Как работает турбовинтовой двигатель самолёта: принцип по этапам
Турбовинтовой двигатель самолёта работает так: поток воздуха сжимается компрессором, смешивается с керосином и поджигается в камере сгорания, а раскалённые газы вращают турбину. Турбина через редуктор приводит во вращение большой воздушный винт, который создаёт до 80–90% тяги. Оставшаяся реактивная струя из сопла даёт ещё около 10–15% тяги.
Входной тракт и компрессор
Воздух входит в двигатель через воздухозаборник и поступает в осевой или центробежный компрессор. Компрессор состоит из нескольких ступеней лопаток: каждая ступень сжимает воздух сильнее предыдущей. Степень сжатия в современных турбовинтовых двигателях достигает 12–16 единиц, то есть воздух на выходе из компрессора в 12–16 раз плотнее, чем на входе. Повышение давления необходимо, чтобы топливо сгорало эффективнее и двигатель развивал больше мощности с меньшим расходом топлива.
Камера сгорания и газовая турбина
Сжатый воздух поступает в кольцевую камеру сгорания, куда через форсунки впрыскивается авиационный керосин. Смесь поджигается и температура газов мгновенно поднимается до 1400–1600 градусов. Расширяющиеся горячие газы устремляются через турбину. Турбина в турбовинтовом двигателе отбирает значительно больше энергии, чем в турбореактивном: она должна не просто подпитывать компрессор, но и выработать достаточно мощности для вращения большого воздушного винта через редуктор.
Именно поэтому турбовинтовой двигатель конструктивно сложнее турбореактивного: в нём обычно выделяют силовую турбину, связанную с винтом, и турбину высокого давления, которая раскручивает компрессор. Эти узлы могут быть механически независимы, что называется двухвальной схемой.
Редуктор и воздушный винт
Газовая турбина вращается с огромной скоростью от 15 000 до 30 000 оборотов в минуту. Воздушный винт при таких оборотах был бы неэффективен: концы лопастей выходили бы на сверхзвуковые скорости, создавая ударные волны и теряя тягу. Поэтому между турбиной и винтом устанавливается планетарный редуктор, понижающий обороты до 1000–1800 в минуту при максимальной мощности.
Воздушный винт турбовинтового самолёта имеет регулируемый шаг лопастей: угол установки лопастей изменяется в зависимости от режима полёта. На взлёте устанавливается небольшой шаг для максимальной тяги, на крейсерском режиме шаг увеличивается для лучшей эффективности. При торможении после посадки лопасти могут разворачиваться на отрицательный шаг, создавая обратную тягу.
Где применяются турбовинтовые двигатели
Турбовинтовые двигатели наиболее эффективны на скоростях 450–650 км/ч и высотах до 8000–9000 метров. Выше этого диапазона воздушный винт теряет эффективность из-за разреженности воздуха, а турбовентиляторные двигатели становятся выгоднее. Именно поэтому турбовинтовые самолёты занимают нишу региональных перевозок и грузовой авиации: самолёты Ил-114, турбовинтовые региональные самолёты, самолёты-амфибии и военно-транспортные машины. Расход топлива у турбовинтового двигателя на региональных маршрутах на 20–30% ниже, чем у турбореактивного при аналогичной нагрузке.
