Почему на малых самолетах не используют газотурбинные (турбовинтовые) двигатели?

Во-первых, поршневые двигатели более эффективны, чем турбовинтовые , поэтому их эксплуатационные расходы ниже. Это также означает, что масса системы (двигатель плюс топливо) для поездки ниже, когда вы выходите за пределы малых диапазонов. В вертолете масса двигателя важнее, потому что среднее время полета намного меньше, поэтому вы найдете много вертолетов с турбодвигателями и лишь немногие с поршневыми.

Далее, есть хорошо развитая инфраструктура для обслуживания этих поршней, а новым турбовинтовым двигателям потребуется новая, дорогая инфраструктура (обученные люди, инструменты, запчасти...)

И тогда просто нет стимула разрабатывать новый движок АОН. Расходы на его сертификацию слишком велики для довольно маленького рынка. Это то же самое, что и для дизельных двигателей.

Вероятно, это связано с инерцией сертификации, по крайней мере, в какой-то части:
Piper Archer сертифицирован для определенного типа двигателя (если вы прокрутите страницу 21 TCDS , вы увидите, что это «Lycoming O-360-A4M»). . По сути, Piper может производить столько Archer, сколько они хотят, в соответствии со своим производственным сертификатом, если они соответствуют сертификату типа.

Замена двигателя является серьезным изменением в сертификате типа и потребует дополнительных сертификационных испытательных полетов, оформления документов и, в конечном счете, денег от производителя, а продажи будут неопределенными (потому что все будет по- другому — летная школа, летающая на 50 самолетах, которые все с двигателями Lycoming O-360 не захотят конкурировать с одним самолетом с турбинным двигателем, это было бы головной болью при обслуживании).

Стоит отметить, что для некоторой части парка самолетов АОН, работающих на авиатопливе, повышение эффективности, аналогичное (или лучше) турбовинтовых двигателей, может быть достигнуто за счет замены старых двигателей Lycoming и Continental (которые в лучшем случае являются технологиями двигателей 1960-х годов) на двигатели, подобные Rotax 912 с современными электронными системами зажигания и управления двигателем. 80-сильный Rotax потянет за собой Piper Cub точно так же, как и 80-сильный Continental — барьер снова находится в процессе сертификации (и затраты на модификацию существующего самолета).

С технической точки зрения, газотурбинный двигатель является излишним для большинства небольших самолетов общего назначения. Мы говорим о самолетах, которым обычно требуется 100-300 л.с. Популярный турбовинтовой двигатель PT6 начинается примерно с 500 лошадиных сил на валу и идет дальше.

Кроме того, в то время как газотурбинный двигатель является относительно простым устройством, турбовинтовой двигатель становится довольно сложным - секция турбины все еще вращается с частотой вращения турбины, и хотя это не проблема для реактивного двигателя на турбовинтовом двигателе, он может легко сделать винт наконечники достигают сверхзвуковых скоростей (рабочий диапазон «Громко и неэффективно»). Для этого требуется редуктор для создания соответствующей скорости вала, что, в свою очередь, требует обслуживания редуктора.

Во-первых, при заданной номинальной мощности газотурбинный двигатель будет намного легче поршневого. Подумайте о том, как это повлияет на баланс самолета: носовая часть становится НАМНОГО длиннее, а не для того, чтобы разместить оборудование, предназначенное для размещения веса там, где он должен быть. Конечно, это относится только к конверсиям.

Во-вторых, газотурбинный двигатель будет стоить намного дороже поршневого. Меньшие турбины стоят больше на единицу мощности, чем большие, поэтому в целом вы будете платить больше за тот же результат. Двигатель может потреблять меньше топлива в течение всего срока службы, но вам все равно придется заплатить за него вперед.

В-третьих, в то время как турбины в целом требуют меньше обслуживания, когда что-то действительно имеет проблему, счет не для слабонервных. А турбину можно сварить довольно легко.

Так что в целом все упирается в деньги. Если вы действительно этого хотите, Soloy продает комплект для переоборудования Cessna 206, который установит в носовую часть турбину Rolls-Royce мощностью 450 л.с. и сделает вас предметом зависти любого другого владельца легкого самолета в регионе. Стоимость комплекта начинается от 275 000 долларов. Плюс двигатель. Итак, вы ищете более полумиллиона долларов, чтобы модифицировать планер, который стоит немного меньше этой суммы. Если у вас есть столько свободных денег, купите соответствующий MTT Superbike с турбиной чуть меньшего размера. Как сказал Джей Лено, это «лучший мотоцикл для того, чтобы заткнуть рот парням из Harley».

Ну, некоторые делают. Встречайте Marchetti SF.260TP:

Это очень популярный легкий сингл для высшего пилотажа, который также использовался в военных целях в качестве CAS и в качестве наблюдателя. Если вы поклонник Бонда, вы знаете об этом; он появился в Quantum of Solace. Другие турбовинтовые двигатели в классе небольших однодвигательных двигателей включают:

• Пайпер Меридиан
• Одна авиационная пустельга
• Пилатус ПК-9, ПК-12, ПК-21
• Cessna 208 Караван/Супер Каргомастер
• Эпик EW1000, LT
• Соката ТБМ850, ТБМ900
• Гроб Г-120ТП

Что касается того, почему не все маленькие синглы являются турбовинтовыми, это есть в других ответах; турбовинтовые двигатели менее экономичны на малых высотах, на которых обычно летают маленькие одноместные самолеты (они отлично подходят для больших высот), и они требуют особого обслуживания. Они также дороже; Самолет Marchetti стоит около 1,6 миллиона долларов, что в 3 раза превышает стоимость Piper Archer 235, хотя дело не только в двигателе.

К счастью, этот стереотип меняется, хотя и медленно. Разработка двигателей малой АОН оставалась на заднем сиденье в течение нескольких поколений, и приятно видеть, что ряд новых стартапов стремятся к изменениям. Одним из таких продуктов является турбовинтовой двигатель TP100 от PBS. Я очень надеюсь, что они раскроют свой потенциал и выведут продукт на рынок, пусть даже только экспериментальными партиями. Continental активно разрабатывает свои новые дизели и в следующем году запустит новый агрегат мощностью 230 л.с. Он уже проходит испытания в Китае. Если они поймут это правильно, это будет убийца Лайкоминг. Они уже начали переделку 155-сильной версии в Cessna.

Одна из причин, по которой турбины меньшей мощности (150–250 л.с.) не разрабатывались быстрее, заключается в том, что пилоты АОН не настаивали на них. Они знают, что потребляют больше топлива, даже если соотношение мощности и веса намного выше. Эксплуатационные расходы заставляют их прятаться в угол.

RR/Allison приложили усилия, чтобы обновить стареющий 250 с помощью современной турбины, которая понравилась бы толпе Cirrus, но отказалась от нее, когда разразился финансовый кризис 2008 года. Проблема с такими компаниями, как Allison, заключается в том, что их затраты на разработку зашкаливают.

Изменения в этом пространстве потребуют мужества от маленьких уток мира. Многие из которых сейчас начинают появляться на сцене. Хорошо известна нехватка 100LL по всему миру, а вскоре и в США. Это, а также высокая цена перевозки этого бутикового (не поставляемого по трубопроводам) топлива будет подпитывать рынок этих новых продуктов.

Здесь нет ракетостроения. Это старая технология (хотя и с небольшим электронным вмешательством), которой просто нужен рынок для роста. Сегодня мы движемся к этому рынку. Привыкните к этому и подумайте о том, чтобы выбросить этот старый Lyc.

Еще одна вещь, которую следует помнить об удельном расходе топлива газотурбинного двигателя, это то, что он ОЧЕНЬ зависит от размера двигателя. Небольшие газовые турбины (такие, которые могут использоваться в небольших частных самолетах) по своей природе неэффективны, потому что они не могут работать с такими коэффициентами давления, которые необходимы для высокой эффективности. Например, двигатель PW119B мощностью 2180 л.с. имеет коэффициент сжатия 13,2:1 и SFC 0,49. Увеличьте это до Europrop TP400-D6 мощностью 11000 л.с., и степень повышения давления возрастет до 25: 1. SFC падает до 0,39. А GE LM6000 мощностью 56300 л.с. (судовой и энергетический турбовальный двигатель на основе турбовентиляторного двигателя CF6) имеет степень сжатия около 32:1 и SFC 0,32. Из-за этого поршневые двигатели имеют преимущество в топливной экономичности при малой выходной мощности, но в топливной эффективности НЕПРЕИМУЩЕСТВА при высокой выходной мощности. Поэтому поршневые двигатели предпочтительнее использовать в небольших самолетах по этой причине и по первоначальной стоимости. Но турбины имеют НАМНОГО больше смысла в более крупных самолетах из-за их более высокой эффективности, чем большие поршневые двигатели, и снижения затрат на техническое обслуживание.

Здесь кто-то упомянул вертолеты. А вертолеты - это вообще другое животное. Основной характеристикой вертолетов является тот факт, что они требуют БОЛЬШОЙ мощности на постоянной основе. Это нанесло бы ОГРОМНЫЙ урон поршневым двигателям с точки зрения надежности (подумайте о том, как долго проработает автомобильный двигатель, если бы вы постоянно гоняли его на полном газу), но не является проблемой для турбины. Турбины также меньше и легче (вы когда-нибудь видели Sikorsky Mojave с его смехотворно огромными поршневыми двигателями)? Все эти факторы делают турбины НАМНОГО более практичными, чем поршневые двигатели в вертолетах.

Я бы сказал, что выбор между турбовинтовым или поршневым двигателем может зависеть от ваших потребностей в мощности и типа «миссии», которую выдержит двигатель/самолет.

Турбины и турбовинтовые двигатели, даже с их преимуществом в отношении веса к мощности, не так хороши в отношении SFC, если вы проверите это в спецификациях гражданских турбовальных двигателей www-jet-engine.net, большинство из них имеют SFC в диапазоне 600. фунт/л.с./ч и более.

Распределительные авиационные двигатели Гарри Рикардо и Роя Феддена с одним клапаном обеспечили лучший SFC в бензиновом авиационном двигателе: 0,42 фунта / л.с. / час в Hercules Centaurus, 3272 куб. дюймов, при весе 2695 фунтов, мощностью 3150 л.с. Еще более впечатляющие результаты были получены с открытым рукавом, действующим как кольцевой поршень с 10% площади поршня, передающим 3% мощности, в экспериментальном двухтактном двигателе с воспламенением от сжатия Гарри Рикардо. Гильзоклапанный двигатель сегодня не производится, но новые сменные гильзы для старых двигателей все еще производятся, об этом сказали в AEHS, но мне не удалось найти продавца гильз для старых двигателей SSV.

Лучший SFC когда-либо был получен в двухтактном двигателе с воспламенением от сжатия с открытым клапаном Гарри Рикардо при 0,34 фунта / л.с. / час («Высокоскоростной двигатель внутреннего сгорания», изд. 1968 г.)

Двигатель с тарельчатым клапаном времен Bristol Hercules, Wright R-3350, весом 2907 фунтов, также с воздушным охлаждением, с таким же количеством 18 цилиндров; 3348 куб. в.; 2800 л.с., использовал 0,72 фунта / л.с. / час, но это было значительно улучшено в агрегатах Turbo-Compound, которые увеличили вес на 500 фунтов.

Двигатели с гильзовым клапаном были известны своей надежностью и низким износом, бессмазочные зоны ВМТ и НМТ стираются непрерывным движением гильз, Бристоль Геркулес имел межремонтный ресурс 3000 часов и более, для 2000 часов межремонтного периода в Цитировал Райт (данные AEHS и других источников). Двигатели с золотниковыми клапанами, не имеющие горячих точек в камере сгорания, могут работать на низкооктановом топливе при более высоких степенях сжатия, чем двигатели с тарельчатыми клапанами.

Сообщалось, что экспериментальный одноцилиндровый бензиновый агрегат объемом 500 куб. См с клапаном на рукаве, построенный Майком Хьюландом для использования в автомобилях, имел SFC 0,45 фунта / л.с. / час в гоночной версии и 0,39 фунта / л.с. / час в экономичной версии ( Car&Driver, июль 1974 г.), работающий даже с креозотом.

Турбовинтовой двигатель Rolls-Royce серии Dart RDa 10.1 мощностью 2915 л.с. и весом 1207 фунтов потреблял 0,550 фунта/л.с./ч.

Вы не можете найти сегодня поршневые двигатели в диапазонах мощности выше определенного предела.

Роторный двигатель внутреннего сгорания Ванкеля, который был широко разработан для авиации и других целей компаниями Curtiss-Wright, John Deere, NASA, NSU-Citroën, Sachs, Aixro, Rolls-Royce, Mazda, имел SFC 0,46 фунта/л.с./ч при вес около 210 фунтов для выходной мощности около 120 л.с., версия для уличного автомобиля, как сообщалось в ранней Mazda NA Wankel Engine, 2 ротора, с жидкостным охлаждением, Wankel будет работать без труда с неэтилированным бензином около 80-90 ON. , а также с 10% бензина, что обеспечивает более низкий SFC и пониженные рабочие температуры и тепловую нагрузку, в Ванкелях всегда используется небольшое количество смазочного масла в топливной и рабочей камерах, нет необходимости замены смазочного масла.

Крупный прорыв был достигнут недавно в Университете Флориды, где они доказали, что добавление: «Тепловых трубок» для охлаждения корпуса и боковых пластин двигателя БПЛА UEL с ротором, ранее охлаждаемым воздухом, снижает максимальную температуру всего до 129º C. , и максимальная разница температур между частями двигателя до 18º C, использование: «Тепловых трубок» для охлаждения RCE Ванкеля, как они использовались в спутниках, может быть огромным шагом вперед в роторных двигателях внутреннего сгорания, поскольку это устраняет большинство, если не все различия в тепловом расширении между частями двигателя, что значительно упрощает конструкцию и конструкцию, а также повышает надежность за счет снижения износа, увеличения мощности, снижения выбросов и повышения экономии топлива. Кто бы мог попросить что-нибудь еще?

Стандарты для поршневых авиационных двигателей составляли около 1 кг / л.с. отношение массы к мощности и 250 г / л.с. / час SFC.

Похоже, что ни один роторный двигатель внутреннего сгорания Ванкеля не получил сертификат FAA для обычного использования в авиации общего назначения, даже если он считается более безопасным, чем поршневые двигатели, отказы RCE Ванкеля, как правило, не являются тотальными и мгновенными, как в поршневых двигателях, остаточная временная работа с меньшей мощностью позволила бы для более безопасных возможностей приземления к этой проблеме безопасности было применено что-то близкое к основным концепциям гибридного автомобиля от Axteraerospace.com.

Это пример турбины для авиации общего назначения, построенной в Аргентине, базовая компоновка напоминает первую турбину Ганса Иоахима Пабста фон Охайна.

Влияние стоимости турбовинтового двигателя было недооценено во многих предыдущих ответах.

Роторы турбин подвергаются очень высоким температурам при вращении на очень высоких оборотах; перегрузки на лопасти турбины достаточно, чтобы у вас слезились глаза. Из-за мелкой производственной неисправности или эксплуатационной ошибки или усталости металла одно лезвие выходит из строя; затем он прорвет стальной корпус двигателя, всю неудачную масляную или топливную магистраль, затем алюминиевый капот. Производитель потратит сотни тысяч долларов, чтобы этого не произошло, и должен возместить эти затраты за счет продаж двигателей.

И это только от одного сломанного лезвия весом, может быть, несколько унций.

Если более тяжелый диск несущего винта сломается от усталости, он может распилить самолет пополам.

Так что да, турбина сжигает более дешевое топливо, но больше галлонов, чем реципиент. Вы видите, что есть плюсы и минусы!

На самом деле, в наши дни у них есть несколько небольших самолетов с турбинными двигателями. Также популярны комплекты для переоборудования турбины STC для существующих самолетов GA - на ум быстро приходит P210 Riley Rocket, PA-46 JetProp, а также высококлассные экспериментальные самолеты, такие как Lancair Evolution и IV-P Turbine. Эти преобразования турбины дают все перечисленные выше преимущества, но при большем расходе топлива.

Основным сдерживающим фактором для всего рынка турбинных самолетов общего назначения являются более высокие эксплуатационные расходы и чрезмерная производительность для новичка или случайного летчика.

Мэтт многое понял правильно.

Динамические компрессоры и турбины имеют тенденцию становиться менее эффективными по мере уменьшения их размеров из-за эффектов числа Рейнольдса и из-за ограничений на материалы и производство. Чтобы получить хорошую степень повышения давления в ступени компрессора, требуется скорость на конце не менее 300 м/с; превышение 500 м/с не является чем-то необычным. Поскольку центростремительное ускорение обратно пропорционально радиусу при постоянной скорости наконечника, центростремительные нагрузки могут быть слишком высокими для большинства материалов. Зазоры между кончиками должны быть небольшими — около 1% хорды наконечника — для наилучшей эффективности, высокие температуры требуют охлаждения лопастей и лопастей в горячем конце, а это означает, что лопасти и лопасти должны иметь охлаждающие каналы внутри лопасти. В PW4084 это проще, чем в Allison 250, так как лопасти PW намного больше.

Гораздо дороже построить газотурбинный двигатель, чем поршневой. Можно построить газотурбинные двигатели, которые имеют более длительный межремонтный период, чем поршневые двигатели, что частично компенсирует эти затраты, но это имеет большее значение для пользователей, которые имеют высокую загрузку самолетов в год. Обычно газотурбинные двигатели используются в коммерческих операциях, 1000 часов в год, а поршневые — в частной эксплуатации 100 часов в год. По мере того, как двигатели становятся больше и мощнее, поршневые двигатели становятся более дорогими и сложными, потому что они ограничены детонацией двигателя. Таким образом, турбины преобладают при больших размерах для всех пользователей. Это все управляется долларами. Нет баксов, нет Бака Роджерса.

Что касается вопросов детонации, ограничивающей размер поршневых двигателей и судовых дизелей мощностью 107000 л.с., то детонация не является проблемой. Скорее ограничение на размер поршневых двигателей ФИЗИЧЕСКИЙ РАЗМЕР. Надежность также является проблемой, поскольку количество возвратно-поступательных движущихся частей стремительно растет. Но размер - это то, что ДЕЙСТВИТЕЛЬНО убивает сделку, когда дело доходит до поршневых двигателей. В другом посте я упомянул Sikorsky Mojave. Этот вертолет выглядит совершенно причудливо из-за больших гондол, выступающих с каждой стороны фюзеляжа. Каждая из этих капсул содержит Pratt and Whitney R-2800 мощностью 2100 л.с. Для сравнения, 5000-сильные Honeywell T-55 на Chinook выглядят почти как игрушки. Если вы хотите оснастить Боинг 747 поршневыми двигателями, каждый двигатель, вероятно, должен был бы быть размером с самолет приличного размера, чтобы производить ~ 55000-60000 л.с., которые производит каждый CF-6 (подумайте, насколько большим был R-4360, самый большой серийный авиационный поршневой двигатель, около 4000 л.с.). Судовой двигатель мощностью 107000 л.с. является ярким примером этого. Эти двигатели буквально называются «соборными двигателями» и соответствуют этому названию благодаря диаметру цилиндров 38 дюймов. Да, он может производить примерно столько же энергии, сколько два CF-6. Но эти двигатели большие, как кажется, и не совсем авиационный материал. С другой стороны, размер не так важен для океанского корабля. И надежность не так уж плоха для этих двигателей, поскольку большой размер означает, что можно использовать меньшее количество сверхкрупных компонентов. Судовой двигатель мощностью 107000 л.с. является ярким примером этого. Эти двигатели буквально называются «соборными двигателями» и соответствуют этому названию благодаря диаметру цилиндров 38 дюймов. Да, он может производить примерно столько же энергии, сколько два CF-6. Но эти двигатели большие, как кажется, и не совсем авиационный материал. С другой стороны, размер не так важен для океанского корабля. И надежность не так уж плоха для этих двигателей, поскольку большой размер означает, что можно использовать меньшее количество сверхкрупных компонентов. Судовой двигатель мощностью 107000 л.с. является ярким примером этого. Эти двигатели буквально называются «соборными двигателями» и соответствуют этому названию благодаря диаметру цилиндров 38 дюймов. Да, он может производить примерно столько же энергии, сколько два CF-6. Но эти двигатели большие, как кажется, и не совсем авиационный материал. С другой стороны, размер не так важен для океанского корабля. И надежность не так уж плоха для этих двигателей, поскольку большой размер означает, что можно использовать меньшее количество сверхкрупных компонентов. размер не так уж важен для океанского корабля. И надежность не так уж плоха для этих двигателей, поскольку большой размер означает, что можно использовать меньшее количество сверхкрупных компонентов. размер не так уж важен для океанского корабля. И надежность не так уж плоха для этих двигателей, поскольку большой размер означает, что можно использовать меньшее количество сверхкрупных компонентов.

Небольшим самолетам не нужно единственное преимущество, которое дает турбовинтовой двигатель: большее отношение мощности к весу. Турбовинтовой двигатель более громоздкий, чем поршневой двигатель, из-за более низкого отношения мощности к весу. Он не сэкономит столько веса по сравнению с поршневым двигателем малого рабочего объема, поскольку большая часть веса приходится на другие части силовой установки помимо двигателя (шестерни, топливные системы). , охлаждение, система наддува, винт и т. д.), а турбина всегда потребляет больше топлива.

Для меня ответ - деньги. Стоимость капитального ремонта газотурбинного двигателя P&W PT-6 составляет от 500 000 до 750 000 долларов США. Капитальный ремонт поршневого двигателя с турбонаддувом, даже очень дорогого, не будет стоить более 50 000 долларов США. Кроме этого, для определенных миссий, таких как операции над водой/горами, я бы взял расход топлива на компромисс между надежностью и снижением веса в небольшом самолете, хотя вы можете ожидать сжигания в 2-3 раза больше топлива в небольшом самолете. турбина против большого поршня. Обратите внимание, что существует много типов поршней, которые имеют STC для замены стандартного поршневого двигателя на поршень вторичного рынка, но, как я уже упоминал, затраты на это относительно астрономические. Например, Silver Eagle Cessna 210.http://www.onaircraft.com/the-planes/the-silver-eagle-ii/