Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель — это тип газотурбинного двигателя, в котором основная часть энергии сгорания топлива преобразуется во вращение воздушного винта, а не в реактивную струю. В отличие от турбореактивного двигателя, где тяга создаётся за счёт истечения газов, в турбовинтовом двигателе (ТВД) до 90 % энергии газов используется для привода винта через редуктор, а оставшаяся часть (около 10 %) даёт небольшой вклад в виде реактивной тяги. ТВД занимают промежуточное положение между поршневыми авиационными двигателями и турбореактивными, обеспечивая высокую топливную эффективность на дозвуковых скоростях (до 700–800 км/ч) и относительно малую удельную массу.

История

Ранние разработки

Первые теоретические работы по созданию газотурбинного двигателя для привода винта относятся к началу XX века. В 1930-х годах в Великобритании, Германии и СССР велись независимые исследования. В 1941 году британская компания Rolls-Royce создала экспериментальный двигатель W.1, который устанавливался на самолёт Gloster E.28/39, но он был чисто реактивным.

Первый в мире серийный турбовинтовой двигатель был разработан в Великобритании компанией Rolls-Royce — это Dart (RDa.3), впервые поднявшийся в воздух в 1945 году на самолёте Vickers Viscount. В СССР первый ТВД ТВ-2 (разработка ОКБ-19 под руководством А. А. Микулина) прошёл испытания в 1947 году, а серийно выпускался ТВ-2Ф (позднее — АИ-20) для самолёта Ан-10.

Послевоенное развитие

В 1950–1960-е годы турбовинтовые двигатели стали основой для пассажирской и транспортной авиации. В СССР были созданы мощные ТВД: НК-12 (разработка ОКБ-276 Н. Д. Кузнецова) для стратегического бомбардировщика Ту-95 и транспортного Ан-22 «Антей» — до сих пор остаётся самым мощным турбовинтовым двигателем в мире (мощность до 15 000 л. с.). В США компания Pratt & Whitney выпустила PT6 (1963 год) — один из самых распространённых ТВД для лёгкой авиации.

В конце XX века с развитием турбовентиляторных двигателей (ТРДД) турбовинтовые двигатели уступили им на магистральных авиалиниях, но остались востребованы в региональной и транспортной авиации, а также на самолётах специального назначения.

Устройство и принцип работы

Основные компоненты

Турбовинтовой двигатель состоит из следующих узлов:

• Воздухозаборник — направляет поток воздуха в компрессор.
• Компрессор — повышает давление воздуха. Бывает осевым (многоступенчатым) или центробежным (одно- или двухступенчатым). В современных ТВД чаще применяют осевой компрессор.
• Камера сгорания — в ней топливо (обычно керосин) смешивается с воздухом и сгорает, образуя высокотемпературные газы.
• Турбина — расширяющиеся газы вращают лопатки турбины. В ТВД турбина обычно состоит из двух частей: одна (компрессорная турбина) приводит компрессор, другая (силовая турбина) — через редуктор вращает винт. В некоторых схемах используется одна общая турбина.
• Редуктор — понижает частоту вращения силовой турбины (обычно 10 000–30 000 об/мин) до оптимальной для винта (1 000–2 000 об/мин).
• Выходное устройство — сопло, через которое выбрасываются отработанные газы, создавая дополнительную реактивную тягу.

Принцип действия

Воздух поступает в компрессор, сжимается до давления 10–20 атмосфер, затем смешивается с топливом в камере сгорания. Продукты сгорания (газы при температуре 1000–1300 °C) расширяются в турбине, отдавая энергию на вращение вала. Большая часть мощности (до 90 %) передаётся на винт через редуктор, остальная — через сопло создаёт реактивную тягу. Винт создаёт основную тягу за счёт отбрасывания большой массы воздуха назад.

Классификация

По типу компрессора

• Осевые — компрессор состоит из ряда вращающихся и неподвижных лопаток. Обеспечивают высокую степень сжатия и КПД. Пример: АИ-20.
• Центробежные — воздух сжимается за счёт центробежной силы в одном или двух колёсах. Проще в изготовлении, но менее эффективны. Пример: PT6 (имеет комбинированную схему: центробежный компрессор + осевая ступень).

По схеме турбины

• Одновальные — компрессор и винт приводятся одной турбиной. Проще, но менее гибкие в управлении. Пример: НК-12.
• Двухвальные — компрессор вращается одной турбиной, винт — другой (свободная силовая турбина). Позволяют оптимизировать работу компрессора и винта независимо. Пример: PT6, ТВ7-117.

По мощности

• Малой мощности (до 1000 л. с.) — для лёгких самолётов (Cessna Caravan, Pilatus PC-12).
• Средней мощности (1000–5000 л. с.) — для региональных лайнеров (ATR 72, Ан-24).
• Большой мощности (свыше 5000 л. с.) — для тяжёлых транспортных и стратегических самолётов (Ту-95, Ан-22).

Применение

Авиация

Основная область применения — самолёты, работающие на дозвуковых скоростях (до 0,6–0,7 Маха). ТВД обеспечивают лучшую топливную экономичность по сравнению с турбореактивными двигателями на малых и средних высотах (до 8–10 км). Примеры:

• Региональные пассажирские самолёты: ATR 42/72, Bombardier Q400, Ан-24, Ил-114.
• Транспортные самолёты: Lockheed C-130 Hercules, Ан-12, Ан-26, C-27J Spartan.
• Стратегические бомбардировщики: Ту-95 (с двигателями НК-12).
• Лёгкие самолёты и бизнес-джеты: Pilatus PC-12, Cessna 208 Caravan, Beechcraft King Air.

Вертолёты

Турбовинтовые двигатели часто используются в вертолётостроении, где они называются турбовальными (Turboshaft). Отличие — в них нет винта, а мощность передаётся на несущий винт через редуктор. Примеры: двигатель ТВ2-117 для Ми-8, Rolls-Royce M250 для лёгких вертолётов.

Прочие применения

• Судовые газотурбинные установки — на некоторых судах на воздушной подушке и быстроходных катерах.
• Вспомогательные силовые установки (ВСУ) — на самолётах для выработки электроэнергии и сжатого воздуха на земле.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая топливная эффективность на дозвуковых скоростях — на 20–30 % лучше, чем у турбореактивных двигателей.
• Меньшая удельная масса по сравнению с поршневыми двигателями сопоставимой мощности.
• Надёжность — меньше движущихся частей, чем у поршневых, высокая наработка на отказ.
• Возможность работы на различных видах топлива (керосин, дизельное топливо, биотопливо).

Недостатки

• Ограничение по скорости — при скоростях выше 700–800 км/ч КПД винта резко падает из-за сжимаемости воздуха.
• Шум — винт создаёт значительный шум, особенно на взлёте и посадке.
• Сложность редуктора — требуется высоконагруженный редуктор, что увеличивает массу и стоимость.
• Меньшая высотность — по сравнению с турбореактивными двигателями, ТВД менее эффективны на больших высотах (выше 10–12 км).

Современное состояние и перспективы

В начале XXI века турбовинтовые двигатели продолжают активно развиваться. Основные направления:

• Повышение КПД — за счёт более высоких степеней сжатия (до 40:1) и температур газа (до 1500 °C).
• Снижение шума — разработка новых профилей лопастей винта и звукопоглощающих конструкций.
• Электронные системы управления (FADEC) — обеспечивают оптимальные режимы работы.
• Использование композитных материалов — снижение массы лопаток компрессора и турбины.

Примеры современных ТВД: Pratt & Whitney Canada PT6 (модификации), General Electric T700 (для вертолётов), российский ТВ7-117СТ-01 (для самолёта Ил-114-300), украинский МС-14 (для Ан-140). В России ведётся разработка двигателя ТВ7-117СТ-02 для перспективного транспортного самолёта Ил-212.

Интересные факты

• Самый мощный турбовинтовой двигатель в мире — НК-12 (СССР, 1955 год) — развивает мощность 15 000 л. с. (11 000 кВт). Он устанавливался на Ту-95 и Ан-22.
• Двигатель PT6 (Канада) — один из самых массовых: выпущено более 50 000 экземпляров, он используется на сотнях типов самолётов и вертолётов.
• Турбовинтовые двигатели могут работать на авиационном керосине, дизельном топливе и даже на биотопливе (испытания проводились на ATR 72).
• В 2020-х годах компании ATR и Embraer рассматривают возможность создания гибридных турбовинтовых силовых установок с электрическим приводом винта на взлёте.

Источники

• Теория и расчёт авиационных газотурбинных двигателей / под ред. В. И. Локтева. — М.: Машиностроение, 2003.
• Авиационные двигатели / А. А. Иноземцев, В. Л. Сандрацкий. — М.: Транспорт, 1990.
• Rolls-Royce. The Jet Engine. — Rolls-Royce plc, 1996.
• Jane's Aero Engines (ежегодное справочное издание).
• Pratt & Whitney Canada. PT6 Engine Manual. — 2020.
• Двигатели НК-12: история создания и эксплуатации / В. Н. Козлов. — М.: Авиация и космонавтика, 2015.