שְׁאֵלָה:
מדוע מנועי מדחף אינם נדירים במטוסי נוסעים?
blended
2014-01-16 08:01:09 UTC
view on stackexchange narkive permalink

הניסיון שלי בתעופה הוא בעצם אפס, אבל אם מסתכלים בוויקיפדיה נראה ש הדובי Tu-95 מציע מהירות תת קולית גבוהה וטווח קיצוני.

אני מניח שמנועי טורבו-פרופ. חסכוניים יותר בדלק מאשר מנועי סילון. אם כל האמור לעיל נכון, מדוע איננו זוכים לראות יותר מטוסי מנועים סיבוביים בטיסות תעופה מסחריות?

האם זה דאגה לרעש? אני רואה כי ה- TU-95 הוא ככל הנראה "המטוס הצבאי הרועש ביותר על פני כדור הארץ".

ישנן דרכים שונות ליצור דחף, שהוא כוח, השווה לתאוצה מסה x. טורבו-מטוסים לוקחים מסה קטנה יחסית של אוויר ומאיצים את החוצה ממנו (תאוצה = רעש). טורבופאן תופס מסה גדולה יותר של אוויר ומאיץ אותו פחות. טורבופרופ תופס מסת אוויר גדולה עוד יותר ומאיץ אותו פחות. הרוטור של המסוק תופס מסה אדירה של אוויר ומאיץ אותו מעט יחסית. המנועים על 747 ו- F-16 מייצרים כמות זהה של דחף בערך, אך ה- 747 (עוקף גבוה) שורף פחות דלק לשעה ו- F-16 (עוקף נמוך) מהירות שיא גבוהה יותר.
שְׁלוֹשָׁה תשובות:
#1
+34
voretaq7
2014-01-16 08:52:42 UTC
view on stackexchange narkive permalink

ובכן, ראשית בואו נבהיר כמה מונחים: כאשר אתה אומר מנוע "סיבובי" אני מניח שאתה מתכוון ל מנועי רדיאלי, סוג של מנוע בוכנה שבעבר היה די נפוץ על מטוסים. (בימים אלה מנועי בוכנה מנוגדים הם מה שאתה מוצא בדרך כלל במטוסים המונעים על בוכנה, מנועים סיבוביים הם עוד עיצוב, אך השימוש בהם גווע בסיום מלחמת העולם הראשונה .)


ה- TU-95 אינו למעשה מטוס מונע בוכנה. זהו טורבופרופ - בעצם מנוע טורבינה הדומה למה שהיית מוצא במטוס, רק מחובר בכדי לסובב מדחף במקום לייצר "דחף סילון" ישירות.

מאת נקודת מבט יעילות, מנועי טורבינות בדרך כלל יעילים יותר בדלק מאשר עמיתיהם לבוכנה, ודלק סילוני הוא צפוף ומעודן יותר מאשר בנזין תעופתי ולכן הוא זול יותר עבור מפעילים לרכוש. מנועי טורבינה מציעים גם אמינות רבה יותר ממנועי בוכנה, וגם התחזוקה על מנוע טורבופרופ דומה במידה רבה למנוע סילוני עם כמה רכיבים נוספים, וזה יתרון לחברה המפעילה צי של מטוסים סילוניים ומדחפים.

ההבדלים ביעילות התפעולית ובמהימנות הם הסיבה העיקרית לכך שמנועי בוכנה המונעים בנזין נעלמו בעצם משירות התעופה המתוזמן.


אז למה לא אנחנו לא רואים יותר טורבו-תרופיות? למעשה אנו רואים הרבה מהם, אם אתה מסתכל במקומות הנכונים.

מטוסי סילון וטורבופרופ הם טובים בדברים שונים: לפשט באופן כללי, טורבופרופ יעיל יותר בגבהים נמוכים יותר ובמהירות אוויר בזמן שמנוע סילון הוא יעיל יותר בגבהים גבוהים ובמהירויות אוויר.

כתוצאה מכך אנו רואים מטוסי טורבופרופ כמו ATR 72s המשמשים לשירות "נוסעים" לטווח קצר, אך לטיסות חוצה יבשות או טרנס-אוקיאניות בהן הם מבלים זמן רב שייט בזמן במטוסי גובה רב שולטים בשמיים.

מכיוון שרוב האנשים טסים למרחקים ארוכים יחסית, ישנם יותר מטוסים בשירות תעופה מתוזמן מאשר טורבו-פרופסורים.

רעש הוא כנראה גם גורם: טורבו-מהירות כמו הדוב הם LOUD לא בגלל המנוע, אלא בגלל המדחף. קצות המדחף המסתובב על TU-95 יכולים להתקרב למהירויות על קוליות, מה שגורם לא מעט רעש. מדחפים מנוגדים מסתובבים של ה- TU-95 (המסייעים לייצר דחף בצורה יעילה יותר) תורמים גם הם לטביעת הרעש חזקה יותר. במקרה של ה- TU-95 זה לא משנה - זה מטוס צבאי, ולחיל האוויר הרוסי לא אכפת אם אנשים מתלוננים מכיוון שלמטוס יש משימה להשלים וזה יותר חשוב מכמה תלונות רעש. אם יונייטד איירליינס הייתה מפעילה TU-95 מתוך קנדי ​​שיוצא מעל בתי האנשים אני חושד שהם היו שוקלים במהירות את בחירת הציוד שלהם כאשר תלונות הרעש החלו להיכנס ....

אני אוסיף גם שהרבה טורבופרופ הוחלפו במטוסים אזוריים בגלל תפיסות מוטעות פומביות שמטוסים בטוחים יותר, ולכן אנו רואים אותם בתדירות נמוכה יותר ממה שהיינו.
ובכן מבחינה מכנית יש הרבה פחות לשבור במטוס מאשר טורבו-פרופ, ופחות בטורופופרופ מאשר מנוע בוכנה :-)
ובכן, לטורבופרופ יש יתרונות רבים גם על מטוסי הסילון (לא פחות מכך שהם בדרך כלל עפים לאט יותר / משתמשים פחות במסלול), אבל זה לא כל כך נוח לנוסעים, והם נתקעים נמוך יותר (במזג אוויר רב יותר, מערבולת) וכו ') ואנשים לא אוהבים את זה.
כאשר הזכרתי מנוע סיבובי, התכוונתי למטוסים עם מדחפים: D תודה על ההסבר המלא הזה
-1
למעשה נראה שטורבו-פרופילים חסרי דלק חסרי דלק מאשר בוכנות (במיוחד אז דיזל, שיכול בנוסף לשרוף את Jet-A). הם לעומת זאת קלים יותר, פשוטים ואמינים יותר.
@JanHudec - זה תלוי בערך שלך. מנוע בוכנה יעיל יותר במונחים של גלונים לשעה או מיילים לליטר, אך מבחינת קילומטרים של נוסעים טורבופופר יעיל יותר פשוט משום שהעוצמה הנוספת מאפשרת למנוע לגרור מטוס גדול יותר יחד איתו.
@JonStory: לא, אני חושב על ג'אול לק"ג ([BSFC] (http://en.wikipedia.org/wiki/Brake_specific_fuel_consumps# דוגמאות_ערכים_של_BSFC_for_shaft_engines) (בסדר, זה הפוך, קילוגרמים לג'ול, לא באמת משנה)) אני משווה מנועים בעלי הספק פיר שווה המסוגל לגרור מטוסים באותו גודל בלבד. השוואה בין מנועים עם הספק שונה תהיה כמובן מטופשת.
הגדרה אפשרית נוספת של מנוע סיבובי היא [Wankel] (http://en.wikipedia.org/wiki/Wankel_engine).
כשקראתי את השאלה חשבתי שהוא מדבר על [המנועים הסיבוביים האלה] (http://en.wikipedia.org/wiki/Wankel_engine).
@Lnafziger - יש מצב אחד בו טורבו-תרופיות בתושבות הנאצלים בכנפיים בטוחות פחות באופן משמעותי מטורפופאן באותה תצורה; להבים. אם להב המדחף נפרד ממרכז המדחף בזמן הלא נכון *, המומנטום שלו יכול להעביר אותו לאורך גוף גוף המטוס. דוגמה: http://aviation-safety.net/database/record.php?id=19690803-1 בתי מנוע טורבו מודרניים מתוכננים במיוחד כדי להכיל להב שבור.
על הרעש: https://www.youtube.com/watch?v=q-2dfEc70gU
@JanHudec נכון. מנועי בוכנה דיזל מנצחים טורבוסים בגלל יחס הדחיסה הגבוה יותר שלהם, אפילו בהשוואה בשיוט. עם זאת, באופן אישי אני מוצא את זה יותר אינטואיטיבי לחשוב על זה במונחים של מומנט מסופק (ניוטון-מטר) לכל קצב צריכת דלק (ק"ג / שנייה), שיוצא למטר רבוע לשנייה בדיוק כמו שעושה ג'ול / ק"ג. למרבה הצער זה טוב רק לאביזרי בוכנה ואביזרי טורבו, ואינו טוב לשום סוג של סילון. זה ידרוש דחף לכל צריכת דלק (N / (ק"ג / שנייה) = m / s, מה שמצריך שנשיג גם את דחף המנוע במקום רק כוח.
@KeithS: מצד שני, אם _ דיסק רוטור מלא_ נושף על טורבופאן, אפילו כיסוי המנוע לא יכול לעצור אותו, והוא עלול לגרום נזק הרבה יותר גרוע ממה שאפשר אפילו המדחף כולו מתפרק על גבי טורבו.
באשר לטו -95 להיות כלי טיס צבאי ולא אזרחי - למעשה היה_ גרסת נוסעים שלו - ה"טו -114 "(https://en.wikipedia.org/wiki/Tupolev_Tu-114). אף פעם לא היווה חלק מהצי של יונייטד, ואני לא יודע אם הוא פעל אי פעם / יצא מ- JFK.
הצהרת ההצהרה כוזבת "מנועי טורבינות בדרך כלל יעילים יותר בדלק מאשר עמיתיהם לבוכנה".
#2
+33
Peter Kämpf
2014-12-08 03:50:16 UTC
view on stackexchange narkive permalink

קריאת התשובות כאן אומרת לי להכניס כמה עובדות לדיון:

  1. מנועי בוכנה הם מנועי התעופה החסכוניים ביותר. החיסרון שלהם הוא תפוקת כוח קבועה על פני מהירות, כך שהדחף הפוך למהירות. זה עוזר להאצה בהמראה, אך מגביל את המהירות המרבית. מנוע בוכנה מודרני משתמש ב -240 גר 'דלק לצורך אספקת כוח 1 קילוואט למשך שעה: 240 גרם / קילוואט-שעה. מנועי דיזל משתמשים בכ -220 גרם / קילוואט-שעה. המספר הזה נכון כבר ל- Jumo 205 הוותיק, בין מנועי הדיזל האוויריים הראשונים שהופעלו לפני 80 שנה.
  2. מנועי טורבו-פרופ הם הבאים, וכוחם עולה מעט מעל המהירות. בגלל לחץ אילוח (שיעלה את הלחץ הפנימי במנוע בכ- 30% במאך 0.8). צריכת הספק הספציפית שלהם היא כ -300 גרם / קילוואט-שעה.
  3. מנועי הסילון יעילים פחות משניהם, אך הם טובים יותר לטיסה מהירה וגבוהה. הדחף שלהם יורד עוד פחות במהירות, כך שהבסיס הטוב יותר לביטוי הצריכה הוא דחף, ולא כוח. צריכת הדלק האופיינית של מנוע סילון מודרני ( GE-90) היא 30 גרם דלק לניוטון דחף מעל שעה (30 גרם / נ"ש) בעת הפעלה נייחת, ופעמיים בהפלגה במאך 0.8. מנועי סילון מודרניים צבאיים משיגים 80 גר '/ נ"ש בעת ההמראה ויש להם דחף קבוע בערך וצריכה ספציפית לאורך מהירות.

בכל המקרים, הדחף נוצר על ידי האצת מסת אוויר לאחור. המשוואה הכללית ליעילות ההנעה $ \ eta $ היא $$ \ eta = \ frac {v _ {\ infty}} {v _ {\ infty} + \ frac {\ Delta v} {2}}, $$ איפה $ \ Delta v $ הוא עליית המהירות של מסת האוויר עקב תאוצה זו. נוסחה זו מראה כי עדיף להאיץ מסה גדולה של אוויר רק מעט ממסה קטנה בהרבה. מדחפים עושים זאת ומסיבה זו מציעים את היעילות הטובה ביותר. בטורבופרופ משתמשים בטורבינות גז פחות יעילות, ליצירת כוח, אך שומרים על המדחף היעיל. טורובופנים אזרחיים מנסים להגדיל את מסת האוויר על ידי הגדלת יחס המעקף שלהם, ורק הצבא משתמש בסוגים הפחות יעילים עם יחסי מעקף מתחת ל -1, מכיוון שהם הבחירה הטובה ביותר במהירות קולית.

למטה רואים תרשים של צריכת הדלק הספציפית לדחף במצב שיוט מסוגי מנועים שונים על פני יחס העוקף שלהם. היחס ההפוך גלוי לעין.

Plot of thrust specific fuel consumption over bypass ratio

עלילת צריכת הדלק הספציפית של הדחף בקילו דלק לכל ק"ג דחיפה לשעה שונה מנועים מעל לוגריתם של יחס העוקף שלהם (תמונה מקור).

כדי לאפשר השוואה בין מנועי בוכנה וטורבו, בואו נשווה את צריכת הדלק בהמראה. הנוסחה לדחף סטטי של מדחף היא $$ T_0 = \ sqrt [\ Large {3} \;] {P ^ 2 \ cdot \ eta_ {Prop} ^ 2 \ cdot \ pi \ cdot d_P ^ 2 \ cdot \ rho }, $$ כאשר $ P $ הוא כוח הפיר, $ d_p $ קוטר המדחף ו $ \ rho $ צפיפות האוויר. לדוגמא, אנו משתמשים באביזר בעל ארבע להבים בקוטר 3.4 מ 'ובמנוע בהספק של 1111 קילוואט. הדחף הסטטי שלו הוא 10.727 kN כאשר אנו מניחים תנאי אטמוספירה סטנדרטיים ויעילות אביזר של 85%. זרימת הדלק תהיה 266.6 ק"ג לשעה, ויחס לדחף זה 24.8 גרם / נ"ש או רק 80% מזו של טורבופאן מודרני.

אני תוהה אם אפילו המתלהבים יכלו לנחש באיזה מטוס השתמשתי, מכיוון שטשטשתי אותו באמצעות אותן יחידות מדד לא מוכרות. אני מניח שאף אחד לא יטען שהוא לא מותאם לטיסה מהירה, ולכן השוואה זו צריכה להתקיים גם עבור ה- Tu-95, שעבורו יש לי פחות נתונים זמינים.

עם זאת, מדחף יאלץ כל מטוס לטוס לאט יותר ממטוסים. מיכלי היעילות שלהם ברגע שקצות המדחף מסתובבים במהירות על-קולית, ולכן עדיף לשמור על שיוט מאך מתחת ל -0.6. אך תנועה מסחרית רוצה לטוס במהירות האפשרית מבחינה כלכלית, ועם טורבופנים מגיעים למגבלה זו רק סביב מאך 0.85. המטוסים המהירים יותר יטיסו יותר רגליים באותו זמן, יישאו יותר אנשים וירוויחו יותר הכנסות. כמו כן, על ידי הצעת החיבור המהיר יותר, הוא יופיע ב מערכות ההזמנות בעמוד 1 ויהיה המועדף על נוסעי העסקים, המהווים כמעט את כל הרווחים של חברות התעופה. לכן איננו רואים יותר טורבו-תרופיות בתעבורה אזרחית.

פשוט סקרן, מדוע אתה משתמש בסמל כמו $ v_ \ infty $ במקום במשהו כמו $ v_0 $ או $ v_i $? היכן האינסוף נכנס לתוכו? כמו כן, ברצוני לציין כי מנועי בוכנה וטורבופרופ ** משתמשים בדלקים שונים **, כך שמישהו עשוי להיות סקרן להכפיל את היעילות הללו באנרגיה הספציפית שלהם (MJ / ק"ג) כדי לראות אם זה משנה. כפי שמתברר, האנרגיה הספציפית של Avgas היא כ 43.5 MJ / ק"ג ו- jet-A1 הוא 43.15, ולכן זה משנה מאוד.
@DrZ214 האינסוף צריך לאותת שמהירות אוויר זו מיועדת לאוויר ללא הפרעה שלא הושפע משדה הלחץ של המטוס או המדחף. תיאורטית, רק באינסוף מצב זה נכון.
תשובה נחמדה כי אתה מרמז על יעילות היא אמון / משקל של דלק. מאז טורבו-מטוסים ומהיר יותר איך זה משתווה כשאתה מזין מייל / משקל של דלק?
@jean: הפרש המהירות אינו כה גדול שהוא ישפיע. מנועי מדחף עדיין יעילים יותר, אפילו על בסיס גלון לקילומטר. כמובן שעליך להשוות את אותו תקן טכנולוגי כדי להגיע למסקנה זו.
#3
  0
Falk
2014-01-16 09:31:44 UTC
view on stackexchange narkive permalink

רעש לא אמור להיות הבעיה. מטוסים מודרניים המונעים על ידי טורבו הם שקטים עוד יותר בהשוואה למטוסים דומים המונעים על ידי מנועי סילון. זה - כמו תמיד - הכל על כלכלה.

בואו נדבר על סוגי המנועים הזמינים. (כל הטייסים המנוסים, אני אשמור את זה פשוט מאוד ולכן בנקודות מסוימות אפילו לא נכונות ב 100%. אם אתה לא אוהב את זה, אנא דלג על פסקה זו, אם אתה רוצה לקבל פרטים על סוג מנוע, אנא אל תהסס לשאול את שאלותיך) מנועי בוכנה הם המנועים הראשונים ועדיין מטוסי הספורט הנפוצים ביותר או הקלים ביותר. אתה יכול להשוות אותם למנוע ברכב שלך, אבל במקום לנהוג בתיבת ההילוכים שמניעה את הגלגלים שלך, הם נוהגים במדחף (לפעמים גם באמצעות תיבת הילוכים). מנועי בוכנה חזקים מספיק כדי להניע מטוס נוסעים, כפי שעשו בעבר, צורכים יותר מדי דלק ושמן בכדי להיות יעילים מספיק כדי להתחרות במנועי הסילון. ישנם סוגים שונים של מנועי סילון . מנוע הסילון הקלאסי שואב באוויר עם המאוורר שלו, סוחט אותו במדחס, גורם לו ללכת בנג בתא בעירה ו נושף אותו, ואילו טורבינת לפני הנחיר משתמשת באנרגיה הזו בכדי להניע את המאוורר והמדחס - זכרו את ארבע המילים האלה ותמיד תדעו איך זה עובד;) מנוע סילון מסוג זה היה משמש למטוסי נוסעים המונעים על ידי סילון מוקדם, אך כיום תמצאו אותו רק במטוסים צבאיים. מטוסי נוסעים מודרניים משתמשים באותו עיקרון, אך למנועים שלהם יש מנועי מאוורר טורבו גדולים בהרבה. רוב האוויר עוקף סביב "ליבת" המנוע. אוויר זה מספק יותר ממחצית הדחף .. יש גם מנועי תומך טורבו : פשוט החלף את המאוורר במדחף. ולבסוף מנועי פיר טורבו בהם כל מנועי הסילון מפעילים כוח להנעת מדחף והמפלט אינו מספק אנרגיה קדימה.

מאיפה כל הרעש הזה? כדי לשמור על הפשטות, אנו יכולים לומר כי הבדלים במהירות מייצרים רעש. מנועי הסילון רועשים בגלל ההבדל הגבוה במהירות האוויר שעובר במנוע ובזרם האוויר החופשי. זרם האוויר הקר של מנוע מאוורר טורבו איטי יותר כך שיש פחות הבדל מהירות בפליטה ופחות רעש. הרעש של מנועי המדחף תלוי בעיקר במהירות המדחף. קצות להבי המדחף הם ללא ספק החלקים הנעים בצום. העיצוב שלהם מחייב אותם להישאר תת קוליים בכדי לספק דחף, אך מהירות המדחף כמו גם מהירות המאוורר במנועי מאוורר טורבו מופחתת יותר ויותר כדי להפחית את פליטת הרעש.

מנוע כלכלי לא צריך להיות רק די אך גם עוצמתי וגם חסכוני בדלק. אתה צודק במנועי טורבו הם בדרך כלל המנועים החסכוניים ביותר בדלק, אך האם אתה כנוסע רוצה לשבת עשר שעות במטוס כדי להגיע מלונדון לניו יורק? אני לא ורוב המטוסים לא אוהבים גם מטוס כזה, כי זמן טיסה עולה כסף. מטוסי טורבופרופ יעילים ביותר למרחקים קצרים שבהם ההבדל במהירות אינו עושה הבדל כה גדול בזמן הטיסה.

בעיה נוספת במנועי טורבו הם הנוסעים. יש אנשים רבים שרואים מדחף וחושבים שהם יושבים באחד המטוסים הוותיקים אי פעם. הם סומכים על מנועי סילון, עיצוב כנפיים נמוכות וכל מה שתמצאו במטוס נוסעים "מודרני" שצויר על ידי ילד בן שבע.

אני מקווה שתמצאו את התשובה שלכם, בהתחשב בכל זה באמת בסיסי. וידע מפושט.

אתה מזכיר "מנועי אביזרי אורבו הם בדרך כלל המנועים החסכוניים ביותר בדלק, אך האם אתה כנוסע רוצה לשבת עשר שעות במטוס כדי להגיע מלונדן לניו יורק?" , הזכרתי את Tu-95 בגלל אותה מהירות כמו מטוס נוסעים
אוקיי, יש לנחש מה הוא צריך כדי להאיץ ולתחזק מטוס כזה במהירות זו בטיסה ישרה ופלסית. אתה צריך הרבה כוח. מנועי NK-12 אלה מסוגלים לספק את כמות ההספק הזו, אך מבחינת יעילות הדלק הם אינם ניתנים להשוואה למנועי סילון מודרניים. יתכן ונראה בעתיד יותר מטוסים מונעי מדחף, אפילו בקווים ארוכים יותר, אך מטוסים אלה עדיין לא מפותחים. כמו כן נשקלים סוג של היברידיות בין מאוורר טורבו לבין מדחף בזרם האוויר החופשי. עיין בקישור זה: http://en.wikipedia.org/wiki/Propfan
מעניין שבסוף שנות השמונים GE עבדה על תכנון יעיל במיוחד המכונה מאוורר לא מבולבל (UDF). הוא התבסס על ליבת טורבופאן קיימת אך היו לה סדרה של להבים קצרים ומעוקלים שהותקנו על טבעת שיצרו את ההיקף החיצוני של המנוע. למעשה, המאוורר היה בחלקו החיצוני של המנוע. הם השיגו ירידה של כ- 30% בצריכת הדלק, אך סבלו מבעיות רעש. בואינג הייתה מעוניינת להשתמש במנועים אלה בתכנון מטוסים צרים חדש (7J7) כדי להחליף את ה- 737. מחירי דלק נמוכים יותר ועלויות פיתוח גבוהות הובילו לביטול הפרויקטים.


שאלה ותשובה זו תורגמה אוטומטית מהשפה האנגלית.התוכן המקורי זמין ב- stackexchange, ואנו מודים לו על רישיון cc by-sa 3.0 עליו הוא מופץ.
Loading...