Turbosraigtinis variklis

Turbosraigtinis variklis (angl. turboprop) – dujų turbininio variklio tipas, savyje apjungiantis turboreaktyvinį variklį ir jo sukamą orlaivio sraigtą.

Turbosraigtinį variklį paprastai sudaro oro įsiurbimo kanalas, kompresorius, degimo kamera, turbinos, pavarų dėžė arba reduktorius ir propeleris. Į įsiurbimo angą patekęs oras yra suspaudžiamas kompresoriuje; toks oras kartu su degalais yra paduodamas į degimo kamerą, kur jis uždagamas. Karštos degimo dujos plečiasi ir, sukdamos aukšto slėgio turbinos mentes, generuoja kinetinę energiją. Dalis turbinos generuojamos galios naudojama kompresoriui ir elektros generatoriui varyti. Priešingai nei turboreaktyvinio arba turboventiliatorinio variklio atveju, turbosraigtinio variklio išmetamas dujų srautas nesukuria bent kiek ženklesnės traukos, nes beveik visa variklio galia naudojama sraigtui sukti.

Technologiniai aspektai

Didžioji turbosraigtinio variklio galios dalis perduodama sukti propelerį. Tai pasiekiama papildomo aukšto slėgio kompresoriaus segmento dėka. Dėl šios konstrukcinės ypatybės gaunama tik labai nedidelės energijos išmetamasis oro srautas, sukuriantis tik apie 10 % visos traukos. Ši trauka priklauso nuo propelerio apsukų – augant apsukoms išmetamųjų dujų kuriama trauka nežymiai didėja.

Turbosraigtinių variklių kontūringumo rodiklis siekia 50-100, nors varanti oro srovė yra ne taip aiškiai apibrėžiama kaip turboventiliatorinių variklių atveju.

Propeleris su turbina yra jungiamas per reduktorių, paverčiantį dideles apsukas į didelį sukimo momentą. Egzistuoja dvi pagrindinės turbosraigtinių variklių konstrukcijos – laisvo turbinos veleno (propelerio sraigtas nėra sujungtas su dujų generatoriumi, kaip pvz. Pratt & Whitney Canada PT6) ir fiksuotas velenas, kuriame pavarų dėžė yra sujungta su dujų turbina (pvz. Honeywell TPE331). Pirmuoju atveju egzistuoja didesnė tikimybė, kad sraigto smūgio atveju dujų turbina nebus pažeista, tokia konstrukcija taip pat leidžia mažiau apkrauti variklį paleidimo metu.

Su turbosraigtiniais varikliais paprastai komplektuojamas pastovaus greičio (kintamo žingsnio) sraigtas, panašus į naudojamą su didesnių orlaivių stūmokliniais varikliais. Skiriasi tik oro sraigto valdymo mechanizmas. Dėl lėtesnio turbininių variklių atsako į droselio padėties pokyčius, ypač dirbans nedideliais greičiais, pvz. riedant, judant atgal ar atliekant kitas anžemines operacijas, variklio trauka reguliuojama keičiant propelerio menčių atakos kampą. Tokio variklio propeleris turi du režimus (menčių nustatymus): Alfa ir Beta. Alfa naudojami visiems skrydžio režimams, įskaitant kilimą. Beta apima visoms antžeminėms operacijoms, išskyrus kilimą naudojamus darbo režimus – nuo nulio iki neigiamos traukos. Beta režimas suskirstomas į du režimus: Beta for Taxi ir Beta plus Power. Beta for Taxi naudojamas riedėjimui; jį sudaro visų žingsnių diapazonai nuo žemiausio Alfa diapazono žingsnio iki nulinio žingsnio, naudojant šiuos režimus sukuriama labai maža arba nulinė trauka. Ji paprastai nustatoma perkeliant propelerio atakos kampo svirtį į Beta Taxi diapazoną. Beta Plus Power yra reversinio darbo režimas, jį naudojant sukuriama neigiama trauka. Šis režimas naudojamas tūpimui ant trumpų takų, kai orlaiviui reikia greitai sumažinti greitį, taip pat atbulinės eigos operacijoms. Jis nustatomas perkeliant propelerio menčių atakos kampo svirtį žemiau Beta Taxi diapazono. Dėl to, kad pilotas negali matyti atgalinio vaizdo, taip pat dėl atbulinės eigos sukuriamo dulkių srauto, gamintojai dažnai riboja greitį, kurį galima naudoti Beta Plus Power režimu, taip pat neleidžia jo naudoti gruntiniuose kilimo ir tūpimo takuose.

Istorija

Pirmuoju turbosraigtinio variklio konstrukciją aprašiusiu autoriumi laikomas britas Alanas Arnoldas Grifftas (angl. Alan Arnold Griffith) (1926 m.). Dirbdamas briotų aviaicjos koncerne Royal Aircraft Establishment jis tyrė ašinių kompresorių pagrindu sukurtų propelerių konstrukcijų galimybes. 1929 m. Frankas Vitlas (angl. Frank Whittle) pradėjo kurti išcentrinio kompresoriaus visą variklio gaminamą dujų galią reaktyvinei traukai sukurti panaudojančias konstrukcijas.

Pirmąjį pasaulyje turbosraigtinį variklį suprojektavo vengrų mechanikos inžinierius György Jendrassik. Savo koncepciją jis paskelbė 1928 m., o 1929 m. kovo 12 d. užpatentavo šį išradimą. 1938 m. jis sukonstravo nedidelės galios (100 AG; 74,6 kW) eksperimentinę dujų turbiną. Didesnis modelis, gavęs pavadinimą „Jendrassik Cs-1“ 1937–1941 m. buvo pagamintas ir išbandytas Ganz gamykloje Budapešte. Jo nominali galia siekė 1000 AG. Tai buvo ašinio srauto konstrukcija su 15 kompresorių ir 7 turbinos pakopomis, žiedine degimo kamera. 1940 m. pradėtų bandymų metu dėl degimo problemų jo galia buvo apribota iki 400 AG. 1941 m. Vengrijai įstojus į Antrąjį pasaulinį karą tolimesnių bandymų buvo atsisakyta, o gamykla užeiėmė įprastų variklių gamyba.

Pirmą kartą turbosraigtiniai varikliai viešai buvo paminėti 1944 m. vasario mėn. britų aviacijos leidinio „Flight“ numeryje. Straipsnyje buvo detalus brėžinys, kaip galėtų atrodyti būsimas turbopropelerinis variklis. Piešinys buvo labai panašus į būsimą „Rolls-Royce Trent“. Pirmasis britų turbosraigtinis variklis „Rolls-Royce RB.50 Trent“ buvo perdarytas turboreaktyvinis variklis „Derwent II“ su reduktoriumi ir 7 pėdų 11 colių (2,41 m.) skersmens penkių menčių sraigtu. Du tokie varikliai buvo sumontuoti pirmąjį serijinį britų reaktyvinį naikintuvą „Gloster Meteor“ (Nr. EE227). Pirmą kartą 1945 m. rugsėjo 20 d. pakilęs vienintelis „Trent-Meteor“ tapo pirmuoju pasaulyje turbopropeleriniu orlaiviu, nors ir neskirtu serijinei gamybai. Šių bandymų pagruindu Rolls-Royce sukūrė „Rolls-Royce Clyde“, pirmąjį turbopropelerinį variklį, gavusį kariniam ir civiliniam naudojimui skirtą tipo sertifikatą, ir jo vėlesnę modifikaciją „Dart“ tapusią vienu patikimiausių kada nors sukurtų turbopropelerinių variklių.

Sovietų Sąjungoje turbosraigtinių variklių gamyba buvo pradėta naudojantis iš Vokietijos išvežtu inžineriniu ir techniniu potencialu. Junkers Motorenwerke sukurtas konsturkcijas SSRS 1946–1952 m. tobulino iš Vokietijos išvežti Junkers, BMW, Heinkel-Hirth ir Daimler-Benz inžinieriai. Šio darbo rezultatas – turbosraiginis variklis „Kuznecov NK-12“ ir XXI a. pradžioje naudojamas strateginiame bombonešyje Tupolev Tu-95. Ši konstrukcija pasižymi dviem į priešingas puses besisukančiais bendraašiais propeleriais, kurių galai sukasi viršgarsiniais greičiais. Panašius, tačiau silpnesnius variklius naudojo ir JAV gamintojai, pavyzdžiui, kai kuriuose eksperimentiniuose orlaiviuose šeštajame dešimtmetyje montuotas „Allison T40“. Tokiais varikliais varomą skraidančią valtį „Convair R3Y Tradewind“ trumpą laiką eksploatavo JAV karinis jūrų laivynas.

Pirmasis JAV gamybos turbosraigtinis variklis buvo „General Electric XT31“, pirmą kartą panaudotas 1945 m. gruodį išbandytame eksperimentiniame „Consolidated Vultee XP-81“. XP-81 – pirmasis orlaivis, naudojęs turbosraigtinių ir turboreaktyvinių variklių derinį. Konstrukcija „Allison T38“ išsivystė į „Allison T56“, montuotą į avialainerį „Lockheed Electra“, iš jo kilusį kariniam jūrų patruliavimui skirtą „Lockheed P-3 Orion“ ir karinį transporto lėktuvą „Lockheed C-130 Hercules“.

Pirmuoju turbosraigtiniu varikliu varomus sraigtasparniu 1951 m. gruodžio 11 d. tapo Kaman K-225 (variklis – Boeing T50).

1963 m. gruodį buvo pristatytas Pratt & Whitney Canada gamybos turbosraigtinis variklis Pt6, skirtas tuometiniam Beechcraft 87, netrukus tapusiam Beechcraft King Air.

1964 m. buvo pristatyti pirmieji Garrett AiResearch (dabar priklauso Honeywell Aerospace) gamybos TPE331, skirtas Mitsubishi MU-2, tais metais tapusiam greičiausiu turbosraigtiniu orlaiviu.

Naudojimas

Priešingai nei turboventiliatoriai varikliai, turbosraigtiniai yra efektyviausi skrydžio greičiui esant mažesniam nei nei 725 km/h (450 mylių per valandą; 390 mazgų). Šiuolaikiniai turbosraigtiniai lėktuvai skraido beveik tokiaos pat greičiais kaip ir nedideli regioniniai reaktyviniai lėktuvai, suvartodami tik apie du trečdalius tokio pat dydžio reaktyvinio lėktuvo suvartojamo kuro kiekio vienam keleiviui.

Lyginant su stūmokliniais varikliais, turbosraigtiniai varikliai užtikrina didesnę specifinę galią (galios ir svorio santykį), taip pat patikimumą. Aviaicjoje tai kompensuoja didesnes pradines išlaidas, techninę priežiūrą ir degalų sąnaudas.

Turbopropeleriniai varikliai paprastai naudojami mažuose ikigarsiniuose orlaiviuose. Yra ir išimčių, pvz. keleiviniai „Lockheed L-188 Electra“, „Tupolev Tu-114", strateginis bombonešis „Tupolev Tu-95", transportinis „Airbus A400M“. Galingiausi turbosraigtiniai varikliai – 11 MW (15 000 AG) galios „Kuznecov NK-12" montuoti į „Tu-95", antri pagal galingumą – „Europrop TP400“ – į „Airbus A400".

2017 m. duomenimis plačiausiai naudoti turbosraigtiniai lėktuvai buvo ATR 42 / 72 (950 orlaivių), Bombardier Q400 (506), De Havilland Canada Dash 8 -100/200/300 (374), Beechcraft 1900 (328), Ott20 T40 (DHC) (328), de- 26win Canada. Mažiau paplitę ir senesni lėktuvai – BAe Jetstream 31, Embraer EMB 120 Brasilia, Fairchild Swearingen Metroliner, Dornier 328, Saab 2000, Xian MA60, MA600 ir MA700, Fokker 27 ir Fokker 50.

Turbopropeleriniai verslo orlaiviai yra Piper Meridian, Socata TBM, Pilatus PC-12, Piaggio P.180 Avanti, Beechcraft King Air ir Super King Air. 2017 m. balandžio mėn. pasaulyje eksploatuota 14 311 verslo turbopropelerinių variklių.

Patikimumas

2012–2016 m. Australijos transporto saugos biuras (angl. Australian Transport Safety Bureau – ATSB) užfiksavo 417 su turbosraiginiais orlaiviais susijusių įvykių. Vidutiniškai tai sudarė 83 atvejus į metus; šiuo laikotarpiu stebėti orlaiviai skraidė daugiau nei 1,4 mln. skrydžio valandų: incidentų skaičius siekė 2,2 atvejo 10 000 valandų. Tik trys iš šių įvykių buvo priskirti „didelės rizikos“ kategorijai – jie buvo susiję su variklio gedimu ir vienmotorių „Cessna 208 Caravan“ neplanuotu nusileidimu, keturi – „vidutinės rizikos“ kategorijai ir 96 % – „mažos rizikos“ grupei.

Du įvykiai baigėsi nesunkiais sužalojimais dėl variklio gedimo ir žemės ūkio orlaivio susidūrimo su žeme, o penkios avarijos buvo susijusios su oro darbais: keturios žemės ūkio leėktuvų ir viena oro greitosios medicinos pagalbos.

XXI a. trečiame dešimtmetyje gaminti varikliai

Jane's All the World's Aircraft. 2005–2006.

Taip pat žr

• Reaktyvinis variklis
• Reaktyvinis laivas
• Kompresorius
• Tiltrotorius
• Turbokompresorius

Literatūra

• (EN) Green, W. and Cross, R.The Jet Aircraft of the World (1955). London: MacDonald
• (EN) Gunston, Bill (2006). The Development of Jet and Turbine Aero Engines, 4th Edition. Sparkford, Somerset, England, UK: Patrick Stephens, Haynes Publishing. ISBN 0-7509-4477-3.
• (EN) Gunston, Bill (2006). World Encyclopedia of Aero Engines, 5th Edition. Phoenix Mill, Gloucestershire, England, UK: Sutton Publishing Limited. ISBN 0-7509-4479-X.
• (EN) James, D.N. Gloster Aircraft since 1917 (1971). London: Putnam & Co.  ISBN 0-370-00084-6
• (EN) Van Sickle, Neil D.; et al. (1999). „Turboprop Engines“. Van Sickle’s modern airmanship. McGraw-Hill Professional. p. 205. ISBN 978-0-07-069633-4.

Išnašos

1. Tupolev Tu-95
2. TV3-117
3. Vertikalaus kilimo ir tūpimo lėktuvas
4. Fokker 50
5. Savitasis impulsas
6. Garo turbina
7. Antonov An-24
8. B-52 Stratofortress
9. Tupolev Tu-114
10. ATR 42
11. Bristol Jupiter
12. Iljušin Il-18
13. Fokker F27 Friendship
14. Gnome-Rhône 14N
15. Bell-Boeing V-22 Osprey
16. Iljušin Il-18 (1946 m.)
17. Lėktuvas
18. Saab 2000
19. Olegas Antonovas
20. Aero L-39 Albatros