Почему пропеллерные двигатели необычны на авиалайнерах?

Ну, сначала давайте проясним несколько терминов.
Когда вы говорите «роторный» двигатель, я предполагаю , что вы имеете в виду радиальные двигатели, тип поршневого двигателя, который раньше был довольно распространен на самолетах. (В наши дни противоположные поршневые двигатели-это то, что вы обычно находите на поршневых самолетах, роторные двигатели — еще одна конструкция, но их использование вымерло в конце Первой мировой войны .)

Ту-95 на самом деле не является самолетом с поршневым двигателем-это турбовинтовой двигатель — в основном турбинный двигатель, похожий на то, что вы найдете в реактивном двигателе, только приспособленный для поворота пропеллера, а не для создания «реактивной тяги» напрямую.

С точки зрения эффективности, турбореактивные двигатели обычно более экономичны, чем поршневые, а реактивное топливо производится в большем объеме, чем авиационный бензин, и, следовательно, дешевле для операторов. Турбореактивные двигатели также обеспечивают большую надежность, чем поршневые двигатели, а техническое обслуживание турбовинтового двигателя также в значительной степени аналогично реактивному двигателю с несколькими дополнительными компонентами, что является преимуществом для компании, эксплуатирующей парк реактивных и пропеллерных самолетов.

Различия в эффективности и надежности работы являются основной причиной, почему бензиновые поршневые двигатели в основном исчезли из регулярного обслуживания авиакомпаний.

Так почему бы нам не увидеть больше турбовинтовых? На самом деле мы видим их много, если посмотреть в нужных местах.

Реактивные самолеты и турбовинтовые двигатели хороши в различных вещах-широко упрощение, турбовинтовой двигатель более эффективен на более низких высотах и скоростях полета, в то время как реактивный двигатель более эффективен на более высоких высотах и скоростях полета.

В результате мы видим, что турбовинтовые самолеты, такие как ATR 72s, используются для ближнемагистрального «пригородного» обслуживания, но для трансконтинентальных или трансокеанских полетов, где они проводят долгое время, крейсируя на большой высоте, доминируют в небе.
Поскольку большинство людей летают на относительно большие расстояния, в регулярном авиасообщении сравнительно больше самолетов, чем турбовинтовых.

Шум, вероятно, также является фактором-быстрые турбовинтовые двигатели, такие как медведь, громкие не из-за двигателя, а из-за пропеллера. Кончики вращающегося винта на Ту-95 могут приближаться к сверхзвуковым скоростям, что вызывает совсем немного шума. Противовращающиеся винты Ту-95 (которые помогают более эффективно создавать тягу) также способствуют более громкому шумовому следу.
В случае с Ту-95 это не имеет значения-это военный самолет, и ВВС России все равно, если люди жалуются, поскольку у самолета есть миссия, и это более важно, чем несколько жалоб на шум. Если бы «Юнайтед Эйрлайнс» управляла самолетом Ту-95 из Кеннеди, вылетающим над домами людей, я подозреваю, что они быстро пересмотрели бы свой выбор оборудования, когда начали поступать жалобы на шум…

Чтение ответов здесь говорит мне, чтобы положить несколько фактов в обсуждение:

1. Поршневые двигатели являются наиболее экономичными авиационными двигателями. Их недостаток постоянная выходная мощность над скоростью, так, что тяга обратна к скорости. Это помогает для ускорения на взлете, но ограничивает максимальную скорость. Современный поршневой двигатель использует 240 г топлива для обеспечения 1 кВт мощности в течение одного часа: 240 г/кВт-ч. Дизельные двигатели используют всего 220 г / кВт-ч. Это число уже верно для старого Jumo 205, одного из первых авиационных дизельных двигателей в эксплуатации 80 лет назад.
2. Турбовинтовые двигатели следующие, и их мощность немного увеличивается по скорости из-за давления ram (что повысит внутреннее давление в двигателе на ок. 30% при махе 0,8). Их удельный расход энергии составляет около 300 г / кВт-ч.
3. Реактивные двигатели менее эффективны, чем оба, но лучше для быстрого и высокого полета. Их тяга падает еще меньше со скоростью, поэтому лучшей основой для выражения потребления является тяга, а не мощность. Типичный расход топлива современного реактивного двигателя (GE-90) составляет 30 граммов топлива на Ньютон тяги в течение одного часа (30 г/н-ч) при работе в стационарном режиме и в два раза больше, чем в круизе при махе 0.8. Современные военные реактивные двигатели достигают 80 г / н-ч при взлете и имеют примерно постоянную тягу и удельный расход по скорости.

Во всех случаях тяга создается путем ускорения массы воздуха назад. Общее уравнение эффективности движения η

$\eta$ есть

$$\eta = \frac{v_{\infty}}{v_{\infty}+\frac{\Delta v}{2}},$$ где Δv

$\Delta v$ является ли увеличение скорости массы воздуха из-за этого ускорения. Эта формула показывает, что лучше разогнать большую массу воздуха лишь немного, чем меньшую массу на много. Пропеллеры делают это и по этой причине предлагают лучшую эффективность. Турбовинтовые двигатели используют менее эффективные, но более легкие газовые турбины для создания мощности, но сохраняют эффективный пропеллер. Гражданские турбовентиляторы пытаются увеличить массу воздуха, увеличивая их коэффициент обхода, и только военные используют наименее эффективные типы с коэффициентами обхода ниже 1, потому что они являются лучшим выбором на сверхзвуковой скорости.

Ниже вы видите график удельного расхода топлива тяги в крейсерском режиме различных типов двигателей по их перепускному коэффициенту. Обратное отношение легко видно.

График удельного расхода топлива тяги в фунтах топлива на фунт тяги в час различных двигателей по логарифму их перепускного отношения (рисунок источника ).

Чтобы сделать возможным сравнение поршневых и турбовентиляторных двигателей, сравним расход топлива при взлете. Формула для статической тяги пропеллера

$$T_0 = \sqrt[\Large{3}\;]{P^2\cdot\eta_{Prop}^2\cdot\pi\cdot d_P^2\cdot\rho},$$ где P

$P$ является ли мощность вала, dp

$d_p$ диаметр пропеллера и ρ

$\rho$ плотность воздуха. В нашем примере мы используем четырехлопастную опору диаметром 3,4 м и двигатель мощностью 1111 кВт. Его статическая тяга составляет 10.727 кн, когда мы предполагаем стандартные атмосферные условия и эффективность опоры 85%. Расход топлива составит 266,6 кг в час, а относительно тяги это 24,8 г/н-ч или всего 80% от современного турбовентилятора.

Интересно , могут ли даже энтузиасты догадаться, какой самолет я использовал, потому что я запутал его, используя эти незнакомые метрические единицы. Думаю, никто не будет спорить, что он не оптимизирован для быстрого полета, поэтому это сравнение следует провести и для Ту-95, для которого у меня меньше данных.

Тем не менее, пропеллер заставит любой самолет летать медленнее, чем самолеты. Их баки эффективности как только подсказки пропеллера вращают на зазвуковой скорости, поэтому самое лучшее держать Маха круиза под 0.6. Но коммерческий трафик хочет летать как можно быстрее, а с турбофанами этот предел достигается только около 0,85 Маха. Более быстрый самолет будет летать больше ног в то же время, перевозя больше людей и зарабатывая больше дохода. Кроме того, предлагая более быстрое соединение, оно появится в системах бронирования на странице 1 и будьте фаворитом у деловых путешественников, на долю которых приходится практически вся прибыль авиакомпаний. Вот почему мы больше не видим много турбовинтовых двигателей в гражданском движении.

Шум не должен быть проблемой. Современные турбовинтовые самолеты еще более бесшумны по сравнению с аналогичными самолетами, управляемыми реактивными двигателями. Это — как всегда-все об экономике.

Давайте поговорим о доступных типах двигателей. (Все вы опытные авиаторы, я буду держать это очень просто и так в некоторых пунктах даже не 100% правильно. Если вам это не нравится, пропустите этот пункт, если вы хотите получить информацию о типе двигателя, пожалуйста, не стесняйтесь задавать свои вопросы) поршневые двигатели это самые ранние двигатели и до сих пор наиболее распространенные или легкие спортивные самолеты. Вы можете сравнить их с двигателем в вашем автомобиле, но вместо того, чтобы управлять коробкой передач, которая управляет вашими колесами, они управляют пропеллером (иногда также через коробку передач). Поршневые двигатели, достаточно мощные для питания авиалайнера, как и в прошлом, потребляют слишком много топлива и масла, чтобы быть достаточно эффективными, чтобы конкурировать с реактивными двигателями. Существуют различные типы реактивных двигателей . Классический реактивный двигатель всасывает воздух с помощью вентилятора, сжимает его в компрессоре, заставляет его биться в камере сгорания и дует это, в то время как турбина перед соплом использует немного этой энергии для привода вентилятора и компрессора — помните эти четыре слова, и вы всегда будете знать, как это работает 😉 этот простой реактивный двигатель использовался для ранних реактивных пассажирских самолетов, но в настоящее время вы найдете его только в военных самолетах. Современные пассажирские самолеты используют тот же принцип, но их двигатели имеют гораздо больший вентилятор турбовентиляторных двигателей . Большая часть воздуха обходится вокруг «ядра» двигателя. Этот воздух обеспечивает более половины тяги.. Есть также турбовинтовые двигатели: просто замените вентилятор на пропеллер. И, наконец, двигатели с турбовальным валом, где вся мощность реактивных двигателей используется для привода пропеллера, а выхлоп не доставляет энергии вперед.

Откуда берется весь этот шум? Чтобы быть простым, мы можем сказать, что различия в скорости создают шум. Реактивные двигатели шумят из-за большой разницы в скорости воздуха, проходящего через двигатель и свободный поток воздуха. Поток холодного воздуха турбовентиляторного двигателя медленнее, поэтому на выхлопе меньше разницы в скорости и меньше шума. Шум винтовых двигателей в основном зависит от скорости винта. Кончики лопастей пропеллера, очевидно, являются движущимися частями fastes. Их конструкция требует, чтобы они оставались дозвуковыми для создания тяги, но скорость пропеллера, а также скорость вентилятора в турбовентиляторных двигателях все больше и больше уменьшаются для снижения шума.

Экономический двигатель должен быть не только достаточно мощным, но и экономичным. Вы правы, турбовинтовые двигатели, как правило, самые топливосберегающие двигатели, но хотели бы вы, как пассажир, чтобы сидеть десять часов в самолете, чтобы добраться из Лондона в Нью-Йорк? Я этого не делаю, и большинству авиалайнеров тоже не понравится такой самолет, потому что время полета стоит денег. Турбовинтовые самолеты наиболее эффективны на коротких расстояниях, где разница в скорости не делает такой огромной разницы во времени полета.

Еще одной проблемой с турбовинтовыми двигателями являются пассажиры. Есть много людей, которые видят пропеллер и думают, что они сидят в одном из самых старых самолетов когда-либо. Они верят в реактивные двигатели, низкий дизайн крыла и все, что вы найдете на «современном» пассажирском самолете, нарисованном семилетним ребенком.

Надеюсь, вы найдете ответ, учитывая все эти действительно базовые и упрощенные знания.