Varför är topphastigheterna för jetmotorer högre än för propellrar?

Propellerns drivkraft är proportionerlig mot inversen av flyghastigheten, medan kraften hos en ren turbojet är ungefär konstant över flyghastigheten i den subsoniska regionen. Det betyder att två flygplan med samma statiska drivkraft, en propellerdriven och den andra jetmotorn, kommer att nå mycket olika topphastigheter.

Och nej kolvmotorer är effektivare .

En kolvmotor ger en konstant vridmoment $ \ tau $, oberoende av hastighet. Detta vridmoment driver propellern som producerar arbete $ W $ per tidsenhet på luften som passerar genom den. Detta arbete per tidsenhet är effekt $ P $ och proportionell mot produkten av moment och propellhastighet $ \ omega $, vilket är konstant över flyghastigheten $ v $. Kraften att driva flygplanet är en produkt av tryckkraft och flyghastighet och är lika med motortrömtider propeller effektivitet $ \ eta_ {Prop} $. När flyghastigheten går upp måste dragkraften gå proportionellt för att kraften ska vara konstant. $$ P = \ tau \ cdot \ omega = T \ cdot v \ cdot \ eta_ {Prop} $$ $$ \ Rightarrow T \ varpropto \ frac {1} {v} $$

Turbojets, å andra sidan, dra nytta av flyghastigheten, eftersom intaget förkomprimerar luften när det saktar sig före och i intaget. Den här förkompressionen lyfter trycket på hela motorn, så det ser ett ökat massflöde med ökande hastighet, vilket ger högre tryckkraft. Denna effekt i sig skulle öka trycket i förhållande till kvadraten av flyghastighet, men samma effekt som minskar propellens kraft påverkar också en turbojet. Denna effekt är emellertid mindre uttalad eftersom jet accelererar mindre luft till en högre hastighet , och båda avbryter varandra ungefär.

Turbofans är mer lik propellmotorer, så här går trycket ner över flyghastigheten och mer så för högre bypass-förhållanden . Turboprop är ännu närmare kolvdrivna propellrar, så deras dragkraft sjunker ännu mer med ökande hastighet. Det betyder att hastigheten vid vilken drag är lika med dragkraften när du flyttar från turbojets till turbofans och vidare till turboprop och är lägst för kolvdrivna propellersflygplan.

Jag skulle vilja visuellt illustrera varför propellrar inte är lämpade för höghastighetsflygning.

Låt oss först överväga en propeller med variabel tonhöjd som är monterad på en skicklig -motor .

Omdustuderardetvåskissernasomjagritadeovankommerduattmärkanärdenhorisontellahastighetenökar(rättbild),Trustriktningen rör sig bort från framåt, trots det ökade luftflödet och den lokala hissen på bladet.

Det här är vad många läroböcker kallar felaktigt "tar en större bit", men som du kan se är det samma bit (angreppsvinkel).

Figur 11-8, FAA Pilots Handbook of Aeronautical Knowledge

Ju snabbare du flyger en propell, den lägre framåtriktade kraften får du, vilket gör att du inte kan gå snabbare. Ovanstående diagram visar T A (Thrust Available) för en propellern minskar ju snabbare flyget flyger.

En annan faktor är när du flyger så fort som propellerns spetshastighet - säg Mach 0.75 (en Boeing 737 Classic i kryssning) -fläkten på varje blad kommer att flyga mycket snabbare än din framåtfart (Jämför hypotenusen till de vertikala / horisontella sidorna i den översta bilden).

Luftflödet runt flygplattan kommer att vara supersoniskt. Rak vingar (och blad) fungerar inte bra i supersoniska hastigheter (för mycket otäckt drag).

För en fastskruvspropell, låt oss säga att vi tappade ett plan med en fastskruvspropell från ett moderskap med hög hastighet, luftflödet kommer att träffa propellerskivans övre yta, vilket skapar bakåtriktad kraftpåverkan på ett säkert sätt .

Det är bäst när planetens framåtriktade hastighet håller propellerskivan närmar sig ljudbarriären, och resulterar inte i att tryckkraften riktas för mycket bort från framåt.

För en turbo prop är begränsningsfaktorn till viss del effektiviteten hos propellern, inte motorn. Det har varit en massa försök på väldigt snabba turbo rekvisita genom åren, med den snabbaste sannolikheten att gå till XF-84H Thunderscreach men i alla fall blir propellern den begränsande faktorn.

Först och främst, för att komma igång med det hastighetsintervall som du nämner med en användbar storlek propellern kommer dina tips att gå supersonic som presenterar problem i sig själv. XF-84H led av detta och du kan läsa om varför det var en bullerproblem.

På toppen av bullerproblemet blir det helt enkelt mer Effektiv att använda en jet vid dessa hastigheter så i praktiken är det valkraftverket som valts. Många av dagens toppformade turboprops lätt inkräktar på ljusstrålarnas hastighet.