Турбовальный двигатель

Турбовальный двигатель — это тип газотурбинного двигателя (ГТД), в котором основная часть энергии сгоревшего топлива преобразуется в механическую энергию на выходном валу, а не в реактивную тягу. В отличие от турбореактивного двигателя, где газовая струя создаёт силу, толкающую летательный аппарат, в турбовальном двигателе почти вся энергия газов (обычно 90–95 %) используется для вращения свободной турбины, соединённой с редуктором и выходным валом. Турбовальные двигатели широко применяются в авиации (вертолёты, самолёты с воздушными винтами), в наземной технике (танки, корабли, газоперекачивающие станции) и в стационарных энергетических установках.

История

Первые проекты газотурбинных двигателей с отбором мощности на вал появились ещё в 1930-х годах, но практическая реализация стала возможна после Второй мировой войны. В 1940-х годах в СССР и Великобритании велись разработки вертолётных ГТД. Первым серийным турбовальным двигателем считается британский Rolls-Royce Nene, адаптированный для вертолёта Westland Whirlwind в 1950-х годах. В 1951 году в США компания General Electric создала двигатель T58 (первый в мире турбовальный двигатель, предназначенный специально для вертолётов). В СССР в 1950-х годах ОКБ-29 (ныне ОАО «Климов») разработало двигатель ГТД-350 для вертолёта Ми-2, а в 1960-х — двигатель ТВ2-117 для Ми-8. В 1960–1970-х годах турбовальные двигатели вытеснили поршневые двигатели в вертолётостроении благодаря лучшей удельной мощности, меньшей массе и возможности работы на керосине. В 1980-х годах появились двигатели с цифровым управлением (FADEC), повысившие экономичность и надёжность. В XXI веке развитие турбовальных двигателей идёт по пути снижения удельного расхода топлива, увеличения ресурса (до 10 000–20 000 часов) и снижения выбросов.

Устройство и принцип работы

Турбовальный двигатель состоит из нескольких основных узлов:

• Входное устройство (воздухозаборник) — направляет поток воздуха в компрессор, часто с защитой от посторонних предметов (пылеуловители).
• Компрессор — повышает давление воздуха. Бывает осевым (многоступенчатые лопатки) или центробежным (одна-две ступени). В современных двигателях применяются комбинированные схемы (осевой + центробежный).
• Камера сгорания — в ней смешивается сжатый воздух и топливо (керосин, дизельное топливо) и происходит непрерывное горение при температуре 1200–1600 °C.
• Газовая турбина — состоит из двух частей: турбины компрессора (приводит во вращение компрессор) и свободной (силовой) турбины, которая вращает выходной вал. Между ними нет механической связи — газы проходят последовательно.
• Выхлопное устройство — отводит отработавшие газы, часто с глушителем и системой отвода тепла.
• Редуктор — понижает частоту вращения выходного вала (обычно 20 000–50 000 об/мин у турбины до 300–6000 об/мин на выходе) и увеличивает крутящий момент.

Принцип работы: воздух засасывается в компрессор, сжимается (степень сжатия 10–30), поступает в камеру сгорания, где смешивается с топливом и воспламеняется. Горячие газы расширяются, проходят через турбину компрессора (отдавая часть энергии на вращение компрессора), затем через свободную турбину, которая вращает выходной вал. Отработавшие газы выбрасываются в атмосферу. В отличие от турбовинтового двигателя, где винт крепится непосредственно к валу турбины, в турбовальном двигателе выходной вал может быть соединён с редуктором, генератором, гребным винтом или другим механизмом.

Классификация

Турбовальные двигатели классифицируют по нескольким признакам:

По назначению

• Авиационные — для вертолётов (основной тип), самолётов с воздушными винтами (турбовинтовые двигатели, близкие по конструкции, но с винтом на одном валу), а также для вспомогательных силовых установок (ВСУ).
• Наземные — для привода генераторов (газотурбинные электростанции), газоперекачивающих агрегатов, насосов, компрессоров, а также для танков (например, ГТД-1000Т на Т-80).
• Морские — для судовых газотурбинных установок (например, на корветах, фрегатах, ледоколах).
• Промышленные — для механических приводов в нефтегазовой, химической и металлургической промышленности.

По конструктивной схеме

• Одновальные — компрессор и свободная турбина находятся на одном валу. Применяются редко, так как сложно регулировать частоту вращения.
• Двухвальные — компрессор и турбина компрессора на одном валу, свободная турбина на другом. Наиболее распространённая схема.
• Трёхвальные — компрессор низкого и высокого давления на разных валах, свободная турбина на третьем. Используются в мощных двигателях (например, General Electric LM2500).

По типу компрессора

• Центробежные — простые, надёжные, но с меньшей степенью сжатия (до 6–8). Применяются в маломощных двигателях (до 500 кВт).
• Осевые — более сложные, но с высокой степенью сжатия (до 30). Используются в мощных двигателях (свыше 1000 кВт).
• Комбинированные — осевой компрессор низкого давления + центробежный высокой степени сжатия. Оптимальный баланс для авиационных двигателей.

Характеристики

Основные параметры турбовальных двигателей:

• Мощность — от 50 кВт (малые вертолёты) до 50 000 кВт (промышленные установки). Для авиации типичны значения 500–5000 кВт.
• Удельный расход топлива — 0,25–0,35 кг/(кВт·ч) для современных двигателей, у старых — до 0,45 кг/(кВт·ч).
• Удельная мощность — 2–8 кВт/кг (отношение мощности к массе двигателя).
• Степень сжатия — 10–30.
• Температура газов перед турбиной — 1200–1600 °C (в перспективе до 1800 °C с керамическими лопатками).
• Ресурс — 5000–20 000 часов до капитального ремонта (для авиационных); 50 000–100 000 часов для промышленных (при работе на газе).
• КПД — 25–38 % (для авиационных), до 42 % для промышленных с рекуперацией тепла.

Применение

Авиация

Основное применение — вертолёты. Турбовальные двигатели обеспечивают высокую мощность при малой массе, что критично для взлёта и висения. Примеры: двигатель ТВ3-117 (Россия) для Ми-8, Ми-24, Ка-32; General Electric T700 (США) для UH-60 Black Hawk, AH-64 Apache; Pratt & Whitney Canada PT6 (Канада) для Bell 429, Eurocopter EC145. Также используются в турбовинтовых самолётах (например, двигатель АИ-20 на Ан-12, Ан-26) и в ВСУ (например, ТА-6А на самолётах Ту-154, Ил-76).

Наземная техника

• Танки — газотурбинные двигатели (ГТД) на танках Т-80 (Россия) и M1 Abrams (США). Преимущества: высокая удельная мощность, многотопливность (керосин, дизель, бензин), низкий уровень шума. Недостатки: высокий расход топлива, сложность воздухоочистки.
• Газоперекачивающие станции — турбовальные двигатели приводят центробежные компрессоры для транспортировки природного газа. Примеры: ГТК-10-4 (Россия), Solar Titan 130 (США).
• Электростанции — газотурбинные установки (ГТУ) мощностью 1–50 МВт для резервного или пикового энергоснабжения. Примеры: General Electric LM2500, Siemens SGT-400.

Морская техника

Турбовальные двигатели используются на кораблях (корветы, фрегаты, ледоколы) в качестве главных или вспомогательных двигателей. Примеры: двигатель М70ФР (Россия) для корветов проекта 20380, Rolls-Royce MT30 для британских эсминцев Type 45.

Промышленность

Приводы насосов, компрессоров, вентиляторов на нефтеперерабатывающих заводах, в химической промышленности. Используются в когенерационных установках (одновременная выработка электроэнергии и тепла).

Сравнение с другими типами двигателей

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая удельная мощность (до 8 кВт/кг) — меньше масса и габариты по сравнению с поршневыми двигателями той же мощности.
• Многотопливность — работают на авиационном керосине, дизельном топливе, природном газе, сжиженном газе, биотопливе.
• Высокая надёжность и ресурс (до 20 000 часов для авиационных, до 100 000 для промышленных).
• Низкий уровень вибраций (отсутствие возвратно-поступательных движений).
• Быстрый запуск (до 30–60 секунд) и высокая приёмистость (выход на режим за 2–5 секунд).
• Возможность работы в условиях низких температур (до –60 °C) без предварительного подогрева.

Недостатки

• Высокий удельный расход топлива по сравнению с поршневыми двигателями (на 30–50 % больше).
• Сложность конструкции и высокая стоимость производства (в 2–5 раз дороже поршневого аналога).
• Чувствительность к качеству воздуха (требуются эффективные воздухоочистители, особенно в наземной технике).
• Высокий уровень шума и теплового излучения (требуются глушители и теплоизоляция).
• Снижение мощности с высотой (у авиационных двигателей — на 1–2 % на каждые 1000 м высоты).

Интересные факты

• Первый в мире вертолёт с турбовальным двигателем — французский Sud-Ouest Djinn (1953 год), оснащённый двигателем Turbomeca Palouste.
• Двигатель ТВ3-117 (Россия) выпускается с 1974 года и установлен более чем на 20 типах вертолётов, включая Ми-8, Ми-24, Ка-27, Ка-50. Общий выпуск превысил 25 000 единиц.
• Самый мощный турбовальный двигатель — General Electric LM9000 (мощность до 65 МВт), используется в морских и промышленных установках.
• В танке Т-80 (Россия) двигатель ГТД-1000Т имеет мощность 1000 л.с. (735 кВт) и расход топлива 1,6–2,0 л/км (в 2–3 раза больше, чем у дизельных танков).
• Турбовальные двигатели могут работать на водороде (с модификацией камеры сгорания), что делает их перспективными для «зелёной» энергетики.

Источники

• Авиационные газотурбинные двигатели. Под ред. В. А. Скибина. — М.: Машиностроение, 2005.
• Газотурбинные двигатели. Конструкция и расчёт. — М.: МАИ, 2010.
• Rolls-Royce. The Jet Engine. — Rolls-Royce plc, 1996.
• Техническая документация ОАО «Климов» (двигатели ТВ3-117, ВК-2500).
• Jane’s Aero Engines. — Jane’s Information Group, 2020.
• «Турбовальные двигатели: история и перспективы» // Журнал «Двигатель», № 3, 2018.