Різні турбогвинтові двигуни
ТУРБОПРОПЕЛЛЕРИ
Термін турбогвинтовий походить від англійського turbo and propeller (пропелер). Він складається як турбореактивна газова турбіна, до якої додана турбіна, відома як силова турбіна з одним або декількома ступенями для перетворення кінетичної та теплової енергії вихлопних газів в механічну енергію, і таким чином приводиться в дію через "посередника редуктор гвинт. На жаль, ця енергія повністю не відновлюється, залишається тяга вихлопних газів приблизно 10%. Однак тяга, яку виробляє гвинт, має вищу ефективність, ніж у звичайного турбореактивного двигуна.
Ця газова турбіна може бути або осьовим компресором, або відцентровим компресором, або осьово-відцентровим компресором.
Метою цієї глави є вивчення принципу роботи турбогвинтового двигуна, а не конкретного двигуна зокрема.
Існує кілька видів турбогвинтових двигунів:
- турбінні турбовинтові двигуни;
- вільні турбінні турбогвинтові двигуни;
- турбогвинтові двигуни з вільним зворотним турбіном.
Повітрозабірники
У більшості турбогвинтових двигунів повітрозабірник, як правило, розташований позаду гвинта, що має переваги, але і недоліки. Залежно від конструкції турбовинтового двигуна існує кілька типів повітрозабірників.
Усі повітрозабірники захищені від обледеніння як пневматичним, так і електричним способом.
Осьовий повітрозабірник
Дуже мало турбогвинтових літаків мають осьовий повітрозабірник. Цей тип двигуна передбачає, що гвинт розміщений позаду газової турбіни і що він є рушійним.
Piaggio P180 Avanti II - один із рідкісних турбогвинтових двигунів з осьовим забірником повітря.
Ще одне фото Piaggio P180 Avanti
Осісиметричний повітрозабірник
Більшість турбогвинтових двигунів мають свої гвинти спереду, тому повітрозабірник повинен його обходити. У цьому випадку він може бути кільцевим концентрично з віссю гвинта.
Нижче - турбогвинтовий двигун Rolls-Royce Dart, встановлений на Fokker 27
Вхід повітря у совок
Потім приплив повітря переміщується, як правило, вниз у вигляді совка. Потім вибух гвинта сприяє подачі повітря в компресорний блок
Редуктори
Розміщений між турбіною і віссю гвинта, роль редуктора полягає в зменшенні швидкості обертання гвинта. Дійсно, утворення ударних хвиль на гвинті є функцією швидкості обертання гвинта та швидкості літака. З певної швидкості кінці лопатей зазнають трансзвукових ударних хвиль, і їх ефективність різко зменшиться. Саме з цієї причини більшість турбогвинтових літаків мають крейсерську швидкість від 400 км/год до 700 км/год. .
Всі гвинти, що рухаються редукторами, оснащені механізмом регулювання кута нахилу лопатей відповідно до польоту (підйом, круїз, спуск, оперення або реверс). Цей механізм може бути автоматичним або ручним.
Приклад PT6A:
- газова турбіна (компресор/турбіна HP) обертається приблизно з 45000 об/хв .
- незалежна силова турбіна, підключена до входу редуктора, обертається приблизно з 30000 об/хв .
- карданний вал на виході редуктора обертається між 1700 і 2200 об/хв .
Схема планетарного або епіциклічного редуктора. Супутниковий носій, який закріплений відносно рами, не показаний на кресленні нижче.
Поперечний переріз двоступеневого епіциклічного редуктора з гвинтовими зубцями шестерні.
Переваги таких зубців:
- знос і знижений рівень шуму;
- регулярність передачі на високій швидкості (більша кількість зубів у зачепленні);
- переданий крутний момент може бути вищим (більша кількість задіяних зубів).
Деякі турбогвинтові двигуни оснащені редуктором, зміщеним вгору, що дозволяє мати більший діаметр гвинта або збільшити просвіт гвинта щодо землі.
Нижче наведено розділ зміщувального редуктора. Двигуни сімейства PWt від 100 до 150 Pratt & Whitney використовують редуктор, заснований на цьому принципі.
Турбінний турбогвинтовий механізм
У зв’язаному турбінному турбовинтовому двигуні механічна потужність передається через той самий вал компресору та гвинті через редуктор. У цьому випадку компресор і ресивер (вхідний вал редуктора) мають однакову швидкість. Отже, частота обертання гвинта безпосередньо пов'язана зі швидкістю обертання компресора/турбіни.
Простий і легкий у конструкції, цей тип турбовинтового двигуна все ще має недоліки:
- витрата повітря в камері згоряння безпосередньо залежить від швидкості компресора/гвинта.
- регулювання гвинта ускладнене.
Принципова схема зв’язаного турбовинтового двигуна турбіни, що складається з трьох турбін, двох відцентрових компресорів та епіциклічного редуктора.
Нижче наведено турбогвинтовий двигун Roll-Royce Dart, який встановив Bréguet Alizé, Hawker Siddeley, Fokker 27 тощо.
Його потужність буде змінюватися з часом, вона складала близько 1000 CV на момент її розробки в 1945 році і досягне більше 2000 CV для останньої серії.
Безкоштовні турбовинтові турбіни
Більш складний у конструкції турбогвинтовий двигун із вільною турбіною, як правило, містить три модулі:
- газова турбіна, що складається з одного або декількох компресорів та однієї або більше турбін з однією або кількома ступенями;
- турбіна, що називається силовою турбіною з однією або декількома ступенями, яка рухає вісь;
- потім редуктор, розміщений між віссю силової турбіни і карданним валом.
На діаграмі нижче показаний турбогвинтовий агрегат із зчіпкою компресора/турбіни, перевернутою камерою згоряння та силовою турбіною, що приводить в дію редуктор.
На діаграмі нижче показаний турбогвинтовий двигун із компресором низького тиску/зчіпкою турбіни, компресором високого тиску/зчіпкою турбіни, інвертованою камерою згоряння та двоступеневою силовою турбіною, що приводить в рух коробку передач, зміщену вгору.
Двигуни сімейства Pratt & Whitney PW 100/150, що живлять ATR 42 і 72, сконструйовані таким чином. Вихідна швидкість коробки передач PW 118 до PW 127 становить від 1200 до 1300 об/хв .
Камера зворотного згоряння
Більшість сучасних турбогвинтових двигунів оснащені камерами зворотного згоряння. Цей принцип дозволяє зменшити розмір двигуна.
Нижче наведена принципова схема роботи інвертованої кільцевої камери згоряння типу Turboméca.
Перевернуті вільні турбінні турбіни
У цього типу турбогвинтових двигунів вихідна вісь розташована спереду, що дає змогу зменшити довжину вала гвинта. Камера згоряння із зворотним потоком зменшує розмір двигуна.
Нижче наведена схема Pratt & Whitney PT6A з його епіциклічним концентричним редуктором.
На фотографії нижче PT6A-27/34 ми помічаємо захист повітрозабірника. Цей захист, як правило, являє собою сітку від чужорідних тіл, які витримують вплив птаха. Також можуть бути встановлені піщані фільтри.
Europrop International TP400-D6 - це турбогвинтовий двигун, розроблений європейським консорціумом Europrop International, який об'єднує виробників двигунів MTU Aero Engines, Snecma, Rolls-Royce та Industria de Turbo Propulsores (ITP). TP400-D6 - це триствольний турбовинтовий двигун, оснащений восьмилопатевим гвинтом Ratier. Він розвиває максимальну потужність 11600 к.с. (8203 кВт). Він оснащує багатоцільовий військово-транспортний літак, розроблений Airbus, Airbus A400M, який надійшов на озброєння в 2013 році.
Відео SNECMA.