Domanda:
Perché i motori a elica sono rari sugli aerei di linea?
blended
2014-01-16 08:01:09 UTC
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La mia esperienza nell'aviazione è essenzialmente pari a zero, ma guardando Wikipedia sembra che il Tu-95 Bear offra un'elevata velocità subsonica e una portata estrema.

Presumo che i motori turboelica consumano meno carburante rispetto ai motori a reazione. Se tutto quanto sopra è vero, perché non vediamo più aerei con motore rotativo sui voli delle compagnie aeree commerciali?

È un problema di rumore? Vedo che il TU-95 è apparentemente "l'aereo militare più rumoroso sulla Terra".

Esistono diversi modi per eseguire la spinta, che è una forza, uguale alla massa x l'accelerazione. I turbojet prendono una massa d'aria relativamente piccola e ne accelerano il diavolo (accelerazione = rumore). Un turbofan afferra una massa d'aria maggiore e la accelera di meno. Un turboelica afferra una massa d'aria ancora più grande e la accelera di meno. Il rotore di un elicottero afferra un'enorme massa d'aria e l'accelera relativamente poco. I motori di un 747 e dell'F-16 producono approssimativamente la stessa quantità di spinta, ma il 747 (bypass alto) consuma meno carburante / ora e l'F-16 (bypass basso) ha una velocità massima più elevata.
Tre risposte:
#1
+34
voretaq7
2014-01-16 08:52:42 UTC
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Bene, prima chiariamo alcuni termini: quando dici motore "rotativo", presumo che ti riferisca a motori radiali, un tipo di motore a pistoni che era piuttosto comune sugli aerei. (Oggigiorno i motori a pistoni opposti sono quelli che si trovano tipicamente sugli aerei a pistoni, i motori rotativi sono ancora un altro progetto, ma il loro utilizzo si estinse intorno alla fine della prima guerra mondiale .)


Il TU-95 non è in realtà un aereo a pistoni. È un turboelica, fondamentalmente un motore a turbina simile a quello che potresti trovare in un jet, montato solo per far girare un'elica piuttosto che produrre direttamente la "spinta del getto".

Da Dal punto di vista dell'efficienza, i motori a turbina sono generalmente più efficienti in termini di consumo di carburante rispetto alle loro controparti a pistoni e il carburante per aerei è più denso e meno raffinato della benzina per aviazione ed è di conseguenza più economico da procurarsi per gli operatori. I motori a turbina offrono anche maggiore affidabilità rispetto ai motori a pistoni e la manutenzione di un motore turboelica è anche in gran parte simile a un motore a reazione con alcuni componenti extra, il che è un vantaggio per un'azienda che gestisce una flotta di aerei a reazione e ad elica.

Le differenze di efficienza operativa e affidabilità sono la ragione principale per cui i motori a pistoni alimentati a benzina sono praticamente scomparsi dal servizio di linea aerea.


Allora perché non vediamo più turboelica? In realtà ne vediamo molti, se guardi nei posti giusti.

Jet e turboelica sono bravi in ​​cose diverse: semplificando ampiamente, un turboelica è più efficiente ad altitudini e velocità inferiori mentre un motore a reazione lo è più efficiente ad altitudini e velocità maggiori.

Di conseguenza vediamo velivoli turboelica come ATR 72 in uso per il servizio "pendolare" a corto raggio, ma per voli transcontinentali o transoceanici in cui trascorrono molto il tempo di crociera ad alta quota i jet dominano il cielo.

Poiché la maggior parte delle persone vola per percorrere distanze relativamente lunghe, ci sono relativamente più jet nel servizio di linea rispetto ai turboelica.

Anche il rumore è probabilmente un fattore: turboelica veloci come l'Orso sono FORTE non a causa del motore, ma dell'elica. Le punte dell'elica in rotazione su un TU-95 possono avvicinarsi a velocità supersoniche, il che causa un po 'di rumore. Le eliche controrotanti del TU-95 (che aiutano a produrre la spinta in modo più efficiente) contribuiscono anche a un'impronta di rumore più forte. Nel caso del TU-95 questo non ha importanza: è un aereo militare e all'aeronautica russa non importa se le persone si lamentano poiché l'aereo ha una missione da completare e questo è più importante di alcune lamentele sul rumore. Se la United Airlines dovesse operare un TU-95 in partenza da Kennedy in partenza dalle case delle persone, sospetto che riconsidererebbero rapidamente la loro scelta di attrezzature quando inizieranno ad arrivare i reclami sul rumore ...

Vorrei anche aggiungere che molti turboelica sono stati sostituiti da jet regionali a causa dell'idea sbagliata del pubblico che i jet siano più sicuri, quindi li vediamo molto meno spesso di quanto facessimo prima.
Beh, meccanicamente parlando c'è molto meno da rompere in un jet rispetto a un turboelica e meno in un turboelica di un motore a pistoni :-)
Bene, anche i turboelica hanno molti vantaggi rispetto ai jet (non ultimo il fatto che generalmente volano più lentamente / usano meno pista), ma non è così comodo per i passeggeri e rimangono bloccati più in basso (con più tempo, turbolenza , ecc.) e alla gente questo non piace.
quando ho menzionato il motore rotativo, intendevo gli aerei con le eliche: D Grazie per questa spiegazione completa
-1
In realtà sembra che i turboelica siano _less_ a basso consumo di carburante dei pistoni (specialmente dei diesel, che possono anche bruciare Jet-A). Sono tuttavia più leggeri, più semplici e più affidabili.
@JanHudec: dipende dalla tua metrica. Un motore a pistoni è più efficiente in termini di galloni all'ora o miglia per gallone, ma in termini di miglia-passeggero un turboelica è più efficiente semplicemente perché la potenza extra consente al motore di trainare un aereo più grande con esso.
@JonStory: No, sto pensando ai joule per chilogrammo ([BSFC] (http://en.wikipedia.org/wiki/Brake_specific_fuel_consumption#Examples_of_values_of_BSFC_for_shaft_engines) (ok, è inverso, chilogrammi per joule, non ha molta importanza)), il che significa Sto confrontando motori di uguale potenza all'albero in grado di trainare solo aeromobili della stessa dimensione. Confrontare motori con potenze diverse sarebbe ovviamente sciocco.
Un'altra possibile definizione di motore rotativo è un [Wankel] (http://en.wikipedia.org/wiki/Wankel_engine).
quando ho letto la domanda, ho pensato che stesse parlando di [questi motori rotativi] (http://en.wikipedia.org/wiki/Wankel_engine).
@Lnafziger - C'è una situazione in cui i turboelica in gondole montate sulle ali sono significativamente meno sicuri di un turbofan nella stessa configurazione; lama-out. Se una pala dell'elica si separa dal mozzo dell'elica * proprio * nel momento sbagliato, il suo momento può portarla attraverso la fusoliera dell'aereo. Esempio: http://aviation-safety.net/database/record.php?id=19690803-1 I moderni alloggiamenti dei motori turbofan sono progettati specificamente per contenere una lama rotta.
sul rumore: https://www.youtube.com/watch?v=q-2dfEc70gU
@JanHudec è corretto. I motori diesel a pistoni battono i turboalberi a causa del loro rapporto di compressione più elevato, anche in fase di crociera. Tuttavia, personalmente trovo più intuitivo pensarlo in termini di coppia erogata (Newton-metri) per tasso di consumo di carburante (kg / s), che arriva a metri quadrati al secondo proprio come fa Joule / kg. Sfortunatamente questo va bene solo per eliche a pistone e turbo, e non va bene per nessun tipo di jet. Ciò richiederebbe spinta per consumo di carburante (N / (kg / s)) = m / s, il che richiede che otteniamo anche la spinta del motore dell'elica invece della sola potenza.
@KeithS: D'altra parte, se un _disco del rotore completo_ soffia su un turbopropulsore, nemmeno la cappottatura del motore può fermarlo e può potenzialmente causare danni molto peggiori di quanto sia possibile anche dall'intera elica che si rompe su un turboelica.
Per quanto riguarda il fatto che il Tu-95 fosse un aereo militare piuttosto che civile, in realtà c'era una sua variante passeggeri: il [Tu-114] (https://en.wikipedia.org/wiki/Tupolev_Tu-114). Non ha mai fatto parte della flotta dello United, però, e non so se abbia mai operato dentro / fuori JFK.
Downvote per la falsa dichiarazione "i motori a turbina sono solitamente più efficienti in termini di consumo di carburante rispetto alle loro controparti a pistoni"
#2
+33
Peter Kämpf
2014-12-08 03:50:16 UTC
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La lettura delle risposte qui mi dice di inserire alcuni fatti nella discussione:

  1. I motori a pistoni sono i motori per aviazione più efficienti in termini di consumo di carburante. Il loro svantaggio è una potenza costante rispetto alla velocità, quindi la spinta è inversa alla velocità. Questo aiuta per l'accelerazione al decollo, ma limita la velocità massima. Un moderno motore a pistoni utilizza 240 g di carburante per fornire 1 kW di potenza in un'ora: 240 g / kW-h. I motori diesel consumano appena 220 g / kW-h. Questo numero è già vero per il vecchio Jumo 205, tra i primi motori diesel per aviazione in funzione 80 anni fa.
  2. I motori turboelica sono i prossimi e la loro potenza aumenta leggermente oltre la velocità a causa della pressione del pistone (che aumenterà la pressione interna del motore di circa il 30% a Mach 0,8). Il loro consumo specifico di potenza è di circa 300 g / kW-h.
  3. I motori a reazione sono meno efficienti di entrambi, ma sono migliori per volare veloci e alti. La loro spinta diminuisce ancora di meno con la velocità, quindi la base migliore per esprimere il consumo è la spinta, non la potenza. Il consumo di carburante tipico di un moderno motore a reazione ( GE-90) è di 30 grammi di carburante per Newton di spinta su un'ora (30 g / Nh) quando è fermo e il doppio di quello in crociera a Mach 0.8. I moderni motori militari raggiungono 80 g / N-h al decollo e hanno una spinta e un consumo specifico più o meno costanti rispetto alla velocità.

In tutti i casi, la spinta viene creata accelerando una massa d'aria all'indietro. L'equazione generale per l'efficienza propulsiva $ \ eta $ è $$ \ eta = \ frac {v _ {\ infty}} {v _ {\ infty} + \ frac {\ Delta v} {2}}, $$ dove $ \ Delta v $ è l'aumento di velocità della massa d'aria dovuto a tale accelerazione. Questa formula mostra che è meglio accelerare una grande massa d'aria solo un po 'che una massa più piccola di molto. Le eliche fanno questo e per questo motivo offrono la migliore efficienza. I turboelica utilizzano turbine a gas meno efficienti, ma più leggere per creare potenza, ma mantengono l'elica efficiente. I turbofan civili cercano di aumentare la massa d'aria aumentando il loro rapporto di bypass e solo i militari stanno usando i tipi meno efficienti con rapporti di bypass inferiori a 1, perché sono la scelta migliore a velocità supersonica.

Di seguito viene visualizzato un grafico del consumo di carburante specifico della spinta in condizioni di crociera di diversi tipi di motore rispetto al loro rapporto di bypass. La relazione inversa è facilmente visibile.

Plot of thrust specific fuel consumption over bypass ratio

Grafico del consumo di carburante specifico di spinta in libbre di carburante per libbra di spinta per ora di diverso motori oltre il logaritmo del loro rapporto di bypass (immagine fonte).

Per rendere possibile un confronto tra motori a pistoni e turbofan, confrontiamo il consumo di carburante al decollo. La formula per la spinta statica di un'elica è $$ T_0 = \ sqrt [\ Large {3} \;] {P ^ 2 \ cdot \ eta_ {Prop} ^ 2 \ cdot \ pi \ cdot d_P ^ 2 \ cdot \ rho }, $$ dove $ P $ è la potenza dell'albero, $ d_p $ il diametro dell'elica e $ \ rho $ la densità dell'aria. Per il nostro esempio, utilizziamo un'elica a quattro pale di 3,4 m di diametro e un motore con una potenza di 1111 kW. La sua spinta statica è di 10,727 kN quando ipotizziamo condizioni atmosferiche standard e un'efficienza dell'elica dell'85%. Il flusso di carburante sarà di 266,6 kg all'ora e rispetto alla spinta è di 24,8 g / N-ho solo l'80% di quello di un moderno turbofan.

Mi chiedo se anche gli appassionati potessero indovinare quale aeroplano ho usato, perché l'ho offuscato utilizzando quelle unità metriche non familiari. Immagino che nessuno sosterrà che non è ottimizzato per il volo veloce, quindi questo confronto dovrebbe valere anche per il Tu-95, per il quale ho meno dati disponibili.

Tuttavia, un'elica costringerà qualsiasi aereo a volare più lentamente dei jet. La loro efficienza si accumula quando le punte dell'elica ruotano a velocità supersonica, quindi è meglio mantenere il Mach di crociera al di sotto di 0,6. Ma il traffico commerciale vuole volare il più velocemente possibile economicamente e con i turbofan questo limite viene raggiunto solo intorno a Mach 0.85. L'aereo più veloce volerà più gambe nello stesso tempo, trasportando più persone e guadagnando più entrate. Inoltre, offrendo la connessione più veloce, apparirà nei sistemi di prenotazione a pagina 1 e sarà il preferito dai viaggiatori d'affari, che rappresentano quasi tutti i profitti delle compagnie aeree. Questo è il motivo per cui non vediamo più molti turboelica nel traffico civile.

Solo curioso, perché stai usando un simbolo come $ v_ \ infty $ invece di qualcosa come $ v_0 $ o $ v_i $? Da dove viene l'infinito? Inoltre voglio sottolineare che motori a pistoni e turboelica ** utilizzano combustibili diversi **, quindi qualcuno potrebbe essere curioso di moltiplicare queste efficienze per la loro energia specifica (MJ / kg) per vedere se fa qualche differenza. A quanto pare, l'energia specifica di Avgas è di circa 43,5 MJ / kg e il jet-A1 è 43,15, quindi fa poca differenza.
@DrZ214 L'infinito dovrebbe segnalare che questa velocità dell'aria è per aria indisturbata che non è stata influenzata dal campo di pressione dell'aereo o dell'elica. Teoricamente, solo all'infinito questa condizione è vera.
Bella risposta ma tu implichi che l'efficienza sia fiducia / peso del carburante. Dal momento che i turbojet e più veloci come si confronta quando si misura il chilometro / peso del carburante?
@jean: La differenza di velocità non è così grande da fare la differenza. I motori a elica sono ancora più efficienti, anche su una base di galloni per miglio. Ovviamente, è necessario confrontare lo stesso standard tecnologico per giungere a questa conclusione.
#3
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Falk
2014-01-16 09:31:44 UTC
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Il rumore non dovrebbe essere il problema. I moderni velivoli turboelica sono ancora più silenziosi rispetto ad aerei simili guidati da motori a reazione. Si tratta, come sempre, di economia.

Parliamo dei tipi di motore disponibili. (Tutti voi aviatori esperti, lo terrò molto semplice e quindi in alcuni punti anche non corretto al 100%. Se non vi piace, saltate questo paragrafo, se volete avere maggiori dettagli su un tipo di motore, per favore non esitate a porre le vostre domande) I motori a pistoni sono i primi motori e ancora gli aerei sportivi più comuni o leggeri. Puoi confrontarli con il motore della tua auto, ma invece di guidare il cambio che guida le ruote, guidano un'elica (a volte anche tramite un cambio). I motori a pistoni abbastanza potenti da alimentare un aereo di linea, come hanno fatto in passato, consumano troppo carburante e olio per essere abbastanza efficienti da competere con i motori a reazione. Esistono diversi tipi di motori a reazione . Il classico motore a reazione aspira aria con la sua ventola, la schiaccia in un compressore, la fa scoppiare in una camera di combustione e soffia , mentre una turbina davanti all'ugello usa un po 'di questa energia per azionare la ventola e il compressore - ricorda queste quattro parole e saprai sempre come funziona;) Questo semplice tipo di motore a reazione era utilizzato per i primi aerei passeggeri a reazione, ma al giorno d'oggi lo troverai solo nei jet militari. Gli aerei passeggeri moderni utilizzano lo stesso principio, ma i loro motori hanno una ventola molto più grande motori turbo fan . La maggior parte dell'aria viene bypassata attorno al "nucleo" del motore. Quest'aria eroga più della metà della spinta .. Esistono anche dei motori turboelica : è sufficiente sostituire la ventola con un'elica. E infine motori turbo shaft in cui tutta la potenza dei motori a reazione viene utilizzata per azionare un'elica e lo scarico non fornisce energia in avanti.

Da dove viene tutto questo rumore? Per semplificare, possiamo dire che le differenze di velocità producono rumore. I motori a reazione sono rumorosi a causa dell'elevata differenza di velocità dell'aria che passa attraverso il motore e del flusso d'aria libero. Il flusso d'aria fredda di un motore a ventola turbo è più lento, quindi c'è meno differenza di velocità allo scarico e meno rumore. Il rumore dei motori a elica dipende principalmente dalla velocità dell'elica. Le punte delle pale dell'elica sono ovviamente le parti in movimento veloci. Il loro design richiede che rimangano subsonici per fornire spinta, ma la velocità dell'elica e la velocità della ventola nei motori a ventola turbo sono sempre più ridotte per ridurre le emissioni di rumore.

Un motore economico non deve essere solo silenzioso. ma anche potente ed efficiente nei consumi. Hai ragione i motori a turboelica sono generalmente i motori più efficienti in termini di consumo di carburante, ma come passeggero ti piacerebbe stare dieci ore in aereo per andare da Londra a New York? A me e alla maggior parte degli aerei di linea non piacerà un aereo del genere, perché il tempo di volo costa denaro. Gli aerei turboelica sono più efficienti su brevi distanze dove la differenza di velocità non fa una differenza così grande nel tempo di volo.

Un altro problema con i motori turboelica sono i passeggeri. Ci sono molte persone che vedono un'elica e pensano di essere seduti su uno degli aeroplani più antichi di sempre. Hanno fiducia nei motori a reazione, nel design ad ala bassa e in tutto ciò che potresti trovare su un aereo passeggeri "moderno" disegnato da un bambino di sette anni.

Spero che troverai la tua risposta, considerando tutto questo davvero basilare e conoscenza semplificata.

Hai detto che "i motori a elica urbo sono generalmente i motori più efficienti in termini di consumo di carburante, ma come passeggero ti piacerebbe stare dieci ore in aereo per andare da Londra a New York?" , ho citato il Tu-95 a causa della stessa velocità di un aereo di linea
Ok, immagina di cosa ha bisogno per accelerare e mantenere un aereo come questo a questa velocità in volo rettilineo e livellato. Hai bisogno di molta potenza. Quei motori NK-12 sono in grado di fornire questa quantità di potenza, ma in termini di efficienza del carburante non sono paragonabili ai moderni motori a reazione. Potrebbe essere possibile che in futuro vedremo più velivoli ad elica, anche su rotte più lunghe, ma questi velivoli non sono ancora sviluppati. Sono allo studio anche alcuni tipi di ibridi tra la ventola turbo e l'elica nel flusso d'aria libero. Fare riferimento a questo collegamento: http://en.wikipedia.org/wiki/Propfan
È interessante notare che alla fine degli anni '80 GE ha lavorato su un progetto ad alta efficienza noto come ventola non indotta (UDF). Era basato su un nucleo turbofan esistente ma aveva una serie di lame corte e curve che erano montate su un anello che formava il perimetro esterno del motore. In sostanza, la ventola era all'esterno del motore. Hanno ottenuto una riduzione del 30% circa del consumo di carburante, ma hanno sofferto di problemi di rumore. La Boeing era interessata a utilizzare questi motori su un nuovo modello di velivolo a fusoliera stretta (7J7) per sostituire il 737. I prezzi del carburante più bassi e gli alti costi di sviluppo portarono alla cancellazione dei progetti.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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