5.13. Области применения тввд и перспективы их развития

Разрабатываемые в последние годы турбовинтовентиляторные двигатели (ТВВД) отличаются от ТВД двумя характерными чертами: новым типом винта - многолопастным, с широкохордными лопастями и газогенератором нового поколения – одно- или двухвальным – с высокими параметрами рабочего процесса (рис. 5.15 б). Помимо этого, учитывая бóльшие скорости полета самолета, получаемые при использовании ТВВД, у них выбираются более высокие расчетные значения скорости истечения газа из сопла с_с, а поэтому увеличивается доля работы цикла, используемая для создания реактивной тяги.

Принципиальная схема ТВВД с двухвальным ГГ показана на рис. 5.15 б. В данном случае ГГ сохраняет такие же свойства и характеристики, какими он обладает в других схемах ГТД (при одинаковых расчетных параметрах), а привод винтовентилятора осуществляется от вала свободной турбины через редуктор. Рассмотрим подробнее отличительные особенности ТВВД и проблемы, возникающие при их создании.

Основными проблемами, связанными с разработкой ТВВД, являются: создание многолопастного высокоэффективного винтовентилятора изменяемого шага; отработка газогенератора на высокие параметры рабочего процесса; снижение внешнего сопротивления гондолы и обеспечение положительной интерференции винтовентилятора, гондолы и крыла; обеспечение приемлемых уровней шума и эмиссии выхлопных газов; создание надежных малогабаритных редукторов.

Винтовентилятор (ВВ)ТВВД в отличие от обычных винтов ТВД должен эффективно работать с высоким КПД (не менее 0,8) до чисел М полета, равных 0,8…0,85. С этой целью необходимо улучшить аэродинамические характеристики ВВ при высоких числах М полета, а следовательно, при больших числах М_wпо относительной скорости набегающего потока воздуха.

Улучшение аэродинамических характеристик ВВ достигается за счет двух факторов: 1 – использования для лопастей винта тонких суперкритических профилей, имеющих относительную толщину до 0,02;2 – применения лопастей саблевидной формы, чем обеспечивается угол стреловидности на периферии  до 30° и достигается увеличение критических чисел М_w.кр при обтекании периферийных сечений лопастей. Помимо этого, дополнительное повышение КПД (на 2…3%) обеспечивается применением двухрядных винто-вентиляторов с противоположным вращением лопастей. За счет указанных факторов удается обеспечить высокий КПД ВВ – до 0,8…0,82 при М_Н = 0,8.

Рис. 5.19. Сравнение ТВД, ТВВД и ТРДД

как движителей

На рис. 5.19 показано сравнение ТВД, ТРДД и ТВВД как движителей, т.е. по тяговому КПД (с учетом КПД винта и сопротивления двигательной гондолы). Как видно, у ТВД высокие тяговые КПД достигаются при малых числах М полета, а при М_Н > 0,65 величина их тягового КПД _тяг резко падает. У ТРДД тяговый КПД возрастает с ростом числа М полета, но его максимальные значения остаются на 12…15% меньшим, чем у ТВД при М_Н < 0,6. У ТВВД при М_Н = 0,8 удается получить такой же по величине тяговый КПД, как у ТВД при М_Н = 0,6, и обеспечить при М_Н = 0,8 его величину на 12….15% выше, чем у ТРДД с высокими степенями двухконтурности.

Газогенераторы с высокими параметрами рабочего процесса разрабатываются с использованием опыта создания ТРДД новых поколений. Существовавшие ранее ТВД относились к двигателям 2-го поколения. Они имели

= 8…10 и = 1200…1250 К. Развитие за последние годы ГТД других типов было связано с накоплением опыта создания ГГ с высокими параметрами рабочего процесса.Поэтому у ТВВД, которые следует отнести к двигателям 5-го поколения, этот опыт полностью используется.

У ТВВД в зависимости от назначения двигателя ожидается иметь

= 20…40 и = 1650…1750 К. Такие параметры рабочего процесса по сравнению с применявшимися у ТВД 2-го поколения позволяют получить увеличение внутреннего КПД двигателя на 5…7 %. С учетом более высокого тягового КПД этот выигрыш в экономичности ТВВД существенно возрастает.

Разработка гондолы двигателя с малым внешним сопротивлением является также весьма важной задачей. Одним из возможных путей получения положительной интерференции силовой установки и планера самолета в полете и на взлетных режимах является обдув винтом внешней поверхности крыла.

Обдув ВВ внешней поверхности крыла при отклоненных закрылках на взлете позволяет существенно повысить С_у за счет увеличения циркуляции скорости вокруг профилей крыла. Здесь также достигается эффект от поворота вектора тяги, создаваемой ВВ, вследствие отклонения крылом и закрылками потока воздуха, отбрасываемого винтом, вниз по отношению к скорости полета.

Показатели по уровню шума и загрязнению окружающей среды нормируются и имеют важное значение для самолетов гражданской авиации. Уровень шума у ТВВД ниже, чем у ТВД, но он пока еще уступает уровню шума ТРДД.

Подход к рассмотрению совместной работы элементов ТВВД, как указывалось, в принципе не отличается от изложенного ранее для других типов ГТД. Протекание высотно-скоростных характеристик также остается качественно аналогичным рассмотренному для ТВД (рис. 5.17).

Ярким примером успешной разработки и реализации ТВВД в последние годы может служить двигатель Д-27 Запорожского авиамоторного комплекса «Прогресс»-«Мотор-Сич», предназначенный для установки на российско-украинском военно-транспортном самолете Ан-70 (рис. 5.20 а). На взлетном режиме двигатель имеет мощность 10300 кВт (14000 л.с.). На крейсерском режиме полета (М_Н= 0,8;Н = 11 км) при мощности 5000 кВт удельный расход топлива при тяге 67,5 кН составляет 0,047 кг/(Нч). При этом= 1450 К;= 30 и_в = 0,84.

Продольный разрез проточной части двигателя Д-27 показан на

рис. 5.20 б. Двигатель выполнен по трехвальной схеме и имеетz_кнд = 5;z_квд = 3 (2 осевых и 1 центробежная ступени);z_твд = 1;z_тнд = 1 иz_с.т = 4.

Важным достоинством силовой установки самолета Ан-70 является то, что на ней применены дифференциальный редуктор со встроенным измерителем крутящего момента и двухрядный винтовентилятор с противоположным вращением лопастей с диаметром винта D_в=4,5 м и числом лопастей 8+6.