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, , 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 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. ) ir fiksuotas velenas, kuriame pavarų dėžė yra sujungta su dujų turbina (pvz. ). 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 , 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 (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. ) pradėjo kurti išcentrinio kompresoriaus visą variklio gaminamą dujų galią reaktyvinei traukai sukurti panaudojančias konstrukcijas.

Pirmąjį pasaulyje turbosraigtinį variklį suprojektavo vengrų mechanikos inžinierius . 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 „“ 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 „“ (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 „“, pirmąjį turbopropelerinį variklį, gavusį kariniam ir civiliniam naudojimui skirtą tipo sertifikatą, ir jo vėlesnę modifikaciją „“ 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 , BMW, ir Daimler-Benz inžinieriai. Šio darbo rezultatas – turbosraiginis variklis „“ 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 „“. Tokiais varikliais varomą skraidančią valtį „“ trumpą laiką eksploatavo JAV karinis jūrų laivynas.

Pirmasis JAV gamybos turbosraigtinis variklis buvo „ “, pirmą kartą panaudotas 1945 m. gruodį išbandytame eksperimentiniame „“. XP-81 – pirmasis orlaivis, naudojęs turbosraigtinių ir turboreaktyvinių variklių derinį. Konstrukcija „“ išsivystė į „“, montuotą į avialainerį „“, iš jo kilusį kariniam jūrų patruliavimui skirtą „“ ir karinį transporto lėktuvą „“.

Pirmuoju turbosraigtiniu varikliu varomus sraigtasparniu 1951 m. gruodžio 11 d. tapo (variklis – ).

1963 m. gruodį buvo pristatytas gamybos turbosraigtinis variklis , skirtas tuometiniam , netrukus tapusiam .

1964 m. buvo pristatyti pirmieji (dabar priklauso ) gamybos , 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 „“, „Tupolev Tu-114", strateginis bombonešis „Tupolev Tu-95", transportinis „Airbus A400M“. Galingiausi turbosraigtiniai varikliai – 11 MW (15 000 AG) galios „" 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), (506), De -100/200/300 (374), (328), Ott20 T40 (DHC) (328), de- 26win Canada. Mažiau paplitę ir senesni lėktuvai – , , , , Saab 2000, Xian MA60, ir , Fokker 27 ir Fokker 50.

Turbopropeleriniai verslo orlaiviai yra , , , , ir . 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 neplanuotu nusileidimu, keturi – „vidutinės rizikos“ kategorijai ir 96 % – „mažos rizikos“ grupei.

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

XXI a. trečiame dešimtmetyje gaminti varikliai

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

Gamintojas	Šalis	Pavadinimas	Sausas svoris (kg)	Kilimo galia (kW)	Naudojamas
	Kinija	WJ5E	720	2130	,
	Daugiašalis	TP400-D6	1800	8203
General Electric	JAV	CT7-5A	365	1294
General Electric	JAV	CT7-9	365	1447	, , , Sukhoi Su-80
General Electric	Čekija / JAV	H80 Series	200	550–625	, Let 410NG, Let L-410 Turbolet UVP-E, ,
General Electric	JAV	T64-P4D	538	2535	, , Kawasaki P-2J
	JAV	TPE331 Series	150–275	478–1650	, , , , , Aviocar, , , General Atomics MQ-9 Reaper, Grum Ge man, , , , , , , , ,
Honeywell	JAV	LTP 101–700	147	522	,
KKBM	Rusija	NK-12MV	1900	11033	, Tupolev Tu-95, Tupolev Tu-114
Progress	Ukraina	TV3-117VMA-SB2	560	1864
	Rusija	TV7-117S	530	2100	,
Ivchenko-Progress	Ukraina	AI20M	1040	2940	Antonov An-12, , Ilyushin Il-18
	Ukraina	AI24T	600	1880	Antonov An-24, , Antonov An-30
LHTEC	JAV		517	2013
OMKB	Rusija		240	1081	Antonov An-3, Antonov An-38
Pratt & amp; Whitney Canada	Kanada	PT-6 Series	149–260	430–1500	, , , , Beechcraft King Air, Beechcraft Super King Air, , , , , , , , Let L-410 Turbolet, , , , , , , , , ,
Pratt & Whitney Canada	Kanada		418	1491	ATR 42-300/320
Pratt & Whitney Canada	Kanada		425	1603	ATR 42-300/320,
Pratt & Whitney Canada	Kanada		450	1603	Bombardier Dash 8 Q300
Pratt & Whitney Canada	Kanada		450	1950
Pratt & Whitney Canada	Kanada		481	2051	ATR 72
Pratt & Whitney Canada	Kanada		717	3781	Bombardier Dash 8 Q400
PZL	Lenkija		230	754
RKBM	Rusija		240	1044
Rolls-Royce Limited	Jungtinė Karalystė	Dart Mk 536	569	1700	, Fokker F27,
Rolls-Royce Limited	Jungtinė Karalystė	Tyne 21	1085	4500	Aeritalia G.222, ,
Rolls-Royce plc	Jungtinė Karalystė	250-B17	88.4	313	, , , Soloy ,
Rolls-Royce plc	Jungtinė Karalystė	Allison	828–880	3424–3910	, E-2 Hawkeye, ,
Rolls-Royce plc	Jungtinė Karalystė	AE2100A	715.8	3095	Saab 2000
Rolls-Royce plc	Jungtinė Karalystė	J	710	3424
Rolls-Royce plc	Jungtinė Karalystė	D2, D3	702	3424	Alenia C-27J Spartan, Lockheed Martin C-130J Super Hercules
	Rusija		220	1156
Saturn	Rusija		178	809
Turbomeca	Prancūzija	1D	111	313
Turbomeca	Prancūzija	2F	103	376
	Čekija		200	560	Let L-410 Turbolet, , , , , , , Let L-420, , , , , ,
Walter	Čekija	A	570	1360
Walter	Čekija		480	1500

Taip pat žr

• Reaktyvinis variklis
• Kompresorius
• Tiltrotorius

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. Administration, Federal Aviation (2009-11-03). Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge. Skyhorse Publishing Inc. ISBN 978-1-60239-780-4.
2. „Aviation Glossary – Turboprop“. dictionary.dauntless-soft.com. Nuoroda tikrinta 2019-07-07.
3. Rathore, Mahesh. Thermal Engineering. Tata McGraw-Hill Education. p. 968.
4. Hall, Nancy. „Turboprop Engine“. Glenn Research Center. NASA. Nuoroda tikrinta 2023-03-14.
5. Hall, Nancy. „Turboprop Thrust“. Glenn Research Center. NASA. Nuoroda tikrinta 2023-03-14.
6. „Variations of Jet Engines“. smu.edu. Nuoroda tikrinta 31 August 2016.
7. „„The turbofan engine Archyvuota kopija 18 balandžio 2015 iš Wayback Machine projekto.“, page 7. , Department of aerospace engineering.
8. J. Russell (2 August 1996). Performance and Stability of Aircraft. Butterworth-Heinemann. ISBN 0080538649.
9. Ilan Kroo and Juan Alonso. „Aircraft Design: Synthesis and Analysis, Propulsion Systems: Basic Concepts Archyvuota kopija 18 balandžio 2015 iš Wayback Machine projekto.“ Stanford University School of Engineering, Department of Aeronautics and Astronautics Main page Archyvuota kopija 23 vasario 2001 iš Wayback Machine projekto.
10. Prof. Z. S. Spakovszky. „11.5 Trends in thermal and propulsive efficiency“ , 2002. Thermodynamics and Propulsion
11. Hall, Nancy. „Propeller Thrust“. Glenn Research Center. NASA. Nuoroda tikrinta 2023-03-14.
12. Walsh, Philip. Gas Turbine Performance. John Wiley and Sons. ISBN 9781405151030.
13. Airscrews For Turbines,Fairhurst, Flight magazine, 10 November 1949, p.609
14. A&P Powerplant Textbook (3rd leid.). Jeppeson Company. 2004. ISBN 0884873382.
15. Gunston Jet, p. 120
16. Gunston World, p.111
17. „Magyar feltalálók és találmányok – JENDRASSIK GYÖRGY (1898–1954)“. SZTNH. Nuoroda tikrinta 2012-05-31.
18. „Our Contribution – How Flight Introduced and Made Familiar With Gas Turbines and Jet Propulsion“ Flight, 11 May 1951, p. 569.
19. James p. 251-2
20. Green p.18-9
21. „rolls-royce trent – armstrong siddeley – 1950–2035 – Flight Archive“. Flightglobal. Nuoroda tikrinta 31 August 2016.
22. Turbojet History And Development 1930–1960 Volume 1 Great Britain And Germany, Antony L. Kay 2007, ISBN 978 1 86126 912 6, various pages
23. Green p.57
24. „Smithsonian National Air and Space Museum – Collections – Kaman K-225 (Long Description)“. National Air and Space Museum. Suarchyvuotas originalas 2016-03-04. Nuoroda tikrinta 4 April 2013.
25. „PT6 60 YEARS - Pratt & Whitney“. www.pwc.ca. Nuoroda tikrinta 2023-06-27.
26. „Evolution of the Honeywell TPE331“. aerospace.honeywell.com (amerikiečių anglų). Nuoroda tikrinta 2023-06-27.
27. „More turboprops coming to the market – maybe“. CAPA – Centre for Aviation. 2010-07-09.
28. „787 stars in annual airliner census“. Flightglobal. 14 August 2017.
29. „Business Aviation Market Update Report“ (PDF). April 2017. Suarchyvuotas originalas (PDF) 2021-06-25. Nuoroda tikrinta 2023-07-24.
30. "Beechcraft King Air 350i rolls out improved situational awareness, navigation". Pranešimas spaudai. https://txtav.com/en/newsroom/2018/05/beechcraft-king-air-350i-rolls-out-improved-situational-awareness-navigation. 
31. Gordon Gilbert (25 June 2018). „ATSB Study Finds Turboprop Engines Safe, Reliable“.
32. „The H-Series Engine | Engines | B&GA | GE Aviation“. www.geaviation.com. Nuoroda tikrinta 2016-06-01.
33. PragueBest s.r.o. „History | GE Aviation“. www.geaviation.cz. Nuoroda tikrinta 2016-06-01.