Наши партнеры ArtmMisto
Турбогвинтовентиляторний двигун (ТВВД) - це двигун, який займає проміжне положення між турбогвинтовим (ТВД) і турбовентиляторних реактивним двигуном (ТВРД). Вже по його назві можна зробити висновок, що в собі він поєднує переваги використання повітряного гвинта і вентилятора.
Як відомо, ТВД є найбільш економічним типом моторів, використання якого дозволяє значно скоротити витрати на паливо, але при цьому він досить гучний і не може розвивати надзвукові швидкості. Тяга в ТВД утворюється переважно за рахунок обертання лопатей повітряного гвинта, що має досить великий діаметр, а реактивна її складова не перевищує 10-20%.
У свою чергу, ТВРД являє собою реактивний двоконтурний двигун, конструкція і принцип роботи якого дозволяють зменшити витрату палива в порівнянні зі звичайними турбореактивними двигунами. Літаки з ТВРД можуть розвивати надзвукові швидкості, а економія палива забезпечується наявністю другого контуру - кільцевого каналу, оперізувального внутрішній корпус. Вентилятор в такому двигуні не створює безпосередньо тягу, як повітряний гвинт, а є, по суті, компресором низького тиску, що нагнітає повітря в перший і другий контур.
особливості двигуна
ТВВД оснащується одним або двома вінтовентіляторамі, які одночасно нагнітають повітря в перший контур, що представляє собою звичайний турбореактивний двигун, і створює додаткову тягу. ТВВД - це вид двоконтурних турбореактивних двигунів з дуже високим ступенем двоконтурного (в середньому 20-50, але може доходити і до 90). Під ступенем двоконтурного мається на увазі відношення кількості повітря, що пройшло по другому контуру, до кількості повітря, що пройшло через перший. Чим вище цей показник, тим більш ефективним є двигун.
ТВВД, як і інші представники сімейства газотурбінних двигунів, складається з компресора, камери згоряння палива, газової турбіни і сопла. Крім того, цей тип двигуна має додаткову турбіну, що приводить в рух вінтовентілятор через редуктор. В цьому відношенні ТВВД схожий з ТВД, де повітряний гвинт теж з'єднаний з приводний турбіною через редуктор, що знижує кутову швидкість обертання і збільшує момент, правда, лопаті вінтовентілятора менше лопатей гвинта майже в 2 рази і він грає трохи іншу роль в загальній роботі мотора. Турбіна в двигуні обертається зі швидкістю, що досягає 20-30 тис. Оборотів, але ні гвинт, ні вінтовентілятор не можуть ефективно працювати при такій швидкості, саме тому і використовується редуктор. Разом з тим його наявність в конструкції - це «слабка ланка». Зазвичай в ТВВД використовуються планетарні редуктори, а вони вважаються неефективними серед всіх видів шестерних передач. Вони чутливі до підвищених навантажень, вимогливі до якості масла і до його робочим параметрам. Разом з тим особливості геометрії лопатей вінтовентілятора дозволяють підвищити його ККД до 80-90% при польотах на дозвукових швидкостях, що перекриває всі конструктивні недоліки.
ТВВД встановлений на літаку АН-70
Принцип роботи
Принцип роботи ТВВД в загальних рисах нагадує принцип роботи двоконтурного турбореактивного двигуна, яким він певною мірою і є. Потік повітря потрапляє в перший контур - корпус двигуна. Там він потрапляє в осьовий компресор на його рухливі лопатки, які стискають його і витісняють в напрямку нерухомі лопаток, які надають йому осьовий напрямок руху. Ряд нерухомих і рухомих лопаток - це щабель компресора, і чим більше таких ступенів, тим вище ступінь стиснення повітря.
Після стиснення в компресорі повітряний потік під тиском надходить в камеру згоряння, де знаходяться паливні форсунки і воспламенители. Сама камера згоряння може бути кільцевої або ж складатися з декількох окремих жарових труб. У ній повітря перемішується з вприснутим через форсунки паливом, утворюючи паливний заряд, який запалюється і згорає, утворюючи розширені гази.
Продукти горіння у вигляді газів, що знаходяться під високим тиском, виходять з камери згоряння і потрапляють на лопаті турбіни. Турбіна, як і компресор, має нерухомі і рухомі лопатки, тільки встановлюються вони навпаки: спочатку гази проходять через нерухомі лопаті, вирівнюючи свій напрямок, а потім потрапляють на рухливі, віддаючи їм частину своєї енергії. За рахунок впливу газів на лопатки турбіна обертається, приводячи в рух компресор, закріплений з нею на одному валу. Як і компресор, турбіна складається з декількох ступенів, але їх кількість не перевищує 5-ти.
У турбовинтовентиляторні двигуні крім основної турбіни є ще одна, що обертає вінтовентілятор, і ці турбіни працюють незалежно одна від одної. Вал приводу вентилятора зазвичай розміщується всередині валу приводу компресора, при розташуванні вінтовентілятора в передній частині двигуна. Якщо вінтовентілятор розташовується в задній частині ТВВД, то вільна турбіна пов'язана безпосередньо з гвинтами через корпус, що спрощує конструкцію. Турбіна вінтовентілятора розміщена за основною турбіною і приводиться в рух все тими ж газами.
Після проходження турбін відпрацьовані гази, все ще мають високу швидкість і температуру, виходять назовні через сопло, утворюючи реактивну тягу. Сопло в найпростішому виконанні - це звужується труба, але в деяких випадках можна регулювати її перетин і навіть спрямованість виходу реактивного потоку.
Види компоновок турбовинтовентиляторні двигунів
На сьогоднішній момент в світі зустрічаються ТВВД 2 основних компонувань, по розташуванню вінтовентілятора.
а - вінтовентілятор попереду; б - вінтовентілятор в обтічнику; в - вінтовентілятор ззаду
На відміну від ТВРД ТВВД не має другого контуру, як такого, тобто у нього немає зовнішнього корпусу. Вінтовентілятор може оснащуватися обтічником, який іноді помилково приймається за зовнішній корпус другого контуру, але це зовсім не обов'язково - він може виконуватися і повністю відкритим. Сам вінтовентілятор - це гвинт з укороченими лопатями складної геометричної форми. Їх шаблеподібний форма дозволяє не просто пропускати повітря, створюючи тягу, а й частково стискати його і направляти на компресор, а також зменшувати хвильовий аеродинамічний опір. Двигун може мати один вінтовентілятор або два, що обертаються в протилежні сторони. Різне напрямок обертання - це ще одна причина використання планетарного редуктора.
У порівнянні з турбогвинтовим двигуном турбогвинтовентиляторний менш галасливий, при його роботі рівень вібрацій набагато нижче. Якщо ж порівняти його з турбовентиляторних реактивним двигуном, то, завдяки високому ступеню двоконтурності, він спалює менше палива при однаковій потужності (економія становить близько 25-30%).
Використання
Незважаючи на свою високу ефективність, ТВВД поки не знайшли масового застосування в авіації. На сьогоднішній день одним з небагатьох таких двигунів, який дійсно використовується на літаках, є Д-27. Це творіння Запорізького машинобудівного конструкторського бюро «Прогрес» ім. академіка А.Г. Івченко, яке спочатку планувалося встановлювати на літаки АН-70, АН-120, ЯК-44 і БЕ-42. З усіх перерахованих цей двигун був встановлений тільки на літак АН-70, який і зараз успішно використовується в цивільній авіації. Решта ж розробки були зупинені або повністю припинені, що особливо прикро, враховуючи, що аналогів Д-27 немає в усьому світі.
З інших розробок ТВВД варто також відзначити Д-236 на основі Д-36 і НК-93. На жаль, ні перший, ні другий так і не були встановлені на діючі моделі літаків, а тестувалися виключно на стендах.
Як було зазначено вище, ТВВД в «чистому вигляді» представлені тільки моделлю Д-27, але серед двигунів зарубіжного виробництва є моделі, що нагадують їх за своєю будовою і принципом роботи. Серед них найбільш відомим є GE36 (Ultra High Bypass Turbofan або Unducted fan UDF) - двигун з відкритим ротором. Це не ТВВД в звичному розумінні, але все ж загальні риси у них є. У випадку з GE36 відкриті лопаті гвинта розташовані не перед компресором, а на задній частині корпусу двигуна, тому він не нагнітає повітря в перший контур, як вентилятор або вінтовентілятор. Привід гвинта здійснюється за рахунок вільної турбіни, а його лопаті мають складну шаблевидної форму. Використання такого двигуна дозволяє заощадити до 35% палива в порівнянні з ТВРД, але при цьому при роботі він створює багато шуму. Поки GE36 не встановлюється на літаки, але роботи по його удосконаленню все ж тривають.
Двигун General Electric GE36
ТВВД - це перспективний напрямок в розробці авіаційних двигунів, що дає можливість економії витрати палива при польотах на дозвукових швидкостях без втрат потужності. Можливо, в майбутньому все ж відновляться роботи по їх конструювання та вдосконалення.
На останок відео роботи турбовинтовентиляторні двигуна в сукупності з машиною КБ Антонова АН-70 і політ АН-70 з ТВВД Д-27.
