СХЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТУРБОВИНТОВЫХ И ТУРБОВИНТОВЕНТИЛЯТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Турбовинтовые двигатели (ТВД) стали применяться намного раньше, чем двухконтурные двигатели, примерно одновременно с ТРД. Они обеспечили лучшую по сравнению с ТРД экономичность силовой установки при умеренных дозвуковых скоростях полета (V < 700…750 км/ч). И поэтому получили в 1960…70-е годы широкое применение на отечественных дозвуковых пассажирских (Ил‑18, Ту-114, Ан-10 и др.) и военных (Ан-12, Ту‑95 и др.) 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 существенным весовыми преимуществами газотурбинного двигателя по сравнению с поршневым. Но дальнейшее увеличение скоростей полета самолетов с ТВД оказалось трудным. С ростом скорости полета на концах лопастей винтов относительная скорость становится сверхзвуковой, что приводит к возрастанию волновых потерь и резкому КПД винта. Поэтому уже на самолетах третьего поколения (Ил-76, Ил-86, Ту-154, Як-40 и др.) ТРДД практически полностью вытеснили ТВД.

К числу недостатков ТВД, помимо ухудшения их экономичности при скоростях полета свыше 700 … 750 км/ч (из-за падения КПД обычных воздушных винтов), 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.

Рис. 43.1

В последние годы, благодаря появлению усовершенствованных 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. 43.1. Большинство серийных ТВД, еще находящихся в эксплуатации, выполнено по одновальной схеме (в которой нельзя выделить газогенератор), показанной на рис. 43.1, а. Примерами двигателей такой схемы являются НК‑12, АИ-20, АИ-24. Современные ТВД и ТВВД выполняются, как правило, двух- или трехвальными с одно- или двухвальным газогенератором и свободной турбиной. По двухвальной схеме с одновальным ГГ выполнен двигатель ТВ7-117С, а по трехвальной схеме с двухвальным ГГ (рис. 43.1, б) – ТВВД Д 27. Внешний вид и чертеж продольного разреза двигателя Д 27 показаны на рис. 43.2.

Рис.43.2. Двигатель Д-27: а) – внешний вид; б) – продольный разрез

Для всех ТВД и ТВВД характерно применение соосного редуктора, причем выполненного (в отличие от ТВаД) в единой конструктивной компоновке с двигателем.

Рабочий процесс ТВД и ТВВД мало отличается от рабочего процесса турбовальных двигателей. У них также работа цикла через редуктор передается, в основном, на воздушный винт (под термином «воздушный винт» будем далее подразумевать и винтовентилятор ТВВД). Но увеличение кинетической энергии газов, выходящих из сопла (по сравнению с энергией набегающего потока) у них выполняется более значительным по соображениям, которые будут обоснованы позже..

Рассмотрим основные параметры, характеризующие эффективность работы ТВД и ТВВД.

Мощность на валу винта ТВД (или ТВВД) равна

N_в= G_вL_в = G_вL_еh_ред,

а создаваемая двигателем им реактивная тяга равна:

Р_р=G_вР_уд=G_в(с_с–V),

где L_e – часть работы цикла, передаваемая на винт (через редуктор), h_ред – КПД редуктора и L_в=L_еh_ред – работа на валу винта.

Если Р_в – тяга винта, то тяговая мощность, создаваемая винтом в полёте, равна:

.

Отношение тяговой мощности винта к мощности на валу винта называется КПД воздушного винта .

Тяговая мощность, создаваемая реактивной струей, как известно, равна .

Тогда тяговая мощность, развиваемая двигателем в полете, определится формулой

N_тяг=N_вh_в+Р_рV. (43.1)

Соответственно, удельная тяговая работа ТВД (или ТВВД) равна

L_тяг = N_тяг/G_в = L_еh_редh_в + (с_с–V)V. (43.2)

Для того, чтобы оценить суммарную эффективность ТВД или ТВВД, вводят в рассмотрение так называемую эквивалентную мощность

N_экв = = N_в + . (43.3)

Как следует из формулы (43.3), 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 и винта и реакции.

Удельная эквивалентная мощность ТВД (ТВВД) равна:

N_экв.уд = L_экв = . (43.4)

Удельный эквивалентный расход топлива у ТВД (ТВВД) определяют по отношению часового расхода топлива к эквивалентной мощности N_экв, т.е.

С_экв= . (43.5)

Значения N_экв.уд и равной ей L_экв мало отличаются от работы цикла, а С_экв , как и C_е в ТВаД, практически обратно пропорционален внутреннему КПД цикла

С_экв= » = . (43.6)

Поэтому зависимости N_экв и С_экв от p и D (или от и ) для ТВД или ТВВД качественно не отличаются от аналогичных зависимостей для N_е.уд и C_е, ТВаД.