Pitanje:
Zašto su propelerski motori neuobičajeni na zrakoplovima?
blended
2014-01-16 08:01:09 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Moje zrakoplovno iskustvo u osnovi je nula, ali gledajući Wikipediju čini se da medvjed Tu-95 nudi veliku podzvučnu brzinu i ekstremni domet.

Pretpostavljam da su turbopropelerski motori štede gorivo od mlaznih motora. Ako su sve gore navedene istine, zašto onda ne vidimo više aviona s rotacijskim motorima na letovima komercijalnih zrakoplovnih prijevoznika?

Je li to problem zbog buke? Vidim da je TU-95 očito "najbučniji vojni zrakoplov na Zemlji".

Postoje različiti načini za stvaranje potiska, koji je sila jednaka masi x ubrzanju. Turboreaktivi uzimaju relativno malu masu zraka i ubrzavaju izbacivanje iz njega (ubrzanje = buka). Turboventil zahvaća veću masu zraka i manje ga ubrzava. Turbopropeler zahvata još veću masu zraka i manje ga ubrzava. Rotor helikoptera hvata ogromnu masu zraka i relativno ga malo ubrzava. Motori na 747 i F-16 proizvode približno istu količinu potiska, ali 747 (velika premošćivač) sagorijeva manje goriva / sat, a F-16 (niska zaobilaznica) ima veću maksimalnu brzinu.
Tri odgovori:
#1
+34
voretaq7
2014-01-16 08:52:42 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Pa, prvo da raščistimo nekoliko pojmova: Kad kažete "rotacijski" motor, pretpostavljam da mislite na radijalne motore, vrstu klipnih motora koji su nekad bili prilično česti na zrakoplovima. (Ovih dana suprotstavljeni klipni motori ono su što obično nalazite na zrakoplovima s klipnim pogonom, rotacijski motori još su jedan dizajn, ali njihova je upotreba zamrla krajem I svjetskog rata .)


TU-95 zapravo nije zrakoplov na klipni pogon. To je turbopropelerski pogon - u osnovi turbinski motor sličan onome koji biste pronašli u mlaznom zrakoplovu, namješten samo da okreće propeler, a ne izravno proizvodi "mlazni potisak".

sa stajališta učinkovitosti, turbinski su motori obično štedljiviji od svojih klipnih, a mlazno gorivo je gušće i manje rafinirano od zrakoplovnog benzina te je stoga operaterima jeftinije nabavljati. Turbinski motori također nude veću pouzdanost od klipnih motora, a održavanje na turbo elisnom motoru također je u velikoj mjeri slično mlaznom motoru s nekoliko dodatnih komponenata, što je prednost za tvrtku koja upravlja flotom mlaznih i propelerskih zrakoplova.

Razlike u operativnoj učinkovitosti i pouzdanosti glavni su razlog zašto su klipni motori na benzinski pogon u osnovi nestali iz redovnog zračnog prometa.


Pa zašto ne vidimo li još turbopropeleta? Zapravo ih vidimo puno, ako pogledate na pravim mjestima.

Mlaznice i turbopropeli su dobri u različitim stvarima: široko pojednostavljujući, turboprop je učinkovitiji na nižim visinama i brzinama dok je mlazni motor učinkovitiji na većim nadmorskim visinama i brzinama.

Kao rezultat, vidimo da se turbopropelerski zrakoplovi poput ATR 72s koriste za kratke relacije, "ali za transkontinentalne ili prekookeanske letove gdje provode dugo krstarenje vremenom na velikoj nadmorskoj visini dominiraju nebom.

Budući da većina ljudi leti relativno velikim udaljenostima, u redovnom zrakoplovnom prometu relativno je više mlažnjaka nego turbopropelerskih zrakoplova.

Buka je vjerojatno također faktor: brzi turbopropelerski zrakoplovi poput Medvjeda su GLASNO ne zbog motora, već zbog elise. Vrhovi propelera koji se vrte na TU-95 mogu se približiti nadzvučnoj brzini, što uzrokuje popriličnu buku. Protuprokretni propeleri TU-95 (koji pomažu u učinkovitijem stvaranju potiska) također doprinose jačem otisku buke. U slučaju TU-95 to nije važno - riječ je o vojnom zrakoplovu, a rusko zrakoplovstvo ne zanima hoće li se ljudi žaliti jer zrakoplov ima zadatak izvršiti, a to je važnije od nekoliko pritužbi na buku. Ako bi United Airlines upravljao zrakoplovom TU-95 iz Kennedyja, odlazeći preko kuća ljudi, pretpostavljam da bi brzo preispitali svoj izbor opreme kad bi počele stizati žalbe na buku ....

Dodao bih također da je puno turbopropelerskih zrakoplova zamijenjeno regionalnim avionima zbog zabluda u javnosti da su mlazovi sigurniji, pa ih viđamo puno rjeđe nego prije.
Pa mehanički gledano, u mlazu se može puno manje slomiti od turbopropelerskog, a u turbopropelerskom manje od klipnog motora :-)
Pa, i turbopropektori imaju puno prednosti u odnosu na mlaznjake (od kojih nije najmanje važno to što uglavnom lete sporije / koriste manje piste), ali putnicima nije toliko ugodno i zaglave niže (u više vremenskih prilika, turbulencije itd.) i to se ljudima ne sviđa.
kad sam spomenuo rotacijski motor, mislio sam na avione s propelerima: D Hvala na ovom cjelovitom objašnjenju
@Lnafziger,people su spremni mijenjati pogodnosti za jeftinije karte, kao što se može vidjeti iz jeftinih zrakoplovnih prijevoznika poput easy jeta.
Zapravo se čini da su turbopropektori manje _ štedljivi nego klipovi (pogotovo tada dizelski, koji mogu dodatno sagorjeti i Jet-A). Ipak su lakši, jednostavniji i pouzdaniji.
@JanHudec - to ovisi o vašoj metrici. Klipni je motor učinkovitiji u smislu galona na sat ili milja po galonu, ali u smislu putničkih kilometara turbopropeler je učinkovitiji jednostavno zato što dodatna snaga omogućuje motoru da vuče veći zrakoplov zajedno s njim.
@JonStory: Ne, razmišljam o džulima po kilogramu ([BSFC] (http://en.wikipedia.org/wiki/Brake_specific_fuel_consumption#Examples_of_values_of_BSFC_for_shaft_engines) (ok, to je obrnuto, kilogrami po džulu, što zapravo ne znači), što zapravo ne znači) Uspoređujem motore jednake snage vratila sposobne za vuču samo zrakoplova iste veličine. Usporedba motora s različitom snagom bila bi očito glupa.
Druga moguća definicija rotacijskog motora je [Wankel] (http://en.wikipedia.org/wiki/Wankel_engine).
kad sam pročitao pitanje, pomislio sam da govori o [tim rotacijskim motorima] (http://en.wikipedia.org/wiki/Wankel_engine).
@Lnafziger - Postoji jedna situacija u kojoj su turbopropektori u nosačima nosača na krilima znatno manje sigurni od turboventilatora u istoj konfiguraciji; oštrice. Ako se lopatica propelera odvoji od glavčine propelera u * samo * krivo vrijeme, njegov zamah može je provući do kraja kroz trup aviona. Primjer: http://aviation-safety.net/database/record.php?id=19690803-1 Moderna kućišta turboventilatora posebno su dizajnirana da sadrže slomljenu oštricu.
o buci: https://www.youtube.com/watch?v=q-2dfEc70gU
@JanHudec je točan. Dizelski klipni motori pobjeđuju turbo vratila zbog svog većeg stupnja kompresije, čak i u usporedbi s krstarenjem. Međutim, osobno smatram da je intuitivnije razmišljati o njemu u smislu isporučenog okretnog momenta (njuton-metara) po stopi potrošnje goriva (kg / s), što izlazi na kvadratne metre u sekundi baš kao i Joules / kg. Nažalost, ovo je dobro samo za klipne rekvizite i turbo rekvizite, a nije dobro ni za bilo kakav mlaz. To bi zahtijevalo potisak po potrošnji goriva (N / (kg / s)) = m / s, što zahtijeva da također dobijemo potisak nosača motora umjesto samo snage.
@KeithS: S druge strane, ako _puni disk rotora_ puše na turboventilator, čak ga ni oklop motora ne može zaustaviti, a potencijalno može nanijeti štetu puno goru od one koja je moguća čak i od cijelog propelera koji se raspada na turbopropeleru.
Što se tiče Tu-95 koji je vojni, a ne civilni zrakoplov, zapravo je postojala njegova putnička varijanta - [Tu-114] (https://en.wikipedia.org/wiki/Tupolev_Tu-114). Ipak, nikada nije bio dio Unitedove flote i ne znam je li ikad operirao u / iz JFK-a.
Glasaj za lažnu izjavu "turbinski su motori obično štedljiviji od svojih klipnih kolega"
#2
+33
Peter Kämpf
2014-12-08 03:50:16 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Čitanjem ovdje odgovora govori mi da u raspravu ubacim nekoliko činjenica:

  1. Klipni motori najučinkovitiji su zrakoplovni motori. Njihov je nedostatak konstantna izlazna snaga preko brzine, tako da je potisak obrnut od brzine. To pomaže ubrzanju pri polijetanju, ali ograničava maksimalnu brzinu. Suvremeni klipni motor troši 240 g goriva za 1 kW snage tijekom jednog sata: 240 g / kW-h. Dizelski motori koriste samo 220 g / kW-h. Ovaj broj već vrijedi za stari Jumo 205, među prvim zrakoplovnim dizelskim motorima koji su radili prije 80 godina.
  2. Sljedeći su turbo elisni motori, čija se snaga malo povećava brzinom zbog nabijanja tlaka (koji će povisiti unutarnji tlak u motoru za približno 30% pri 0,8 Macha). Njihova specifična potrošnja energije iznosi oko 300 g / kW-h.
  3. Mlazni motori manje su učinkoviti od oba, ali su bolji za brzo i visoko letenje. Njihov potisak još manje opada s brzinom, pa je bolja osnova za izražavanje potrošnje potisak, a ne snaga. Tipična potrošnja goriva modernog mlaznog motora ( GE-90) iznosi 30 grama goriva po Newtonu potiska tijekom jednog sata (30 g / Nh) kada radi u mirovanju i dvostruko veća od one u krstarenju na Machu 0,8. Suvremeni vojni mlazni motori postižu 80 g / N-h pri polijetanju i imaju otprilike konstantan potisak i specifičnu potrošnju u odnosu na brzinu.

U svim se slučajevima potisak stvara ubrzavanjem mase zraka unatrag. Općenita jednadžba pogonske učinkovitosti $ \ eta $ je $$ \ eta = \ frac {v _ {\ infty}} {v _ {\ infty} + \ frac {\ Delta v} {2}}, $$ gdje je $ \ Delta v $ je povećanje brzine mase zraka zbog tog ubrzanja. Ova formula pokazuje da je bolje ubrzati veliku masu zraka samo malo nego manju masu. Propeleri to rade i iz tog razloga nude najbolju učinkovitost. Turbopropektori koriste manje učinkovite, ali lakše plinske turbine za stvaranje snage, ali zadržavaju učinkoviti propeler. Civilni turboventilatori pokušavaju povećati masu zraka povećavajući svoj omjer zaobilaženja, a samo vojska koristi najmanje učinkovite tipove s omjerom zaobilaženja ispod 1, jer su oni najbolji izbor pri nadzvučnoj brzini.

Ispod vidite grafikon potrošnje goriva specifičnog za potisak u krstarenju različitih tipova motora preko njihovog zaobilaznog omjera. Obrnuti odnos lako je vidljiv.

Plot of thrust specific fuel consumption over bypass ratio

Grafikon specifične potiska potrošnje goriva u lb goriva po lb potiska po satu različitih motora preko logaritma njihovog zaobilaznog omjera (slika izvor).

Da bismo napravili usporedbu između klipnih i turboventilacijskih motora, usporedimo potrošnju goriva pri polijetanju. Formula statičkog potiska elise je $$ T_0 = \ sqrt [\ Large {3} \;] {P ^ 2 \ cdot \ eta_ {Prop} ^ 2 \ cdot \ pi \ cdot d_P ^ 2 \ cdot \ rho }, $$ gdje je $ P $ snaga osovine, $ d_p $ promjer propelera i $ \ rho $ gustoća zraka. Za naš primjer koristimo podupirač s četiri oštrice promjera 3,4 m i motor snage 1111 kW. Njegov statički potisak iznosi 10,727 kN ako pretpostavimo standardne atmosferske uvjete i učinkovitost podupirača od 85%. Protok goriva bit će 266,6 kg na sat, a u odnosu na potisak to je 24,8 g / N-h ili samo 80% od suvremenog turboventilatora.

Pitam se bi li čak i entuzijasti mogli pogoditi koji sam zrakoplov koristio, jer sam ga zamaglio koristeći te nepoznate metričke jedinice. Pretpostavljam da nitko neće tvrditi da nije optimiziran za brzi let, pa bi ova usporedba trebala vrijediti i za Tu-95 za koji imam manje dostupnih podataka.

Međutim, propeler će prisiliti bilo koji zrakoplov na letite sporije od mlaznica. Njihovi spremnici za učinkovitost nakon što se vrhovi propelera okrenu nadzvučnom brzinom, pa je najbolje da krstarenje Mahom ostane ispod 0,6. No, komercijalni promet želi letjeti što je ekonomski brže moguće, a kod turboventilatora ta je granica dosegnuta tek oko 0,85 Macha. Brži zrakoplov istodobno će letjeti s više nogu, prevozeći više ljudi i zarađujući veći prihod. Također, nudeći bržu vezu, pojavit će se u sustavima rezervacija na stranici 1 i bit će omiljena kod poslovnih putnika koji čine gotovo sav profit zrakoplovnih kompanija. To je razlog zašto u civilnom prometu više ne vidimo puno turbopropelera.

Samo znatiželjno, zašto upotrebljavate simbol poput $ v_ \ infty $ umjesto nečega poput $ v_0 $ ili $ v_i $? Gdje u njega ulazi beskonačnost? Također želim naglasiti da klipni motori i turbopropektori ** koriste različita goriva **, pa će netko možda znatiželjno pomnožiti ovu učinkovitost s njihovom specifičnom energijom (MJ / kg) kako bi vidio ima li razlike. Ispostavilo se da je specifična energija Avgasa oko 43,5 MJ / kg, a mlaz-A1 43,15, tako da nema velike razlike.
@DrZ214 Beskonačnost bi trebala signalizirati da se ova brzina zraka odnosi na neometani zrak na koji nije utjecalo polje tlaka zrakoplova ili propelera. Teoretski, ovo stanje vrijedi samo u beskonačnosti.
Lijep odgovor ako implicirate da je učinkovitost povjerenje / težina goriva. Kako se uspoređuje s turbomlaznim avionima i bržim kada mjerite kilometražu / težinu goriva?
@jean: Razlika u brzini nije toliko velika da bi mogla promijeniti. Propelerski motori i dalje su učinkovitiji, čak i na galonu po milji. Naravno, morate usporediti isti tehnološki standard da biste došli do ovog zaključka.
#3
  0
Falk
2014-01-16 09:31:44 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Buka ne bi trebala biti problem. Moderni zrakoplovi s turbo pogonom još su tiši u usporedbi sa sličnim zrakoplovima koje pokreću mlazni motori. Riječ je - kao i uvijek - o ekonomičnosti.

Razgovarajmo o dostupnim vrstama motora. (Svi iskusni aviatori, držat ću to vrlo jednostavno, tako da u nekim točkama čak i ne 100% točno. Ako vam se ovo ne sviđa, preskočite ovaj odlomak, ako želite imati detalje o tipu motora, slobodno postavljajte svoja pitanja) Klipni motori najraniji su motori i dalje najčešći ili lagani sportski zrakoplovi. Možete ih usporediti s motorom u vašem automobilu, ali umjesto da upravljaju mjenjačem koji pokreće vaše kotače, oni vode propeler (ponekad i preko mjenjača). Klipni motori dovoljno snažni da pokreću zrakoplov, kao što su to činili u prošlosti, troše previše goriva i ulja da bi bili dovoljno učinkoviti da se natječu s mlaznim motorima. Postoje različite vrste mlaznih motora . Klasični mlazni motor usisava zrak svojim ventilatorom, istiskuje ga u kompresoru, čini prasak u komori za izgaranje i ispuše ga, dok turbina ispred mlaznice koristi malo te energije za pogon ventilatora i kompresora - sjetite se ove četiri riječi i uvijek ćete znati kako to radi;) Ova jednostavna vrsta mlaznog motora bila je koristi se za putničke avione s ranim mlaznim pogonom, ali danas ćete ga pronaći samo u vojnim avionima. Suvremeni putnički zrakoplovi koriste se istim principom, ali njihovi motori imaju daleko veće ventilatore turbo ventilatorske motore . Većina zraka zaobilazi se oko "jezgre" motora. Ovaj zrak isporučuje više od polovice potiska .. Postoje i turbo propelerski motori : jednostavno zamijenite ventilator propelerom. I na kraju motori s turbo vratilom kod kojih se za pogon propelera koristi sva snaga mlaznih motora, a ispuh ne daje naprijed energiju.

Odakle dolazi sva ta buka? Da budemo jednostavni, možemo reći da razlike u brzini proizvode buku. Mlazni motori bučni su zbog velike razlike u brzini zraka koji prolazi kroz motor i slobodne struje zraka. Struja hladnog zraka turbo ventilatora je sporija pa je manja razlika u brzini na ispuhu i manje buke. Buka propelerskih motora uglavnom ovisi o brzini propelera. Vrhovi lopatica propelera očito su pomični dijelovi koji se učvršćuju. Njihov dizajn zahtijeva da ostanu dozvučni kako bi isporučili potisak, ali brzina propelera, kao i brzina ventilatora u turbo motorima s ventilatorima, sve se više smanjuje kako bi se smanjile emisije buke.

Ekonomski motor ne smije biti samo prilično ali i snažan kao i štedljiv. U pravu ste, turbopropelerski motori su općenito najučinkovitiji motori, no biste li kao putnik voljeli sjesti deset sati u avionu kako biste stigli iz Londona u New York? Ne sviđa mi se, a ni većina zrakoplovnih prijevoznika neće svidjeti takav avion, jer vrijeme leta košta. Turbopropelerski zrakoplovi najučinkovitiji su na kratkim udaljenostima gdje razlika u brzini ne čini tako veliku razliku u vremenu leta.

Još jedan problem s turbopropelerskim motorima su putnici. Mnogo je ljudi koji vide propeler i misle da sjede u jednom od najstarijih zrakoplova ikad. Oni vjeruju u mlazne motore, dizajn niskih krila i sve što biste pronašli u "modernom" putničkom zrakoplovu koji je izvuklo sedmogodišnje dijete.

Nadam se da ćete pronaći svoj odgovor s obzirom na sve ovo doista osnovno i pojednostavljeno znanje.

Spominjete "urbo-nosači motora uglavnom su gorivo najučinkovitiji motori, ali biste li kao putnik voljeli sjesti deset sati u avionu kako biste stigli iz Londna u New York?" , spomenuo sam Tu-95 zbog iste brzine kao i zrakoplov
Dobro, pogodite što je potrebno za ubrzanje i održavanje ovakvog zrakoplova ovom brzinom u ravnom i ravnom letu. Treba vam puno snage. Ti motori NK-12 mogu isporučiti ovu količinu snage, ali s obzirom na učinkovitost goriva nisu usporedivi sa modernim mlaznim motorima. Moglo bi biti moguće da ćemo u budućnosti vidjeti više aviona s pogonom na propelere, čak i na dužim rutama, ali ti zrakoplovi još nisu razvijeni. Također se razmatraju neke vrste hibrida između turbo ventilatora i propelera u slobodnom zračnom toku. Pogledajte ovu poveznicu: http://en.wikipedia.org/wiki/Propfan
Zanimljivo je da je krajem 1980-ih GE radio na dizajnu visoke učinkovitosti poznatom kao neovlašteni ventilator (UDF). Temeljila se na postojećoj turboventilacijskoj jezgri, ali imala je niz kratkih, zakrivljenih lopatica koje su bile postavljene na prsten koji je činio vanjski obod motora. U osnovi je ventilator bio na vanjskoj strani motora. Postigli su oko 30% smanjenja potrošnje goriva, ali patili su od problema s bukom. Boeing je bio zainteresiran za upotrebu ovih motora na novom dizajnu zrakoplova uskog tijela (7J7) da bi zamijenio 737. Niže cijene goriva i visoki troškovi razvoja doveli su do otkazivanja projekata.


Ova pitanja su automatski prevedena s engleskog jezika.Izvorni sadržaj dostupan je na stackexchange-u, što zahvaljujemo na cc by-sa 3.0 licenci pod kojom se distribuira.
Loading...