8.4. Турбовинтовые двигатели

Турбовинтовой двигатель (ТВД) это — газотурбинный двигатель, у которого турбина развивает мощность большую, чем мощность, необходимая для вращения компрессора и передает эту избыточную мощность на воздушный винт.

Если в ТРД энергия газов, поступающих на колесо турбины используется не полностью, а только та ее часть, которая необходима для вращения компрессора, а остальная, большая часть, реализуется в виде энергии струи истекающих газов, то в ТВД энергия газов поступающих на колесо турбины большей частью используется для вращение компрессора и воздушного винта, а меньшая реализуется в виде реактивной струи.

Конструктивно ТВД имеет в основном те же узлы с теми же функциями, что у ТРД: входное устройство, компрессор, диффузор, камеру сгорания, сопловой аппарат, газовую турбину и удлинительную трубу для вывода газов за пределы конструкции ВС и реактивное сопло.

Форсажная камера у ТВД отсутствует. По большому счету и в реактивном сопле у ТВД нет необходимости, так как на газовой турбине реактивные газы почти полностью расширяются и почти полностью теряют всю свою кинетическую энергию.

Среди ТВД, используемых на самолетах и на вертолетах имеются, существенные конструктивные различия, связанные с отбором мощности от турбины и передачи ее на воздушный винт.

Самолетные ТВД это двигатели с жестким приводом редуктора, установленного на переднем продолжении вала ротора двигателя (перед компрессором), снижающем обороты до заданных и передающем крутящий момент на воздушный винт с изменяемым шагом

Вертолетные ТВД являются двигателями с так называемой “ свободной турбиной” (точнее говоря – с отдельной автономной турбиной воздушного винта), которая не связана с ротором двигателя, а является автономным узлом, использующим остаток энергии газов истекающих из камеры сгорания, после прохождения ими соплового аппарата и газовой турбины ротора двигателя. Между турбиной ротора двигателя и “свободной турбиной воздушного винта” существует только газодинамическая связь. “Свободная турбина” жестко сидит на валу, передающему крутящий момент на редуктор воздушного винта, находящемуся сзади двигателя.

Так как тяга ТВД состоит из тяги образуемой воздушными винтами и тяги от истекающих реактивных газов, то формула тяги ТВД будет иметь следующий вид:

Р = Р_в+ Р_р

Тяга, развиваемая воздушным винтом равна

Р_в = 75 N_e ή _в / Со

Где: N_e -эффективная мощность двигателя

ή _в -КПД винта

Со - скорость полета

Реактивная тяга Р_р = G_в (c ₄ – c ₀) /g

G_в – секундный расход топлива через двигатель

c ₄ - скорость истечения газов через сечение выходного сопла

c _{0 -} скорость воздушного потока на входе в двигатель

Полная тяга ТВД равна:

Р = 75 N_e ή _в / Со + G_в ( c ₄ – c ₀) /g

Достоинством и преимуществом ТВД и двухконтурных ТРД над одноконтурными ТРД на относительно малых (до 1000- 1200км\час) скоростях полета являются:

• Высокая тяга, обусловленная тем, что отбрасываемый винтом ТВД воздушный поток имеет меньшую, чем реактивная струя ТРД скорость, но в него вовлекается большая масса воздуха. Так если уменьшить скорость отброса воздушного потока в два раза, то за счет одного и того же количества энергии можно увеличить его массу в четыре раза, что приведет к возрастанию тяги в два раз.

Это достоинство исчезает, по мере того как скорость полета приближается к скорости отбрасываемой винтом воздушной массы, в результате чего уменьшается КПД воздушного винта.

- Удельный расход топлива (количество топлива необходимое для создания 1кг тяги) на взлетном режиме у ТВД примерно в 4 раза меньше чем у ТРД. Кроме того, он уменьшается с увеличением высоты и скорости полета в большей мере, чем это происходит у одноконтурных ТРД.