5.9. Схемы и основные параметры турбовинтовых и турбовинтовентиляторных двигателей

Турбовинтовые двигатели (ТВД)стали применяться раньше, чем двухконтурные двигатели, и примерно одновременно с ТРД. Они обеспечили лучшую по сравнению с ТРД экономичность силовой установки при небольших дозвуковых скоростях полета (V < 600…700 км/ч). На них была использована отработанная и проверенная многолетним опытом эксплуатации поршневых двигателей относительно простая система регулирования винта путем изменения угла установки его лопастей.

В результате этого ТВД получили в 1960…1970-е годы широкое применение на отечественных дозвуковых пассажирских (Ил‑18, Ту-114, Ан‑24Т, Ан-10 и др.) и военных (Ан-8, Ан-12, Ан‑22, Ту‑95) самолетах, а также на многих зарубежных самолетах аналогичного назначения. ТВД сочетали в себе преимущества создания тяги воздушным винтом на взлете и при малых скоростях полета с весовыми преимуществами газотурбинного двигателя по сравнению с поршневым.

Но дальнейшее увеличение скоростей полета самолетов с ТВД оказалось невыгодным. С ростом скорости полета на концах лопастей винтов относительная скорость становится сверхзвуковой, что приводит к возрастанию волновых потерь и снижению КПД винта. На скоростях полета, соответствующих 850…950 км/ч, более экономичными оказались двухконтурные двигатели, вентилятор которых, благодаря предварительному торможению воздушного потока в воздухозаборнике, работает при меньших относительных скоростях, чем воздушный винт, а следовательно, с более высоким КПД. Поэтому уже на самолетах третьего поколения (Ил-76, Ил-86, Ту-154, Як-40 и др.) ТРДД практически полностью вытеснили ТВД из авиации.

К числу недостатков ТВД, помимо ухудшения их экономичности при увеличении скорости полета, следует отнести высокий уровень шума, повышенные вибрации от винта, имеющего значительный диаметр и большую массу, а также наличие редуктора с высокими передаточными отношениями, а поэтому тяжелого, требующего высокой точности изготовления и работающего в очень напряженных условиях.

Только в последние годы, благодаря появлению усовершенствованных газогенераторов и созданию воздушных винтов нового типа, получивших название винтовентиляторов, стали появляться турбовинтовентиляторные двигатели (ТВВД), которые по существу являются дальнейшим развитием ТВД. Принципиальные схемы ТВД и ТВВД представлены на рис. 5.15.

Большинство серийных ТВД, находящихся в эксплуатации, которые по существу уже являются морально устаревшими, выполнено по одновальной схеме (рис. 5.15 а). Для них характерно соосное расположение двигателя и редуктора, причем редуктор выполняется в единой конструктивной компоновке с двигателем. Примерами двигателей такой схемы являются ТВД НК-12, АИ-20, АИ-24.

ТВД нового поколения выполняются, как правило, двух- или трехвальными с автономными ГГ (одно- или двухвальными) и свободной турбиной. По двухвальной схеме с одновальным ГГ выполнен двигатель ТВ7-117С, а с двухвальным ГГ – английский ТВД «Тайн».

Турбовинтовые двигатели по рабочему процессу имеют много общего с турбовальными двигателями. У них также практически вся развиваемая мощность через редуктор передается на воздушный винт. Но они применяются на более скоростных летательных аппаратах, чем турбовальные ГТД, и поэтому приращение кинетической энергии выхлопных газов у них используется для получения сравнительно небольшой по величине реактивной тяги.

Рассмотрим основные параметры, характеризующие эффективность работы ТВД и ТВВД.

Мощность на валу винтаопределяется по формуле

N_в =G_вL_в =G_вL_е_ред, (5.6)

а создаваемая реактивная тяга равна:

Р_р =G_вР_уд =G_в(с_с–V), (5.7)

где L_в =L_е_ред– работа на валу винта;_ред– КПД редуктора.

Поэтому тяговая мощность, развиваемая двигателем в полете, определяется соотношением

N_тяг =N_в_в +Р_рV.(5.8)

Здесь N_в_в и Р_рV – тяговые (полезные) мощности винта и реактивной струи, _в – КПД винта.

В соответствии с (5.8) удельная тяговая работа ТВД и ТВВД равна

L_тяг =N_тяг/G_в =L_е_ред_в + (с_с–V)V.(5.9)

Реактивная мощность у ТВД мала, и чтобы ее не оценивать самостоятельно, вводят в рассмотрение так называемую эквивалентную мощность

N_экв ==N_в +. (5.10)

Как следует из формулы (5.10), N_экв – это такая мощность, которую надо было бы иметь на валу винта, чтобы лишь за счет винта двигатель развивал такую же тяговую мощность, которая реально получается за счет винта и реакции.

Удельная эквивалентная мощность равна:

N_экв.уд =L_экв =. (5.11)

Удельный эквивалентный расход топлива определяют по отношению часового расхода топлива к эквивалентной мощности N_экв, т.е.

С_экв =. (5.12)

Зависимости N_экв.удиС_эквоти(или оти) качественно не отличаются от аналогичных зависимостей дляN_{е уд}иC_е, приведенных на рис. 5.10. У современных ТВД обычноN_эквв расчетных условиях полета на 8…10% больше, чемN_в. У ТВВД доля мощности от реакции газовой струи выше, чем у ТВД. Это отличиеN_эквотN_вопределяется условиями распределения работы цикла между винтом и реакцией.