Động cơ Turboprop: thiết bị, sơ đồ, nguyên lý hoạt động. Sản xuất động cơ phản lực cánh quạt ở Nga

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Động cơ phản lực cánh quạt tương tự như động cơ piston: cả hai đều có một cánh quạt. Nhưng theo mọi cách khác nhau, chúng khác nhau. Hãy xem xét thiết bị này là gì, hoạt động như thế nào, ưu và nhược điểm của nó là gì.

Đặc điểm chung

Động cơ phản lực cánh quạt thuộc loại động cơ tuabin khí, được phát triển như bộ chuyển đổi năng lượng phổ quát và được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không. Chúng bao gồm một động cơ nhiệt, nơi các khí nở ra làm quay tuabin và tạo ra mô-men xoắn, và các bộ phận khác được gắn vào trục của nó. Động cơ phản lực cánh quạt được cung cấp một cánh quạt.

Nó là sự kết hợp giữa các đơn vị piston và turbo phản lực. Lúc đầu, động cơ piston được lắp đặt trong máy bay, bao gồm các xi lanh hình sao với một trục nằm bên trong. Nhưng do có kích thước và trọng lượng quá lớn, cũng như khả năng tốc độ thấp nên chúng không còn được sử dụng nữa, ưu tiên lắp đặt động cơ tuốc bin phản lực đã xuất hiện. Nhưng những động cơ này không phải là không có nhược điểm. Họ có thểphát triển tốc độ siêu thanh, nhưng tiêu tốn nhiều nhiên liệu. Do đó, hoạt động của họ quá đắt cho việc vận chuyển hành khách.

Động cơ phản lực cánh quạt đã phải đối mặt với một thiếu sót như vậy. Và vấn đề này đã được giải quyết. Thiết kế và nguyên lý hoạt động được lấy từ cơ chế của động cơ tuốc bin phản lực và các cánh quạt từ động cơ piston. Do đó, có thể kết hợp các kích thước nhỏ, nền kinh tế và hiệu quả cao.

Động cơ được phát minh và chế tạo từ những năm ba mươi của thế kỷ trước dưới thời Liên Xô, và hai thập kỷ sau bắt đầu sản xuất hàng loạt. Công suất đa dạng từ 1880 đến 11000 kW. Trong một thời gian dài, chúng được sử dụng trong quân sự và hàng không dân dụng. Tuy nhiên, chúng không phù hợp với tốc độ siêu thanh. Do đó, với sự ra đời của các năng lực như vậy trong hàng không quân sự, chúng đã bị bỏ rơi. Nhưng máy bay dân dụng chủ yếu được cung cấp với chúng.

Thiết bị của động cơ phản lực cánh quạt và nguyên lý hoạt động của nó

Thiết kế của động cơ rất đơn giản. Bao gồm:

• giảm tốc;
• cánh quạt;
• buồng đốt;
• máy nén;
• vòi.

Sơ đồ của động cơ tuốc bin cánh quạt như sau: sau khi được bơm và nén bởi máy nén, không khí đi vào buồng đốt. Đó là nơi nhiên liệu được bơm vào. Hỗn hợp thu được sẽ bốc cháy và tạo ra các khí, khi nở ra, đi vào tuabin và quay nó, và đến lượt nó, làm quay máy nén và trục vít. Chưa gửi tiềnnăng lượng thoát ra ngoài qua vòi phun, tạo ra lực đẩy phản lực. Vì giá trị của nó không đáng kể (chỉ mười phần trăm) nên động cơ phản lực cánh quạt không được coi là động cơ tuốc bin phản lực.

Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động và thiết kế cũng tương tự như nó, nhưng năng lượng ở đây không hoàn toàn thoát ra ngoài qua vòi phun, tạo ra lực đẩy phản lực, mà chỉ một phần, vì năng lượng hữu ích cũng làm quay cánh quạt.

Trục làm việc

Có động cơ có một hoặc hai trục. Ở phiên bản trục đơn, máy nén, tuabin và cánh quạt nằm trên cùng một trục. Trong một loại hai trục, một tuabin và máy nén được lắp trên một trong số chúng, và một cánh quạt thông qua hộp số trên một bên. Ngoài ra còn có hai tuabin nối với nhau theo kiểu động khí. Một cái dành cho cánh quạt và cái kia dùng cho máy nén. Tùy chọn này là phổ biến nhất, vì năng lượng có thể được sử dụng mà không cần khởi động các cánh quạt. Và điều này đặc biệt thuận tiện khi máy bay ở trên mặt đất.

Máy nén

Phần này bao gồm hai đến sáu giai đoạn, cho phép bạn cảm nhận những thay đổi đáng kể về nhiệt độ và áp suất, cũng như giảm tốc độ. Nhờ thiết kế này có thể giảm trọng lượng và kích thước, điều này rất quan trọng đối với động cơ máy bay. Máy nén bao gồm các cánh quạt và một cánh dẫn hướng. Sau này có thể có hoặc có thể không được quy định.

Cánh quạt

Bộ phận này tạo ra lực đẩy, nhưng tốc độ bị hạn chế. Chỉ số tốt nhất được coi là mức từ 750 đến 1500 vòng / phút, vì vớităng, hiệu suất sẽ bắt đầu giảm, và thay vì tăng tốc, chân vịt sẽ chuyển thành phanh. Hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng khóa”. Nguyên nhân là do cánh quạt, ở tốc độ cao, khi quay vượt quá tốc độ âm thanh, bắt đầu hoạt động không chính xác. Hiệu ứng tương tự sẽ được quan sát bằng cách tăng đường kính của chúng.

Tuabin

Tua bin có khả năng tăng tốc đến hai vạn vòng / phút, nhưng trục vít sẽ không thể ăn khớp với nó, do đó, có một hộp giảm tốc làm giảm tốc độ và tăng mô-men xoắn. Các bộ giảm tốc có thể khác nhau, nhưng nhiệm vụ chính của chúng, bất kể loại nào, là giảm tốc độ và tăng mô-men xoắn.

Chính đặc điểm này đã hạn chế việc sử dụng động cơ phản lực cánh quạt trong máy bay quân sự. Tuy nhiên, những phát triển để tạo ra một động cơ siêu thanh không dừng lại, mặc dù chúng vẫn chưa thành công. Để tăng lực đẩy, đôi khi người ta cung cấp động cơ phản lực cánh quạt với hai cánh quạt. Đồng thời, chúng thực hiện nguyên lý hoạt động do quay ngược chiều nhau, nhưng với sự hỗ trợ của một hộp số.

Ví dụ, chúng ta có thể xem xét động cơ D-27 (động cơ phản lực cánh quạt), có hai quạt trục vít được gắn với tuabin tự do bằng hộp số. Đây là mô hình duy nhất của thiết kế này được sử dụng trong ngành hàng không dân dụng. Nhưng ứng dụng thành công của nó được coi là một bước nhảy vọt trong việc cải thiện hiệu suất củađộng cơ.

Ưu nhược điểm

Hãy nêu những điểm cộng và điểm hạn chế đặc trưng cho hoạt động của động cơ tuốc bin cánh quạt. Những lợi ích là:

• trọng lượng nhẹ so với đơn vị piston;
• tiết kiệm so với động cơ tuốc bin phản lực (nhờ có cánh quạt, hiệu suất đạt 86%).

Tuy nhiên, bất chấp những ưu điểm không thể phủ nhận như vậy, trong một số trường hợp, động cơ phản lực vẫn là lựa chọn ưu tiên. Giới hạn tốc độ của động cơ phản lực cánh quạt là bảy trăm năm mươi km một giờ. Tuy nhiên, điều này là chưa đủ đối với hàng không hiện đại. Ngoài ra, tiếng ồn tạo ra rất cao, vượt quá giá trị cho phép của Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế.

Vì vậy, việc sản xuất động cơ phản lực cánh quạt ở Nga bị hạn chế. Chúng chủ yếu được lắp đặt trên các máy bay bay quãng đường dài và tốc độ thấp. Sau đó, ứng dụng là hợp lý.

Tuy nhiên, trong ngành hàng không quân sự, nơi mà các đặc điểm chính mà máy bay phải có là khả năng cơ động cao và hoạt động êm ái chứ không hiệu quả, các động cơ này không đáp ứng được các yêu cầu cần thiết và các bộ phận tuốc bin phản lực được sử dụng ở đây.

Đồng thời, các phát triển đang được tiến hành để tạo ra cánh quạt siêu thanh nhằm vượt qua "hiệu ứng khóa" và đạt đến một cấp độ mới. Có lẽ, khi phát minh này trở thành hiện thực, động cơ phản lực sẽ bị loại bỏ để chuyển sang sử dụng động cơ phản lực cánh quạt và trong quân độimáy bay. Nhưng hiện tại, chúng chỉ có thể được gọi là "ngựa con", không phải là mạnh nhất nhưng hoạt động ổn định.