Turbosraigtinis variklis

Turbosraigtinis variklis () – 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 uždegamas. 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 
miniatiūra| Turbosraigtinio variklio darbo schema
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.„„The turbofan engine “, page 7. SRM Institute of Science and Technology, Department of aerospace engineering. Ši trauka priklauso nuo propelerio apsukų – augant apsukoms išmetamųjų dujų kuriama trauka nežymiai didėja.

Turbosraigtinių variklių kontūringumo rodiklis siekia 50-100,Ilan Kroo and Juan Alonso. „Aircraft Design: Synthesis and Analysis, Propulsion Systems: Basic Concepts “ Stanford University School of Engineering, Department of Aeronautics and Astronautics Main page Prof. Z. S. Spakovszky. „11.5 Trends in thermal and propulsive efficiency“ MIT turbines, 2002. Thermodynamics and Propulsion 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.
miniatiūra| Skirtingų dujų turbinų variklių efektyvumo palyginimas
Su turbosraigtiniais varikliais paprastai komplektuojamas pastovaus greičio (kintamo žingsnio) sraigtas, panašus į naudojamą su didesnių orlaivių stūmokliniais varikliais. Skiriasi tik oro sraigto valdymo mechanizmas.Airscrews For Turbines,Fairhurst, Flight magazine, 10 November 1949, p.609 Dėl lėtesnio turbininių variklių atsako į droselio padėties pokyčius, ypač dirbant nedideliais greičiais, pvz. riedant, judant atgal ar atliekant kitas antžemines 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 britų aviacijos 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.Gunston Jet, p. 120
miniatiūra|Jendrassik Cs-1
Pirmąjį pasaulyje turbosraigtinį variklį suprojektavo vengrų mechanikos inžinierius György Jendrassik.Gunston World, p.111 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.
miniatiūra|Rolls-Royce RB.50 Trent
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“.„Our Contribution – How Flight Introduced and Made Familiar With Gas Turbines and Jet Propulsion“ Flight, 11 May 1951, p. 569. 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.James p. 251-2Green p.18-9 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.
miniatiūra| Kuznecov NK-12 yra galingiausias turbosraigtinis variklis
Sovietų Sąjungoje turbosraigtinių variklių gamyba buvo pradėta naudojantis iš Vokietijos išvežtu inžineriniu ir techniniu potencialu. Junkers Motorenwerke sukurtas konstrukcijas SSRS 1946–1952 m. tobulino iš Vokietijos išvežti Junkers, BMW, Heinkel-Hirth ir Daimler-Benz inžinieriai.Turbojet History And Development 1930–1960 Volume 1 Great Britain And Germany, Antony L. Kay 2007, , various pages 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“.Green p.57 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 
miniatiūra| Karinis transporto lėktuvasLockheed C-130 Hercules
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.miniatiūra| „Beech King Air“ ir „Super King Air“ – populiarūs turbosraigtiniai orlaiviai. Jų skaičius 2018 m. siekė 7,3 tūkst. 

 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 

GamintojasŠalisPavadinimasSausas svoris (kg)Kilimo galia (kW)NaudojamasDEMCKinijaWJ5E7202130Harbin SH-5, Xi'an Y-7Europrop InternationalDaugiašalisTP400-D618008203Airbus A400MGeneral ElectricJAVCT7-5A3651294General ElectricJAVCT7-93651447CASA/IPTN CN-235, Let L-610, Saab 340, Sukhoi Su-80General ElectricČekija / JAVH80 Series200550–625Thrush Model 510, Let 410NG, Let L-410 Turbolet UVP-E, CAIGA Primus 150, Nextant G90XTGeneral ElectricJAVT64-P4D5382535Aeritalia G.222, de Havilland Canada DHC-5 Buffalo, Kawasaki P-2JHoneywellJAVTPE331 Series150–275478–1650Aero/Rockwell Turbo Commander 680/690/840/960/1000, Antonov An-38, Ayres Thrush, BAe Jetstream 31/32, BAe Jetstream 41, CASA C-212 Aviocar, Cessna 441 Conquest II, Dornier 228, General Atomics MQ-9 Reaper, Grum Ge man, Mitsubishi MU-2, North American Rockwell OV-10 Bronco, Piper PA-42 Cheyenne, RUAG 228NG, Short SC.7 Skyvan, Short Tucano, Swearingen Merlin, Fairchild Swearingen Metroliner, HAL HTT-40HoneywellJAVLTP 101–700147522Air Tractor AT-302, Piaggio P.166KKBMRusijaNK-12MV190011033Antonov An-22, Tupolev Tu-95, Tupolev Tu-114ProgressUkrainaTV3-117VMA-SB25601864Antonov An-140KlimovRusijaTV7-117S5302100Ilyushin Il-112, Ilyushin Il-114Ivchenko-ProgressUkrainaAI20M10402940Antonov An-12, Antonov An-32, Ilyushin Il-18Ivchenko-ProgressUkrainaAI24T6001880Antonov An-24, Antonov An-26, Antonov An-30LHTECJAVLHTEC T8005172013Ayres LM200 LoadmasterOMKBRusijaTVD-202401081Antonov An-3, Antonov An-38Pratt & amp; Whitney CanadaKanadaPT-6 Series149–260430–1500Air Tractor AT-502, Air Tractor AT-602, Air Tractor AT-802, Beechcraft Model 99, Beechcraft King Air, Beechcraft Super King Air, Beechcraft 1900, Beechcraft T-6 Texan II, Cessna 208 Caravan, Cessna 425 Corsair/Conquest I, de Havilland Canada DHC-6 Twin Otter, Harbin Y-12, Embraer EMB 110 Bandeirante, Let L-410 Turbolet, Piaggio P.180 Avanti, Pilatus PC-6 Porter, Pilatus PC-12, Piper PA-42 Cheyenne, Piper PA-46-500TP Meridian, Shorts 360, Daher TBM 700, Daher TBM 850, Daher TBM 900, Embraer EMB 314 Super TucanoPratt & Whitney CanadaKanadaPW1204181491ATR 42-300/320Pratt & Whitney CanadaKanadaPW1214251603ATR 42-300/320, Bombardier Dash 8 Q100Pratt & Whitney CanadaKanadaPW123 C/D4501603Bombardier Dash 8 Q300Pratt & Whitney CanadaKanadaPW126 C/D4501950BAe ATPPratt & Whitney CanadaKanadaPW1274812051ATR 72Pratt & Whitney CanadaKanadaPW150A7173781Bombardier Dash 8 Q400PZLLenkijaTWD-10B230754PZL M28RKBMRusijaTVD-1500S2401044Sukhoi Su-80Rolls-Royce LimitedJungtinė KaralystėDart Mk 5365691700Avro 748, Fokker F27, Vickers ViscountRolls-Royce LimitedJungtinė KaralystėTyne 2110854500Aeritalia G.222, Breguet Atlantic, Transall C-160Rolls-Royce plcJungtinė Karalystė250-B1788.4313Fuji T-7, Britten-Norman Turbine Islander, Cessna 210, Soloy Cessna 206, Beechcraft BonanzaRolls-Royce plcJungtinė KaralystėAllison T56828–8803424–3910P-3 Orion, E-2 Hawkeye, C-2 Greyhound, Lockheed C-130 HerculesRolls-Royce plcJungtinė KaralystėAE2100A715.83095Saab 2000Rolls-Royce plcJungtinė KaralystėAE2100J7103424ShinMaywa US-2Rolls-Royce plcJungtinė KaralystėAE2100D2, D37023424Alenia C-27J Spartan, Lockheed Martin C-130J Super HerculesRybinskRusijaTVD-1500V2201156SaturnRusijaTAL-34-1178809TurbomecaPrancūzijaArrius 1D111313Socata TB 31 OmegaTurbomecaPrancūzijaArrius 2F103376WalterČekijaM601 serija200560Let L-410 Turbolet, Aerocomp Comp Air 10 XL, Aerocomp Comp Air 7, Ayres Thrush, Dornier Do 28, Lancair Propjet, Let Z-37T, Let L-420, Myasishchev M-101T, PAC FU-24 Fletcher, Progress Rysachok, PZL-106 Kruk, PZL-130 Orlik, SM-92T Turbo FinistWalterČekijaM602A5701360Let L-610WalterČekijaM602B4801500

 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 

Kategorija:Aviaciniai varikliai
Kategorija:Orlaivių konstrukcija