Varför ersatte turbojet kolvmotorn?

Ytterligare två skäl till att gasturbin ersatte kolvmotorn för användning av flygplan:

Effektutgång. Flygplansmotorer har en praktisk gräns för hur mycket ström de kan lägga ut innan de blir ineffektiva. Detta fungerade till att vara runt 3000hp. Två av de största och mest kraftfulla kolvmotorerna som också var tillförlitliga nog för flygplanets användning är Napier Saber och P & W R4360 , runt 3000hp, utvecklades i slutet av andra världskriget. Ja, mer kraft har erhållits från kolvmotorer på landsbaserade fordon, men de är antingen racingmotorer vars tillförlitlighet är för låg för användning i flygplan, eller de är alldeles för tunga för användning av flygplan, till exempel 20k + HP-dieselmotorerna som strömkryssningsfartyg.

Gassturbinerna har inte dessa gränser, en bidragande faktor är bristen på en återgivande åtgärd. Med en kolvmotor resulterar varje full slag i kolven accelererande till topphastighet, sedan kommer stopp och accelererar i motsatt riktning ... två gånger. Gassturbiner som bara snurrar kan göras väsentligt större samtidigt som de upprätthåller pålitligheten och effektiviteten som flygplanet kräver.

Gasturbiner tenderar också att ha ett mycket högt viktförhållande, vilket gör dem idealiska för stor användning av flygplan, där vikt är väldigt viktigt.

Att jämföra HP till drivkraft är inte enkelt, eftersom HP är råkraft, medan drivkraften inkluderar höjd-, hastighets- och propellernivå / fläkt effektivitet.

Ett förenklat exempel publicerades på Aerospaceweb :

Luckily, we do have access to data from a NASA report that does provide all the data we need to illustrate a sample case. The data is provided for a Boeing 747-200 cruising at Mach 0.9 at 40,000 ft (12,190 m). In this example, the aircraft's engines produce 55,145 lb (245,295 N) of thrust, only a quarter of its rated static thrust, to cruise at a velocity of 871 ft/s (265 m/s). Using the equations provided above, we calculate the power generated by the 747 to be 87,325 hp (65,100 kW).

Med hjälp av det mycket förenklade exemplet skulle en GE90-tillverkning på 115 000 pund stryk ut motsvarande ungefär 160 000 hästkrafter.

Även underhållskraven på gasturbiner är väsentligt lägre, speciellt för de höga utgångsmotorerna. Till exempel har de mycket stora RR Trent-seriens turbofans en TBO ( Tid mellan översynen ) på cirka 15 000 timmar. På de stora kolvmotorerna som R4360 var TBO mer som 1500 timmar, och de mycket stora kolvmotorerna, särskilt de radiella motorerna, hade en otrolig aptit för motorolja. Plus mellanliggande underhåll på kolvmotorer som gasturbiner inte behöver, som att byta tändstift, som måste göras ofta. Convair B36, som hade sex R4360, krävde 336 tändstift. Inte något du kan göra i din uppfart på en timme.

En del av gasturbinens tillförlitlighet kommer från att det saknas vibrationer. Stora kolvmotorer, med fram och återgående verkan, tenderar att vibrera mycket, vilket minskar livslängden hos motor- och hjälpkomponenter, som bränslepumpar och tändstift.

Det finns ett område där kolvmotorn för flygplansbruk fortfarande är den bättre lösningen, och det är när motorn blir liten, under cirka 500 hk. Gassturbinerna skaar inte ner allt så bra. De små är inte bränsleeffektiva, och kostnaden blir heller inte betydligt lägre.

Som ett exempel på detta, överväga en av mina dagdrömmar - en enda säte Mygghelikopter. Bortsett från den ultralätta versionen, är två versioner med större motorer (och kräver en FAA-helikopterlicens) gjorda, XE285, med en 85hp snöskottsmotor och XET med en 90hk gasturbinmotor som härstammar från en reservkraftaggregat. Kolvmotorn säljer för kanske 2k USD och bränner cirka 5gph, medan gasturbinen säljer för 10k och bränner 8,5 gph.

Det finns flera fördelar:

• Kolvmotorerna är bäst för drivning av propellrar. Vid samma axelhästkraft $ P $ varierar propellsträckan $ T $ med invers av flyghastighet $ v $: ($ T_ {Prop} = \ frac {P} {v} $). Det innebär att kraftbehovet för att hålla en kolvdriven flygplan flyger ökar med den tredje kraften i flyghastigheten med hög hastighet. För att kunna flyga 50 m / s snabbare, behöver ett flygplan med en toppfart på 200 m / s behöva en motor med nästan dubbelt hästkraften (195%, för att vara exakt). En turbojet har däremot nästan konstant tryck över hastigheten i subsonicområdet, så $ T_ {jet} = const. $

• Turbojets kan bättre utnyttja förkomprimering vid högre hastighet. Luftens kinetiska energi kan användas för att komprimera luften redan före intaget. Vid Mach 0,8 ger detta 50% mer lufttryck i förhållande till omgivande luft än i statiska förhållanden.

• Särskilt viktigt för militärflyg: De tidiga jetsna kostar bara en fjärdedel av en högpresterande kolvmotor för att bygga i form av timmar. Detta gav en mycket bättre produktivitet under krigstid där det tillgängliga arbetet var en allvarlig flaskhals. En enda Jumo-004B behövde bara 375 timmar att byggas:

Från Wikipedia :

Costing RM10,000 for materials, the Jumo 004 also proved somewhat cheaper than the competing BMW 003, which was RM12,000, and cheaper than the Junkers 213 piston engine, which was RM35,000. Moreover, the jets used lower-skill labor and needed only 375 hours to complete (including manufacture, assembly, and shipping), compared to 1,400 for the BMW 801.

Den första punkten är verkligen det viktigaste, och det betyder mycket bättre prestanda på höjdpunkten, eftersom turbojet är i huvudsak en stor turboladdare med en kontinuerlig förbränningsprocess i centrum som producerar drivkraft genom att utstöta luft vid hög hastighet direkt bakåt istället för att gå igenom komplikationen att accelerera luften genom att rotera vingarna. Detta gav jetflygplan på hög höjd (där bombplanerna och följaktligen åtgärden var) både en fart och en stigande fördel - de kunde bryta av strid mot viljan och deras hastighet var så hög att bomberpistoltornen inte kunde följa dem när de flög genom en bomberformation. Jet-driven rekognoseringsflygplan kan flyga oskadd över fiendens territorium eftersom inga kolvdrivna flygplan skulle kunna fånga dem.

Gloster E28 / 39 var bara en demonstratör - om du vill ha en realistisk jämförelse gör du det mellan Grumman F7F och Messerschmitt 262A , som kan nå 560 MPH, 100 mer än F7F, och till och med toppade 600 MPH i en speciell version med en lågt dragna baldakin.

När det gäller höjd: Om du lägger till tillräckligt med turbo- och överladdning till motorn, kan en låghastighetsdesign nå högre höjder än de flesta subsoniska jets, men skulle vara ganska opraktiskt som ett stridsflygplan. I civilt bruk, en jet kommer att nå högre kryssningshastigheter vilket ger den en fördel jämfört med jämförbara propellerstyrda flygplan. En kolvmotor förblir emellertid bästa valet för bränsleeffektivitet .

Ytterligare en punkt som jag inte har sett nämnt än: bränslet som de bränner.

De flesta kolvmotorer bränner bensin, vilket kräver mycket förfining. Flygmotorer kräver i allmänhet bensin med mycket högoktanvärden (vanligtvis minst 100), vilket fortfarande är dyrare än den lägre oktan bensinen som används i de flesta bilar och så vidare. Kravet på högkvalitativ råolja var (för ett exempel) varför kriget i Nordafrika var så viktigt under andra världskriget.

Jetbränsle är däremot ungefär som fotogen eller dieselbränsle. Det gör en viss förfining för att få från råolja till jetbränsle, men processen är enklare, och kvaliteten på råoljan som behövs är inte lika stor heller. Som ett resultat av detta är den högre volymen av bränsle som bränns i stor utsträckning kompenseras av den lägre kostnaden för en given volym, och det är lättare att få råolja av den erforderliga kvaliteten.

Det är möjligt att driva ett flygplan med en dieselmotor. I den aktuella tidsramen (runt slutet av andra världskriget) var de enda praktiska Dieselmotorerna för flygplan Jumos. På vissa sätt ger en Diesel det bästa av båda världarna - relativt låg bränsleförbrukning (ännu lägre än bensinmotorer i regel) och förmågan att använda relativt lågt bränsle. Det finns emellertid några stora nackdelar. Den första är enkel vikt. En diesel har normalt ett mycket högre kompressionsförhållande än en bensinmotor, så det måste vara mycket starkare för att klara det högre trycket. Den andra är att vissa delar av dieselmotorer (särskilt bränsleinsprutarna) kräver mycket mer exakt bearbetning än praktiskt taget någon del av en bensinmotor. Det betyder att en dieselmotor med en viss kapacitet tenderar att vara betydligt dyrare än en bensinmotor med samma kapacitet.

Så, för Diesels är av avgörande betydelse, behöver du använda dem för ett relativt långtgående flygplan - speciellt tillräckligt länge för att bränslebesparingarna uppväger (bokstavligen) den extra motorns vikt. För det andra, med tanke på tillverkningsproblemet vill du förmodligen begränsa dem till ett relativt litet antal flygplan. Så, om du ville ha några långdistansbomber (till exempel) skulle de kanske vara meningsfulla. För fighters (short range, relativt utbytbara) skulle de förmodligen göra mycket mindre meningsfullt.