Frage:
Warum sind Propellermotoren in Verkehrsflugzeugen ungewöhnlich?
blended
2014-01-16 08:01:09 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Meine Erfahrung in der Luftfahrt ist im Wesentlichen Null, aber bei Wikipedia scheint der Tu-95-Bär eine hohe Unterschallgeschwindigkeit und extreme Reichweite zu bieten.

Ich gehe davon aus, dass Turboprop-Triebwerke sind sparsamer als Düsentriebwerke. Wenn all dies zutrifft, warum sehen wir dann bei kommerziellen Fluglinienflügen nicht mehr Flugzeuge mit rotierenden Triebwerken?

Ist es ein Lärmproblem? Ich sehe, dass die TU-95 anscheinend das "lauteste Militärflugzeug der Erde" ist.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Schub, der eine Kraft ist, gleich der Masse x Beschleunigung zu machen. Turbojets nehmen eine relativ kleine Luftmasse auf und beschleunigen das Heck (Beschleunigung = Geräusch). Ein Turbofan nimmt eine größere Luftmasse auf und beschleunigt sie weniger. Ein Turboprop nimmt eine noch größere Luftmasse auf und beschleunigt sie weniger. Der Rotor eines Hubschraubers nimmt eine enorme Luftmasse auf und beschleunigt sie relativ wenig. Die Motoren eines 747 und des F-16 erzeugen ungefähr den gleichen Schub, aber der 747 (hoher Bypass) verbraucht weniger Kraftstoff pro Stunde und der F-16 (niedriger Bypass) hat eine höhere Höchstgeschwindigkeit.
Drei antworten:
#1
+34
voretaq7
2014-01-16 08:52:42 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Nun, lassen Sie uns zunächst einige Begriffe klarstellen: Wenn Sie "Rotationsmotor" sagen, gehe ich davon aus, dass Sie sich auf Sternmotoren beziehen, eine Art Kolbenmotor, der früher ziemlich häufig war in Flugzeugen. (Heutzutage sind entgegengesetzte Kolbenmotoren das, was man normalerweise in kolbengetriebenen Flugzeugen findet. Rotationsmotoren sind ein weiteres Design, aber ihre Verwendung ist gegen Ende des Ersten Weltkriegs ausgestorben .)


Die TU-95 ist eigentlich kein kolbengetriebenes Flugzeug. Es ist ein Turboprop - im Grunde ein Turbinentriebwerk, das dem eines Jets ähnelt und nur zum Drehen eines Propellers aufgerüstet ist, anstatt direkt "Jet Thrust" zu erzeugen.

Von Unter dem Gesichtspunkt der Effizienz sind Turbinentriebwerke normalerweise sparsamer als ihre Gegenstücke zu Kolben, und Düsentreibstoff ist dichter und weniger raffiniert als Flugbenzin und daher für die Betreiber billiger zu beschaffen. Turbinentriebwerke bieten auch eine höhere Zuverlässigkeit als Kolbenmotoren, und die Wartung eines Turboprop-Triebwerks ähnelt weitgehend einem Düsentriebwerk mit einigen zusätzlichen Komponenten. Dies ist ein Vorteil für ein Unternehmen, das eine Flotte von Flugzeugen mit Jet- und Propellerantrieb betreibt.

Die Unterschiede in Betriebseffizienz und Zuverlässigkeit sind der Hauptgrund, warum benzinbetriebene Kolbenmotoren im Grunde genommen aus dem Linienflugdienst verschwunden sind.


Warum also nicht? Sehen wir nicht mehr Turboprops? Tatsächlich sehen wir viele davon, wenn Sie an den richtigen Stellen suchen.

Jets und Turboprops sind in verschiedenen Dingen gut: Im Großen und Ganzen vereinfacht, ist ein Turboprop in niedrigeren Höhen und Fluggeschwindigkeiten effizienter als ein Düsentriebwerk effizienter in höheren Lagen und Fluggeschwindigkeiten.

Infolgedessen sehen wir Turboprop-Flugzeuge wie ATR 72s, die für Kurzstrecken-Pendlerdienste eingesetzt werden, aber für transkontinentale oder transozeanische Flüge, bei denen sie lange Zeit verbringen Zeitkreuzfahrten in Höhenjets dominieren den Himmel.

Da die meisten Menschen fliegen, um relativ lange Strecken zu fliegen, gibt es im Linienflug vergleichsweise mehr Jets als Turboprops.

Lärm ist wahrscheinlich auch ein Faktor: Schnelle Turboprops wie der Bär sind LAUT nicht wegen des Motors, sondern wegen des Propellers. Die Spitzen des sich drehenden Propellers einer TU-95 können sich Überschallgeschwindigkeiten annähern, was ziemlich viel Lärm verursacht. Die gegenläufigen Propeller der TU-95 (die dazu beitragen, den Schub effizienter zu erzeugen) tragen ebenfalls zu einem lauteren Geräuschpegel bei. Im Fall der TU-95 spielt dies keine Rolle - es ist ein Militärflugzeug, und der russischen Luftwaffe ist es egal, ob sich Menschen beschweren, da das Flugzeug eine Mission zu erfüllen hat, und das ist wichtiger als ein paar Lärmbeschwerden. Wenn United Airlines eine TU-95 von Kennedy aus betreiben würde, die über die Häuser von Menschen abfliegt, würden sie vermutlich schnell ihre Wahl der Ausrüstung überdenken, wenn die Lärmbeschwerden eingehen ...

Ich möchte auch hinzufügen, dass viele Turboprops aufgrund von öffentlichen Missverständnissen, dass Jets sicherer sind, durch Regionaljets ersetzt wurden, sodass wir sie viel seltener sehen als früher.
Mechanisch gesehen gibt es in einem Jet viel weniger zu brechen als in einem Turboprop und in einem Turboprop weniger als in einem Kolbenmotor :-)
Nun, Turboprops haben auch viele Vorteile gegenüber Jets (nicht zuletzt, dass sie im Allgemeinen langsamer fliegen / weniger Landebahn benutzen), aber es ist nicht so bequem für Passagiere und sie bleiben tiefer stecken (bei mehr Wetter Turbulenzen usw.) und die Leute mögen das nicht.
Als ich den Rotationsmotor erwähnte, meinte ich Flugzeuge mit Propellern: D Vielen Dank für diese vollständige Erklärung
@Lnafziger,people sind bereit, Bequemlichkeit gegen günstigere Tarife einzutauschen, wie aus billigen Verkehrsflugzeugen wie Easy Jet hervorgeht.
Tatsächlich scheinen Turboprops _less_ sparsamer als Kolben zu sein (insbesondere dann Dieselmotoren, die zusätzlich auch Jet-A verbrennen können). Sie sind jedoch leichter, einfacher und zuverlässiger.
@JanHudec - das hängt von Ihrer Metrik ab. Ein Kolbenmotor ist effizienter in Bezug auf Gallonen pro Stunde oder Meilen pro Gallone, aber in Bezug auf Passagiermeilen ist ein Turboprop effizienter, einfach weil die zusätzliche Leistung es dem Motor ermöglicht, ein größeres Flugzeug mitzunehmen.
@JonStory: Nein, ich denke an Joule pro Kilogramm ([BSFC] (http://en.wikipedia.org/wiki/Brake_specific_fuel_consumption#Examples_of_values_of_BSFC_for_shaft_engines) (ok, das ist invers, Kilogramm pro Joule), was nicht bedeutet Ich vergleiche Motoren mit gleicher Wellenleistung, die nur Flugzeuge derselben Größe befördern können. Ein Vergleich von Motoren mit unterschiedlicher Leistung wäre offensichtlich dumm.
Eine andere mögliche Definition eines Rotationsmotors ist ein [Wankel] (http://en.wikipedia.org/wiki/Wankel_engine).
Als ich die Frage las, dachte ich, er spreche von [diesen Rotationsmotoren] (http://en.wikipedia.org/wiki/Wankel_engine).
@Lnafziger - Es gibt eine Situation, in der Turboprops in Gondeln an den Tragflächen deutlich weniger sicher sind als ein Turbofan in derselben Konfiguration. Blade-Outs. Wenn ein Propellerblatt zum * falschen * Zeitpunkt von der Propellernabe getrennt wird, kann es durch seinen Impuls vollständig durch den Rumpf des Flugzeugs geführt werden. Beispiel: http://aviation-safety.net/database/record.php?id=19690803-1 Moderne Turbofan-Motorgehäuse sind speziell für die Aufnahme eines gebrochenen Messers ausgelegt.
Über den Lärm: https://www.youtube.com/watch?v=q-2dfEc70gU
@JanHudec ist korrekt. Dieselkolbenmotoren schlagen Turbowellen wegen ihres höheren Verdichtungsverhältnisses, selbst im Vergleich zur Fahrt. Ich persönlich finde es jedoch intuitiver, sich das gelieferte Drehmoment (Newtonmeter) pro Kraftstoffverbrauch (kg / s) vorzustellen, das genau wie Joule / kg Quadratmeter pro Sekunde beträgt. Leider ist dies nur für Kolben- und Turbostützen gut und für keine Art von Düsen. Dies würde Schub pro Kraftstoffverbrauch (N / (kg / s)) = m / s erfordern, was erfordert, dass wir statt nur Leistung auch den Schub des Propellermotors erhalten.
@KeithS: Wenn andererseits eine volle Rotorscheibe auf einen Turbofan bläst, kann nicht einmal die Motorhaube ihn stoppen, und es kann möglicherweise weitaus schlimmer Schaden anrichten, als dies möglich ist, wenn sogar der gesamte Propeller auf einem Turboprop auseinanderbricht.
Da es sich bei der Tu-95 eher um ein Militärflugzeug als um ein Zivilflugzeug handelte, gab es tatsächlich eine Passagiervariante davon - die [Tu-114] (https://en.wikipedia.org/wiki/Tupolev_Tu-114). Ich war jedoch nie Teil der Flotte von United, und ich weiß nicht, ob sie jemals in / aus JFK operiert hat.
Gegenstimme für die falsche Aussage "Turbinentriebwerke sind normalerweise sparsamer als ihre Gegenstücke zu Kolben"
#2
+33
Peter Kämpf
2014-12-08 03:50:16 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Wenn ich die Antworten hier lese, muss ich einige Fakten in die Diskussion einbeziehen:

  1. Kolbenmotoren sind die sparsamsten Flugmotoren. Ihr Nachteil ist eine konstante Leistungsabgabe über die Geschwindigkeit, so dass der Schub umgekehrt zur Geschwindigkeit ist. Dies hilft beim Beschleunigen beim Start, begrenzt aber die Höchstgeschwindigkeit. Ein moderner Kolbenmotor verbraucht 240 g Kraftstoff für eine Leistung von 1 kW über eine Stunde: 240 g / kWh. Dieselmotoren verbrauchen nur 220 g / kWh. Diese Zahl gilt bereits für den alten Jumo 205, einer der ersten vor 80 Jahren in Betrieb befindlichen Flugdieselmotoren aufgrund des Staudrucks (der den Innendruck im Motor bei Mach 0,8 um ca. 30% erhöht). Ihr leistungsspezifischer Verbrauch beträgt etwa 300 g / kWh.
  2. Düsentriebwerke sind weniger effizient als beide, eignen sich jedoch besser für schnelles und hohes Fliegen. Ihr Schub fällt mit der Geschwindigkeit noch weniger ab, sodass die bessere Grundlage für den Ausdruck des Verbrauchs der Schub und nicht die Kraft ist. Der typische Kraftstoffverbrauch eines modernen Düsentriebwerks ( GE-90) beträgt 30 Gramm Kraftstoff pro Newton Schub über eine Stunde (30 g / Nh) bei stationärem Betrieb und doppelt so viel wie bei einer Kreuzfahrt in Mach 0,8. Moderne Militär Jet Triebwerke erreichen beim Start 80 g / N-h und haben einen ungefähr konstanten Schub und spezifischen Verbrauch über die Geschwindigkeit.
  3. ol>

    In allen Fällen wird der Schub durch Beschleunigen einer Luftmasse nach hinten erzeugt. Die allgemeine Gleichung für die Antriebseffizienz $ \ eta $ lautet $$ \ eta = \ frac {v _ {\ infty}} {v _ {\ infty} + \ frac {\ Delta v} {2}}, $$ wobei $ \ Delta v $ ist die Geschwindigkeitssteigerung der Luftmasse aufgrund dieser Beschleunigung. Diese Formel zeigt, dass es besser ist, eine große Luftmasse nur wenig als eine kleinere Masse um ein Vielfaches zu beschleunigen. Propeller tun dies und bieten aus diesem Grund die beste Effizienz. Turboprops verwenden weniger effiziente, aber leichtere Gasturbinen zur Stromerzeugung, behalten jedoch den effizienten Propeller bei. Zivile Turbofans versuchen, die Luftmasse durch Erhöhen ihres Bypass-Verhältnisses zu erhöhen, und nur das Militär verwendet die am wenigsten effizienten Typen mit Bypass-Verhältnissen unter 1, da sie bei Überschallgeschwindigkeit die beste Wahl sind.

    Unten sehen Sie eine grafische Darstellung des schubspezifischen Kraftstoffverbrauchs im Reiseflugzustand verschiedener Motortypen über deren Bypass-Verhältnis. Die umgekehrte Beziehung ist leicht sichtbar.

    Plot of thrust specific fuel consumption over bypass ratio

    Auftragung des schubspezifischen Kraftstoffverbrauchs in lb Kraftstoff pro lb Schub pro Stunde verschiedener Motoren über den Logarithmus ihres Bypass-Verhältnisses (Bild Quelle).

    Um einen Vergleich zwischen Kolben- und Turbofan-Motoren zu ermöglichen, vergleichen wir den Kraftstoffverbrauch beim Start. Die Formel für den statischen Schub eines Propellers lautet $$ T_0 = \ sqrt [\ Large {3} \;] {P ^ 2 \ cdot \ eta_ {Prop} ^ 2 \ cdot \ pi \ cdot d_P ^ 2 \ cdot \ rho }, $$ wobei $ P $ die Wellenleistung, $ d_p $ der Propellerdurchmesser und $ \ rho $ die Luftdichte ist. In unserem Beispiel verwenden wir eine vierblättrige Stütze mit einem Durchmesser von 3,4 m und einen Motor mit einer Leistung von 1111 kW. Sein statischer Schub beträgt 10,727 kN, wenn wir von normalen atmosphärischen Bedingungen und einem Propellerwirkungsgrad von 85% ausgehen. Der Kraftstoffdurchfluss beträgt 266,6 kg pro Stunde und im Verhältnis zum Schub 24,8 g / N-h oder nur 80% des eines modernen Turbofans.

    Ich frage mich, ob selbst die Enthusiasten erraten könnten, welches Flugzeug ich verwendet habe, weil ich es durch die Verwendung dieser unbekannten metrischen Einheiten verschleiert habe. Ich denke, niemand wird argumentieren, dass es nicht für einen schnellen Flug optimiert ist, daher sollte dieser Vergleich auch für die Tu-95 gelten, für die mir weniger Daten zur Verfügung stehen.

    Ein Propeller wird jedoch jedes Flugzeug dazu zwingen fliegen langsamer als Jets. Ihre Effizienz-Tanks, sobald sich die Propellerspitzen mit Überschallgeschwindigkeit drehen, ist es am besten, die Mach-Geschwindigkeit unter 0,6 zu halten. Der gewerbliche Verkehr will aber so schnell wie möglich wirtschaftlich fliegen, und mit Turbofans wird diese Grenze nur um Mach 0,85 erreicht. Das schnellere Flugzeug wird mehr Beine gleichzeitig fliegen, mehr Menschen befördern und mehr Einnahmen erzielen. Durch die schnellere Verbindung wird sie auch in den Buchungssystemen auf Seite 1 angezeigt und ist der Favorit bei Geschäftsreisenden, die fast alle Gewinne von Fluggesellschaften ausmachen. Deshalb sehen wir im zivilen Verkehr nicht mehr viele Turboprops.

Nur neugierig, warum verwenden Sie ein Symbol wie $ v_ \ infty $ anstelle von etwas wie $ v_0 $ oder $ v_i $? Wo kommt die Unendlichkeit ins Spiel? Ich möchte auch darauf hinweisen, dass Kolbenmotoren und Turboprops ** unterschiedliche Kraftstoffe ** verwenden, sodass jemand neugierig sein kann, diese Wirkungsgrade mit seiner spezifischen Energie (MJ / kg) zu multiplizieren, um festzustellen, ob dies einen Unterschied macht. Wie sich herausstellt, beträgt die spezifische Energie von Avgas etwa 43,5 MJ / kg und Jet-A1 43,15, so dass es kaum einen Unterschied macht.
@DrZ214 Die Unendlichkeit sollte signalisieren, dass diese Luftgeschwindigkeit für ungestörte Luft gilt, die nicht durch das Druckfeld des Flugzeugs oder des Propellers beeinflusst wurde. Theoretisch ist diese Bedingung nur im Unendlichen wahr.
Eine gute Antwort, wenn Sie implizieren, dass Effizienz Vertrauen / Gewicht des Kraftstoffs ist. Da Turbojets und schneller, wie es vergleicht, wenn Sie Meile / Gewicht des Kraftstoffs messen?
@jean: Der Geschwindigkeitsunterschied ist nicht so groß, dass er einen Unterschied macht. Propellermotoren sind noch effizienter, selbst bei einer Gallone pro Meile. Natürlich müssen Sie denselben Technologiestandard vergleichen, um zu diesem Schluss zu kommen.
#3
  0
Falk
2014-01-16 09:31:44 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Lärm sollte nicht das Problem sein. Moderne Flugzeuge mit Turboprop-Antrieb sind im Vergleich zu ähnlichen Flugzeugen mit Düsentriebwerken noch leiser. Wie immer dreht sich alles um Wirtschaftlichkeit.

Lassen Sie uns über die verfügbaren Motortypen sprechen. (Alles, was Sie als Flieger erlebt haben, ich werde es sehr einfach halten und in einigen Punkten sogar nicht 100% korrekt. Wenn Ihnen das nicht gefällt, überspringen Sie bitte diesen Absatz, wenn Sie weitere Details zu einem Motortyp haben möchten, bitte Fühlen Sie sich frei, Ihre Fragen zu stellen) Kolbenmotoren sind die frühesten Motoren und immer noch die gängigsten oder leichtesten Sportflugzeuge. Sie können sie mit dem Motor in Ihrem Auto vergleichen, aber anstatt das Getriebe anzutreiben, das Ihre Räder antreibt, treiben sie einen Propeller an (manchmal auch über ein Getriebe). Kolbenmotoren, die stark genug sind, um ein Verkehrsflugzeug anzutreiben, verbrauchen wie in der Vergangenheit viel zu viel Kraftstoff und Öl, um effizient genug zu sein, um mit Düsentriebwerken mithalten zu können. Es gibt verschiedene Arten von Düsentriebwerken . Das klassische Triebwerk saugt mit seinem Lüfter Luft an, drückt es in einen Kompressor, lässt es in einem Brennraum knallen und bläst es aus, während eine Turbine vor der Düse etwas von dieser Energie verbraucht, um den Lüfter und den Kompressor anzutreiben - denken Sie an diese vier Wörter und Sie werden immer wissen, wie es funktioniert;) Diese einfache Art von Strahltriebwerk war Wird für frühe Passagierflugzeuge mit Jetantrieb verwendet, aber heutzutage findet man es nur noch in Militärjets. Moderne Passagierflugzeuge verwenden das gleiche Prinzip, aber ihre Triebwerke haben einen weitaus größeren Lüfter Turbolüftertriebwerke . Der größte Teil der Luft wird um den "Kern" des Motors herumgeführt. Diese Luft liefert mehr als die Hälfte des Schubes. Es gibt auch Turboprop-Motoren : Ersetzen Sie einfach den Lüfter durch einen Propeller. Und schließlich Turbowellenmotoren , bei denen die gesamte Leistung der Strahltriebwerke zum Antrieb eines Propellers verwendet wird und der Auspuff keine Vorwärtsenergie liefert.

Woher kommt all dieses Geräusch? Um es einfach zu halten, können wir sagen, dass Geschwindigkeitsunterschiede Geräusche erzeugen. Düsentriebwerke sind aufgrund des hohen Geschwindigkeitsunterschieds der durch das Triebwerk strömenden Luft und des freien Luftstroms laut. Der Kaltluftstrom eines Turbolüftermotors ist langsamer, sodass weniger Geschwindigkeitsunterschiede am Auspuff und weniger Geräusche auftreten. Das Geräusch von Propellermotoren hängt hauptsächlich von der Drehzahl des Propellers ab. Die Spitzen der Propellerblätter sind offensichtlich die schnell bewegenden Teile. Ihr Design erfordert, dass sie Unterschall bleiben, um Schub zu liefern, aber die Propellerdrehzahl sowie die Drehzahl des Lüfters in Turbolüftermotoren werden immer geringer, um die Geräuschemissionen zu reduzieren.

Ein wirtschaftlicher Motor muss nicht nur ganz sein aber auch leistungsstark und sparsam. Sie haben Recht, Turboprop-Motoren sind im Allgemeinen die sparsamsten Motoren, aber möchten Sie als Passagier zehn Stunden in einem Flugzeug sitzen, um von London nach New York zu gelangen? Ich nicht und die meisten Flugzeuge werden ein solches Flugzeug auch nicht mögen, weil Flugzeit Geld kostet. Turboprop-Flugzeuge sind auf kurzen Strecken am effizientesten, bei denen der Geschwindigkeitsunterschied keinen so großen Unterschied in der Flugzeit macht.

Ein weiteres Problem bei Turboprop-Triebwerken sind die Passagiere. Es gibt viele Leute, die einen Propeller sehen und denken, dass sie in einem der ältesten Flugzeuge aller Zeiten sitzen. Sie vertrauen auf Düsentriebwerke, niedriges Flügeldesign und alles, was Sie in einem "modernen" Passagierflugzeug finden würden, das von einem siebenjährigen Kind gezeichnet wurde.

Ich hoffe, Sie finden Ihre Antwort, wenn man all dies wirklich grundlegend betrachtet und vereinfachtes Wissen.

Sie erwähnen "Urobo-Propellermotoren sind im Allgemeinen die sparsamsten Motoren, aber möchten Sie als Passagier gerne zehn Stunden in einem Flugzeug sitzen, um von Londn nach New York zu gelangen?" Ich erwähnte Tu-95 wegen der gleichen Geschwindigkeit wie ein Verkehrsflugzeug
Okay, raten Sie mal, was es braucht, um ein Flugzeug wie dieses bei dieser Geschwindigkeit im Geradeaus- und Geradeausflug zu beschleunigen und zu warten. Du brauchst viel Kraft. Diese NK-12-Triebwerke sind in der Lage, diese Menge an Leistung zu liefern, aber hinsichtlich der Kraftstoffeffizienz sind sie nicht mit modernen Düsentriebwerken vergleichbar. Es ist möglich, dass wir in Zukunft auch auf längeren Strecken mehr Propellerflugzeuge sehen werden, aber diese Flugzeuge sind noch nicht entwickelt. Es werden auch Hybride zwischen Turbolüfter und Propeller im freien Luftstrom in Betracht gezogen. Siehe diesen Link: http://en.wikipedia.org/wiki/Propfan
Interessanterweise arbeitete GE Ende der 1980er Jahre an einem hocheffizienten Design, das als UDF (Unducted Fan) bekannt ist. Es basierte auf einem vorhandenen Turbofankern, hatte jedoch eine Reihe kurzer, gebogener Blätter, die an einem Ring montiert waren, der den Außenumfang des Motors bildete. Im Wesentlichen befand sich der Lüfter an der Außenseite des Motors. Sie erzielten eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs um etwa 30%, litten jedoch unter Lärmproblemen. Boeing war daran interessiert, diese Triebwerke in einem neuen Schmalkörperflugzeugdesign (7J7) als Ersatz für die 737 einzusetzen. Niedrigere Treibstoffpreise und hohe Entwicklungskosten führten zur Annullierung der Projekte.


Diese Fragen und Antworten wurden automatisch aus der englischen Sprache übersetzt.Der ursprüngliche Inhalt ist auf stackexchange verfügbar. Wir danken ihm für die cc by-sa 3.0-Lizenz, unter der er vertrieben wird.
Loading...