Турбина крутится быстро, а винт медленно. Зачем самолёту редуктор

Большой воздушный винт и компактная турбина работают в одном двигателе, но вращаются с разной частотой. Между ними стоит понижающий редуктор. Снаружи этот узел часто скрыт за обтекателем, хотя именно он позволяет соединить быстроходную газовую турбину с длинными лопастями, толкающими самолёт.


Турбовинтовой двигатель сначала сжимает воздух, сжигает в нём топливо и направляет горячий поток на турбинные лопатки. Часть полученной работы нужна самому двигателю, прежде всего компрессору. Полезная мощность передаётся к винту. В распространённой схеме для этого служит отдельная силовая, или свободная, турбина. Она получает энергию от газа и через вал приводит редуктор.

У винта другая задача: ускорять окружающий самолёт воздух и создавать тягу. Его лопасть за один оборот проходит путь, зависящий от расстояния до оси. Точка возле втулки описывает маленькую окружность, конец длинной лопасти проходит гораздо больше. Поэтому при одинаковых оборотах скорость концов растёт вместе с диаметром винта.

Чрезмерная скорость приносит шум и дополнительные потери, связанные со сжимаемостью воздуха. В учебнике авиационного университета Embry-Riddle именно ограничение скорости концов лопастей названо одной из причин установки редуктора между турбиной и винтом. При этом скорость лопасти относительно воздуха зависит ещё и от движения самолёта: одних оборотов недостаточно для описания её режима.

Просто уменьшить весь винт до размеров турбинного колеса тоже не получится без серьёзного изменения работы движителя. Для эффективной тяги на умеренных скоростях полезно воздействовать на большую массу воздуха. Крупный винт делает это своей площадью, а редуктор позволяет не раскручивать его с частотой, удобной компактной турбине.

Меньше оборотов, больше момента

Зубчатая передача уменьшает скорость выходного вала и увеличивает крутящий момент, то есть меру вращающего действия на валу. Энергия при этом не появляется из ниоткуда. Если мысленно пренебречь потерями, одна и та же мощность может передаваться при больших оборотах и меньшем моменте либо при меньших оборотах и большем моменте. В настоящем редукторе часть мощности расходуется на трение и нагрев.

В руководстве по технической эксплуатации российского ТВ7-117С назначение редуктора определено прямо: передавать мощность от свободной турбины на воздушный винт. Внутри описаны зубчатые механизмы, вал винта и измеритель крутящего момента. Передача также должна воспринимать нагрузки и работать вместе с системой подачи масла. За коротким словом «редуктор» скрывается ответственный силовой агрегат.

Насколько различается удобный темп работы, видно на данных другого производителя. Pratt & Whitney указывает для двигателей PW100 выходную частоту вращения винта 1200–1300 оборотов в минуту, а для PW150 около 1020. Это характеристики названных семейств, а не норма для любого самолёта. Производитель отдельно поясняет, что редуктор согласует эффективность двигателя и винта.

Обороты винта при этом не обязаны заметно расти каждый раз, когда самолёту нужна большая мощность. У винта изменяемого шага лопасти поворачиваются вокруг собственных продольных осей. Меняется их угол к потоку, а вместе с ним нагрузка, которую винт передаёт на привод. Редуктор согласует механические скорости, а регулирование шага помогает использовать мощность в разных режимах полёта.

За такое согласование платят массой, подшипниками, смазкой и необходимостью отводить тепло. Узел должен долго передавать большую мощность с высокой надёжностью. Его польза вполне предметна: турбина сохраняет подходящую ей скорость, а большой винт получает сильное вращающее усилие без чрезмерной скорости концов лопастей.