3.11.2. Силовые установки с турбовальными двигателями
Первые вертолеты с ГТД несколько уступали вертолетам с ПД в дальности и продолжительности полета из-за больших расходов топлива. Однако экономичность современных и перспективных ГТД не ниже, чем у ПД. Поэтому характеристики дальности и продолжительности полета современных (в том числе легких) вертолетов с ГТД значительно улучшились.
В настоящее время в силовых установках вертолетов легких весовых категорий (Е-1-Л3 и Е-1-Л2) в основном используют двухвальные (со свободной турбиной) ТРД, которые по сравнению с ПД имеют меньшие габариты и массу, более просты и надежны в эксплуатации, обладают хорошей устойчивостью работы при небольших (в пределах 10...12%) изменениях частоты вращения турбины.
Особенностью турбовального вертолетного двигателя по сравнению с газотурбинным, применяемым в самолетной силовой установке, является то, что кроме газовой турбины, установленной на одном валу с компрессором, у него имеется вторая (свободная) турбина, расположенная сзади (по потоку газов). Свободная турбина закреплена на валу, не имеющем механической связи с валом компрессора и первой турбиной (связь газовая). Выводной вал свободной турбины через трансмиссию вертолета и редуктор связан с несущим винтом. Применение свободной турбины для привода несущего винта позволяет: получить наивыгоднейшую частоту вращения винта независимо от частоты вращения ротора компрессора двигателя, а также оптимальные расходы топлива при различных условиях эксплуатации двигателя; облегчить раскрутку турбокомпрессора при запуске двигателя; исключить необходимость комбинированной муфты включения в силовой установке вертолета.
Газотурбинные двигатели обеспечивают:
увеличение массовой (весовой) отдачи вертолетов;
рост крейсерских скоростей полета;
повышение относительной мощности силовой установки;
упрощение эксплуатации, повышение надежности (например, запуска двигателя при низких температурах) и т.д.;
облегчение установки двух двигателей и повышение безопасности полета.
К другим положительным качествам силового привода несущего винта от турбовального двигателя через механическую трансмиссию относятся: малая удельная масса двигателя; небольшие затраты мощности на охлаждение двигателя, так как не требуется специальной системы охлаждения; простота эксплуатации двигателя, особенно при низких температурах наружного воздуха; относительно невысокий уровень вибрации вертолета вследствие высокой балансировки роторов двигателя; улучшение аэродинамики вертолета (относительно малый мидель двигателя).
Недостатками такого вида силового привода НВ вертолета являются: повышенная сложность и большая масса редуктора вследствие большей степени редукции при передаче вращения от двигателя к несущему винту; сравнительно длительное время приемистости двигателя (до 15 с), что ухудшает маневренность вертолета; значительное влияние на работу двигателя окружающей среды (запыленность воздуха, влажность, температура и т.п.).
К основным требованиям, предъявляемым к турбовальным двигателям, относятся: надежность и долговечность; высокая экономичность; надежный запуск и заданная приемистость; низкий уровень вибрации и шума; малая масса и малые поперечные и продольные размеры; простота и удобство эксплуатации и технического обслуживания; малая стоимость изготовления и ремонта.
Кроме выполнения перечисленных требований, тенденции развития турбовальных двигателей (ТВД) проявляются в реализации следующих направлений [28]:
большой срок службы в так называемых жестких (чрезвычайных, максимальных) условиях;
способность устойчиво работать в режимах, близких к максимальной мощности, в течение длительного времени и в сложных метеоусловиях (дождь, снег) на малых высотах;
защищенность от поражающих факторов для вертолетов специального назначения;
простота эксплуатации, не требующая высококвалифицированного технического персонала;
наличие силовой установки, обеспечивающей живучесть и безопасность полета вертолета в случае отказа одного двигателя.
Последнее
требование определяет количество
двигателей силовой установки вертолета,
которое должно быть
= 2.
Двигатели ТВД имеют следующие преимущества перед ПД:
небольшая удельная масса двигателя (в 2,5 раза меньше ПД);
возможность некоторого использования тяги выхлопных газов ТВД для увеличения максимальной скорости полета (~2%);
отсутствие специальной системы охлаждения двигателя;
большая надежность двигателя (меньше отказов);
проще эксплуатация двигателя (особенно в зимних условиях);
меньшие вибрации двигателя;
меньший мидель;
способность работать на более простом (тяжелом) топливе (керосин вместо бензина).
Недостатки ТВД:
необходимость большей степени редукции в передаче вращения от двигателя к винту (в 5 – 10 раз больше, чем при ПД);
относительно большая длина двигателя, затрудняющая компоновку вертолета;
невозможность использования относительного уменьшения расходов топлива с увеличением высоты полета.
В сравнении с одновальным газотурбинным двигателем ТВД со свободной турбиной имеют весьма существенные преимущества, в частности, в системе привода не нужны муфты включения и сцепления, поскольку нет механической связи между несущим винтом и валом компрессора двигателя.
При запуске и раскрутке ТВД свободная турбина сначала остается неподвижной (вследствие большой инерции НВ и тансмиссии); горячие газы проходят сквозь лопатки свободной турбины, и лишь после того, как двигатель начинает устойчиво работать и развивать необходимую мощность, они начинают постепенно раскручивать свободную турбину, а вместе с ней трансмиссию и несущий винт. В случае отказа двигателя система несущий винт — свободная турбина может продолжать вращаться на режиме самовращения НВ.
У вертолета с ГТД (ТВД) массовая отдача выше вследствие значительного уменьшения массы силовой установки, хотя масса трансмиссии несколько повышается из-за увеличения передаточного отношения. Большая равномерность работы ГТД обеспечивает лучшие виброхарактеристики. ГТД не требует специального вентилятора для их охлаждения. Шум от вертолета с ГТД меньше, чем от вертолета с поршневым двигателем.