость 470 узлов (870 км/ч; 540 миль в час). Большие военные самолеты , такие как Туполев Ту-95 , и гражданские самолеты , такие как Lockheed L-188 Electra , также имели турбовинтовые двигатели. Airbus A400M оснащен четырьмя двигателями Europrop TP400 , которые являются вторыми по мощности турбовинтовыми двигателями, когда-либо производившимися, после Кузнецова НК-12 мощностью 11 МВт (15 000 л.с.) .
В 2017 году наиболее массовыми турбовинтовыми авиалайнерами на вооружении были ATR 42/72 ( /200/ 300 950 самолетов), Bombardier Q400 (506), De Havilland Canada Dash 8-100 (374), Beechcraft 1900 (328), de Havilland. Канада DHC-6 Twin Otter (270), Saab 340 (225). [40] Менее распространенные и старые авиалайнеры включают BAe Jetstream 31 , Embraer EMB 120 Brasilia , Fairchild Swearingen Metroliner , Dornier 328 , Saab 2000 , Xian MA60 , MA600 и MA700 , Fokker 27 и 50 .
В число турбовинтовых бизнес-самолетов входят Piper Meridian , Socata TBM , Pilatus PC-12 , Piaggio P.180 Avanti , Beechcraft King Air и Super King Air . В апреле 2017 года в мировом парке насчитывалось 14 311 турбовинтовых самолетов бизнес-класса. [41]
Надежность
[ редактировать ]В период с 2012 по 2016 год ATSB зафиксировал 417 событий с турбовинтовыми самолетами, 83 в год, более 1,4 миллиона летных часов: 2,2 на 10 000 часов.Три из них имели «высокий риск», связанный с неисправностью двигателя и незапланированной посадкой одномоторного каравана Cessna 208 , четыре — «средний риск» и 96% — «низкий риск».Два происшествия привели к легким травмам из-за неисправности двигателя и столкновения сельскохозяйственных самолетов с землей , а пять происшествий были связаны с выполнением авиационных работ: четыре в сельском хозяйстве и одно в санитарной авиации . [42]
Текущие двигатели
[ редактировать ]Джейн «Все самолеты мира» . 2005–2006 гг.
См. также
[ редактировать ]- Сопротивление импульса впуска
- Реактивный двигатель
- Речной катер
- Ятаганский пропеллер
- Нагнетатель
- Наклонный ротор
- Турбокомпрессор
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Администрация Федеральной авиации (3 ноября 2009 г.). Справочник пилота по авиационным знаниям . Skyhorse Publishing Inc. ISBN 978-1-60239-780-4 .
- ^ «Авиационный словарь - Турбовинтовой» . словарь.dauntless-soft.com . Проверено 7 июля 2019 г.
- ^ Ратор, Махеш. Тепловая инженерия . Тата МакГроу-Хилл Образование. п. 968.
- ^ Перейти обратно: а б Холл, Нэнси (2021). «Турбовинтовой двигатель» . Исследовательский центр Гленна . НАСА . Проверено 14 марта 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Холл, Нэнси (2021). «Турбовинтовая тяга» . Исследовательский центр Гленна . НАСА . Проверено 14 марта 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Вариации реактивных двигателей» . smu.edu . Проверено 31 августа 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б « Турборевентиляторный двигатель. Архивировано 18 апреля 2015 года в Wayback Machine », стр. 7. Институт науки и технологий SRM , факультет аэрокосмической техники.
- ^ Дж. Рассел (2 августа 1996 г.). Летно-технические характеристики и устойчивость самолетов . Баттерворт-Хайнеманн. п. 16. ISBN 0080538649 .
- ^ Илан Кроо и Хуан Алонсо. « Проектирование летательных аппаратов: синтез и анализ, двигательные установки: основные концепции. Архивировано 18 апреля 2015 года в Wayback Machine ». Инженерная школа Стэнфордского университета, факультет аэронавтики и астронавтики. Основная страница. Архивировано 23 февраля 2001 года в Wayback Machine.
- ^ Проф. З.С. Спаковский . « 11.5 Тенденции в области теплового и двигательного КПД » Турбины MIT , 2002. Термодинамика и движение.
- ^ Холл, Нэнси (2021). «Тяга пропеллера» . Исследовательский центр Гленна . НАСА . Проверено 14 марта 2023 г.
- ^ Уолш, Филип; Флетчер, Пол (2008). Производительность газовой турбины . Джон Уайли и сыновья. п. 36. ISBN 9781405151030 .
- ^ Воздушные винты для турбин, Fairhurst, журнал Flight, 10 ноября 1949 г., стр.609.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Учебник A&P Powerplant (3-е изд.). Компания Джеппесон. 2011. ISBN 0884873382 .
- ^ Мартин, Суэйн (16 мая 2019 г.). «Как работает турбовинтовой двигатель» . Смелый метод . Архивировано из оригинала 6 ноября 2021 года . Проверено 6 ноября 2021 г.
- ^ Пол Бевилаква . Двигательная установка подъемного вентилятора с приводом от вала для Joint Strike Fighter. Архивировано 5 июня 2011 г. на странице 3 Wayback Machine . Представлено 1 мая 1997 г. Документ DTIC.MIL Word, 5,5 МБ. Проверено 25 февраля 2012 г.
- ^ Бенсен Игорь Борисович «Как они летают» . Архивировано из оригинала 20 апреля 2001 года . Проверено 31 мая 2023 г.
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ Джонсон, Уэйн (1 января 1994 г.). Вертолетная теория . Курьерская компания. ISBN 978-0-486-68230-3 .
- ^ Степневский, Веслав Зенон; Киз, Китай (1 января 1984 г.). Аэродинамика винтокрыла . Курьерская компания. ISBN 978-0-486-64647-3 .
- ^ «Эксплуатация винтов во время приземления и в аварийных ситуациях» . Experimentaircraft.info . Проверено 8 июля 2019 г.
- ^ «Двигатель, опережающий свое время» . PT6 Нация . Пратт и Уитни Канада.
- ^ Gunston Jet, с. 120
- ↑ Gunston World, стр.111.
- ^ «Венгерские изобретатели и изобретения — ДЁРГЬ ЕНДРАШИК (1898–1954)» . СЗТНХ . Проверено 31 мая 2012 г.
- ^ «Jendrassik CS-1: первый в мире турбовинтовой двигатель» . www.tailsthroughtime.com . Проверено 4 сентября 2023 г.
- ^ «РМИ/Авиационно-технический институт Варга РМИ-1/Х/Н» . Проверено 4 сентября 2023 г.
- ^ «Наш вклад - Как в полете познакомились и познакомились с газовыми турбинами и реактивным движением» Полет , 11 мая 1951 г., стр. 569.
- ^ Джеймс стр. 251-2
- ^ Зеленый стр.18-9
- ^ «Роллс-Ройс Трент – Армстронг Сиддели – 1950–2035 – Архив полетов» . Флайтглобал . Проверено 31 августа 2016 г.
- ^ Зеленый стр.82
- ^ Зеленый стр.81
- ^ История и развитие турбореактивных двигателей 1930-1960 гг., Том 1, Великобритания и Германия, Энтони Л. Кей, 2007 г., ISBN 978 1 86126 912 6 , разные страницы
- ^ Зеленый стр.57
- ^ «Смитсоновский национальный музей авиации и космонавтики – Коллекции – Kaman K-225 (подробное описание) » . Национальный музей авиации и космонавтики. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 4 апреля 2013 г.
- ^ «PT6 60 ЛЕТ — Пратт и Уитни» . www.pwc.ca. Проверено 27 июня 2023 г.
- ^ «Эволюция Honeywell TPE331» . aerospace.honeywell.com . Проверено 27 июня 2023 г.
- ^ «Может быть, на рынок поступит больше турбовинтовых двигателей» . CAPA – Центр авиации . 9 июля 2010 г.
- ^ «Beechcraft King Air 350i представляет улучшенную ситуационную осведомленность и навигацию» (пресс-релиз). Текстрон Авиация. 30 мая 2018 г.
- ^ «787 звезд в ежегодной переписи авиалайнеров» . Флайтглобал . 14 августа 2017 г.
- ^ «Отчет об обновлении рынка деловой авиации» (PDF) . AMSTAT, Inc. , апрель 2017 г.
- ^ Гордон Гилберт (25 июня 2018 г.). «Исследование ATSB показало, что турбовинтовые двигатели безопасны и надежны» .
- ^ «Двигатель серии H | Двигатели | B&GA | GE Aviation» . www.geaviation.com . Проверено 1 июня 2016 г.
- ^ [1] , PragueBest sro «История | GE Aviation» . www.geaviation.cz . Архивировано из оригинала 29 октября 2017 года . Проверено 1 июня 2016 г.
{{cite web}}: Внешняя ссылка в|last=
Библиография
[ редактировать ]- Грин В. и Кросс Р. Реактивные самолеты мира (1955). Лондон: Макдональд
- Ганстон, Билл (2006). Разработка реактивных и турбинных авиационных двигателей, 4-е издание . Спаркфорд, Сомерсет, Англия, Великобритания: Патрик Стивенс, Haynes Publishing. ISBN 0-7509-4477-3 .
- Ганстон, Билл (2006). Всемирная энциклопедия авиационных двигателей, 5-е издание . Phoenix Mill, Глостершир, Англия, Великобритания: Sutton Publishing Limited. ISBN 0-7509-4479-Х .
- Джеймс, Д.Н. Глостер Самолеты с 1917 г. (1971 г.). Лондон: Патнэм и компания. ISBN 0-370-00084-6
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Ван Сикл, Нил Д .; и др. (1999). «Турбовинтовые двигатели» . Современное летное мастерство Ван Сикла . МакГроу-Хилл Профессионал. п. 205. ИСБН 978-0-07-069633-4 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Реактивные турбинные самолеты, автор подполковник Силсби USAAF, Popular Science, декабрь 1945 г., напечатана первая статья о турбовинтовых двигателях.
- Викибуки: Реактивное движение
- «Разработка турбовинтового двигателя» - летная статья 1950 года о турбовинтовых двигателях Великобритании и США.
