Турбовинтовой двигатель представляет собой газотурбинный двигатель, который приводит в движение самолета пропеллер.
Турбовинтовой двигатель состоит из воздухозаборника, редуктора, компрессора, камеры сгорания, турбины и маршевого сопла. Воздух всасывается во впускное отверстие и сжимается компрессором. Затем топливо добавляется к сжатому воздуху в камере сгорания, где затем сгорает топливно-воздушная смесь. Горячие газы сгорания расширяются через турбину. Часть энергии, вырабатываемой турбиной, используется для привода компрессора. Затем газы выпускаются из задней части двигателя. В отличие от турбореактивного двигателя, выхлопные газы двигателя не содержат достаточно энергии для создания значительной тяги, поскольку почти вся мощность двигателя используется для приведения в действие винта.
Выхлопная тяга в турбовинтовом двигателе приносится в жертву мощности на валу, которая получается за счет извлечения дополнительной мощности (сверх той, которая необходима для привода компрессора) от расширения турбины. Из-за дополнительного расширения турбинной системы остаточная энергия в выхлопной струе мала. Следовательно, выхлопная струя производит около 10% общей тяги. Большая часть тяги поступает от гребного винта на низких скоростях и меньше - на высоких.
Турбовинтовые двигатели имеют коэффициент двухконтурности 50-100, хотя воздушный поток движущей силы менее четко определен для гребных винтов, чем для вентиляторов.
Пропеллер соединен с турбиной через редуктор, который преобразует выходную мощность с высоким числом оборотов / низким крутящим моментом в низкие обороты / высокий крутящий момент. Сам пропеллер обычно представляет собой воздушный винт с постоянной скоростью (с изменяемым шагом), аналогичный тому, который используется в более крупных авиационных поршневых двигателях, за исключением того, что требования к управлению воздушным винтом сильно различаются.
В отличие от вентиляторов малого диаметра, используемых в турбовентиляторных реактивных двигателях, пропеллер имеет большой диаметр, что позволяет ему разгонять большой объем воздуха. Это позволяет снизить скорость воздушного потока для данной величины тяги. Поскольку на низких скоростях более эффективно ускорять большое количество воздуха в небольшой степени, чем небольшое количество воздуха в большой степени, низкая нагрузка на диск (тяга на единицу площади диска) увеличивает энергоэффективность самолета, а это снижает использование топлива.
Пропеллеры работают хорошо, пока скорость полета самолета не станет достаточно высокой, чтобы воздушный поток, проходящий мимо кончиков лопастей, достиг скорости звука. При превышении этой скорости пропорция мощности, приводящей в движение винт, которая преобразуется в тягу винта, резко падает. По этой причине турбовинтовые двигатели не используются на самолетах, которые летают со скоростью более 0,6–0,7 Маха. Однако винтовые двигатели, которые очень похожи на турбовинтовые, могут летать на крейсерских скоростях, приближающихся к 0,75 Маха. Для поддержания эффективности гребного винта в широком диапазоне скоростей полета в турбовинтовых двигателях используются гребные винты с постоянной скоростью (изменяемым шагом). Шаг лопастей винта с постоянной скоростью увеличивается по мере увеличения скорости самолета. Еще одним преимуществом этого типа гребного винта является то, что он также может использоваться для создания обратной тяги для уменьшения тормозного пути на взлетно-посадочной полосе. Кроме того, в случае отказа двигателя гребной винт может быть убран, что минимизирует сопротивление неработающего гребного винта.
Хотя силовая турбина может быть объединена с секцией газогенератора, многие турбовинтовые двигатели сегодня имеют свободную силовую турбину на отдельном коаксиальном валу. Это позволяет гребному винту вращаться свободно, независимо от скорости компрессора.
Алан Арнольд Гриффит опубликовал статью о конструкции компрессора в 1926 году. Последующая работа в Royal Aircraft Establishment исследовала конструкции на основе осевых компрессоров, которые приводили в движение воздушный винт. С 1929 года Фрэнк Уиттл начал работу над конструкциями на основе центробежных компрессоров, которые использовали бы всю газовую мощность, производимую двигателем, для создания реактивной тяги.
Первый в мире турбовинтовой двигатель был разработан венгерским инженером-механиком Дьёрдь Ендрассиком. Jendrassik опубликовал идею турбовинтового двигателя в 1928 году, а 12 марта 1929 года он запатентовал свое изобретение. В 1938 году он построил небольшую (100 л.с., 74,6 кВт) экспериментальную газовую турбину. Более крупный Jendrassik Cs-1 с прогнозируемой мощностью 1000 л.с. был произведен и испытан на заводе Ganz в Будапеште в период с 1937 по 1941 год. Он имел осевую конструкцию с 15 компрессорами и 7 ступенями турбины, кольцевой камерой сгорания. Первый запуск в 1940 году, проблемы сгорания ограничили его мощность до 400 л.с. В 1941 году двигатель был заброшен из-за войны, и завод был переведен на производство обычных двигателей.
Rolls-Royce RB.50 Trent на испытательном стенде в Хакнелле, март 1945 года.Первое упоминание о турбовинтовых двигателях в широкой публичной прессе было в выпуске британского авиационного издания Flight за февраль 1944 года, которое включало подробный чертеж в разрезе возможного будущего турбовинтового двигателя. Рисунок был очень близок к тому, как будет выглядеть будущий Rolls-Royce Trent. Первым британским турбовинтовым двигателем был Rolls-Royce RB.50 Trent, переделанный Derwent II, оснащенный редуктором и пятилопастным винтом Rotol 7 футов 11 дюймов (2,41 м). Два Trents были установлены на Gloster Meteor EE227 - единственный "Trent-Meteor" - который, таким образом, стал первым в мире самолетом с турбовинтовым двигателем, хотя и не предназначенным для производства испытательным стендом. Первый полет он совершил 20 сентября 1945 года. На основе своего опыта с Trent компания Rolls-Royce разработала Rolls-Royce Clyde, первый турбовинтовой двигатель, полностью сертифицированный для использования в военных и гражданских целях, и Dart, который стал одним из самых популярных двигателей. надежные турбовинтовые двигатели из когда-либо построенных. Производство дротиков продолжалось более пятидесяти лет. Vickers Viscount с двигателем Dart был первым турбовинтовым самолетом любого типа, запущенным в производство и проданным в больших количествах. Это также был первый четырехмоторный турбовинтовой двигатель. Его первый полет был 16 июля 1948 г. первый в мире одним двигателем турбовинтовой самолет был Armstrong Siddeley Mamba Приведено Бултоном Пол Баллиола, который первым полетел 24 марта 1948.
Кузнецов НК-12 по - прежнему самый мощный турбовинтовойСоветский Союз строил немецкий турбовинтовой двигатель времен Второй мировой войны, разработанный компанией Junkers Motorenwerke, в то время как BMW, Heinkel-Hirth и Daimler-Benz также работали над проектными проектами. В то время как в Советском Союзе была технология для создания планера для реактивного стратегического бомбардировщика, сопоставимого с самолетом Boeing B-52 Stratofortress, вместо этого они изготовили Tupolev Tu-95 Bear, оснащенный четырьмя турбовинтовыми двигателями Кузнецова НК-12, соединенными с восемью противотанковыми двигателями. вращающиеся пропеллеры (по два на гондолу) со сверхзвуковой скоростью на конце для достижения максимальной крейсерской скорости, превышающей 575 миль в час, что быстрее, чем у многих первых реактивных самолетов, и сравнимо с реактивными крейсерскими скоростями для большинства миссий. «Медведь» будет их самым успешным самолетом дальнего боя и наблюдения и символом проекции советской власти в конце 20-го века. США использовали турбовинтовые двигатели с винтами встречного вращения, такие как Allison T40, на некоторых экспериментальных самолетах в 1950-х годах. Летающая лодка Convair R3Y Tradewind с двигателем T40 недолго эксплуатировалась ВМС США.
Первым американским турбовинтовым двигателем был General Electric XT31, впервые использованный в экспериментальном Consolidated Vultee XP-81. XP-81 впервые поднялся в воздух в декабре 1945 года и стал первым самолетом, в котором использовалась комбинация турбовинтовой и турбореактивной мощности. Технология более ранней конструкции Allison T38 превратилась в Allison T56, который использовался для питания авиалайнера Lockheed Electra, его военно-морского патруля, производного от P-3 Orion, и военно-транспортного самолета C-130 Hercules.
Первый турбинный, с приводом от вала вертолета был Каман К-225, развитие Чарльза Каман «с К-125 synchropter, который использовал Боинг T50 турбовальный двигатель, чтобы включить его 11 декабря 1951 года.
По сравнению с турбовентиляторными двигателями, турбовинтовые двигатели наиболее эффективны при скорости полета ниже 725 км / ч (450 миль / ч; 390 узлов), поскольку реактивная скорость воздушного винта (и выхлопа) относительно мала. Современные турбовинтовые авиалайнеры работают почти с той же скоростью, что и небольшие региональные реактивные авиалайнеры, но сжигают две трети топлива на одного пассажира. Однако по сравнению с турбореактивным двигателем (который может летать на большой высоте для повышения скорости и топливной экономичности ) винтовой самолет имеет более низкий потолок.
Бук King Air и Super King Air наиболее доставляемых турбовинтового самолетов бизнес с комбинированным 7300 примеров по состоянию на май 2018 годаПо сравнению с поршневыми двигателями их более высокая удельная мощность (что позволяет сократить взлет) и надежность могут компенсировать более высокие начальные затраты, техническое обслуживание и расход топлива. Как топливо для реактивных двигателей может быть легче получить, чем Avgas в отдаленных районах, турбовинтовой питанием самолетов, как Cessna Caravan и Quest Kodiak используются в качестве куста самолетов.
Турбовинтовые двигатели обычно используются на небольших дозвуковых самолетах, но Туполев Ту-114 может развивать скорость до 470 узлов (870 км / ч, 541 миль / ч). Большие военные самолеты, такие как Туполев Ту-95, и гражданские самолеты, такие как Lockheed L-188 Electra, также имели турбовинтовые двигатели. Airbus А400Й питаются от четырех Europrop TP400 двигателей, которые являются вторым наиболее мощными турбовинтовыми двигателями, когда - либо созданные после 11 МВт (15000 л.с.) Кузнецов НК-12.
В 2017 году, наиболее распространенные турбовинтовые лайнеры в обслуживании были на ATR 42 / 72 (950 самолетов), Bombardier Q400 (506), De Havilland Canada Dash, 8 -100/200/300 (374), Бичкрафт 1900 (328), де Хэвилленд Канада DHC-6 Twin Otter (270), Saab 340 (225). Менее распространенные и старые авиалайнеры включают BAe Jetstream 31, Embraer EMB 120 Brasilia, Fairchild Swearingen Metroliner, Dornier 328, Saab 2000, Xian MA60, MA600 и MA700, Fokker 27 и 50.
Турбовинтовые бизнес-самолеты включают Piper Meridian, Socata TBM, Pilatus PC-12, Piaggio P.180 Avanti, Beechcraft King Air и Super King Air. В апреле 2017 года во всем мире насчитывалось 14 311 турбовинтовых бизнес-самолетов.
В период с 2012 по 2016 год ATSB зафиксировала 417 событий с турбовинтовыми самолетами, 83 в год, более 1,4 миллиона летных часов: 2,2 на 10 000 часов. Три из них были «высоким риском», включая неисправность двигателя и незапланированную посадку в одномоторном караване Cessna 208, четыре «среднего риска» и 96% «низкого риска». Два происшествия привели к легким травмам из-за неисправности двигателя и столкновения с землей в сельскохозяйственном самолете, а пять несчастных случаев были связаны с авиационными работами: четыре в сельском хозяйстве и одно в машине скорой помощи.
Самолеты всего мира Джейн. 2005–2006 гг.