Двигун турбіни літака складається з впускного отвору, компресора, камер згоряння, секції турбіни та вихлопу. Тяга створюється шляхом збільшення швидкості повітря, що протікає через двигун. Турбінні двигуни є дуже бажаними силовими установками літаків. Вони характеризуються плавною роботою та високим співвідношенням потужності та ваги, і вони використовують легкодоступне реактивне паливо. До останніх досягнень у розробці матеріалів, двигунів та виробничих процесах використання турбінних двигунів у літаках малого/легкого виробництва було непомірним. Сьогодні кілька авіаційних виробників виробляють або планують виробляти літаки з невеликими/легкими турбінами. Ці менші літаки з турбінним двигуном зазвичай сидять від трьох до семи пасажирів і називаються дуже легкими струменями (VLJ) або мікроджетами. [Малюнок 6-22]

6.9.1 Типи турбінних двигунів #

Турбінні двигуни класифікуються за типом компресорів, які вони використовують. Існує три типи компресорів: відцентровий потік, осьовий потік і відцентрово-осьовий потік. Стиснення вхідного повітря досягається в двигуні відцентрового потоку шляхом прискорення повітря назовні перпендикулярно поздовжній осі машини. Двигун з осьовим потоком стискає повітря за допомогою серії обертових і нерухомих аеродинамічних опор, що рухають повітря паралельно поздовжній осі. Відцентрово-осьовий потік використовує обидва види компресорів для досягнення бажаного стиснення.

Шлях, який повітря проходить через двигун і як виробляється потужність, визначає тип двигуна. Існує чотири типи авіаційних турбінних двигунів — турбореактивний, турбогвинтовий, турбогвинтовий і турбований вал.

6.9.2 Турбоджет #

Турбореактивний двигун складається з чотирьох секцій: компресора, камери згоряння, секції турбіни та вихлопу. Секція компресора з високою швидкістю передає в камеру згоряння вхідне повітря. Камера згоряння містить вхід палива та запальник для згоряння. Повітря, що розширюється, приводить в рух турбіну, яка з’єднана валом з компресором, що підтримує роботу двигуна. Прискорені вихлопні гази від двигуна забезпечують тягу. Це базове застосування стиснення повітря, запалювання паливно-повітряної суміші, виробництва потужності для самопідтримки роботи двигуна та відпрацьованого двигуна для руху. [Малюнок 6-23]

Турбоджеретні двигуни обмежені в дальності та витривалості. Вони також повільно реагують на застосування дросельної заслінки на повільних швидкостях компресора.

6.9.3 турбогвинтовий #

турбогвинтовий двигун – це турбінний двигун, який приводить в рух гвинт через редуктор. Вихлопні гази приводять в дію електричну турбіну, з’єднану валом, який приводить вузол редуктора. Редукційна передача необхідна в турбогвинтових двигунах, оскільки оптимальна продуктивність пропелера досягається на набагато нижчих швидкостях, ніж робочий оберт двигуна. турбогвинтові двигуни – це компроміс між турбореактивними двигунами і зворотно-посилювальними силовими установками. турбогвинтові двигуни найефективніші на швидкості від 250 до 400 миль на годину та висоті від 18 000 до 30 000 футів. Вони також добре працюють на низьких швидкостях, необхідних для зльоту та посадки, і є економічними. Мінімальна питома витрата палива турбогвинтового двигуна зазвичай доступна в діапазоні висот від 25 000 футів до тропопаузи. [Малюнок 6-24]

6.9.4 Турбовентилятор #

Турбовентилятори були розроблені для поєднання деяких з найкращих характеристик турбореактивного двигуна та турбогвинтового. Турбовентиляторні двигуни призначені для створення додаткової тяги шляхом переведення вторинного повітряного потоку навколо камери згоряння. Повітря байпаса турбовентилятора створює підвищену тягу, охолоджує двигун і сприяє придушенню шуму вихлопних газів. Це забезпечує крейсерську швидкість типу Turbojet і меншу витрату палива.

Вхідне повітря, яке проходить через турбовентиляторний двигун, зазвичай поділяють на два окремих потоки повітря. Один потік проходить через ядро двигуна, а другий потік обходить ядро двигуна. Саме цей обхідний потік повітря відповідає за термін «обхідний двигун». Коефіцієнт байпасу турбовентилятора відноситься до відношення масового потоку повітря, який проходить через вентилятор, поділений на масовий потік повітря, який проходить через сердечник двигуна. [Малюнок 6-25]

6.9.5 Турбовал #

Четвертим поширеним типом реактивного двигуна є турбовал. [Малюнок 6-26] Він подає потужність на вал, який приводить в рух щось інше, ніж пропелер. Найбільша різниця між турбореактивним двигуном і турбовальним двигуном полягає в тому, що на

Турбовальковий двигун, більша частина енергії, що виробляється газами, що розширюється, використовується для приводу турбіни, а не для виробництва тяги. Багато вертольотів використовують газовий турбінний двигун з турбовалом. Крім того, двигуни з турбовалом широко використовуються як допоміжні силові агрегати на великих літаках.

6.9.6 Інструменти двигуна турбінного двигуна #

Інструменти двигуна, які вказують на тиск масла, температуру масла, швидкість двигуна, температуру вихлопних газів і потік палива, є загальними як для турбінних, так і для поршневих двигунів. Однак є деякі інструменти, які є унікальними для турбінних двигунів. Ці прилади дають вказівки на коефіцієнт тиску двигуна, тиск нагнітання турбіни та крутний момент. Крім того, більшість газотурбінних двигунів мають кілька приладів для визначення температури, які називаються термопарами, які забезпечують пілотам температуру в секції турбіни та навколо неї.

6.9.7 Коефіцієнт тиску двигуна (EPR) #

Датчик коефіцієнта тиску двигуна (EPR) використовується для позначення вихідної потужності двигуна турбореактивного двигуна/турбофан. EPR – це відношення розряду турбіни до тиску на вході компресора. Вимірювання тиску реєструють за допомогою зондів, встановлених у вході двигуна та на вихлопній трубі. Після збору дані надсилаються до датчика диференціального тиску, який вказується на датчику EPR польоту. Проектування системи EPR автоматично компенсує вплив швидкості повітря та висоти. Зміни температури навколишнього середовища вимагають застосування корекції до індикацій EPR, щоб забезпечити точні налаштування потужності двигуна.

6.9.8 Температура вихлопних газів (EGT) #

Обмежуючим фактором в газотурбінному двигуні є температура секції турбіни. Температуру турбіни необхідно ретельно контролювати, щоб запобігти перегріву лопатей турбіни та інших компонентів вихлопної секції. Одним із поширених способів моніторингу температури секції турбіни є датчик EGT. EGT – це межа експлуатації двигуна, яка використовується для моніторингу загальних умов роботи двигуна. Варіації систем EGT носять різні назви залежно від розташування датчиків температури. Звичайні датчики температури турбіни включають датчик температури на вході турбіни (TIT), датчик температури на виході (TOT), міжступінчасту температуру турбіни (ITT) і датчик температури газу турбіни (TGT).

6.9.9 Торквометр #

Вихідна потужність двигуна турбогвинт/турбовала вимірюється крутним виміром. Крутний момент – це сила скручування, прикладена до валу. Крутний вимір вимірює потужність, прикладену до валу. Двигуни турбогвинтового і турбосного двигуна призначені для виробництва крутного моменту для приводу гвинта. Торквеметри калібруються у відсотках, фут-фунтах або фунтах на квадратний дюйм.

6.9.10 Індикатор N1 #

N1 представляє швидкість обертання компресора низького тиску і представлений на індикаторі у відсотках від проектних обертів. Після запуску швидкість компресора низького тиску керується турбінним колесом N1. Турбінне колесо N1 з’єднується з компресором низького тиску через концентричний вал.

6.9.11 Індикатор N2 #

N2 представляє швидкість обертання компресора високого тиску і представлений на індикаторі у відсотках від проектних обертів. Компресор високого тиску керується турбінним колесом N2. Турбінне колесо N2 з’єднується з компресором високого тиску через концентричний вал. [Малюнок 6-27]

6.9.12 Операційні міркування двигуна турбіни #

Велика різноманітність турбінних двигунів робить недоцільним охоплення конкретних операційних процедур, але є певні експлуатаційні міркування, спільні для всіх турбінних двигунів. Це обмеження температури двигуна, пошкодження сторонніх предметів, гарячий пуск, зупинка компресора та полум’я.

6.9.13 Обмеження температури двигуна #

Найвища температура в будь-якому турбінному двигуні спостерігається на вході турбіни. Тому температура на вході турбіни зазвичай є обмежуючим фактором при роботі турбінного двигуна.

6.9.14 Варіації тяги #

Тяга двигуна турбіни змінюється безпосередньо залежно від щільності повітря. Зі зменшенням щільності повітря зменшується і тяга. Крім того, оскільки щільність повітря зменшується зі збільшенням температури, підвищення температури також призведе до зниження тяги. У той час як як турбіна, так і поршневі двигуни певною мірою зазнають впливу високої відносної вологості, турбінні двигуни зазнають незначної втрати тяги, а зворотно-поступальні двигуни значно втратить гальмівну потужність.

6.9.15 Пошкодження сторонніх предметів (FOD) #

Завдяки конструкції та функції впускного отвору турбінного двигуна завжди існує можливість проковтування сміття. Це завдає значної шкоди, зокрема, компресорних і турбінних секцій. Коли відбувається проковтування сміття, це називається пошкодженням сторонніх предметів (FOD). Типова FOD складається з невеликих зазубрин і вм’ятин, викликаних проковтуванням невеликих предметів з пандуса, рулежної доріжки або злітно-посадкової смуги, але також трапляються пошкодження FOD, викликані ударами птахів або ковтанням льоду. Іноді FOD призводить до повного руйнування двигуна.

Профілактика FOD є першочерговим завданням. Деякі входи двигуна мають тенденцію до утворення вихрів між землею та входом під час наземних операцій. На цих двигунах може бути встановлений вихровий дисипатер. Можна також використовувати інші пристрої, такі як екрани та/або дефлектори. Передпольотні процедури включають візуальний огляд будь-яких ознак FOD.

6.9.16 Турбінний двигун гарячий / підвісний запуск #

Коли EGT перевищує безпечний ліміт літака, він відчуває «гарячий запуск». Це викликано занадто великою кількістю палива, що надходить у камеру згоряння, або недостатними обертами турбіни. Кожного разу, коли двигун має гарячий запуск, зверніться до АСМ/POH або відповідного посібника з технічного обслуговування, щоб дізнатися про вимоги до перевірки.

Якщо двигун не прискорюється до належної швидкості після займання або не прискорюється до обертів на холостому ходу, відбулося підвішене або фальстарт. Підвішений пуск може бути викликаний недостатнім джерелом пускового джерела живлення або несправністю контролю палива.

6.9.17 Площа компресора #

Лопаті компресора є невеликими аеродинамічними опорами і підлягають тим же аеродинамічним принципам, які застосовуються до будь-якого аеродинамічного профілю. Лопатка компресора має кут атаки, який є результатом швидкості повітря на вході та швидкості обертання компресора. Ці дві сили об’єднуються, щоб утворити вектор, який визначає фактичний кут атаки аеродрому на повітря, що наближається.

Зупинка компресора – це дисбаланс між двома векторними величинами, швидкістю впуску та швидкістю обертання компресора. Кремні зупинки компресора виникають, коли кут атаки лопатей компресора перевищує критичний кут атаки. У цей момент плавний потік повітря переривається і створюється турбулентність з коливаннями тиску. Компресорні зупинки викликають уповільнення повітря, що надходить у компресор, і застій, іноді змінюючи напрямок. [Малюнок 6-28]

Компресорні зупинки можуть бути тимчасовими та переривчастими або стійкими та серйозними. Ознаками перехідного/переривчастого зупинки, як правило, є переривчастий «вибух», оскільки відбувається зворотний вогонь і реверсування потоку. Якщо зупинка розвивається і стає стійкою, від безперервного розвороту може виникнути сильна вібрація та гучний рев. Часто датчики польоту не мають м’якого або тимчасового зупинки, але вони вказують на розвинений зупинку. Типові індикації приладу включають коливання оборотів і підвищення температури вихлопних газів. Більшість перехідних зупинок не є шкідливими для двигуна і часто виправляються після однієї-двох пульсацій. Можливість серйозних пошкоджень двигуна від стійкого зупинки є негайною. Відновлення має бути здійснене шляхом швидкого зменшення потужності, зменшення кута атаки літака та збільшення швидкості повітря.

Хоча всі газові турбінні двигуни підлягають зупинці компресора, більшість моделей мають системи, які їх гальмують. Одна система використовує змінну впускну лопатку (VIGV) і змінні лопатки статора, які направляють вхідне повітря в лопаті ротора під відповідним кутом. Щоб запобігти зупинці тиску повітря, експлуатуйте літак у межах встановлених виробником параметрів. Якщо компресорний стійл все-таки розвивається, дотримуйтесь процедур, рекомендованих у АСМ/POH.

6.9.18 Вибух #

Під час роботи газотурбінного двигуна відбувається спалах, в якому ненавмисно гасне вогонь в двигуні. Якщо в камері згоряння перевищено багате співвідношення палива/повітря, полум’я вибухне. Цей стан часто називають багатим спалахом. Зазвичай це є результатом дуже швидкого прискорення двигуна, при якому занадто багата суміш викликає зниження температури палива нижче температури згоряння. Це також може бути викликано недостатнім потоком повітря для підтримки горіння.

Більш поширене виникнення спалаху пов’язане з низьким тиском палива та низькими частотами двигуна, які зазвичай пов’язані з польотом на великій висоті. Ця ситуація також може виникнути, коли двигун покатався назад під час спуску, що може налаштувати полум’я. Слабка суміш може легко спричинити загасання полум’я, навіть при нормальному потоці повітря через двигун.

Будь-яке переривання подачі палива може призвести до спалаху. Це може бути пов’язано з тривалим незвичайним ставленням, несправною системою контролю палива, турбулентністю, обмерзанням або відсутністю палива.

Симптоми спалаху зазвичай такі ж, як і після відмови двигуна. Якщо полум’я пов’язане з тимчасовим станом, таким як дисбаланс між потоком палива та швидкістю двигуна, після виправлення умови можна спробувати AirStart. У будь-якому випадку, пілоти повинні дотримуватися застосовних аварійних процедур, викладених у АСМ/POH. Як правило, ці процедури містять рекомендації щодо висоти та швидкості повітря, де Airstart, швидше за все, буде успішним.

6.9.19 Порівняння продуктивності #

Можна порівняти продуктивність поршневої силової установки та різних типів турбінних двигунів. Щоб порівняння було точним, необхідно використовувати тягу (використовувану кінську силу) для зворотно-поступальної силової установки, а не гальмівну потужність, а сітку тягу необхідно використовувати для двигунів з турбінним двигуном. Крім того, конфігурація та розмір конструкції літака повинні бути приблизно однаковими. При порівнянні продуктивності корисні наступні визначення: гальмівна потужність (BHP) — кінські сили, які фактично передаються на вихідний вал. Гальмівна потужність – це фактична корисна потужність. тяга – тяга, що виробляється турбореактивним двигуном або двигуном з турбовентилятором. Потужність тяги (THP) — еквівалент кінських сил, еквівалент тяги, виробленої турбореактивним двигуном або двигуном з турбовентилятором. Еквівалентний вал кінських сил (ESHP) — по відношенню до турбогвинтових двигунів сума кінських сил валу (SHP), що подається до гвинта, і THP, що виробляється вихлопними газами. На малюнку 6-29 показано, як чотири типи двигунів порівнюються в чистій тягі зі збільшенням повітряної швидкості. Ця цифра призначена лише для пояснення і не для конкретних моделей двигунів. Нижче наведено чотири типи двигунів:

• Поршнева силова установка
• Турбіна, комбінація пропелера (турбогвинт)
• Турбінний двигун з вентилятором (турбовентилятор)
• Турбоджет (чистий реактивний літак)

Побудувавши криву продуктивності для кожного двигуна, можна порівняти максимальну зміну швидкості літака з типом використовуваного двигуна. Оскільки графік є лише засобом порівняння, числові значення для чистої тяги, швидкості літака та опору не включені.

Порівняння чотирьох силових установок на основі чистої тяги робить очевидними певні можливості продуктивності. У діапазоні швидкостей, показаному ліворуч від лінії А, зворотно-поступальна силова установка перевершує інші три типи. турбогвинтовий двигун перевершує турбовентилятор в діапазоні зліва від лінії C. Турбовентиляторний двигун перевершує турбореактивний двигун в діапазоні зліва від лінії F. Турбовентиляторний двигун перевершує ступінчасту силову установку праворуч від лінії B і турбогвинтовий двигун праворуч від лінії C. Турбоджет перевершує зворотно-поступальну силову установку праворуч від лінії D, турбогвинтовий праворуч від лінії E і турбовентилятор праворуч від лінії f.

Точки, де крива опору літака перетинає криві чистої тяги, є максимальною швидкістю літака. Вертикальні лінії від кожної з точок до базової лінії графіка вказують на те, що турбореактивний літак може досягати більшої максимальної швидкості, ніж літаки, оснащені іншими типами двигунів. Літак, оснащений двигуном з турбовентилятором, досягне більшої максимальної швидкості, ніж літаки, оснащені турбогвинтовою або поршневою силовою установкою.