Будова турбогвинтового двигуна та принцип його роботи

Вступ

 

Зростаючі масштаби перевезень вантажів та пасажирів, збільшення відстаней транспортування, зведення магістралей в віддалених та важкодоступних районах з суворим кліматом, необхідність організації транспортного обслуговування крупних міст та промислових об'єктів, підвищення швидкості, надійності комунікацій, покращання комфорту та зниження вартості перевезень - все це потребує розробки нових нетрадиційних транспортних засобів. Багато з них існують у вигляді проектів, частина яких вже реалізована.

Разом з тим більшість ідей про створення нових видів транспорту існує вже давно, а реалізуються вони на сучасній технічній основі зараз. До таких видів транспорту належать системи, які відрізняються від традиційних принципом дії, конструкцією двигуна: пневмо- контейнерний транспорт, трубопровідний гідротранспорт, монорельсові шляхи, судна на повітряній подушці, поїзди на магнітному підвісі, дирижаблі та інші.

Турбогвинтові двигуни на перший погляд зовні нагадують поршневі мотори по спільній рисі і тих і інших - повітряному гвинті. Але на цьому схожість припиняється, далі настає шлях конструктивно абсолютно іншої машини, з іншим принципом роботи, з іншими характеристиками і режимами роботи, з іншими можливостями.

Турбогвинтові двигуни - це різновид газотурбінних двигунів, які знайшли широке застосування в авіації. Самі по собі газотурбінні двигуни були розроблені в якості універсального перетворювача енергії, які в разом стали використовувати в авіабудування.

Газотурбінний двигун являє собою теплову машину, в якій при згоряння палива. Розширені гази обертають турбіну.

Створюючи крутний момент, а до валу турбіни можна підключати потрібні агрегати. У випадку з турбогвинтовими двигунами до валу підключається повітряний гвинт.

Турбогвинтові двигуни - це своєрідна «помісь» поршневих моторів з турбореактівними. Поршневі двигуни були першими силовими установками, через які забезпечувалися літаки.

Вони представляли собою циліндри, розташовані у вигляді зірки, в центрі якої розташовувався вал, що обертає повітряний гвинт.

Актуальність цієї теми в основному в тому що турбогвинтовими двигунами оснащують літаки, що літають з невеликою швидкістю і на далекі відстані, що дозволяє значно знизити вартість пасажирських і вантажних перельотів.

Об’єктом теми є саме турбогвинтовий двигун.

Предметом є принцип роботи турбогвинтового двигуна і його використання в авіації.

Мета дослідження встановити позитивні та негативні сторони роботи турбогвинтового двигуна.

Завданням є дослідити принцип роботи турбогвинтового двигуна та його побудова.

Загальна характеристика

Двигуни були винайдені і споруджені ще в тридцятих роках минулого століття за часів Радянського Союзу, а два десятиліття по тому почали їх масовий випуск. Потужність варіювалася від 1880 до 11000 кВт. Тривалий період їх застосовували у військовій і цивільній авіації. Однак для надзвукової швидкості вони придатними були. Тому з появою таких потужностей у військовій авіації від них відмовилися. Зате цивільні літаки в основному забезпечуються саме ними.

Вперше в Радянському Союзі турбогвинтові двигуни сконструювали і випробували ще в 30-х роках, а в 50-і почалося їх серійне виробництво.

Прикладом може служити заслужений «ветеран» вітчизняного авіабудування АІ-20, яким оснащувалися ИЛ-18, АН-8, АН-32, АН-12, БЕ-12, ИЛ-38. Але з часом стало зрозуміло, що збільшувати їх потужність можна тільки до певної межі, а використовувати їх на надзвукових швидкостях не вийде, так що сфера їх використання різко скоротилася.

Зараз турбогвинтові двигуни в основному використовуються в цивільній авіації на літаках з низькою швидкістю, тоді як надзвукові літаки оснащені турбореактивними двигунами. Двигуни турбогвинтові встановлюються на АН-24, АН-32, ИЛ-18, ТУ-114 [1, c. 27].

Двигун турбогвинтовий належить до класу газотурбінних, які розроблялися як універсальні перетворювачі енергії і стали широко використовуватися в авіації. Вони складаються з теплової машини, де розширені гази обертають турбіну і утворюють крутний момент, а до її валу прикріплюють інші агрегати. Двигун турбогвинтовий забезпечується повітряним гвинтом.

Він являє собою щось середнє між поршневими і турбореактивними агрегатами. Спочатку в літаки встановлювали поршневі двигуни, що складаються з циліндрів в формі зірки з розташованим всередині валом. Але через те, що вони мали надто великі габарити і вага, а також низьку можливість швидкості, їх перестали використовувати, віддавши перевагу з`явилися турбореактивним установкам. Але і ці двигуни не були позбавлені недоліків. Вони могли розвивати надзвукову швидкість, але споживали дуже багато палива. Тому їх експлуатація обходилася надто дорого для пасажирських перевезень.

Двигун турбогвинтовий мав впоратися з подібним недоліком. І це завдання було вирішено. Конструкція і принцип роботи були взяті з механізму турбореактивного двигуна, а від поршневого - повітряні гвинти. Таким чином, стало можливим поєднання невеликих габаритів, економічності і високого коефіцієнта корисної дії [2, c. 17].

Будова турбогвинтового двигуна та принцип його роботи

 

Схема турбогвинтового двигуна виглядає наступним чином: після нагнітання і стиснення компресором повітря потрапляє в камеру згоряння. Туди ж впорскується паливо. Отримана суміш запалюється і створює гази, які при розширенні надходять в турбіну і обертають її, а вона, в свою чергу, обертає компресор і гвинт. Нерозтрачена енергія виходить через сопло, створюючи реактивну тягу. Так як величина її не є суттєвою (всього десять відсотків), не рахується турбореактивним турбогвинтовий двигун.

Принцип роботи і конструкція, втім, схожі з ним, але енергія тут не повністю виходить через сопло, створюючи реактивну тягу, а лише частково, так як корисна енергія ще й обертає гвинт.

Бувають двигуни з одним або двома валами. У одновальному варіанті на одному валу знаходяться і компресор, і турбіна, і гвинт. У двохвальному - на одному з них встановлені турбіна і компресор, а на іншому - гвинт через редуктор. Тут же є дві турбіни, пов`язані один з одним газодинамічних способом. Одна з них призначена для гвинта, а інша - для компресора. Такий варіант найбільш поширений, так як енергія може застосовуватися без запуску гвинтів. А це особливо зручно, коли літак знаходиться на землі.

Компресор складається з двох-шести ступенів, що дозволяють сприймати суттєві перепади температури і тиску, а також знижувати оберти. Завдяки такій конструкції виходить знизити вагу і габарити, що є дуже важливим для авіаційних двигунів. В компресор входять робочі колеса і направляючий апарат. На останньому може бути передбачена або не передбачена регуляція.

Завдяки повітряному гвинту утворюється тяга, але швидкість обмежена. Кращим показником вважається рівень від 750 до 1500 оборотів в хвилину, так як при збільшенні коефіцієнт корисної дії почне падати, і гвинт замість розгону буде перетворюватися в гальмо. Явище називається «ефектом замикання». Воно викликано лопатями гвинта, які на високих оборотах при обертанні, що перевищує швидкість звуку, починають функціонувати некоректно. Той же самий ефект буде спостерігатися при збільшенні їх діаметра.

Турбіна здатна розвинути швидкість до двадцяти тисяч обертів на хвилину, але гвинт не зможе їй відповідати, тому тут є понижуючий редуктор, який скорочує швидкість і збільшує крутний момент. Редуктори можуть бути різними, але головне їхнє завдання незалежно від виду - знижувати швидкість і підвищувати момент.

Саме ця характеристика обмежує використання турбогвинтового двигуна в військових літаках. Однак розробки зі створення надзвукового двигуна не припиняються, хоч поки і не є успішними. Для підвищення тяги іноді двома гвинтами забезпечується турбогвинтовий двигун. Принцип роботи при цьому у них реалізується за рахунок обертання в протилежні сторони, але за допомогою одного редуктора.

Атмосферне повітря поступає в двигун через вхідний пристрій і засмоктується осьовим компресором. Проходячи повітряний тракт компресора, повітря поступово стискається і потім подається в камеру згорання, де ділиться на два потоки: первинний і вторинний.

Первинний потік повітря поступає в порожнину камери згорання, куди безперервно впорскується тонко розпорошене паливо, яке утворює разом з повітрям паливоповітряну суміш. Паливо повністю згорає при невеликому надлишку повітря, забезпечує безперервний факел і високі температури в зоні горіння. В результаті згорання цієї суміші утворюється потік гарячого газу.

Вторинний потік повітря, омиваючи камеру згорання ззовн та охолоджуючи її, поступає у внутрішню порожнину камери згорання, де змішується з гарячими газами від згорілого палива в первинному потоці повітря і, охолоджуючи їх, забезпечує задану температуру всього потоку газу на вході в турбіну.

З камери згорання гази з високою температурою і тиском поступають в турбіну компресора і вільну турбіну. Втурбіні компресора частина енергії цього потоку перетворюється в момент, що крутить, який передається на компресор. В вільній турбіні більша частина кінетичної енергії гарячих газів і повітря перетворюється в момент, що крутить, який через трансмісію передається на повітряний гвинт.

Потік повітря, що відкидається повітряним гвинтом, створює тягу гвинта. Кінетична енергія частини газів, що виходять з двигуна, створює реактивну тягу, яка разом з тягою гвинта, складає сумарну (еквівалентну) тягу силової установки.

Основні режими роботи двигуна, потужність на валу і частота обертання повітряного гвинта:

– злітний режим – 2500 к.с. (1839 кВт, 1202,93 об/хв);

– максимальний тривалий – 2100 к.с. (1544 кВт, 1100 об/хв);

– максимальний крейсерський – 1750 к.с. (1286,3 кВт, 1100 об/хв);

– режим польотного малого газу – 160 к.с. (117,6 кВт, 1100 об/хв);

– режим земного малого газу – частота обертання повітряного гвинта не більше 1100 об/хв);

– режим земного малого газу – "тихе руління" – частота обертання повітряного гвинта не більше 850 об/хв);

– режим реверсування тяги – максимальна потужність на валу повітряного гвинта не більше за потужність на максимальному тривалому режимі.

В разі відмови двигуна на етапі зльоту літака і заходу на другий круг передбачений максимальний надзвичайний режим на зльоті – 2800 к.с. (2058 кВт) при обертах гвинта 1202,93 об/хв. Переведення на цей режим здійснюється автоматично по сигналу відмови протилежного двигуна. В складних умовах зльоту допускається час безперервної роботи до 5 хвилин, після чого двигун підлягає заміні.

В разі відмови двигуна в польоті передбачений надзвичайний режим для завершення польоту – 2130 к.с. (1567 кВт, 1202,93 об/хв).

Допускається використання максимального тривалого режиму для крейсерського польоту в складних умовах польоту в межах обумовленого напрацювання [3, c. 47].

 

Двигун ТВЗ-117ВМА-СБМ1

 

Двигун ТВЗ-117ВМА-СБМ1 обладнаний наступними системами:

– системою запуску;

– системою змащування і суфлірування;

– системою захисту від обмерзання;

– системою живлення паливом;

– системою управління режимами роботи, контролю і діагностики.

Двигун обладнаний автономною автоматичною системою запуску, що включає повітряну, паливну і електричну складові частини системи.

Повітряна система забезпечує розкручування ротора компресора повітряним стартером або від допоміжної силової установки, або від працюючого двигуна, або від наземного джерела стисненого повітря.

Повітряний стартер є малогабаритним турбінним двигуном. Він складається з повітряної турбіни з редуктором, повітряного клапана з командним агрегатом і додатковим перекривним пристроєм. Повітряний клапан слугує для включення подачі стисненого повітря на турбіну повітряного стартера з літакової магістралі.

Повітряний стартер обладнаний автоматичною системою захисту, яка видає команду на повітряний клапан і додатковий перекривний пристрій при досягненні ротором повітряного стартера граничної частоти обертання. Додатковий перекривний пристрій призначений для автоматичного припинення подачі повітря до турбіни по електричній команді вказаної системи. На повітряному стартері також є система обмеження тиску повітря перед сопловим апаратом турбіни повітряного стартера.

Роботою двигуна на запуску управляє електрична система автоматичного управління. Включення і виключення агрегатів системи запуску виконується командами, що формуються електричною системою автоматичного управління, відповідно до циклограми запуску.

Замкнута циркуляційна система змащування забезпечує постійну подачу масла під тиском до поверхонь опор роторів, що труться, деталей редукторів, що обертаються, центрального приводу і коробки приводів. Крім того, система змащування забезпечує подачу масла в систему управління повітряним гвинтом, а також в систему виміру моменту, що крутить. Система суфлірування здійснює відділення повітря від масла, після того, як масло пройде через гарячі вузли двигуна і спіниться. Суфлірування виконує відцентровий насос (суфлер) [4, c. 36].

Гаряче масло після охолоджування поверхонь опор роторів, що труться, подається в паливно-масляний теплообмінник для підігріву палива, яке поступає в камеру згорання двигуна. Підігрів палива необхідний для поліпшення його горіння в камері згорання. При нагріві палива в паливно-масляному теплообміннику понад 60 °С здійснюється перепускання масла термоклапаном, завдяки чому виключається перегрівання палива вище за температуру його термостабільності.

Під контролем в системі змащування знаходяться поточний і мінімальний тиск масла, температура масла на вході в двигун, поточний, мінімальний і максимальний рівні масла в баку, температура масла, що відкачується з гарячих опор ротора.

Відкачуване масло з редукторів, опор турбін і задньої опори компресора знаходиться під контролем сигналізаторів стружки, що видають сигнал про наявність феромагнітної стружки. Масло, що відкачується з опор турбін і задньої опори компресора, також знаходиться під контролем стружкосигналізатора.

Система захисту від обмерзання двигуна – повітряно-масляна, призначена для обігріву вхідних елементів, схильних до обмерзання за певних умов. Горизонтальні стійки вхідного каналу, кок і лопатки вхідного направляючого апарату обігріваються повітрям. Вертикальні стійки першої опори і вхідна частина повітрозабірника обігріваються маслом. Включення повітряної системи захисту від обмерзання може здійснюватися як автоматично, по команді датчика обмерзання, так і вручну.

Система живлення паливом призначена для забезпечення двигуна паливом в усьому діапазоні режимів роботи, висот і умов польоту літака. На вхід паливної системи двигуна з баків паливо подається за допомогою відцентрового насоса. Паливо проходить через паливно-масляний теплообмінник і паливний фільтр до насоса-регулятора двигуна НР-2000. Паливний фільтр має датчики тиску палива на вході і на виході для сигналізації перепаду тиску на фільтрі. Паливний фільтр має перепускний клапан, який спрацьовує при засміченні фільтру і забезпечує подачу палива в двигун, оминувши фільтр.

Подача палива в двигун дозується електронним (основним) або механічним (резервним) регуляторами. Після дозування паливо подається до розподільника палива РТ-2000, що розподіляє паливо по контурах форсунок. Управління подачею палива в нормальному (справному) режимі роботи системи живлення паливом здійснюється від важеля управління двигуном (РУД) через регулятор електронний двигуна РЭД-2000. При відмові електронного регулятора РЭД-2000 в системі управління передбачена механічна система тяг від РУД до насоса-регулятора НР-2000, яка дозволяє управляти двигуном в резервному режимі.

Система автоматичного управління, контролю і діагностики виконує функції автоматичного управління параметрами силової установки літака Ан-140 з двигуном ТВЗ-117ВМА-СБМ1 і повітряним гвинтом АВ-140, а також здійснює поточний контроль силової установки з рішенням допускових алгоритмів і сигналізацією критичних режимів.

Система автоматичного управління, контролю і діагностики забезпечує запуск двигунів на землі та в польоті, управління режимами роботи і оптимізацію режимів роботи двигуна при зміні умов польоту, зупин двигуна, передачу інформації про роботу силової установки екіпажу і в бортовий пристрій реєстрації БУР-92А [5, c. 21].

Висновки

 

Підвівши підсумки, можна виділити основні переваги та недоліки турбогвинтових двигунів.

Перевагами турбогвинтових двигунів є:

- невелика вага в порівняння з поршневими двигунами;

- менша витрата палива в порівняння з турбореактивними двигунами, що пояснюється наявністю повітряного гвинта, ККД якого часом досягає 86%.

Але при всіх своїх перевагах турбогвинтових двигунів не можуть повністю замінити собою реактивні двигуни, адже їх конструкція не дозволяє розвивати великі швидкості. Їх швидкісна межа становить 750 км / год, тоді як сучасна авіація вимагає набагато більшого. Ще один мінус - шум при роботі гвинта, що перевищує гранично допустимі значення, затверджені Міжнародною організацією цивільної авіації.

Таким чином, незважаючи на високий ККД і економічність, використання турбогвинтових двигунів обмежене. В основному ними оснащуються літаки, що літають з невеликою швидкістю і на далекі відстані, що дозволяє значно знизити вартість пасажирських і вантажних перельотів. У цих випадках їх використання повністю виправдано. Але у військовій авіації турбогвинтових двигунів практично не використовуються - тут важливі не економія палива, а швидкість, маневреність і безшумність, що цілком можуть забезпечити турбореактивні двигуни.