Ви знали? Коли ми дивимося на фотографії літаків, перше, що впадає в очі, може бути ліврея або крила. Однак справжні детермінанти швидкості, дальності та пасажиромісткості літака лежать у «серці», прихованому під крилами або всередині фюзеляжу: двигуні.
Турбореактивний, турбовентиляторний, турбогвинтовий і турбовальний-ці чотири назви можуть звучати як скоромовка, якщо їх перерахувати разом. Проте, як тільки ви зрозумієте взаємозв’язок між ними, фундаментальна логіка дизайну літака стане миттєво зрозумілою. Давайте розберемо це сьогодні.
[Зображення]
По-перше, майте на увазі цю основну концепцію: ці чотири типи двигунів належать до однієї родини. Всі вони працюють за принципом газової турбіни. Простіше кажучи: повітря втягується → стискається → паливо впорскується та спалюється → газ із високою-температурою та високим{3}}тиском змушує турбіну обертатися → вихлопні гази випускаються для створення тяги. Усі чотири мають той самий основний процес.
Різниця полягає в тому, як вони направляють енергію, що утворюється після згоряння.
1
Турбореактивний двигун: оригінальний родовід
Повна назва — «турбореактивний двигун», і це був перший тип реактивного двигуна, який досяг зрілості. Його принцип роботи найпростіший: усе повітря проходить єдиний шлях-стиснення, згоряння та видалення. Чим швидше випускається вихлоп, тим більша тяга.
Під час бою, коли пілот включає форсаж, тяга може зрости на 30% до 100%; однак цю здатність можна використовувати лише короткочасно, оскільки споживання палива астрономічно велике.
Найбільшою перевагою турбореактивного двигуна є швидкість, що робить його ідеальним для-високошвидкісних-польотів. Його найбільшим недоліком є висока витрата палива; ефективність особливо низька під час-польоту на низькій швидкості.
[Зображення: схематична схема будови турбореактивного двигуна]
Чи хтось коли-небудь замислювався, чи можна додати додатковий шар повітря навколо двигуна-повітря, який обходить камеру згоряння й просто виштовхується вентилятором для створення тяги? Хіба це не заощадить паливо?
Так народився турбовентиляторний двигун.
2
Турбовентиляторний двигун: чинний чемпіон
Ви можете думати про турбовентиляторний двигун як про турбореактивний двигун, одягнений у «повітряний плащ». Великий вентилятор встановлено перед оригінальним основним двигуном. Коли повітря потрапляє всередину, воно розділяється на два шляхи:
Невелика частина йде центральним «старим шляхом» (внутрішня труба/ядро): стиснення → згоряння → вихлоп → генерація тяги.
Значна частина йде зовнішнім «новим шляхом» (зовнішній канал/обвідний канал): прискорюється лише вентилятором → прямий вихлоп → генерація тяги (і більша паливна ефективність).
[Зображення]
Принципи роботи внутрішніх і зовнішніх каналів турбовентиляторного двигуна (серцевий і байпасний потоки)
Ключ криється в одній цифрі: **коефіцієнт обходу**. Це основна концепція аеро-двигунів. Простіше кажучи, це відношення маси повітря, що проходить через зовнішній повітропровід, до маси повітря, що проходить через внутрішній повітропровід.
Коефіцієнт двоконтурності нуль → Турбореактивний двигун
Низький коефіцієнт обходу (наприклад, 0,2–0,3) → Хороші високо-швидкісні характеристики → Використовується на винищувачах
Високий коефіцієнт перепуску (наприклад, 8–9 або вище) → Висока паливна-ефективність, низький рівень шуму → Використовується на цивільних авіалайнерах
Найбільші у світі цивільні турбовентиляторні двигуни сьогодні досягають коефіцієнта двоконтурності, що перевищує 10. Іншими словами, повітря, яке створює тягу в результаті згоряння в серцевині двигуна, становить менше однієї-десятої загальної кількості; решта 90% тяги надходить від повітря, що штовхається масивним вентилятором. Це секрет їхнього поєднання потужності та паливної ефективності.
[Зображення]
3
Турбогвинтовий двигун: «Геркулес» повітряного транспорту
Багато людей плутають турбогвинтові двигуни зі старомодними-поршневими двигунами. Насправді вони зовсім інші. За своєю суттю турбогвинтовий двигун є, по суті, реактивним двигуном, але він передає більшу частину потужності, виробленої турбіною, на зовнішній пропелер через редуктор.
Тягова сила (тяга), що створюється пропелером, що збиває повітря, є основним джерелом руху, тоді як слабкий потік вихлопу з вихлопної труби відіграє лише допоміжну роль. По суті, якщо ви візьмете турбовентиляторний двигун, виставите його великий вентилятор назовні та зменшите його швидкість обертання, ви, по суті, отримаєте турбогвинтовий двигун.
[Зображення]
Турбогвинтовий двигун
Перевагою турбогвинтового двигуна є його надзвичайно висока ефективність під час польоту на низькій{0}}швидкості-він навіть більш-економніший, ніж турбовентилятор. На швидкостях польоту нижче 600 км/год турбогвинтовий двигун має переважну перевагу.
Його недоліки теж очевидні: він не дуже швидко літає і створює значний шум. Російський бомбардувальник Ту-95, який використовує турбогвинтові двигуни, має відоме прізвисько «Ведмідь». Коли пропелер обертається на високій швидкості, його кінчики долають звуковий бар’єр, створюючи неймовірно гучний шум, який, як повідомляється, чутно на відстані до 20 кілометрів. Висока швидкість у поєднанні з оглушливим шумом – лише один бік турбогвинтової медалі.
Зображення
Турбогвинтовий двигун AEP500
Турбогвинтові двигуни особливо добре-підходять для низько{1}}--середньошвидкісних-транспортних літаків, патрульних літаків і регіональних авіалайнерів. Їм не потрібні високі швидкості, але надають перевагу паливній ефективності, низьким витратам і мінімальним вимогам до злітно-посадкової смуги. Багато турбогвинтових літаків можуть злітати та приземлятися на короткі грунтові смуги-, що неможливо для стандартних комерційних авіалайнерів.
4
Турбовальні двигуни: створені спеціально для вертольотів
Накривши турбогвинти, легко розібратися з турбовалами. Тоді як турбогвинтовий двигун спрямовує свою потужність на обертання гвинта, турбовальний двигун спрямовує його на обертання гвинта вертольота.
Зображення
Турбовальний двигун
Турбовальні двигуни мають кілька основних характеристик:
Надзвичайно високе співвідношення потужності-до-ваги-вони компактні та легкі, але забезпечують величезну потужність. Це дуже важливо для вертольотів; кожен заощаджений кілограм ваги дозволяє отримати додатковий кілограм корисного навантаження.
Компактна конструкція-розроблена для розміщення у вузькому фюзеляжі гелікоптера.
Регульований напрямок вихлопу-на відміну від інших двигунів, які повинні вихлопувати назад, шлях вихлопу можна пристосувати до конкретного плану вертольота.
Турбогвинтовий двигун і турбовал — це, по суті, два варіанти одного основного двигуна. Виробникам просто потрібно модифікувати кінцевий механізм виведення; той самий основний двигун може служити турбогвинтовим для-літаків із нерухомим крилом або турбовальним для гелікоптерів. Авіаційна промисловість практикувала такий модульний дизайн задовго до того, як ця концепція стала трендом.
Нарешті, давайте з’ясуємо зв’язок між чотирма типами:
Турбореактивний: предок; найчистішому вигляді. Він забезпечує найвищу швидкість, але споживає найбільше палива.
Турбовентилятор: покращена версія. Він додає великий вентилятор, щоб збалансувати тягу та паливну ефективність, що робить його поточним галузевим стандартом.
Турбогвинтовий двигун: економічна-версія. Він спрямовує всю потужність на пропелер, забезпечуючи чудову економію на низьких швидкостях.
Турбовал: спеціалізована версія. Він перетворює потужність на вихідний вал спеціально для приводу гвинтів вертольотів. Жоден із чотирьох типів двигунів за своєю суттю не перевершує інші; у кожного своя арена і свій спосіб процвітання.
