В статье рассмотрены поршневые и турбовинтовые двигатели, их преимущества и недостатки, а также их сравнение.
Ключевые слова: поршневой двигатель, турбовинтовой двигатель, сравнение двигателей.
Поршневой авиационный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяющихся в результате горения топлива газов внутри цилиндров приводит в движение поршни, которые в группе вращают вал и вместе с ним винт. Такой двигатель является одним из вариантов классического поршневого двигателя, привычного для большинства современных транспортных средств — такие стоят под капотом большинства автомобилей.
Турбовинтовой авиационный двигатель является представителем семейства газотурбинных двигателей, в число которых входят и наиболее распространенные в современной большой гражданской и военной авиации реактивные двигатели. В реактивном двигателе воздух всасывается, сжимается несколькими рядами вентиляторов в компрессоре, а потом смешивается с топливом, воспламеняется и выбрасывается назад с огромной скоростью, попутно вращая вал и вместе с ним турбину и компрессор. В отличие от реактивных двигателей, тянущих самолет вперед за счет выброса газа на огромной скорости, турбовинтовые двигатели используют этот принцип лишь частично. Основным для них является именно вращение вала — он обеспечивает не только работу компрессора, но и приводит в движение большой винт, который в данном случае и является основным движителем для самолета в полете.
Поршневые и турбовинтовые двигатели по принципу работы совершенно разные, а общая черта у них всего одна — большой винт, который они вращают. Различия принципов работы двигателей вносят огромное количество нюансов во все аспекты работы от производства и обслуживания до характеристик и эксплуатации [1].
Стоимость самолетов с поршневыми двигателями меньше, чем с турбовинтовыми. На первый взгляд турбовинтовые двигатели имеют достаточно простую общую конструкцию: компрессор, турбина, камера сгорания — это может привести к выводу, что они должны быть дешевле поршневых двигателей, в которых большое количество механизмов. Однако газотурбинные силовые установки создают внутри себя среду с огромными давлением, температурой и скоростями, поэтому все их элементы выполняются из очень сложных материалов и сплавов с максимальным качеством изготовления на всех этапах, а это очень дорого. Большое же количество механизмов в поршневом двигателе компенсируется менее жесткими требованиями к производству и материалам, а массовость многих элементов, часто применяемых помимо авиации, также снижает себестоимость. Цена многих поршневых авиадвигателей около 100 тысяч долларов, а даже близкие им турбовинтовые двигатели превышают эту стоимость в несколько раз и могут стоить больше миллиона. Значительная часть малой авиации — это достаточно бюджетная техника, которая не может позволить себе излишеств, поэтому на них устанавливают преимущественно поршневые двигатели.
Турбовинтовые двигатели надежнее поршневых. При всей дороговизне материалов и изготовления, общая конструкция остается простой. В нормальном режиме работы все элементы имеют достаточно стабильную динамику, в основном вращение с постоянной скоростью, к тому же большая часть деталей не вступает друг с другом в динамический контакт, сопровождающийся трением, при хорошем балансе даже особых вибраций не будет [2]. Все это очень хорошо сказывается на надежности и долговечности. По ресурсу турбовинтовой двигатель значительно превосходит поршневой и имеет многократно большие межремонтные периоды, его можно эксплуатировать очень активно и долго, что очень важно в коммерческих перевозках, когда самолеты проводят в небе много часов ежедневно.
Но очень важный нюанс эксплуатации происходит из высокой энергетики процессов внутри турбовинтового двигателя. Он весьма требователен к условиям работы и имеет строгие ограничения, поэтому многие аппараты с турбовинтовыми двигателями оснащаются различной автоматикой [3]. Компьютер берет на себя мониторинг и регулирование двигателя в пределах допустимых параметров, а также повышает безопасность и упрощает работу пилотам. Но FADEC сложная и дорогая система, прилично увеличивающая стоимость самолета. Ремонт турбовинтовых двигателей стоит дорого, из-за сложности и точности изготовления двигателей для их ремонта требуется квалифицированный персонал, специальное оборудование и запчасти. Даже незначительные дефекты могут стать причиной аварии. В полевых условиях зачастую проще полностью заменить двигатель и отправить его на ремонт, чем пытаться починить на месте.
В состав поршневых двигателей входит довольно большое количество механизмов, а чем больше механизмов, тем выше вероятность, что какой-то из них рано или поздно начнет давать сбои. К тому же наличие постоянного поступательно-возвратного движения поршней, сменяющееся нагрузкой и вибрациями, уменьшают ресурс двигателя. Однако преимуществом поршневого двигателя являются меньшие риски для полета в случае отказов. Главным плюсом поршневого двигателя является его высокая ремонтопригодность. Многие элементы силовой установки куда более лояльны к работающим с ними механиком, и, хоть и требуют к себе уважительного отношения, все же допускают простой ремонт.
Чем выше над землей, тем меньше плотность воздуха. Ниже всех летают поршневые самолеты. На небольших высотах, до 4 километров, поршневые двигатели демонстрируют свои лучшие качества, а вот если подниматься выше, начинаются проблемы — плотность воздуха оказывается слишком низкой, мощность падает, а поступающая в цилиндры топливо-воздушная смесь становится несбалансированной. В турбовинтовом двигателе воздух, поступающий в турбину, имеет значительно повышенное давление, так как проходит через компрессор. Так что высота полетов турбовинтовых аппаратов обычно прилично превосходит поршневые. Оптимальные высоты, на которых турбовинтовые двигатели демонстрируют свои лучшие показатели, находятся на отметках от 4 до 7 километров.
Различие принципов работы двигателей приводит к различиям методов повышения их мощностей. Увеличение мощности поршневых двигателей требует увеличения рабочих объемов, увеличения количества цилиндров, а значит усложнения всей конструкции. Наращивание же мощности турбовинтовых двигателей по большей части требует обеспечения более энергетически плотных режимов без внедрения дополнительных механизмов и с небольшим увеличением габаритов и массы.
Авиационные поршневые двигатели большой мощности сейчас не производятся. С появлением турбовинтовых и реактивных двигателей это стало бессмысленно. С другой стороны, если мощность не очень большая и составляет всего несколько сотен лошадиных сил, фактор сложности и массы становится не столь критичен. При малой потребной мощности поршневые двигатели экономичнее, дешевле и проще в обслуживании, но с увеличением мощности они становятся слишком сложными, тяжелыми и ненадежными. Тут уже лучше себя показывает турбовинтовой двигатель с его компактностью, надежностью и отличной удельной мощностью.
Скорость полета для самолетов в значительной степени зависит от двух противостоящих друг другу факторов: тяги двигателя и сопротивления воздуха. Если от самолета требуется большая скорость полета, ему необходимо иметь большую мощность силовой установки, а также летать как можно выше. В этом случае выигрывает турбовинтовая силовая установка — она может работать на больших высотах, а большая удельная мощность обеспечит лучшую тягу. Для турбовинтовых самолетов средняя скорость 500–600 км/ч, но со снижением скорости полета преимущества турбовинтовых двигателей нивелируются. Если летать максимально быстро, лучше использовать турбовинтовые самолеты, но на малых скоростях до 200–300 км/ч намного лучше себя проявляют поршневые двигатели — их мощности еще достаточно, а экономичность лучше.
Одним из преимуществ турбовинтового двигателя является то, что он генерирует огромное количество нагретого воздуха, часть которого можно использовать для обеспечения вторичных функций самолета, например, защиты от обледенения или поддержания давления в кабине и в системе кондиционирования. А поршневые двигатели порой сами нуждаются в подогреве. В некоторых условиях при температурах окружающей среды, близких к нулевым, и высокой влажности на входном тракте топливной автоматики может возникать обледенение, способное вызвать перебои в работе двигателя.
Важной характеристикой двигателей является скорость их реакции на изменение режима, задаваемого пилотом. Если поршневой двигатель реагирует почти сразу, то газотурбинным двигателям, ввиду некоторой инертности вращающихся механизмов, нужно некоторое время на выход на нужный режим. На современных двигателях это время измеряется в секундах, но порой эти секунды важны, например, при разбеге перед взлетом поршневой самолет разгонится быстрее, а близкому ему турбовинтовому самолету потребуется полоса чуть длиннее.
Также есть нюансы, касающиеся винта. Воздушные винты могут иметь механизмы изменения шага, когда лопасть может поворачивать вокруг своей оси и корректировать тягу без изменения скорости вращения. Кроме того, лопасть можно вообще развернуть, и винт будет не тянуть самолет вперед, а толкать назад подобно реверсу. Проблема в том, что на поршневых двигателях сложный по динамике механизм повышает риски повреждений. Если при развороте лопастей сопротивление возрастет слишком резко, это может привести к заклиниванию механизма. В это же время благодаря простой динамике в турбовинтовом двигателе подобное сопротивление приведет только к снижению оборотов вала.
Поршневые авиационные двигатели считаются самыми экономичными, и работают они на бензине. Но используется не обычный бензин, а его более специальные варианты, в состав которых входят дополнительные примеси. Авиационный бензин более эффективен, но имеет и недостатки, среди которых определенные экологические нюансы и деньги — он дороже обычного бензина. Турбовинтовые двигатели потребляют больше топлива, и потребляют они уже не бензин, а авиационный керосин, но керосин зачастую дешевле авиационного бензина.
Авиация, как и любая другая промышленная область, является вечной борьбой технологий и компромиссов. Каждый самолет — это сложный набор задач и решений для них. И одна из этих задач — выбор двигателя. Этот выбор зависит от конкретных задач, условий эксплуатации самолета, предполагаемого бюджета.
Литература:
- Поршневой самолет VS Турбовинтовой самолет. — Текст: электронный // LiveJournal: [сайт] — URL: https://arzo-ss.livejournal.com/6078.html (дата обращения: 08.08.2021).
- Почему авиационный поршневой двигатель уступил реактивному. — Текст: электронный // Авиация, потная всем: [сайт] — URL: http://avia-simply.ru/pochemu-porshnevoj-dvigatel-ustupil-reaktivnomu/ (дата обращения: 08.08.2021).
- Турбовинтовой двигатель. — Текст: электронный // Техника и человек: [сайт] — URL: https://zewerok.ru/turbovintovoj-dvigatel/ (дата обращения: 08.08.2021).
