Varför är propellmotorer ovanliga på flygplan?

Tja, först låt oss rensa upp några villkor.
När du säger "roterande" -motor antar jag att du hänvisar till radiella motorer , en typ av kolvmotor som används att vara ganska vanligt på flygplan. (Dessa dagar motsatta kolvmotorer är vad du vanligtvis hittar på kolvdrivna flygplan, rotarymotorer är ännu en design, men deras användning dog ut runt slutet av första världskriget.)

TU-95 är inte egentligen ett kolvdriven flygplan - det är en turboprop - i princip en turbinmotor som liknar till vad du skulle hitta i en jet, bara riggt upp för att vrida en propell istället för att producera "jet thrust" direkt.

Från en effektivitetssynpunkt är turbinmotorer vanligtvis mer bränsleeffektiva än sina kolv-motsvarigheter, och jetbränsle produceras i större volym än flygbensin och är följaktligen billigare för operatörer att skaffa. Turbinmotorer erbjuder också mer tillförlitlighet än kolvmotorer, och underhållet på en turbopropmotor liknar i stor utsträckning en jetmotor med några extra komponenter, vilket är en fördel för ett företag som driver en flotta jet- och propellstyrda flygplan.

Skillnaderna i driftseffektivitet och tillförlitlighet är den främsta orsaken till att bensinmotordrivna kolvmotorer i grunden har försvunnit från planerad flygbolagstjänst.

Så varför ser vi inte fler turboproppar? Egentligen ser vi många av dem, om du tittar på rätt ställen.

Som ett resultat ser vi turbopropflygplan som ATR 72s som används för kortdistans "pendlar" -service, men för trans-kontinentala eller trans-oceaniska flygningar där de tillbringar en lång tid på kryssning vid höghöjdstrålar dominerar himlen.
Eftersom de flesta flyger för att gå relativt långa sträckor finns det relativt mer jetfly i schemalagd flygbolag än turboprop.

Buller är förmodligen också en faktor - snabba turboprops som björnen är LOUD inte på grund av motorn, utan på grund av propellern. Spetspinnens spetsar på en TU-95 kan närma sig supersoniska hastigheter, vilket orsakar ganska lite ljud. TU-95s kontrarotorerande propellrar (som bidrar till att producera drivkraft mer effektivt) bidrar också till ett starkare ljudavtryck.
När det gäller TU-95 spelar det ingen roll - det är ett militärt plan, och den ryska flygvapnet bryr sig inte om folk klagar som flygplanet har ett uppdrag att slutföra och det är viktigare än några bullerklagomål. Om United Airlines skulle driva en TU-95 från Kennedy som avgår över människors hus, misstänker jag att de snabbt skulle ompröva sitt val av utrustning när ljudklagomålet började komma in ...

Att läsa svaren här berättar för mig att lägga några fakta i diskussionen:

I alla fall skapas drivkraft genom att accelerera en massa luft bakåt. Den allmänna ekvationen för framdrivande effektivitet $ \ eta $ är $$ \ eta = \ frac {v _ {\ infty}} {v _ {\ infty} + \ frac {\ Delta v} {2}}, $$ där $ \ Delta v $ är hastighetsökningen av luftmassan på grund av denna acceleration. Denna formel visar att det är bättre att accelerera en stor massa luft bara lite än en mindre massa med mycket. Propellrar gör detta och erbjuder därför den bästa effektiviteten. Turboprop använder mindre effektiva men lättare gasturbiner för att skapa kraft, men behåller den effektiva propellern. Civil turbofans försöker öka luftmassan genom att öka deras förbikopplingsförhållande , och endast militären använder de minst effektiva typerna med bypass-förhållanden under 1, eftersom de är det bästa valet vid supersonisk hastighet.

Nedan ser du en plot av den bromsspecifika bränsleförbrukningen i kryssningsförhållanden för olika motortyper över deras bypass-förhållande. Det inverse förhållandet är lätt synligt.

Förskjutningenavdenspecifikabränsleförbrukningenibränsleförbrukningperkilodrivkraftpertimmeförolikamotoreröverlogaritmenförderasförbikopplingsförhållande(bildsource ).

För att göra en jämförelse mellan kolv- och turbofanmotorer, låt oss jämföra bränsleförbrukningen vid start. Formeln för statisk drivkraft för en propellern är $$ T_0 = \ sqrt [\ Large {3} \;] {P ^ 2 \ cdot \ eta_ {Prop} ^ 2 \ cdot \ pi \ cdot d_P ^ 2 \ cdot \ rho}, $$ där $ P $ är axelströmmen, $ d_p $ propellerdiametern och $ \ rho $ luftdensiteten. För vårt exempel använder vi en fyrbladig prop på 3,4 m diameter och en motor med 1111 kW effekt. Dess statiska dragkraft är 10.727 kN när vi antar standard atmosfäriska förhållanden och en proffseffektivitet på 85%. Bränsleflödet kommer att vara 266,6 kg per timme, och i förhållande till dragkraft är detta 24,8 g / N-h eller bara 80% av det för en modern turbofan.

Jag undrar om även entusiasterna kan gissa vilken flygplan jag använde , för att jag förvirrade det genom att använda dessa okända Metriska enheter. Jag antar att ingen kommer att hävda att det inte är optimerat för snabb flygning, så denna jämförelse borde också hålla för Tu-95, för vilken jag har mindre data tillgängliga.

En propellern kommer dock att tvinga varje flygplan att flyga långsammare än jets. Deras effektivitetstankar när propellspetsarna roterar med supersonisk hastighet, så det är bäst att hålla kryssmaskinen under 0,6. Men kommersiell trafik vill flyga så snabbt som ekonomiskt möjligt, och med turbofans nås endast gränsen runt Mach 0.85. Ju snabbare flygplanet kommer att flyga fler ben samtidigt, med fler människor och tjäna mer intäkter. Genom att erbjuda den snabbare anslutningen kommer den att visas i bokningssystem på sidan 1 och vara favorit med affärsresenärer, som står för nästan alla flygbolagens vinster. Det är därför att vi inte längre ser många turboproppar i civil trafik.

Buller borde inte vara problemet. Moderna turbopropade flygplan är ännu tystare jämfört med liknande flygplan som drivs av jetmotorer. Det är - som alltid - allt om ekonomi.

Låt oss prata om de tillgängliga motortyperna. (Allt du upplevde flygare, jag kommer att hålla det väldigt enkelt och så på vissa punkter, inte ens 100% korrekt. Om du inte gillar det här, snälla hoppa över den här paragrafen, om du gillar att ha tröttdetaljer på en motortyp, snälla Ställ frågor fritt) Kolvmotorer är de tidigaste motorerna och fortfarande mest vanliga eller lätta sportflygplan. Du kan jämföra dem med motorn i din bil, men i stället för att köra växellådan som driver dina hjul kör de en propell (ibland även via en växellåda). Kolvmotorer som är tillräckligt starka för att driva ett flygplan, som de gjorde tidigare, förbrukar alltför mycket bränsle och olja för att vara effektiva nog för att konkurrera med jetmotorer. Det finns olika typer av jetmotorer . Den klassiska jetmotorn suger i luften med sin fläkt, pressar den i en kompressor, gör den bang i en förbränningskammare och blåser ut, medan en turbin framför munstycket använder lite av denna energi för att driva fläkten och kompressorn - kom ihåg de fyra orden och du kommer alltid veta hur det fungerar;) Denna enkla typ av jetmotor var används för tidiga jetdrivna passagerarplaner, men nuförtiden hittar du den bara i militära jetfly. Moderna passagerarfartyg använder samma princip, men deras motorer har en mycket större fläkt turbofläktmotorer . Huvuddelen av luften kringkastas runt kärnan i motorn. Den här luften levererar mer än hälften av stödet .. Det finns också turbo propmotorer : Byt ut fläkten med en propell. Och till sist turboaxel -motorer där alla jetmotorerna används för att driva en propell och avgasen ger ingen framåtriktad energi.

Var kommer allt detta ljud från? För att hålla det enkelt kan vi säga att skillnader i hastighet ger buller. Jetmotorer är bullriga på grund av den höga skillnaden i luftens hastighet passerade genom motorn och den fria luftströmmen. Den kalla luftströmmen hos en turbofläktmotor är långsammare, så det finns mindre hastighetsskillnad vid avgasen och mindre ljud. Buller från propellmotorer är mest beroende av propellerns hastighet. Spetsarna på propellerbladet är uppenbarligen fastarna som rör rörliga delar. Deras design kräver att de förbli subsoniska för att leverera dragkraft, men propellerns hastighet samt fläktens hastighet i turbinfläktmotorer minskas alltmer för att minska bullerutsläppen.

En ekonomisk motor måste inte bara vara ganska men också kraftfull och bränsleeffektiv. Du har rätt turbo propmotorer är i allmänhet de mest bränsleeffektiva motorerna men skulle du som passagerare vilja sitta tio timmar i ett flygplan för att komma från London till New York? Jag och de flesta flygbolagen kommer inte att tycka om ett sådant plan, för flygtiden kostar pengar. Turboprop flygplan är mest effektiva på korta sträckor där skillnaden i hastighet inte gör så stor skillnad i flygtiden.

Ett annat problem med turbo propmotorer är passagerarna. Det finns många som ser en propell och tror att de sitter i en av de äldsta flygplanen någonsin. De litar på jetmotorer, lågvinge design och allt du hittar på ett "modernt" passagerarflygplan ritat av ett sju år gammalt barn.

Jag hoppas att du hittar ditt svar med tanke på allt detta verkligen grundläggande och förenklat kunskap.