Je größer der Durchmesser, desto niedriger die optimale Geschwindigkeit. Im Allgemeinen sollten Lüfter- und Propellerblätter mit einem hohen dynamischen Druck, aber immer noch mit Unterschallgeschwindigkeit laufen, um die höheren Verluste zu vermeiden, die mit dem Überschallstrom verbunden sind. Da die Spitze das Teil mit der höchsten Drehzahl ist und die Propeller einen größeren Durchmesser als die Lüfter haben, laufen die Propeller mit niedrigeren Drehzahlen.

Der Hochdruckkompressor und die Turbinen eines Flugzeugtriebwerks laufen mit über zehntausend U / min , während der Propeller mit etwa 1800 bis 2200 U / min laufen will. Die Propeller des Tu-95 laufen sogar mit nur 750 U / min. Sowohl der Lüfter als auch der Propeller werden von separaten Niederdruckturbinen angetrieben, die ebenfalls eine optimale Drehzahl haben. Je schneller die Turbine läuft, desto mehr Drehmoment wird für eine bestimmte Größe erzeugt. Aus diesem Grund laufen die Niederdruckturbine und die Welle eines großen Verkehrsflugzeugtriebwerks mit 2500 bis 4000 U / min und die Turbine des PT-6, eines klassischen Turboprop-Triebwerks, mit 30.000 U / min. Da die Leistung das Drehmoment mal die Drehzahl ist, ist eine schneller laufende Welle leichter als eine Welle mit niedriger Drehzahl, sodass die Drehzahl nur direkt an der Propellerhalterung verringert wird.

Die optimale Drehzahl eines Lüfters liegt zwischen der des Kompressors und der Propeller und würde idealerweise auch ein Getriebe benötigen, aber hier ist die übertragene Leistung so hoch, dass ein kompaktes Getriebe schwer zu konstruieren ist. Selbst wenn es mit einem Wirkungsgrad von 98% betrieben wird, erzeugt es bei einem großen Verkehrsflugzeugmotor Abwärme in der Größenordnung von mehreren hundert Kilowatt. Einige kleine Motoren mit nur einer einzigen Turbine verwenden bereits Getriebe (z. B. der Lycoming ALF507), und jetzt führt auch die nächste Generation von effizienten Lüftermotoren Getriebe ein. Bisher haben die meisten Motorkonstruktionen es jedoch vorgezogen, den Lüfter schneller als ideal laufen zu lassen. Beachten Sie, dass die Spitzengeschwindigkeit eines modernen, nicht getriebenen Lüfters bereits deutlich über Mach 1 liegt.

Ihr größerer Durchmesser macht Propeller effizienter. Je mehr Luftmasse an der Schuberzeugung beteiligt ist, desto höher ist die Antriebseffizienz. Lüfter müssen gerade deshalb kleiner sein, weil sie mit der Drehzahl der Niederdruckturbine laufen. Um die verfügbare Leistung in Schub umzuwandeln, benötigen sie ein viel höheres Festigkeitsverhältnis, was sich in einer höher benetzten Oberfläche niederschlägt , was die Reibungsverluste erhöht.

Dort steht "optimale Drehzahl". Ist das die Drehzahl des Kompressors? Die Geschwindigkeit des Lüfters?

Beides. Jeder hat seine eigene optimale Geschwindigkeit (die nicht gleich ist) und das Getriebe ermöglicht es ihnen, mit dieser Geschwindigkeit zu arbeiten. Zu definieren, was "optimal" ist, gehört zum Job der Ingenieure. Normalerweise ist "optimal" das, was den maximalen Wirkungsgrad ergibt. Abhängig von den Konstruktionsbeschränkungen kann jedoch eine andere Geschwindigkeit ausgewählt werden.

Woher weiß das Getriebe, welche "optimale Geschwindigkeit" ist?

Es "weiß" nicht, es ist einfach so aufgebaut, dass alles reibungslos läuft. In dieser Frage wurde erklärt, warum es in Flugzeugen kein Schaltgetriebe gibt: Das Übersetzungsverhältnis ist festgelegt. Dies beantwortet auch Ihre Frage, es ist fest und das Übersetzungsverhältnis wird während der Entwurfsphase ausgewählt.

Warum sollte sich im Turboprop ein Getriebe befinden, aber nicht im Turbofan?

Weil der Propeller viel langsamer läuft. Der Lüfter kann direkt an die Niederdruckturbine angeschlossen werden, während sich ein Propeller zu schnell drehen würde.

Der Propeller dreht sich viel langsamer als der Lüfter, da er nach einem anderen Prinzip arbeitet: Der Lüfter beschleunigt eine geringere Menge von Luft um ein größeres $ \ Delta V $ (es muss auch als erste Stufe für den Kompressor fungieren), während der Propeller eine höhere Luftmenge um ein kleineres $ \ Delta V $ beschleunigt. Dieser Unterschied macht sich auch in anderen drei Aspekten bemerkbar: Der Lüfter ist kanalisiert und hat viel mehr Flügel (denken Sie daran, es ist eine erste Stufe für den Kompressor), während der Propeller einige Flügel hat und nicht kanalisiert ist. Wie Peter in seiner Antwort erwähnt, hat der Propeller außerdem im Allgemeinen einen größeren Durchmesser als ein Lüfter.

Schauen Sie sich auch diese Frage an, wo die Unterschiede zwischen Turbofan und Turboprop liegen diskutiert

Turbofan-Motoren würden wie Turboprops von einem Getriebe zwischen LP-Turbine und Lüfter profitieren. Es gibt zwei Probleme:

1. Die Größe des Getriebes. Ein B777 liefert über 100.000 PS Leistung (Drehmoment bei Lüfter mal Drehzahl). Der PW1000G, der größte Turbofan mit Getriebe, der derzeit in Produktion ist und im regulären Betrieb in Flugzeugen installiert wird, leistet 30.000 PS.
2. Die Umgebung, der das Getriebe ausgesetzt ist. Manöver, Böen, Landungsstöße und Luftturbulenzen verursachen große Probleme, wenn sich der Getriebelüfter innerhalb enger Toleranzen mit der Gondel dreht.
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Rolls Royce entwickelt und testet den Ultrafan und hat erfolgreich bei 70.000 PS getestet. Beim aktuellen Trent 1000 läuft die LP-Turbine mit der gleichen Drehzahl wie der Lüfter, was dazu führt, dass die LP-Turbine relativ langsam läuft. Das Problem wird teilweise durch Erweitern des Radius der LP-Turbine gelöst, so dass die Schaufelgeschwindigkeiten der linearen Turbine höher sind.



Erweitern der Eine LP-Turbine ist aufgrund der damit verbundenen höheren Widerstands- und Gewichtsstrafen keine Option. Ein Getriebe würde die LP-Turbine beschleunigen und einen kleineren LP-Durchmesser mit damit verbundenem geringerem Gewicht ermöglichen.

Quelle: eine Diskussion mit einem Rolls-Royce-Ingenieur auf der Singapore Airshow.

Turboprop-Motoren werden (im Allgemeinen) von Zentrifugal- oder Axial- / Zentrifugalströmungsmotoren angetrieben. Diese sind (wiederum im Allgemeinen) kleiner als ein Axialmotor. Diese geringe Größe ermöglicht es Komponenten, sich mit wirklich, wirklich, wirklich lächerlichen Geschwindigkeiten von bis zu 50.000 U / min (vielleicht mehr) zu drehen. Das Drehen eines Propellers mit sogar 5000 U / min ist für die wenigen Sekunden, in denen die Blätter zusammen bleiben würden, sehr ineffizient. Das Getriebe reduziert die Drehzahl auf Geschwindigkeiten, die langsam genug sind, um einen Propeller zu konstruieren.

Ein Propeller hat einen größeren Durchmesser als ein Lüfter. Aus diesem Grund hält die Struktur des Blattes eines Propellers mehr 'g' aus (wenn Sie so wollen, mehr Zentrifugenkraft), sodass das Blatt eines Propellers schließlich explodiert, wenn dies der Fall ist dreht sich zu schnell, weil mehr Masse vom Rotationszentrum entfernt ist, zieht es alles nach draußen. Es ist Rotationsträgheit. (und Sie benötigen einen großen Propellerdurchmesser, da dieser genügend Druck zum Fliegen des Flugzeugs bieten muss).

Der Wirkungsgrad bestimmt die optimale Drehzahl von Propellern und Turbinen, sodass ein Getriebe beide in Bestform hält.

Wie andere gesagt haben, sind die optimalen Drehzahlen der (kleineren) Turbine und der Stütze eines Turboprops völlig inkompatibel, wobei sich die Turbine um ein Vielfaches schneller bewegen muss, während sie in Turbofans, obwohl sie nicht optimal sind, typischerweise nahe genug sind Ihre optimale Geschwindigkeit, die das erhöhte Gewicht, die Kosten, die Komplexität und das Potenzial für das Versagen eines Getriebes bei der Übertragung der enormen Leistung, die an den Lüfter geht, nicht lohnt, weshalb eine direkte Welle verwendet wird.

Einige kleinere Turbofans sind getrieben, was eine schnellere, effizientere Turbine und einen langsameren, leiseren Lüfter ermöglicht. Erst kürzlich wurde ein getriebener Turbofan hergestellt, der groß genug für einen A320 ist. Ich gehe davon aus, dass dies eine Weile dauert noch nicht für Widebodies.