Турбовальный двигатель.
Привет!
Центробежная ступень компрессора ТВаД.
Сегодня продолжаем серию рассказов о типах авиационных двигателей.
Как известно, основной узел любого газотурбинного двигателя ( ГТД) – это турбокомпрессор. В нем компрессор работает в связке с турбиной , которая его вращает. Функции турбины этим могут и ограничиться. Тогда вся оставшаяся полезная энергия газового потока, проходящего через двигатель, срабатывается в выходном устройстве ( реактивном сопле ). Как говорил мой преподаватель «спускается на ветер» :-). Тем самым создается реактивная тяга и ГТД становится обычным турбореактивным двигателем (ТРД).
Но можно сделать и по-другому. Турбину ведь можно заставить кроме компрессора вращать и другие нужные агрегаты, используя ту самую оставшуюся полезную энергию. Это может быть, например, самолетный воздушный винт. В этом случае ГТД становится уже турбовинтовым двигателем, в котором 10-15% энергии все же расходуется «на воздух» :-), то есть создает реактивную тягу.
Принцип работы турбовального двигателя.
Но если вся полезная энергия в двигателе срабатывается на валу и через него передается для привода агрегатов, то мы уже имеем так называемый турбовальный двигатель ( ТваД ).
Такой двигатель чаще всего имеет свободную турбину . То есть вся турбина как бы поделена на две части, между собой механически несвязанные. Связь между ними только газодинамическая . Газовый поток, вращая первую турбину, отдает часть своей мощности для вращения компрессора и далее, вращая вторую, тем самым через вал этой (второй) турбины приводит в действие полезные агрегаты. Сопла на таком двигателе нет. То есть выходное устройство для отработанных газов конечно имеется, но соплом оно не является и тяги не создает. Просто труба… Зачастую еще и искривленная :-).
Компоновка двигателя Arriel 1E2.
Турбовальный двигатель ARRIEL 1E2.
Eurocopter BK 117 c 2-мя турбовальными двигателями Arriel 1E2.
Выходной вал ТваД, с которого снимается вся полезная мощность, может быть направлен как назад, через канал выходного устройства, так и вперед, либо через полый вал турбокомпрессора, либо через редуктор вне корпуса двигателя.
Компоновка двигателя Arrius 2B2.
Турбовальный двигатель ARRIUS 2B2.
Eurocopter EC 135 с 2-мя турбовальными двигателями Arrius 2B2.
Надо сказать, что редуктор – непременная принадлежность турбовального двигателя. Ведь скорость вращения как ротора турбокомпрессора, так и ротора свободной турбины велика настолько, что это вращение не может быть напрямую передано на приводимые агрегаты. Они просто не смогут выполнять свои функции и даже могут разрушиться. Поэтому между свободной турбиной и полезным агрегатом обязательно ставится редуктор для снижения частоты вращения приводного вала.
Компоновка двигателя Makila 1A1.
Турбовальный двигатель MAKILA 1A1
Eurocopter AS 332 Super Puma с 2-мя турбовальными двигателями Makila 1A1
Компрессор у ТваД может быть осевым (если двигатель мощный) либо центробежным. Часто компрессор бывает и смешанным по конструкции, то есть в нем есть как осевые, так и центробежные ступени. В остальном принцип работы этого двигателя такой же, как и у ТРД. Примером разнообразия конструкций ТваД могут служить двигатели известной французской двигателестроительной фирмы TURBOMEKA . Здесь я представляю ряд иллюстраций на эту тему (их сегодня вообще много как-то получилось :-)… Ну много — не мало… :-)).
Компоновка двигателя Arrius 2K1
Турбовальный двигатель ARRIUS 2K1.
Вертолет Agusta A-109S с 2-мя турбовальными двигателями Arrius 2K1.
Основное свое применение турбовальный двигатель находит сегодня конечно же в авиации, по большей части на вертолетах. Его часто и называют вертолетный ГТД. Полезная нагрузка в этом случае – несущий винт вертолета. Известным примером ( кроме французов :-))могут служить широко распространенные до сих пор отличные классические вертолеты МИ-8 и МИ-24 с двигателями ТВ2-117 и ТВ3-117 .
Вертолет МИ-8Т с 2-мя турбовальными двигателями ТВ2-117.
Турбовальный двигатель ТВ2-117.
Вертолет МИ-24 с 2-мя турбовальными двигателями ТВ3-117.
Турбовальный двигатель ТВ3-117 для вертолета МИ-24.
Кроме того ТваД может применяться в качестве вспомогательной силовой установки ( ВСУ , о ней подробнее в следующей статье :-)), а также в виде специальных устройств для запуска двигателей. Такие устройства представляют собой миниатюрный турбовальный двигатель, свободная турбина которого раскручивает ротор основного двигателя при его запуске. Называется такое устройство турбостартер . В качестве примера могу привести турбостартер ТС-21 , используемый на двигателе АЛ-21Ф-3 , который устанавливается на самолеты СУ-24 , в частности на мой родной СУ-24МР :-)…
Двигатель АЛ-21Ф-3 с турбостартером ТС-21.
Турбостартер ТС-21, снятый с двигателя.
Фронтовой бомбардировщик СУ-24М с 2-мя двигателями АЛ-21Ф-3.
Однако, говоря о турбовальных двигателях, нельзя не сказать о совсем неавиационном направлении их использования. Дело в том, что ведь изначально газотурбинный двигатель не был монополией авиации. Главный его рабочий орган, газовая турбина , создавался задолго до появления самолетов. И предназначался ГТД для целей более прозаических, нежели полеты в воздушной стихии :-). Эта самая воздушная стихия его все же завоевала. Однако неавиационное приземленное предназначение существует и серьезности своей не потеряло, скорее наоборот.
На земле, так же как и в воздухе ГТД (турбовальный двигатель) применяется на транспорте.
Первое – это перекачка природного газа по крупным магистралям через газоперекачивающие станции. ГТД используются здесь в качестве мощных насосов.
Второе – это водный транспорт. Суда, использующие турбовальные газотурбинные двигатели называют газотурбоходы . Это чаще всего суда на подводных крыльях, у которых гребной винт приводит в движение турбовальный двигатель механически через редуктор или электрически через генератор, который он вращает. Либо это суда на воздушной подушке, которая создается при помощи ГТД.
Газотурбоход «Циклон-М» с 2-мя газотурбинными двигателями ДО37.
Пасажирских газотурбоходов за российскую историю было всего два. Последнее очень перспективное судно « Циклон-М » появилось в очень неудобное для себя время в 1986 году. Успешно пройдя все испытания, оно «благополучно» перестало существовать для России. Перестройка… Более таких судов не строили. Зато у военных в этом плане дела обстоят несколько лучше. Чего стоит один только десантный корабль «Зубр» , самое большое в мире судно на воздушной подушке.
Десантный корабль на воздушной подушке «Зубр» с газотурбинными двигателями.
Третье – это железнодорожный транспорт. Локомотивы на которых стоят турбовальные газотурбинные двигатели, называют газотурбовозы . На них используется так называемая электрическая передача. ГТД вращает электрогенератор, а вырабатываемый им ток, в свою очередь, вращает электродвигатели, приводящие локомотив в движение. В 60-е годы прошлого века в СССР проходили довольно успешную опытную эксплуатацию три газотурбовоза. Два пассажирских и один грузовой. Однако они не выдержали соревновавния с электровозами и в начале 70-х проект был свернут. Но в 2007 году по инициативе ОАО «РЖД» был изготовлен опытный образец газотурбовоза с ГТД, работающем на сжиженном природном газе (опять криогенное топливо :-)). Газотурбовоз успешно прошел испытания, планируется его дальнейшая эксплуатация.
И наконец четвертое , самое, наверное, экзотическое… Танки . Грозные боевые машины. На сегодняшний момент достаточно широко известны два типа ныне использующихся боевых танков с газотурбинными двигателями. Это американский М1 Abrams и российский Т-80 .
Танк M1A1 Abrams с газотурбинным двигателем AGT-1500.
Во всех вышеописанных случаях применения ГТД (суть турбовальный двигатель), он обычно заменяет дизельный двигатель. Это происходит потому, что (как я уже описывал здесь) при одинаковых размерах турбовальный двигатель значительно превосходит дизельный по мощности, имеет гораздо меньший вес и шумность.
Танк Т-80 с газотурбинным двигателем ГТД-1000Т.
Однако у него есть и крупный недостаток.Он обладает сравнительно низким коэффициентом полезного действия, что обуславливает большой расход топлива. Это естественно снижает запас хода любого транспортного средства (и танка в том числе :-)). Кроме того он чувствителен к грязи и посторонним предметам, всасываемым вместе с воздухом. Они могут повредить лопатки компрессора. Поэтому приходится создавать достаточно объемные системы очистки при использовании такого двигателя.
Эти недостатки достаточно серьезны. Именно поэтому турбовальный двигатель получил гораздо большее распространение в авиации, чем в наземном транспорте. Там этот трудяга-движок, ничего не пуская «на ветер» :-), заставляет подниматься в воздух вертолеты. И они в родной для них стихии из несуразных, на первый взгляд, машин превращаются в изумительные по красоте и возможностям творения рук человеческих… Все-таки авиация – это здорово :-)…
P.S. Вы только посмотрите, что они вытворяют!
Вертолет Ми-8. Первые испытания. Характеристики. Фото. Видео.
Ми-8 представляет собой многоцелевой и широко используемый вертолет. Спроектирован и разработан конструкторами ОКБ М.Л. Миля в начале 60-х годов. Эта советская разработка является самой массовой двухдвигательной воздушно-транспортной машиной в мире (состоит в списке самых распространенных вертолетов в мировой истории авиации). Имеет два направления: военное и гражданское.
В июле 1961 года в первый полет поднялся прототип В-8. Спустя год вышел второй экземпляр В-8А. В 1967 году уже полностью доработанный и сменивший старое название на новое Ми-8 встал на вооружение ВВС Советского Союза. Поскольку модель показала себя одной из самых удачных, нынешние российские ВВС также заказывают этот вертолет. На данный момент этот агрегат используется в пятидесяти странах мира.
Ключевой модификацией 80-х годов стал разработанный Ми-8МТ. Усовершенствованный вариант, или, как его еще называют, «изделие 88», отличается от собрата улучшенной силовой механизацией (два двигателя ТВЗ-117) и установленной вспомогательной конструкцией силового типа. Правда, этот вариант не так распространен по миру.
В 1991 году начались разработки нового гражданского воздушно-транспортного вертолёта Ми-8АМТ. В конце 90-х был разработан воднотранспортный штурмовой вертолет Ми-8АМТШ. Всего их выпущено свыше 3500 экземпляров.
Конструкция Ми-8
Ми-8 – это одновинтовой вертолет, на который установлены пять несущих и три рулевых лопастных винта. Несущие винты закреплены вертикальными, горизонтальными и осевыми шарнирами, а рулевые лопасти, соответственно, совмещенного карданного типа. Трансмиссия точно такая же, как и у Ми-4. Цельнометаллические лопасти винта включают в себя полый лонжерон, спрессованный из алюминиевого сплава. К его задней корме прикреплены 24 отсека с сотовым наполнителем из алюминиевой фольги (образования профиля). Несущего винта лопасти оснащены сигнализацией возможного повреждения лонжерона.
Усовершенствованная антифризная система не дает обледенеть вертолету. Она электризована и имеет способность работать как в автономном, так и в ручном режимах (подпитка 208 вольт). В том случае, если произошел отказ одного из двигателей, соответственно, другой автоматически увеличивает свою мощность. И это не влияет на горизонтальный полет и высоту. Качественному управлению несущим винтом способствуют три гидроусилителя КАУ-30Б, а рулевым – РА-60Б.
Трехопорное шасси не убирается. Хвостовая опора не дает коснуться земли рулевому винту. Благодаря системе внешней подвески вертолет может перевозить груз массой до трех тысяч килограммов. Стабилизацию крена, направления, тангажа и высоту полета обеспечивает четырехканального типа автопилот АП-34.
Пассажирская модификация может вмещать до 18 кресел, а транспортная − 24 места. Внутренний климат, поддержку тепла и холода контролируют КО-50 (керосиновый обогреватель) и специально разработанная система вентиляции. Благодаря навигационным приборам и радиооборудованию Ми-8 может совершать полеты, несмотря на погодные условия и время суток.
В зависимости от способов применения существует колоссальная разница между модификациями. Одни из первых Ми-8 взлетали в воздух благодаря двум двигателям ТВ2-117. Их мощность составляла 1500 л.с., а 10-ступенчатый компрессор запускался от стартера-генератора ГС-18ТО. Запуск стартера-генератора первого двигателя питается от шести аккумуляторных батарей 12САМ28 напряжением 24 В, а второй – от стартера-генератора уже работающего двигателя.
Во время работы двигателей ГС-18ТО выдается напряжение 27 В в систему основного электроснабжения. Два аккумулятора установлены в грузовой кабине, а остальные четыре вмонтированы в пилотской кабине. Хоть их емкость и небольшая, все же она не мешает питать электроэнергией пять запусков двигателей поочередно. Они отдают ток свыше 600-800 ампер, заряжаясь при этом от генераторов (постоянный ток) и могут автоматически включаться и выключаться. Эта способность стала возможной благодаря дифференциально-минимальным реле (контроль работы генератора).
Преобразователь ПТ-500Ц питает гироскопические приборы трехфазным напряжением 36 вольт. Генератор СГО-30У дает однофазный ток (208 В) в элементы обогрева лобовых стекол и винтов. От СГО-30У отходят два однофазных трансформатора ТС/1-2 и Тр-115/36. Первый питает навигационное оборудование, а второй – приборы контроля трансмиссии и двигателей. В случае неполадок и отказа работы СГО-30У все оборудование в автономном режиме переходит к преобразователю ПО-750А.
Более поздние серии Ми-8МТ, Ми-17 и другие значительно отличаются от базовой модели. Установленные двигатели ТВ3-117 намного мощнее. Подачу воздуха к стартерам осуществляет ВСУ АИ-9В и стартерный генератор СТГ-3. Система электроснабжения выдает напряжение 208 В с частотой 400 Гц. Она питается от генераторов СГС-40ПУ, которые размещены на главном редукторе. Для запуска ВСУ и в случае необходимости аварийного питания установлены аккумуляторные батареи 12САМ-28.
Основное питание осуществляется тремя выпрямительными устройствами ВУ-6А. Первый генератор отвечает за подпитку током ВУ №1, элементов обогрева трансформатора и винтов, а второй питает ВУ №2 и №3, механизм обогрева стекол и ПЗУ двигателей. В отдельных модификациях дополнительно обогревается трансформатор ТС/1-2.
При отказе одного генератора ТС310С04Б переключается на второй; если же отказали оба, тогда запускаются преобразователи ПТ-200Ц и ПО-500А.
На вертолете установлены две гидросистемы: основная и дублирующая. Насос НШ-39М, установленный на главный редуктор, создает давление в каждой из них. Его регулировка происходит специальными автоматами ГА-77В. Поддержка в основной системе происходит двумя гидроаккумуляторами, в дублирующей – одним. Раздельные электромагнитные краны ГА192 включают гидропитание РА-60Б, КАУ-30Б общего несущего винта и двух КАУ-30Б управления поточного и поперечного типов.
Существует много видов модернизации Ми-8. Они делятся на типы:
1. Опытные
В-8 – первый опытный вертолет с одним установленным ГТД АИ-24В;
В-8А – второй экземпляр с наличием двух ГТД ТВ2-117;
В-8АТ – третий созданный опытный образец;
В-8АП – четвертая и последняя опытная модель.
2. Пассажирские
Ми-8П – вертолет пассажирского типа на 28 мест;
Ми-8ПА – модификация с двигателями ГТД ТВ2-117Ф;
3. Транспортники
Ми-8Т – вертолет транспортно-десантный;
Ми-8ТС – экспортный образец для ВВС Сирии. В учет конструкции принят сухой климат.
4. Многоцелевые
Ми-8ТВ – принят на вооружение СССР в 1968 году. Модификация включает в себя бронирование кабины пилотов, двигателей и капотов редуктора, а также наличие четырех ПТУР «Малютка» и пулемета А-12.7;
Ми-8АТ – двигатели ТВ2-117АГ;
Ми-8АВ – использовался для установки мин (до 200 штук) против сухопутных войск;
Ми-8АД – предназначен для установки малогабаритных противопехотных мин;
Ми-8МТ – двигатели ТВ3-117;
Ми-8МТВ – двигатели ТВ3-117ВМ;
Ми-8МТВ-5 – модифицированная носовая часть вертолета;
Ми-8МТКО – монтаж светотехники и приборов ночного видения;
Ми-171 – выдан сертификат Международного Авиационного комитета. Его модификации – Ми-171А1 и Ми-17КФ.
Также существовали Ми-8ТГ, Ми-14, Ми-18, Ми-8МСБ. Для особых случаев был разработан целый ряд вертолетов специального назначения. Следует отметить некоторые из них. К примеру, Ми-8ТЭЧ-24 использовался для техническо-ремонтных работ. На борту присутствовало слесарное и контрольно-проверочное оборудование. Ми-8СПА занимался поисковыми и спасательными работами. Ми-8К – артиллерийский воздушный корректировщик. Тот же Ми-8ВКП представлял непосредственно командный пункт воздушного плана. Воздушный госпиталь представлялся вертолетом Ми-8МБ.
Особо отличался от всех Ми-8АМТШ. Вертолет транспортно-штурмового типа широко используется многими странами. Оснащен комплексом вооружения и усиленным бронированием кабины пилотов и двигателя.
Разработка вертолета.
В 1960 г. ОКБ Миля М.Л. начало разработку нового транспортного вертолета, который бы заменил собой устаревший Ми-4. Опытный прототип с обозначением В-8 совершил первый полет в июне 1961 г. На вертолете был установлен один ГТД АИ-24 и четырехлопастной несущий винт от Ми-4. Позже конструкторы провели ряд усовершенствований. Силовую установку заменили на два ГТД TB2-117. Несущий винт стал пятилопастным.
Двигатель АИ-24.
Производство и выпуск.
С 17 сентября 1962 г. начались летные испытания. Вертолет полностью оправдал возложенные на него надежды. С 1965 г. он пошел в серийное производство под обозначением Ми-8. Конструкция данной машины оказалась настолько удачной, что его производство и модернизация продолжаются до сих пор. На сегодняшний день Ми-8 является одним из самых распространенных транспортных вертолетов в мире. Было выпущено более 8000 машин в разных модификациях. Вертолет эксплуатируется в более чем 50-ти странах мира.
Ми-8 кабина
По своей конструкции Ми-8 – вертолет одновинтовой схемы. Фюзеляж полумонококовый каркасный состоит из кабины пилотов, грузового отсека и хвостовой балки. Кабина пилотов трехместная рассчитанная на двух летчиков и бортмеханика. Грузовая кабина может быть приспособлена для перевозки грузов или оборудована сидениями для пассажиров. В транспортном варианте погрузка производится через двухстворчатый грузовой люк. Шасси трехопорное неубирающееся. Силовая установка состоит из двух ГТД ТВ2-117А (ТВ3-117МТ), 2х1710 (2х3065) л.с. Несущий винт пятилопастной с цельнометаллическими лопастями. Рулевой винт трехлопастной.
Двигатель ТВ2-117А.
Модификации вертолета.
Существует более 30-ти модификаций этой машины, основными среди которых являются Ми-8Т (транспортный) и Ми-8П (пассажирский). Ми-8АМТШ представляет собой десантно-штурмовой вариант с ракетным и пулеметным вооружением. Вертолет используется для выполнения широкого спектра задач, как в гражданской авиации, так и в ВВС. С 70-х годов Ми-8 использовался во многих военных конфликтах в разных уголках планеты.
Ми-8П (пассажирский).
Ми-8Т (транспортный).
Основные характеристики Ми-8
Максимальная взлетная масса вертолета составляет 12000 (13000) кг. Максимальная скорость 250 км/ч. Практический потолок 4500 м. Практическая дальность 480 км. Нагрузка может состоять из 4000 кг в грузовой кабине или 3000 кг на внешней подвеске. Пассажирский вариант рассчитан на перевозку 24 пассажиров. В различных десантно-транспортных модификациях вертолет может вместить около 30-ти солдат или 12 раненых на носилках с сопровождающими.
Полный список характеристик вертолета и модификаций.
Военный вариант:
Экипаж — 3 человека.
Максимальная взлетная масса — 13 000 кг.
Двигатель ГТД Климов ТВ3‑117 — 2.
Мощность — 2 на 1620 кВт.
Длина — 18,424/25,352 м.
Высота — 4,756/5,552 м.
Максимальная скорость — 250 км/ч.
Практическая дальность полета — 950 км.
Практический потолок — 5000 м.
Полезная нагрузка — до 24 солдат или 12 носилок с сопровождающими или 4000 кг груза.
Ми-8 видео