Особенности рабочего процесса ТВД, ТВВД, ТВлД

Турбовинтовые, турбовинтовентиляторные и турбовальные двигатели – это такие газотурбинные двигатели, в которых большая часть полезной тепловой энергии преобразуется в турбине в механическую работу и отводится потребителю и на привод компрессора.

Если полезная мощность отводится на привод самолетного винта, то это турбовинтовой (ТВД) или турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). (Винтовентилятором называется высоконапорный винт, специально спрофилированный для эффективной работы при больших дозвуковых скоростях полета). В остальных случаях двигатель турбовальный (ТВлД).

ТВлД широко применяются в качестве силовых установок вертолетов, а также в качестве вспомогательных силовых установок (ВСУ), применяемых на современных самолетах и вертолетах для запуска основных двигателей, питания СКВ, привода электрогенератора и другого вспомогательного оборудования. (ВСУ состоит из малоразмерного ТВлД и агрегатов для отбора от него механической энергии или сжатого воздуха).

Принцип действия ТВД аналогичен принципу действия основного (внутреннего) контура ТРДД. Но в ТВД часть механической энергии, отбираемой от турбины, передается не в наружный контур, а на привод воздушного винта (через редуктор), с помощью которого образуется тяга. Винт в данном случае играет роль вентилятора наружного контура, и ТВД, следовательно, можно рассматривать как частный случай ТРДД с высокой степенью двухконтурности (у=25 - 100).

 Как тепловая машина ТВД использует тот же рабочий процесс, что и ТРД, но не обладает функциями движителя, выполняя в основном роль генератора мощности для воздушного винта. Воздушный винт отбрасывает большие массы воздуха с малыми скоростями, создавая силу тяги. Степень преобразования работы цикла в тяговую работу в этом случае характеризуется КПД винтаξ_В, величина которого на малых и средних дозвуковых скоростях полета оказывается значительно больше величины тягового КПД ξ_ТЯГ ТРД. В результате полный КПД ξ_ПОЛН = ξ_ВНξ_ТЯГи экономичность ТВД на этих скоростях оказывается выше, чем экономичность ТРД. Увеличение тяговой работы ТВД по сравнению с ТРД обеспечивает получение большей тяги ТВД по сравнению с ТРД при взлете и умеренных скоростях полета при одинаковых расходах воздуха через них и параметрах рабочего процесса.

Полная тяга, развиваемая ТВД, складывается из тяги, создаваемой винтом, и реактивной тяги, получаемой в результате ускорения газового потока, протекающего через двигатель:

                                 R = R_В + R_R.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(13.1)

    В ТВД расширение газа в турбине происходит до давления, близкого к атмосферному, поэтому реактивная тяга получается только за счет выходной скорости газа из ГТ без последующего его расширения в РС.

Силовая установка самолета с ТВД состоит из трех агрегатов: воздушного винта, редуктора и собственно двигателя. Тяга развивается главным образом винтом (90% и более) и только небольшая ее часть - собственно двигателем. Таким образом ТВД с винтом является силовой установкой смешанной тяги.

Оптимальное распределение работы цикла между винтом и кинетической энергией струи газов выведено акад. Б.С.Стечкиным:                                    W_C =V_П/ξ_В .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . (13.2)     

Под оптимальным понимается такое распределение работы цикла, когда суммарная тяговая работа винта и реактивной тяги оказывается максимальной. При этом полный КПД будет максимальным, а удельный расход топлива – минимальным.

Из этого выражения видно, что чем меньше скорость полета V_П и больше КПД винтаξ_В, тем меньше должна быть скорость истечения газа из сопла W_C. Следовательно, для этого случая тем больше нужно загружать винт для создания им тяги и меньшей должна быть реактивная тяга.

Средством регулирования работы цикла является давление газа за турбиной р_т*. При его уменьшении (путем увеличения площади сечения выходного сопла) увеличивается перепад давлений на турбине, возрастает ее мощность и соответственно уменьшается перепад давлений на РС и скорость истечения W_C. Затяжеляя винт, можно сохранить неизменной частоту вращения ротора и мощность, потребную для привода компрессора, что увеличит мощность, передаваемую на винт.

При существующих размерах двигателей обороты ротора ТВД, обеспечивающие высокие окружные скорости рабочих колес ОК и ГТ, оказываются во много раз больше оборотов винта, при которых его КПД имеет достаточно высокие значения. Поэтому мощность от вала турбины к валу винта передается через редуктор с передаточным числом, доходящим до 15.

    Принцип действия ТВД, ТВВД и ТВлД одинаковый. Поэтому в дальнейшем во многих случаях турбовинтовым двигателем будут называться все три разновидности этого типа двигателя.

Основные параметры ТВД

Тяга, развиваемая воздушным винтом в полете, может быть выражена через мощность, подводимую к винту, КПД винта и скорость полета:

R_B = N_Bξ_B/V_П . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (13.3)

Реактивная тяга ТВД: R_R = G_B(W_C – V_П). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(13.4)

Таким образом, полная (суммарная) тяга ТВД в полете:

R= R_B + R_R = N_Bξ_B/V_П + G_B(W_C – V_П). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(13.5)

Пользоваться этим выражением можно только при определении тяги в полете. При работе двигателя на земле V_П = 0 и ξ_B = 0,что приводит к неопределенности выражения (13.3).

При работе двигателя на стоянке тягу винта можно оценить по формуле: R_B = βN_B. Коэффициент β принимают в среднем равным 15. Это значит, что при работе двигателя на стоянке 1 кВт мощности, подводимой к винту, создает примерно 15 Н тяги. Таким образом, при работе на земле полная тяга ТВД: R = 15N_B + G_BW_C,H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (13.5 а)

Эффективность ТВД можно оценить не только по тяге, но и по т.н. эквивалентной мощности.

Эквивалентной мощностью называется мощность, потребная для привода винта, тяга которого равна полной тяге ТВД:

N_ЭК = N_В + N_R = N_В + R_RV_П/ξ_B, кВт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(13.6)

Выражение (13.6) дает возможность определить эквивалентную мощность ТВД при любой скорости полета. При работе двигателя на земле второе слагаемое выражения (13.6) обращается в неопределенность. В этом случае, используя коэффициент β, можно следующим образом определить эквивалентную мощность:

N_ЭК = N_B + R_R/β = N_B + 0,06R_R .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (13.6 а)

Экономичность ТВД оценивается удельным расходом топлива,- отношением часового расхода топлива к полной тяге или эквивалентной мощности двигателя. Соответственно различают удельный расход топлива по мощности:

С_Э = G_Т.ЧАС/N_ЭК, кг/кВт.час. . . . . . . . . . (13.7)

 и удельный расход топлива по тяге:С_УД = G_Т.ЧАС/R, кг/Н.час.

        Связь между величинами  С_ЭиС_УДопределяется выражением

С_УД = С_ЭV_П/ξ_B, а при V= 0 С_УД = С_Э/β.

    Пользуясь удельным расходом топлива по тяге С_УД можно сравнивать экономичность ТВД и ТРД, а удельным расходом топлива по мощности С_Э – сравнивать экономичность ТВД и поршневых ДВС. В стандартных стендовых условиях у ТВД С_УД = 0,02-0,024 кг/Н.ч, что в три раза ниже по сравнению с ТРД. С ростом скорости полета С_УД ТВД увеличивается, и уже при V_П = 400 м/с ТВД становится менее экономичным, чем ТРД.