stringtranslate.com

Турбовинтовой

Турбовинтовой двигатель GE T64 с винтом слева, редуктором с принадлежностями посередине и газогенератором (турбиной) справа

Турбовинтовой двигатель — это турбинный двигатель , который приводит в движение воздушный винт самолета . [1]

Турбовинтовой двигатель состоит из впускного отверстия , редуктора , компрессора , камеры сгорания , турбины и сопла . [ 2] Воздух поступает во впускное отверстие и сжимается компрессором. Затем топливо добавляется к сжатому воздуху в камере сгорания, где смесь топлива и воздуха затем сгорает . Горячие газы сгорания расширяются через ступени турбины, вырабатывая мощность в точке выпуска. Часть мощности, вырабатываемой турбиной, используется для привода компрессора и электрогенератора . Затем газы выбрасываются из турбины. В отличие от турбореактивного или турбовентиляторного двигателя, выхлопные газы двигателя не обеспечивают достаточной мощности для создания значительной тяги, поскольку почти вся мощность двигателя используется для привода воздушного винта. [3]

Технологические аспекты

Принципиальная схема, показывающая работу турбовинтового двигателя
Эффективность тяги для различных типов двигателей и чисел Маха

Тяга выхлопных газов в турбовинтовом двигателе приносится в жертву мощности на валу, которая получается путем извлечения дополнительной мощности (сверх необходимой для привода компрессора) из расширения турбины. Благодаря дополнительному расширению в системе турбины остаточная энергия в струе выхлопных газов низкая. [4] [5] [6] Следовательно, струя выхлопных газов производит около 10% от общей тяги. [7] Большая доля тяги исходит от винта на низких скоростях и меньшая на высоких скоростях. [8]

Турбовинтовые двигатели имеют степень двухконтурности 50–100, [9] [10] , хотя воздушный поток, создающий движение, менее четко определен для винтов, чем для вентиляторов. [11] [12]

Пропеллер соединен с турбиной через редуктор , который преобразует высокие обороты /низкий крутящий момент на выходе в низкие обороты/высокий крутящий момент. Это может быть двух основных конструкций: со свободной турбиной и фиксированной. Турбовальный вал со свободной турбиной, установленный на Pratt & Whitney Canada PT6 , где газогенератор не соединен с пропеллером. Это позволяет избежать удара пропеллера или аналогичного повреждения без повреждения газогенератора и позволяет снять и заменить только силовую секцию (турбину и редуктор) в таком случае, а также обеспечивает меньшую нагрузку на запуск во время наземных запусков двигателя. В то время как фиксированный вал имеет соединенные редуктор и газогенератор, как, например, на Honeywell TPE331 .

Сам пропеллер обычно представляет собой тип пропеллера с постоянной скоростью (переменным шагом), аналогичный тому, который используется в более крупных авиационных поршневых двигателях , за исключением того, что требования к управлению пропеллером сильно отличаются. [13] Из-за медленной реакции турбинного двигателя на потребляемую мощность, особенно на низких скоростях, пропеллер имеет больший диапазон выбранного хода для быстрого изменения тяги, особенно для руления, реверса и других наземных операций. [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] Режим бета далее разбивается на 2 дополнительных режима: бета для руления и бета плюс мощность. Бета для руления, как следует из названия, используется для руления и состоит из всех диапазонов шага от самого низкого шага диапазона альфа, вплоть до нулевого шага, создавая очень небольшую или нулевую тягу и обычно доступ к нему осуществляется путем перемещения рычага мощности в диапазон бета для руления. Мощность Beta plus — это обратный диапазон, создающий отрицательную тягу, часто используемый для посадки на короткие взлетно-посадочные полосы, где самолету необходимо быстро сбросить скорость, а также для движения задним ходом, и доступ к нему осуществляется путем перемещения рычага мощности ниже диапазона бета для руления. [14] Из-за того, что пилот не может видеть заднюю часть самолета для движения задним ходом, а также из-за количества мусора, поднимаемого при движении задним ходом, производители часто ограничивают скорости, на которых может использоваться мощность beta plus, и ограничивают ее использование на неподготовленных взлетно-посадочных полосах. [14] Флюгирование этих винтов осуществляется рычагом управления винтом. [14]

Винт постоянной скорости отличается от винта постоянной скорости поршневого двигателя системой управления. Турбовинтовая система состоит из 3 регуляторов винта , регулятора, регулятора превышения скорости и регулятора долива топлива. [14] Регулятор работает во многом так же, как работает регулятор винта поршневого двигателя, хотя регулятор турбовинтового двигателя может включать в себя клапан управления бета или подъемный стержень бета для работы бета и обычно расположен в положении 12 часов. [14] Существуют также другие регуляторы, которые включены дополнительно в зависимости от модели, такие как регулятор превышения скорости и долива топлива на Pratt & Whitney Canada PT6 и регулятор понижения скорости на Honeywell TPE331 . [14] Турбовинтовой двигатель также отличается от других видов турбинных двигателей тем, что блок управления топливом соединен с регулятором, чтобы помочь управлять мощностью.

Чтобы сделать двигатель более компактным, можно использовать обратный поток воздуха. На турбовинтовом двигателе с обратным потоком воздухозаборник компрессора находится в задней части двигателя, а выхлоп — в передней, что сокращает расстояние между турбиной и пропеллером. [15]

В отличие от вентиляторов малого диаметра, используемых в турбовентиляторных двигателях, пропеллер имеет большой диаметр, что позволяет ему разгонять большой объем воздуха. Это позволяет снизить скорость воздушного потока при заданной величине тяги. Поскольку на низких скоростях эффективнее разгонять большой объем воздуха на небольшую величину, чем небольшой объем воздуха на большую величину, [16] [17] низкая нагрузка на диск (тяга на единицу площади диска) повышает энергоэффективность самолета , а это снижает расход топлива. [18] [19]

Пропеллеры работают хорошо до тех пор, пока скорость полета самолета не станет достаточно высокой, чтобы поток воздуха, проходящий мимо кончиков лопастей, достиг скорости звука. За пределами этой скорости доля мощности, которая приводит в движение пропеллер, которая преобразуется в тягу пропеллера, резко падает. По этой причине турбовинтовые двигатели обычно не используются на самолетах [4] [5] [6], которые летают быстрее 0,6–0,7 Маха , [7] за некоторыми исключениями, такими как Туполев Ту-95 . Однако винтовентиляторные двигатели, которые очень похожи на турбовинтовые двигатели, могут летать на крейсерских скоростях полета, приближающихся к 0,75 Маха. Для поддержания эффективности пропеллера в широком диапазоне скоростей полета турбовинтовые двигатели используют пропеллеры с постоянной скоростью (изменяемым шагом). Лопасти пропеллера с постоянной скоростью увеличивают свой шаг по мере увеличения скорости самолета. Еще одним преимуществом этого типа пропеллера является то, что его также можно использовать для создания обратной тяги, чтобы сократить тормозной путь на взлетно-посадочной полосе. Кроме того, в случае отказа двигателя пропеллер может быть флюгирован , что минимизирует сопротивление неработающего пропеллера. [20]

Хотя силовая турбина может быть неотъемлемой частью газогенераторной секции, многие турбовинтовые двигатели сегодня оснащены свободной силовой турбиной на отдельном коаксиальном валу. Это позволяет винту вращаться свободно, независимо от скорости компрессора. [21]

История

Чертежи венгерского Varga RMI-1 X/H – первого в мире действующего турбовинтового самолета.

Алан Арнольд Гриффит опубликовал статью о конструкции компрессора в 1926 году. Последующая работа в Королевском авиационном учреждении исследовала конструкции на основе осевого компрессора, которые приводили бы в движение пропеллер. С 1929 года Фрэнк Уиттл начал работу над конструкциями на основе центробежного компрессора, которые использовали бы всю газовую мощность, вырабатываемую двигателем, для реактивной тяги. [22]

Первый в мире турбовинтовой двигатель был разработан венгерским инженером-механиком Дьёрдем Йендрассиком . [23] Йендрассик 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. был произведен и испытан на заводе Ganz в Будапеште между 1937 и 1941 годами. Он имел осевую конструкцию с 15 ступенями компрессора и 7 ступенями турбины, кольцевой камерой сгорания. Первый запуск в 1940 году, проблемы со сгоранием ограничили его мощность до 400 л. с. Два 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 завершена 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.

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

Первое упоминание о турбовинтовых двигателях в широкой прессе было в выпуске британского авиационного издания Flight за февраль 1944 года , в котором был представлен подробный чертеж в разрезе того, как мог бы выглядеть возможный будущий турбовинтовой двигатель. Чертеж был очень близок к тому, как будет выглядеть будущий Rolls-Royce Trent. [27] Первым британским турбовинтовым двигателем был Rolls-Royce RB.50 Trent , переделанный Derwent II, оснащенный редуктором и пятилопастным винтом Rotol 7 футов 11 дюймов (2,41 м). Два Trent были установлены на Gloster Meteor EE227 — единственный «Trent-Meteor» — который, таким образом, стал первым в мире самолетом с турбовинтовым двигателем, который поднялся в воздух, хотя и в качестве испытательного стенда, а не предназначенного для производства. [28] [29] Он впервые поднялся в воздух 20 сентября 1945 года. На основе опыта с Trent компания Rolls-Royce разработала Rolls-Royce Clyde , первый турбовинтовой двигатель, получивший сертификат типа для военного и гражданского использования, [30] и Dart , который стал одним из самых надежных турбовинтовых двигателей, когда-либо созданных. Производство Dart продолжалось более пятидесяти лет. Vickers Viscount с двигателем Dart был первым турбовинтовым самолетом любого типа, который был запущен в производство и продавался в больших количествах. [31] Это был также первый четырехмоторный турбовинтовой самолет. Его первый полет состоялся 16 июля 1948 года. Первым в мире одномоторным турбовинтовым самолетом был Boulton Paul Balliol с двигателем Armstrong Siddeley Mamba , который впервые поднялся в воздух 24 марта 1948 года. [32]

Кузнецов НК-12 — самый мощный турбовинтовой самолет, поступивший на вооружение

Советский Союз основывался на немецкой предварительной разработке турбовинтового самолета времен Второй мировой войны, разработанной Junkers Motorenwerke, в то время как BMW, Heinkel-Hirth и Daimler-Benz также работали над проектными конструкциями. [33] В то время как у Советского Союза были технологии для создания планера реактивного стратегического бомбардировщика, сопоставимого с B-52 Stratofortress компании Boeing , вместо этого они создали Ту-95 Bear, оснащенный четырьмя турбовинтовыми двигателями Кузнецова НК-12 , соединенными с восемью винтами противоположного вращения (по два на гондолу) со сверхзвуковой скоростью концов лопастей для достижения максимальной крейсерской скорости свыше 575 миль в час, что быстрее, чем у многих первых реактивных самолетов , и сопоставимо с крейсерской скоростью реактивных самолетов для большинства миссий. Bear стал их самым успешным дальним боевым и разведывательным самолетом и символом проецирования советской мощи вплоть до конца 20-го века. В 1950-х годах США использовали турбовинтовые двигатели с винтами противоположного вращения, такие как Allison T40 , на некоторых экспериментальных самолетах. Гидросамолет Convair R3Y Tradewind с двигателем T40 некоторое время эксплуатировался ВМС США.

Первым американским турбовинтовым двигателем был General Electric XT31 , впервые использованный в экспериментальном Consolidated Vultee XP-81 . [34] XP-81 впервые поднялся в воздух в декабре 1945 года, став первым самолетом, использовавшим комбинацию турбовинтового и турбореактивного двигателей. Технология более раннего проекта Allison T38 эволюционировала в Allison T56 , используемый для авиалайнера Lockheed Electra , его военного морского патрульного производного P-3 Orion и военно-транспортного самолета C-130 Hercules .

Первым вертолетом с турбинным двигателем и приводом от вала был Kaman K-225 , усовершенствованный синхроптер Чарльза Камана K-125 , в котором использовался турбовальный двигатель Boeing T50 , выпущенный 11 декабря 1951 года. [35]

В декабре 1963 года состоялась первая поставка турбовинтового двигателя Pratt & Whitney Canada Pt6 для тогдашнего самолета Beechcraft 87, который вскоре стал называться Beechcraft King Air . [36]

В 1964 году начались первые поставки двигателя Garrett AiResearch TPE331 (теперь принадлежащего Honeywell Aerospace ) на самолет Mitsubishi MU-2 , что сделало его самым быстрым турбовинтовым самолетом того года. [37]

Использование

Военно-транспортный самолет , было построено более 2500 Lockheed C-130 Hercules.

В отличие от турбовентиляторных , турбовинтовые самолеты наиболее эффективны на скоростях полета ниже 725 км/ч (450 миль/ч; 390 узлов), поскольку скорость реактивной струи пропеллера (и выхлопных газов) относительно низкая. [ требуется ссылка ] Современные турбовинтовые авиалайнеры летают почти с той же скоростью, что и небольшие региональные реактивные авиалайнеры, но сжигают две трети топлива на пассажира. [38]

Beech King Air и Super King Air являются самыми популярными турбовинтовыми самолетами деловой авиации , по состоянию на май 2018 года было поставлено в общей сложности 7300 самолетов [39].

По сравнению с поршневыми двигателями их более высокое отношение мощности к весу (что позволяет делать более короткие взлеты) и надежность могут компенсировать их более высокую первоначальную стоимость, обслуживание и расход топлива. Поскольку в отдаленных районах авиатопливо может быть легче достать, чем авиабензин , самолеты с турбовинтовыми двигателями, такие как Cessna Caravan и Quest Kodiak, используются в качестве самолетов для полетов в кустах .

Турбовинтовые двигатели обычно используются на небольших дозвуковых самолетах, но Туполев Ту-114 может развивать скорость до 470 узлов (870 км/ч; 540 миль/ч). Большие военные самолеты , такие как Туполев Ту-95 , и гражданские самолеты , такие как Lockheed L-188 Electra , также оснащались турбовинтовыми двигателями. Airbus A400M оснащен четырьмя двигателями Europrop TP400 , которые являются вторыми по мощности турбовинтовыми двигателями, когда-либо произведенными, после 11 МВт (15 000 л.с.) Кузнецов НК-12 .

В 2017 году наиболее распространенными турбовинтовыми авиалайнерами, находящимися в эксплуатации, были ATR 42/72 ( 950 самолетов), Bombardier Q400 (506), De Havilland Canada Dash 8-100 /200/300 (374), Beechcraft 1900 (328), de Havilland Canada 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 .

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 в мировом флоте насчитывалось 14 311 турбовинтовых бизнес-самолетов. [41]

Надежность

В период с 2012 по 2016 год ATSB наблюдал 417 событий с турбовинтовыми самолетами, 83 в год, более 1,4 миллиона часов полета: 2,2 на 10 000 часов. Три были «высокого риска», включая неисправность двигателя и незапланированную посадку в одномоторных Cessna 208 Caravans , четыре «среднего риска» и 96% «низкого риска». Два происшествия привели к незначительным травмам из-за неисправности двигателя и столкновения с землей в сельскохозяйственных самолетах , а пять аварий были связаны с воздушными работами: четыре в сельском хозяйстве и одна в воздушной санитарной машине . [42]

Текущие двигатели

Все самолеты мира . 2005–2006.

Смотрите также

Ссылки

  1. ↑ Администрация Федеральной авиации (3 ноября 2009 г.). Справочник пилота по авиационным знаниям. Skyhorse Publishing Inc. ISBN 978-1-60239-780-4.
  2. ^ "Авиационный глоссарий – Турбовинтовой". dictionary.dauntless-soft.com . Получено 7 июля 2019 .
  3. ^ Ратор, Махеш. Тепловая инженерия . Tata McGraw-Hill Education. стр. 968.
  4. ^ ab Hall, Nancy (2021). "Турбовинтовой двигатель". Glenn Research Center . NASA . Получено 14 марта 2023 г.
  5. ^ ab Hall, Nancy (2021). "Turboprop Thrust". Glenn Research Center . NASA . Получено 14 марта 2023 г.
  6. ^ ab "Вариации реактивных двигателей". smu.edu . Получено 31 августа 2016 г. .
  7. ^ ab ""Турбовентиляторный двигатель" Архивировано 18 апреля 2015 г. на Wayback Machine ", стр. 7. Институт науки и технологий SRM , Отделение аэрокосмической техники.
  8. ^ Дж. Рассел (2 августа 1996 г.). Характеристики и устойчивость самолета. Butterworth-Heinemann. стр. 16. ISBN 0080538649.
  9. ^ Илан Кроо и Хуан Алонсо. «Проектирование самолетов: синтез и анализ, двигательные системы: основные концепции» Архивировано 18 апреля 2015 г. на Wayback Machine « Инженерная школа Стэнфордского университета, кафедра аэронавтики и астронавтики Главная страница Архивировано 23 февраля 2001 г. на Wayback Machine
  10. ^ Проф. З.С. Спаковски. "11.5 Тенденции в тепловой и пропульсивной эффективности" Массачусетский технологический институт турбин , 2002. Термодинамика и пропульсия
  11. ^ Холл, Нэнси (2021). «Propeller Thrust». Glenn Research Center . NASA . Получено 14 марта 2023 г.
  12. ^ Уолш, Филип; Флетчер, Пол (2008). Характеристики газовых турбин. John Wiley and Sons. стр. 36. ISBN 9781405151030.
  13. ↑ Воздушные винты для турбин, Фэрхерст, журнал Flight, 10 ноября 1949 г., стр. 609
  14. ^ abcdefgh Учебник по электростанциям A&P (3-е изд.). Jeppeson Company. 2011. ISBN 0884873382.
  15. ^ Мартин, Суэйн (16 мая 2019 г.). «Как работает турбовинтовой двигатель». Boldmethod . Архивировано из оригинала 6 ноября 2021 г. . Получено 6 ноября 2021 г. .
  16. ^ Пол Бевилаква . Система привода подъемного вентилятора с валом для истребителя Joint Strike Fighter. Архивировано 5 июня 2011 г. на странице Wayback Machine 3. Представлено 1 мая 1997 г. Документ DTIC.MIL Word, 5,5 МБ. Получено 25 февраля 2012 г.
  17. ^ Бенсен, Игорь Б. "Как они летают". Архивировано из оригинала 20 апреля 2001 г. Получено 31 мая 2023 г.{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  18. ↑ Джонсон, Уэйн (1 января 1994 г.). Теория вертолета. Courier Corporation. ISBN 978-0-486-68230-3.
  19. ^ Stepniewski, Wieslaw Zenon; Keys, CN (1 января 1984). Аэродинамика роторного крыла. Courier Corporation. ISBN 978-0-486-64647-3.
  20. ^ "Управление винтами во время посадки и аварийных ситуаций". experimentalaircraft.info . Получено 8 июля 2019 г. .
  21. ^ «Двигатель, опередивший свое время». PT6 Nation . Pratt & Whitney Canada.
  22. ^ Ганстон Джет, стр. 120
  23. ^ Gunston World, стр.111
  24. ^ "Мадьяр Feltalalók és találmanyok - ЕНДРАСИК ДЬЁРГЬ (1898–1954)" . СЗТНХ . Проверено 31 мая 2012 г.
  25. ^ "Jendrassik CS-1: первый в мире турбовинтовой двигатель". www.tailsthroughtime.com . Получено 4 сентября 2023 г. .
  26. ^ "RMI / Repülő Muszaki Intézet Varga RMI-1/ X / H" . Проверено 4 сентября 2023 г.
  27. ^ «Наш вклад – Как авиация познакомилась с газовыми турбинами и реактивным движением и познакомилась с ними» Flight , 11 мая 1951 г., стр. 569.
  28. ^ Джеймс стр. 251-2
  29. ^ Грин стр.18-9
  30. ^ "rolls-royce trent – ​​armstrong siddeley – 1950–2035 – Flight Archive". Flightglobal . Получено 31 августа 2016 г. .
  31. ^ Грин стр.82
  32. ^ Грин стр.81
  33. ^ История и развитие турбореактивных двигателей 1930-1960 Том 1 Великобритания и Германия, Энтони Л. Кей 2007, ISBN 978 1 86126 912 6 , разные страницы 
  34. ^ Грин стр.57
  35. ^ "Smithsonian National Air and Space Museum – Collections – Kaman K-225 (Long Description)". National Air and Space Museum. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года . Получено 4 апреля 2013 года .
  36. ^ "PT6 60 YEARS - Pratt & Whitney". www.pwc.ca . Получено 27 июня 2023 г. .
  37. ^ "Эволюция Honeywell TPE331". aerospace.honeywell.com . Получено 27 июня 2023 г. .
  38. ^ «На рынок выйдет больше турбовинтовых самолетов – возможно». CAPA – Центр авиации . 9 июля 2010 г.
  39. ^ "Beechcraft King Air 350i оснащен улучшенной ситуационной осведомленностью и навигацией" (пресс-релиз). Textron Aviation. 30 мая 2018 г.
  40. ^ "787 звезд в ежегодной переписи авиалайнеров". Flightglobal . 14 августа 2017 г.
  41. ^ "Обновленный отчет о рынке деловой авиации" (PDF) . AMSTAT, Inc. Апрель 2017 г.
  42. ^ Гордон Гилберт (25 июня 2018 г.). «Исследование ATSB показало, что турбовинтовые двигатели безопасны и надежны».
  43. ^ "Двигатель серии H | Двигатели | B&GA | GE Aviation". www.geaviation.com . Получено 1 июня 2016 г. .
  44. ^ [1], PragueBest sro "История | GE Aviation". www.geaviation.cz . Архивировано из оригинала 29 октября 2017 г. Получено 1 июня 2016 г. {{cite web}}: Внешняя ссылка в |last=( помощь )

Библиография

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки