Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Пропеллер GE T64 слева, коробка передач с принадлежностями посередине и газогенератор справа

Турбовинтовой двигатель представляет собой газотурбинный двигатель , который приводит в движение самолета пропеллер . [1]

Турбовинтовой двигатель состоит из воздухозаборника, редуктора, компрессора , камеры сгорания , турбины и маршевого сопла . [2] Воздух всасывается во впускное отверстие и сжимается компрессором. Затем топливо добавляется к сжатому воздуху в камере сгорания, где затем сгорает топливно-воздушная смесь . Горячие газы сгорания расширяются через турбину. Часть энергии, вырабатываемой турбиной, используется для привода компрессора.

Остальное передается через редуктор на гребной винт. Дальнейшее расширение газов происходит в метательном сопле, откуда они выходят до атмосферного давления. Сопло обеспечивает относительно небольшую долю тяги, создаваемой турбовинтовым двигателем. [3]

В отличие от турбореактивного двигателя, выхлопные газы двигателя не содержат достаточно энергии для создания значительной тяги, так как почти вся мощность двигателя используется для приведения в действие винта.

Технологические аспекты [ править ]

Принципиальная схема, показывающая работу турбовинтового двигателя
Сравнение пропульсивной эффективности для различных конфигураций газотурбинных двигателей

Выхлопная тяга в турбовинтовом двигателе приносится в жертву мощности на валу, которая получается за счет извлечения дополнительной мощности (до той, которая необходима для привода компрессора) от расширения турбины. За счет дополнительного расширения турбинной системы остаточная энергия в выхлопной струе мала. [4] [5] [6] Следовательно, выхлопная струя производит около 10% общей тяги. [7] Большая часть тяги поступает от гребного винта на низких скоростях и меньше - на высоких. [8]

Турбовинтовые двигатели имеют коэффициент двухконтурности 50-100 [9] [10], хотя воздушный поток движущей силы менее четко определен для гребных винтов, чем для вентиляторов. [11] [12]

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 пропеллер с постоянной скоростью (изменяемым шагом), аналогичный тому, который используется в более крупных авиационных поршневых двигателях , за исключением того, что требования к управлению воздушным винтом сильно отличаются. [13]

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 заданной величины тяги. Так как на малых скоростях более эффективно на малых скоростях разогнать большое количество воздуха в небольшой степени, чем небольшое количество воздуха в большой степени, [14] [15] низкая нагрузка на диск (тяга на единицу площади диска) увеличивает энергоэффективность, что снижает расход топлива. [16] [17]

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 доля мощности, приводящей в движение винт, которая преобразуется в тягу воздушного винта, резко падает. По этой причине турбовинтовые двигатели не используются на самолетах [4] [5] [6], которые летают со скоростью более 0,6–0,7 Маха . [7] Однако пропфандвигатели, 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, чтобы уменьшить тормозной путь на взлетно-посадочной полосе. Кроме того, в случае отказа двигателя гребной винт может быть убран , что минимизирует сопротивление неработающего гребного винта. [18]

Хотя силовая турбина может быть объединена с секцией газогенератора, многие турбовинтовые двигатели сегодня имеют свободную силовую турбину на отдельном коаксиальном валу. Это позволяет гребному винту вращаться свободно, независимо от скорости компрессора. [19]

История [ править ]

Алан Арнольд Гриффит опубликовал статью о конструкции компрессора в 1926 году. Последующая работа в Royal Aircraft Establishment исследовала конструкции на основе осевых компрессоров, которые могли приводить в движение воздушный винт. С 1929 года Фрэнк Уиттл начал работу над конструкциями на основе центробежных компрессоров, которые использовали бы всю газовую мощность, производимую двигателем, для создания реактивной тяги. [20]

Первый в мире турбовинтовой двигатель был разработан венгерским инженером-механиком Дьёрдь Ендрассиком . [21] Jendrassik опубликовал идею турбовинтового двигателя в 1928 году, а 12 марта 1929 года он запатентовал свое изобретение. В 1938 году он построил небольшую (100 л.с., 74,6 кВт) экспериментальную газовую турбину. [22] Более крупный Jendrassik CS-1 с прогнозируемой мощностью 1000 л.с. был произведен и испытан на заводе Ganz в Будапеште.с 1937 по 1941 год. Осевой, с 15 ступенями компрессора и 7 ступенями турбины, кольцевой камерой сгорания. Первый запуск в 1940 году, проблемы сгорания ограничили его мощность до 400 л.с. В 1941 году двигатель был заброшен из-за войны, и завод был переведен на производство обычных двигателей.

Rolls-Royce RB.50 Trent на испытательном стенде в Хакнелле , март 1945 года.

Первое упоминание о турбовинтовых двигателях в широкой публичной прессе было в выпуске британского авиационного издания Flight за февраль 1944 года , которое включало подробный чертеж в разрезе возможного будущего турбовинтового двигателя. Рисунок был очень близок к тому, как будет выглядеть будущий Rolls-Royce Trent. [23] Первым британским турбовинтовым двигателем был Rolls-Royce RB.50 Trent , преобразованный Derwent II, оснащенный редуктором и пятилопастным винтом Rotol 7 футов 11 дюймов (2,41 м). На Gloster Meteor EE227 были установлены два Trents- единственный «Трент-Метеор» - который, таким образом, стал первым в мире самолетом с турбовинтовым двигателем, хотя и не предназначенным для производства полигоном. [24] [25] Он впервые поднялся в воздух 20 сентября 1945 года. На основе своего опыта с Trent компания Rolls-Royce разработала Rolls-Royce Clyde , первый турбовинтовой двигатель, который будет полностью сертифицирован для использования в военных и гражданских целях, [26] и Dart , который стал одним из самых надежных турбовинтовых двигателей когда - либо построенных. Производство дротиков продолжалось более пятидесяти лет. Vickers Viscount с двигателем Dart был первым турбовинтовым самолетом любого типа, запущенным в производство и проданным в больших количествах. [27]Это был также первый четырехмоторный турбовинтовой двигатель. Его первый полет был на 16 июля 1948 года в мире первый сингл двигателем турбовинтовой самолет был Armstrong Siddeley Mamba Приведено Бултоном Пол Баллиола , который первым полетел 24 марта 1948 г. [28]

Кузнецов NK-12 по - прежнему самый мощный турбовинтовой

Советский Союз строил немецкий турбовинтовой двигатель времен Второй мировой войны, разработанный компанией Junkers Motorenwerke, в то время как BMW, Heinkel-Hirth и Daimler-Benz также работали над проектными проектами. [29] В то время как в Советском Союзе была технология для создания планера для реактивного стратегического бомбардировщика, сопоставимого с самолетом Boeing B-52 Stratofortress , вместо этого они произвели Tupolev Tu-95 Bear, оснащенный четырьмя турбовинтовыми двигателями Кузнецова НК-12 в паре с восемь гребных винтов противоположного вращения(два на гондолу) со сверхзвуковой скоростью на конце для достижения максимальной крейсерской скорости, превышающей 575 миль в час, что быстрее, чем у многих первых реактивных самолетов, и сравнимо с реактивными крейсерскими скоростями для большинства миссий. «Медведь» будет их самым успешным самолетом дальнего боя и наблюдения и символом проекции советской власти в конце 20 века. США использовали турбовинтовые двигатели с винтами противоположного вращения, такие как Allison T40 , на некоторых экспериментальных самолетах в 1950-х годах. Летающая лодка Convair R3Y Tradewind с двигателем T40 некоторое время находилась в эксплуатации ВМС США.

Первым американским турбовинтовым двигателем был General Electric XT31 , впервые использованный в экспериментальном Consolidated Vultee XP-81 . [30] XP-81 впервые поднялся в воздух в декабре 1945 года, став первым самолетом, в котором использовалась комбинация турбовинтовой и турбореактивной мощности. Технология более ранней конструкции Allison T38 превратилась в Allison T56 , который использовался для питания авиалайнера Lockheed Electra , его военного морского патруля, производного от P-3 Orion , и военно-транспортного самолета C-130 Hercules .

Первый турбинный, с приводом от вала вертолета был Каман К-225 , развитие Чарльза Каман «с К-125 synchropter , который использовал Боинг T50 турбовальный двигатель , чтобы включить его 11 декабря 1951 г. [31]

Использование [ править ]

Военно - транспортный самолет , более 2500 Lockheed C-130 Hercules были построены

По сравнению с турбовентиляторными двигателями, турбовинтовые двигатели наиболее эффективны при скорости полета ниже 725 км / ч (450 миль / ч; 390 узлов), поскольку реактивная скорость воздушного винта (и выхлопа) относительно мала. Современные турбовинтовые авиалайнеры работают почти с той же скоростью, что и небольшие региональные реактивные авиалайнеры, но сжигают две трети топлива на одного пассажира. [32] Однако по сравнению с турбореактивным двигателем (который может летать на большой высоте для увеличения скорости и топливной экономичности ) винтовой самолет имеет более низкий потолок.

Бук King Air и Super King Air наиболее доставляемых турбовинтового самолетов бизнес с комбинированным 7300 примеров по состоянию на май 2018 года [33]

По сравнению с поршневыми двигателями их более высокое отношение мощности к массе (что позволяет сократить время взлета) и надежность могут компенсировать более высокие начальные затраты, техническое обслуживание и расход топлива. Как топливо для реактивных двигателей может быть легче получить , чем Avgas в отдаленных районах, турбовинтовой питанием самолетов , как Cessna Caravan и Quest Kodiak используются в качестве куста самолетов .

Турбовинтовые двигатели обычно используются на небольших дозвуковых самолетах, но Туполев Ту-114 может развивать скорость 470 узлов (870 км / ч, 541 миль в час). Большие военные самолеты , такие как Туполев Ту-95 , и гражданские самолеты , такие как Lockheed L-188 Electra , также были турбовинтовыми. Airbus А400Й питаются от четырех Europrop TP400 двигателей, которые являются вторым наиболее мощными турбовинтовыми двигателями, когда - либо созданные после 11 МВт (15000 л.с.) Кузнецов НК-12 .

В 2017 году, наиболее распространенные турбовинтовые лайнеры в обслуживании были на ATR 42 / 72 (950 самолетов), Bombardier Q400 (506), De Havilland Canada Dash , 8 -100/200/300 (374), Бичкрафт 1900 (328), де Хэвилленд Канада DHC-6 Twin Otter (270), Saab 340 (225). [34] Менее распространенные и старые авиалайнеры включают BAe Jetstream 31 , Embraer EMB 120 Brasilia , Fairchild Swearingen Metroliner , Dornier 328 , Saab 2000 , Xian MA60 , MA600 иMA700 , Fokker 27 и 50 .

Турбовинтовые бизнес-самолеты включают Piper Meridian , Socata TBM , Pilatus PC-12 , Piaggio P.180 Avanti , Beechcraft King Air и Super King Air . В апреле 2017 года во всем мире насчитывалось 14 311 турбовинтовых бизнес-самолетов. [35]

Надежность [ править ]

В период с 2012 по 2016 год ATSB зафиксировала 417 событий с турбовинтовыми самолетами, 83 в год, более 1,4 миллиона летных часов: 2,2 на 10 000 часов. Три из них были «высоким риском», включая неисправность двигателя и незапланированную посадку в одномоторном караване Cessna 208 , четыре - «среднего риска» и 96% «низкого риска». Два происшествия привели к легким травмам из-за неисправности двигателя и столкновения с землей в сельскохозяйственном самолете, а пять несчастных случаев были связаны с авиационными работами: четыре в сельском хозяйстве и одно в машине скорой помощи . [36]

Текущие двигатели [ править ]

Самолеты всего мира Джейн . 2005–2006 гг.

См. Также [ править ]

  • Реактивный двигатель
  • Реактивный самолет
  • Катер
  • Пропфан
  • Ramjet
  • Ятаганский пропеллер
  • Нагнетатель
  • Конвертоплан
  • Турбокомпрессор
  • Турбовентиляторный
  • Турбореактивный
  • Турбовальный

Ссылки [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ "Турбовинтовой" , Справочник пилотов по аэронавигационным знаниям , Федеральное управление гражданской авиации , 2009.
  2. ^ "Авиационный глоссарий - Турбовинтовой" . Dictionary.dauntless-soft.com . Дата обращения 7 июля 2019 .
  3. ^ Ратор, Махеш. Тепловая инженерия . Тата Макгроу-Хилл Образование. п. 968.
  4. ^ a b " Турбовинтовой двигатель " Исследовательский центр Гленна ( НАСА )
  5. ^ a b " Турбовинтовой тяги " Исследовательский центр Гленна ( НАСА )
  6. ^ а б "Варианты реактивных двигателей" . smu.edu . Проверено 31 августа 2016 года .
  7. ^ a b " " Турбореактивный двигатель. Архивировано 18 апреля 2015 года на Wayback Machine ", стр. 7. Институт науки и технологий SRM , Департамент аэрокосмической техники.
  8. Дж. Рассел (2 августа 1996 г.). Летно-технические характеристики и устойчивость самолета . Баттерворт-Хайнеманн. п. 16. ISBN 0080538649.
  9. ^ Илан Кроо и Хуан Алонсо. « Конструкция самолета: синтез и анализ, двигательные установки: основные концепции, архивация 18 апреля 2015 года на Wayback Machine » Инженерная школа Стэнфордского университета, факультет аэронавтики и астронавтики Главная страница Архивировано 23 февраля 2001 года на Wayback Machine
  10. ^ Проф. З. С. Спаковский . « 11.5 Тенденции теплового и пропульсивного КПД » Турбины Массачусетского технологического института , 2002 г. Термодинамика и движение
  11. ^ " Тяга винта " Исследовательский центр Гленна ( НАСА )
  12. ^ Филип Уолш, Пол Флетчер. « Характеристики газовой турбины », стр. 36. John Wiley & Sons, 15 апреля 2008 г. Цитата: «У него лучший расход топлива, чем у турбореактивного или двухконтурного двухконтурных двигателей, из-за высокого КПД ..., тяга достигается за счет большого массового расхода воздуха. от воздушного винта при низкой скорости струи. При числе Маха выше 0,6 турбовинтовой двигатель, в свою очередь, становится неконкурентоспособным, в основном из-за большего веса и площади лобовой поверхности ».
  13. ^ Винты воздушные турбинные, Fairhurst, журнал Flight, 10 ноября 1949, p.609
  14. ^ Пол Бевилаква . Двигательная установка Lift Fan с приводом от вала для Joint Strike Fighter стр. 3. Представлено 1 мая 1997 г. Документ DTIC.MIL Word, 5,5 МБ. Проверено 25 февраля 2012 года.
  15. ^ Бенсен, Игорь . « Как они летают, - объясняет Бенсен всем » Gyrocopters UK . Проверено 10 апреля 2014 года.
  16. ^ Джонсон, Уэйн. Теория вертолета, стр. 3 + 32, Courier Dover Publications , 1980. Проверено 25 февраля 2012 г. ISBN 0-486-68230-7 
  17. ^ Веслав Зенон Степневски, CN Keys. Аэродинамика винтокрыла p3, Courier Dover Publications, 1979. Проверено 25 февраля 2012 г. ISBN 0-486-64647-5 
  18. ^ «Эксплуатация гребных винтов во время посадки и аварийных ситуаций» . экспериментальныйaircraft.info . Дата обращения 8 июля 2019 .
  19. ^ "Двигатель, опережающий свое время" . PT6 Nation . Пратт и Уитни Канада.
  20. ^ Gunston Jet, стр. 120
  21. ^ Gunston Мир, с.111
  22. ^ "Magyar feelalálók és találmányok - JENDRASSIK GYÖRGY (1898–1954)" . СЗТНХ . Проверено 31 мая 2012 года .
  23. ^ "Наш вклад - Как полет начался и познакомился с газовыми турбинами и реактивным движением" полет , 11 мая 1951, стр. 569.
  24. ^ Джеймс п. 251-2
  25. ^ Зеленый p.18-9
  26. ^ "Роллс-Ройс Трент - Армстронг Сидделей - 1950–2035 - Полетный Архив" . Flightglobal . Проверено 31 августа 2016 года .
  27. ^ Зеленый с.82
  28. ^ Зеленый с.81
  29. ^ История и развитие турбореактивных двигателей 1930-1960 Том 1 Великобритания и Германия, Энтони Л. Кей 2007, ISBN 978 1 86126 912 6 , различные страницы 
  30. ^ Зеленый стр.57
  31. ^ "Смитсоновский национальный музей авиации и космонавтики - Коллекции - Kaman K-225 (Длинное описание) " . Национальный музей авиации и космонавтики . Проверено 4 апреля 2013 года .
  32. ^ "Возможно, на рынок выйдет больше турбовинтовых двигателей" . CAPA - Центр авиации . 9 июля 2010 г.
  33. ^ "Beechcraft King Air 350i выпускает улучшенную ситуационную осведомленность, навигацию" (пресс-релиз). Textron Aviation. 30 мая 2018.
  34. ^ "787 звезд в ежегодной переписи авиалайнеров" . Flightglobal . 14 августа 2017.
  35. ^ «Отчет об обновлении рынка деловой авиации» (PDF) . AMSTAT, Inc. Апрель 2017 г.
  36. Гордон Гилберт (25 июня 2018 г.). «Исследование ATSB показывает, что турбовинтовые двигатели безопасны и надежны» .
  37. ^ "Двигатель серии H | Двигатели | B&GA | GE Aviation" . www.geaviation.com . Проверено 1 июня +2016 .
  38. ^ [1] , PragueBest sro "История | GE Aviation" . www.geaviation.cz . Проверено 1 июня +2016 .

Библиография [ править ]

  • Грин У. 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 . Феникс Милл, Глостершир, Англия, Великобритания: Sutton Publishing Limited. ISBN 0-7509-4479-X.
  • Джеймс, Д. Н. Глостер Самолет с 1917 (1971). Лондон: Putnam & Co. ISBN 0-370-00084-6 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Ван Сикл, Нил Д .; и другие. (1999). «Турбовинтовые двигатели» . Современное летное мастерство Ван Сикла . McGraw-Hill Professional. п. 205. ISBN 978-0-07-069633-4.

Внешние ссылки [ править ]

  • Самолеты с реактивными турбинами, подполковник Силсби USAAF, Popular Science, декабрь 1945 г., напечатана первая статья о турбовинтовых двигателях
  • Викиучебники: Реактивные двигатели
  • «Развитие Турбовинтовой» в 1950 полетов статьи о Великобритании и США турбовинтовых двигателей