1. Загальна характеристика

Двигуни були винайдені і споруджені ще в тридцятих роках минулого століття за часів Радянського Союзу, а два десятиліття по тому почали їх масовий випуск. Потужність варіювалася від 1880 до 11000 кВт. Тривалий період їх застосовували у військовій і цивільній авіації. Однак для надзвукової швидкості вони придатними були. Тому з появою таких потужностей у військовій авіації від них відмовилися. Зате цивільні літаки в основному забезпечуються саме ними.

Вперше в Радянському Союзі турбогвинтові двигуни сконструювали і випробували ще в 30-х роках, а в 50-і почалося їх серійне виробництво.

Прикладом може служити заслужений «ветеран» вітчизняного авіабудування АІ-20, яким оснащувалися ИЛ-18, АН-8, АН-32, АН-12, БЕ-12, ИЛ-38. Але з часом стало зрозуміло, що збільшувати їх потужність можна тільки до певної межі, а використовувати їх на надзвукових швидкостях не вийде, так що сфера їх використання різко скоротилася.

Зараз турбогвинтові двигуни в основному використовуються в цивільній авіації на літаках з низькою швидкістю, тоді як надзвукові літаки оснащені турбореактивними двигунами. Двигуни турбогвинтові встановлюються на АН-24, АН-32, ИЛ-18, ТУ-114 [1, c. 27].

Двигун турбогвинтовий належить до класу газотурбінних, які розроблялися як універсальні перетворювачі енергії і стали широко використовуватися в авіації. Вони складаються з теплової машини, де розширені гази обертають турбіну і утворюють крутний момент, а до її валу прикріплюють інші агрегати. Двигун турбогвинтовий забезпечується повітряним гвинтом.

Він являє собою щось середнє між поршневими і турбореактивними агрегатами. Спочатку в літаки встановлювали поршневі двигуни, що складаються з циліндрів в формі зірки з розташованим всередині валом. Але через те, що вони мали надто великі габарити і вага, а також низьку можливість швидкості, їх перестали використовувати, віддавши перевагу з`явилися турбореактивним установкам. Але і ці двигуни не були позбавлені недоліків. Вони могли розвивати надзвукову швидкість, але споживали дуже багато палива. Тому їх експлуатація обходилася надто дорого для пасажирських перевезень.

Двигун турбогвинтовий мав впоратися з подібним недоліком. І це завдання було вирішено. Конструкція і принцип роботи були взяті з механізму турбореактивного двигуна, а від поршневого - повітряні гвинти. Таким чином, стало можливим поєднання невеликих габаритів, економічності і високого коефіцієнта корисної дії [2, c. 17].

2. Будова турбогвинтового двигуна та принцип його роботи

Схема турбогвинтового двигуна виглядає наступним чином: після нагнітання і стиснення компресором повітря потрапляє в камеру згоряння. Туди ж впорскується паливо. Отримана суміш запалюється і створює гази, які при розширенні надходять в турбіну і обертають її, а вона, в свою чергу, обертає компресор і гвинт. Нерозтрачена енергія виходить через сопло, створюючи реактивну тягу. Так як величина її не є суттєвою (всього десять відсотків), не рахується турбореактивним турбогвинтовий двигун.

Принцип роботи і конструкція, втім, схожі з ним, але енергія тут не повністю виходить через сопло, створюючи реактивну тягу, а лише частково, так як корисна енергія ще й обертає гвинт.

Бувають двигуни з одним або двома валами. У одновальному варіанті на одному валу знаходяться і компресор, і турбіна, і гвинт. У двохвальному - на одному з них встановлені турбіна і компресор, а на іншому - гвинт через редуктор. Тут же є дві турбіни, пов`язані один з одним газодинамічних способом. Одна з них призначена для гвинта, а інша - для компресора. Такий варіант найбільш поширений, так як енергія може застосовуватися без запуску гвинтів. А це особливо зручно, коли літак знаходиться на землі.

Компресор складається з двох-шести ступенів, що дозволяють сприймати суттєві перепади температури і тиску, а також знижувати оберти. Завдяки такій конструкції виходить знизити вагу і габарити, що є дуже важливим для авіаційних двигунів. В компресор входять робочі колеса і направляючий апарат. На останньому може бути передбачена або не передбачена регуляція.

Завдяки повітряному гвинту утворюється тяга, але швидкість обмежена. Кращим показником вважається рівень від 750 до 1500 оборотів в хвилину, так як при збільшенні коефіцієнт корисної дії почне падати, і гвинт замість розгону буде перетворюватися в гальмо. Явище називається «ефектом замикання». Воно викликано лопатями гвинта, які на високих оборотах при обертанні, що перевищує швидкість звуку, починають функціонувати некоректно. Той же самий ефект буде спостерігатися при збільшенні їх діаметра.

Турбіна здатна розвинути швидкість до двадцяти тисяч обертів на хвилину, але гвинт не зможе їй відповідати, тому тут є понижуючий редуктор, який скорочує швидкість і збільшує крутний момент. Редуктори можуть бути різними, але головне їхнє завдання незалежно від виду - знижувати швидкість і підвищувати момент.

Саме ця характеристика обмежує використання турбогвинтового двигуна в військових літаках. Однак розробки зі створення надзвукового двигуна не припиняються, хоч поки і не є успішними. Для підвищення тяги іноді двома гвинтами забезпечується турбогвинтовий двигун. Принцип роботи при цьому у них реалізується за рахунок обертання в протилежні сторони, але за допомогою одного редуктора.

Атмосферне повітря поступає в двигун через вхідний пристрій і засмоктується осьовим компресором. Проходячи повітряний тракт компресора, повітря поступово стискається і потім подається в камеру згорання, де ділиться на два потоки: первинний і вторинний.

Первинний потік повітря поступає в порожнину камери згорання, куди безперервно впорскується тонко розпорошене паливо, яке утворює разом з повітрям паливоповітряну суміш. Паливо повністю згорає при невеликому надлишку повітря,  забезпечує безперервний факел і високі температури в зоні горіння. В результаті згорання цієї суміші утворюється потік гарячого газу.

Вторинний  потік повітря, омиваючи камеру згорання  ззовн  та  охолоджуючи її, поступає у внутрішню порожнину камери згорання, де змішується з гарячими газами від згорілого палива в первинному потоці повітря і, охолоджуючи їх, забезпечує задану температуру всього потоку газу на вході в турбіну.

З камери згорання гази з високою температурою і тиском поступають в турбіну компресора і вільну турбіну. Втурбіні компресора частина енергії цього потоку перетворюється в момент, що крутить, який передається на компресор. В вільній турбіні більша частина кінетичної енергії гарячих газів і повітря перетворюється в момент, що крутить, який через трансмісію передається на повітряний гвинт.

Потік повітря, що відкидається повітряним гвинтом, створює тягу гвинта. Кінетична енергія частини газів, що виходять з двигуна, створює реактивну тягу, яка разом з тягою гвинта, складає сумарну (еквівалентну) тягу силової установки.

Основні режими роботи двигуна, потужність на валу і частота обертання повітряного гвинта:

– злітний режим – 2500 к.с. (1839 кВт, 1202,93 об/хв);

– максимальний тривалий – 2100 к.с. (1544 кВт, 1100 об/хв);

– максимальний крейсерський – 1750 к.с. (1286,3 кВт, 1100 об/хв);

– режим польотного малого газу – 160 к.с. (117,6 кВт, 1100 об/хв);

– режим земного малого газу – частота обертання повітряного гвинта не більше 1100 об/хв);

– режим земного малого газу – "тихе руління" – частота обертання повітряного гвинта не більше 850 об/хв);

– режим реверсування тяги – максимальна потужність на валу повітряного гвинта не більше за потужність на максимальному тривалому режимі.

В разі відмови двигуна на етапі зльоту літака і заходу на другий круг передбачений максимальний надзвичайний режим на зльоті – 2800 к.с. (2058 кВт) при обертах гвинта 1202,93 об/хв. Переведення на цей режим здійснюється автоматично по сигналу відмови протилежного двигуна.  В складних умовах зльоту допускається час безперервної роботи до 5 хвилин, після чого двигун підлягає заміні.

В разі відмови двигуна в польоті передбачений надзвичайний режим для завершення польоту – 2130 к.с. (1567 кВт, 1202,93 об/хв).

Допускається використання максимального тривалого режиму для крейсерського польоту в складних умовах польоту в межах обумовленого напрацювання [3, c. 47].