Questão:
Por que os motores a hélice são incomuns em aviões de passageiros?
blended
2014-01-16 08:01:09 UTC
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Minha experiência em aviação é essencialmente zero, mas olhando para a Wikipedia, parece que o Tu-95 Bear oferece alta velocidade subsônica e alcance extremo.

Presumo que os motores turboélice são mais eficientes em termos de combustível do que os motores a jato. Se tudo o que foi dito acima for verdade, por que não vemos mais aviões com motor rotativo em voos de companhias aéreas comerciais?

É uma preocupação com o ruído? Vejo que o TU-95 é aparentemente a "aeronave militar mais barulhenta da Terra".

Existem diferentes maneiras de fazer o empuxo, que é uma força igual a massa x aceleração. Turbojatos pegam uma massa relativamente pequena de ar e a aceleram (aceleração = ruído). Um turbofan agarra uma massa maior de ar e a acelera menos. Um turboélice pega uma massa ainda maior de ar e a acelera menos. O rotor de um helicóptero pega uma enorme massa de ar e a acelera relativamente pouco. Os motores do 747 e do F-16 produzem aproximadamente a mesma quantidade de empuxo, mas o 747 (desvio alto) queima menos combustível / hora e o F-16 (desvio baixo) tem velocidade máxima mais alta.
Trzy respostas:
#1
+34
voretaq7
2014-01-16 08:52:42 UTC
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Bem, primeiro vamos esclarecer alguns termos: quando você diz motor "rotativo", presumo que esteja se referindo a motores radiais, um tipo de motor de pistão que costumava ser muito comum na aeronave. (Hoje em dia, motores de pistão opostos são o que você normalmente encontra em aeronaves movidas a pistão, motores rotativos são outro projeto, mas seu uso acabou no final da Primeira Guerra Mundial .)


O TU-95 não é realmente uma aeronave movida a pistão. É um turboélice - basicamente um motor de turbina semelhante ao que você encontraria em um jato, apenas equipado para girar uma hélice em vez de produzir "impulso a jato" diretamente.

De do ponto de vista da eficiência, os motores de turbina geralmente são mais eficientes em termos de combustível do que seus equivalentes a pistão, e o combustível de jato é mais denso e menos refinado do que a gasolina de aviação e, conseqüentemente, mais barato para os operadores adquirirem. Os motores de turbina também oferecem mais confiabilidade do que os motores de pistão, e a manutenção de um motor turboélice também é muito semelhante a um motor a jato com alguns componentes extras, o que é uma vantagem para uma empresa que opera uma frota de aeronaves movidas a jato e hélice.

As diferenças em eficiência operacional e confiabilidade são a principal razão pela qual os motores a pistão movidos a gasolina basicamente desapareceram do serviço regular de companhias aéreas.


Então, por que não não vemos mais turboélices? Na verdade, vemos muitos deles, se você olhar nos lugares certos.

Jatos e turboélices são bons em coisas diferentes: simplificando amplamente, um turboélice é mais eficiente em altitudes e velocidades do ar mais baixas, enquanto um motor a jato é mais eficiente em altitudes e velocidades do ar mais altas.

Como resultado, vemos aeronaves turboélice como o ATR 72s em uso para serviços "passageiros" de curta distância, mas para voos transcontinentais ou transoceânicos, onde passam longos tempo de cruzeiro em jatos de alta altitude dominam o céu.

Como a maioria das pessoas voa para percorrer distâncias relativamente longas, há comparativamente mais jatos em voos regulares do que turboélices.

O ruído provavelmente também é um fator: turboélices rápidos como o Bear são ALTO não devido ao motor, mas devido à hélice. As pontas da hélice girando em um TU-95 podem se aproximar de velocidades supersônicas, o que causa um pouco de ruído. As hélices de contra-rotação do TU-95 (que ajudam a produzir empuxo com mais eficiência) também contribuem para uma pegada de ruído mais alta. No caso do TU-95, isso não importa - é um avião militar, e a Força Aérea Russa não se importa se as pessoas reclamarem, pois a aeronave tem uma missão a cumprir e isso é mais importante do que algumas reclamações de ruído. Se a United Airlines fosse operar um TU-95 saindo de Kennedy, partindo para a casa das pessoas, suspeito que eles reconsiderariam rapidamente a escolha do equipamento quando as reclamações de ruído começassem a chegar ...

Eu também acrescentaria que muitos turboélices foram substituídos por jatos regionais por causa do equívoco público de que os jatos são mais seguros, então os vemos com muito menos frequência do que antes.
Bem, mecanicamente falando, há muito menos falhas em um jato do que em um turboélice, e menos em um turboélice do que em um motor a pistão :-)
Bem, os turboélices também têm muitas vantagens sobre os jatos (a menos delas é que geralmente voam mais devagar / usam menos a pista), mas não é tão confortável para os passageiros e eles ficam presos mais abaixo (em mais clima, turbulência , etc.) e as pessoas não gostam disso.
quando mencionei o motor rotativo, quis dizer aviões com hélices: D Obrigado por esta explicação completa
O pessoal da @Lnafziger, está disposto a trocar conveniência por tarifas mais baratas, como pode ser visto em aviões de passageiros baratos, como jato fácil.
Na verdade, parece que os turboélices são _menos_ com baixo consumo de combustível do que os pistões (especialmente os motores diesel, que também podem queimar o Jet-A). No entanto, são mais leves, simples e confiáveis.
@JanHudec - isso depende da sua métrica. Um motor a pistão é mais eficiente em termos de galões por hora ou milhas por galão, mas em termos de passageiros-milhas, um turboélice é mais eficiente simplesmente porque a potência extra permite ao motor transportar uma aeronave maior junto com ele.
@JonStory: Não, estou pensando em joules por quilograma ([BSFC] (http://en.wikipedia.org/wiki/Brake_specific_fuel_consumption#Examples_of_values_of_BSFC_for_shaft_engines) (ok, isso é inverso, quilogramas por joule), o que realmente significa Estou comparando motores de igual potência de eixo, capazes de transportar aeronaves do mesmo tamanho apenas. Comparar motores com potência diferente seria obviamente idiota.
Outra definição possível de um motor rotativo é um [Wankel] (http://en.wikipedia.org/wiki/Wankel_engine).
quando li a pergunta, pensei que ele estava falando sobre [esses motores rotativos] (http://en.wikipedia.org/wiki/Wankel_engine).
@Lnafziger - Há uma situação em que os turboélices em montagens de nacele nas asas são significativamente menos seguros do que um turboélice na mesma configuração; lâmina-outs. Se uma pá de hélice se separar do cubo da hélice * exatamente * no momento errado, seu impulso pode colocá-la por todo o caminho através da fuselagem do avião. Exemplo: http://aviation-safety.net/database/record.php?id=19690803-1 As carcaças dos motores turbofan modernos são projetadas especificamente para conter uma lâmina quebrada.
sobre o ruído: https://www.youtube.com/watch?v=q-2dfEc70gU
@JanHudec está correto. Os motores a pistão a diesel superam os turboeixos por causa de sua taxa de compressão mais alta, mesmo em comparação com o cruzeiro. No entanto, pessoalmente acho mais intuitivo pensar nisso em termos de torque fornecido (Newton-metros) por taxa de consumo de combustível (kg / s), que resulta em metros quadrados por segundo, assim como Joules / kg. Infelizmente, isso só é bom para hélices de pistão e turbo e não para qualquer tipo de jato. Isso exigiria empuxo por consumo de combustível (N / (kg / s)) = m / s, o que exige que também obtenhamos o empuxo do motor de hélice em vez de apenas potência.
@KeithS: Por outro lado, se um _disco de rotor cheio_ sopra em um turbofan, nem mesmo a capota do motor pode pará-lo e pode causar danos muito piores do que seria possível até mesmo se toda a hélice se desfizesse em um turboélice.
Quanto ao Tu-95 ser uma aeronave militar em vez de civil, na verdade existia uma variante de passageiro - o [Tu-114] (https://en.wikipedia.org/wiki/Tupolev_Tu-114). Porém, nunca fez parte da frota da United e não sei se alguma vez operou dentro / fora do JFK.
Votos negativos para a falsa declaração "motores de turbina são geralmente mais eficientes em termos de combustível do que seus equivalentes a pistão"
#2
+33
Peter Kämpf
2014-12-08 03:50:16 UTC
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Ler as respostas aqui me diz para colocar alguns fatos na discussão:

  1. Os motores de pistão são os motores de aviação mais eficientes em termos de combustível. Sua desvantagem é uma saída de potência constante em relação à velocidade, de modo que o empuxo é inverso à velocidade. Isso ajuda na aceleração na decolagem, mas limita a velocidade máxima. Um motor de pistão moderno usa 240 g de combustível para fornecer 1 kW de potência em uma hora: 240 g / kW-h. Os motores a diesel usam apenas 220 g / kW-h. Este número já é verdadeiro para o antigo Jumo 205, um dos primeiros motores diesel de aviação em operação há 80 anos.
  2. Os motores turboélice são os próximos, e sua potência aumenta um pouco com a velocidade devido à pressão ram (que aumentará a pressão interna no motor em aproximadamente 30% a Mach 0,8). Seu consumo específico de potência é cerca de 300 g / kW-h.
  3. Os motores a jato são menos eficientes do que ambos, mas são melhores para voar rápido e alto. Seu empuxo cai ainda menos com a velocidade, então a melhor base para expressar o consumo é o empuxo, não a potência. O consumo de combustível típico de um motor a jato moderno ( GE-90) é de 30 gramas de combustível por Newton de empuxo em uma hora (30 g / Nh) quando executado estacionário e o dobro disso em cruzeiro a Mach 0,8. Os modernos motores militares a jato atingem 80 g / N-h na decolagem e têm empuxo quase constante e consumo específico em relação à velocidade.

Em todos os casos, o empuxo é criado pela aceleração de uma massa de ar para trás. A equação geral para eficiência propulsiva $ \ eta $ é $$ \ eta = \ frac {v _ {\ infty}} {v _ {\ infty} + \ frac {\ Delta v} {2}}, $$ onde $ \ Delta v $ é o aumento da velocidade da massa de ar devido a essa aceleração. Esta fórmula mostra que é melhor acelerar um pouco uma grande massa de ar do que uma massa menor em muito. As hélices fazem isso e por isso oferecem a melhor eficiência. Os turboélices usam turbinas a gás menos eficientes, mas mais leves, para criar energia, mas retêm a hélice eficiente. Turbofans civis tentam aumentar a massa de ar aumentando sua razão de desvio, e apenas os militares estão usando os tipos menos eficientes com razões de desvio abaixo de 1, porque são a melhor escolha em velocidade supersônica.

Abaixo, você vê um gráfico do consumo de combustível específico de empuxo em condição de cruzeiro de diferentes tipos de motor em relação à razão de desvio. A relação inversa é facilmente visível.

Plot of thrust specific fuel consumption over bypass ratio

Gráfico do consumo de combustível específico de empuxo em lb de combustível por lb de empuxo por hora de diferentes motores sobre o logaritmo de sua razão de desvio (imagem fonte).

Para fazer uma comparação entre os motores a pistão e turbofan, vamos comparar o consumo de combustível na decolagem. A fórmula para o impulso estático de uma hélice é $$ T_0 = \ sqrt [\ Large {3} \;] {P ^ 2 \ cdot \ eta_ {Prop} ^ 2 \ cdot \ pi \ cdot d_P ^ 2 \ cdot \ rho }, $$ onde $ P $ é a potência do eixo, $ d_p $ o diâmetro da hélice e $ \ rho $ a densidade do ar. Para nosso exemplo, usamos uma hélice de quatro pás de 3,4 m de diâmetro e um motor com 1111 kW de potência. Seu empuxo estático é de 10,727 kN quando assumimos as condições atmosféricas padrão e uma eficiência da hélice de 85%. O fluxo de combustível será de 266,6 kg por hora e, em relação ao empuxo, é de 24,8 g / N-h ou apenas 80% do de um turbofan moderno.

Eu me pergunto se até mesmo os entusiastas poderiam adivinhar qual avião eu usei, porque eu o ofusquei usando essas unidades métricas desconhecidas. Eu acho que ninguém vai argumentar que ele não é otimizado para vôo rápido, então esta comparação também deve ser válida para o Tu-95, para o qual tenho menos dados disponíveis.

No entanto, uma hélice força qualquer aeronave a voar mais devagar do que os jatos. Seus tanques de eficiência quando as pontas da hélice giram em velocidade supersônica, então é melhor manter o Mach de cruzeiro abaixo de 0,6. Mas o tráfego comercial quer voar o mais rápido economicamente possível, e com turbofans esse limite é alcançado apenas em torno de Mach 0,85. A aeronave mais rápida voará mais pernas ao mesmo tempo, transportando mais pessoas e gerando mais receita. Além disso, ao oferecer uma conexão mais rápida, ele aparecerá nos sistemas de reserva na página 1 e será o preferido dos viajantes a negócios, que respondem por quase todos os lucros das companhias aéreas. É é por isso que não vemos mais muitos turboélices no tráfego civil.

Só por curiosidade, por que você está usando um símbolo como $ v_ \ infty $ em vez de algo como $ v_0 $ ou $ v_i $? Onde o infinito entra nisso? Também quero salientar que os motores a pistão e turboélices ** usam combustíveis diferentes **, então alguém pode estar curioso para multiplicar essas eficiências por sua energia específica (MJ / kg) para ver se isso faz alguma diferença. Acontece que a energia específica de Avgas é de cerca de 43,5 MJ / kg e jet-A1 é de 43,15, portanto, faz pouca diferença.
@DrZ214 O infinito deve sinalizar que esta velocidade do ar é para ar não perturbado que não foi influenciado pelo campo de pressão da aeronave ou da hélice. Teoricamente, apenas no infinito essa condição é verdadeira.
Uma boa resposta para você implica que eficiência é confiança / peso do combustível. Desde turbojatos e mais rápidos, como ele se compara quando você mede a milha / peso do combustível?
@jean: A diferença de velocidade não é tão grande a ponto de fazer a diferença. Os motores da hélice são ainda mais eficientes, mesmo em uma base de galão por milha. Claro, você precisa comparar o mesmo padrão de tecnologia para chegar a essa conclusão.
#3
  0
Falk
2014-01-16 09:31:44 UTC
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O ruído não deve ser o problema. Aeronaves com turbo hélice modernas são ainda mais silenciosas em comparação com aeronaves semelhantes movidas por motores a jato. É - como sempre - tudo uma questão de economia.

Vamos falar sobre os tipos de motor disponíveis. (Todos vocês, aviadores experientes, vou mantê-lo muito simples e em alguns pontos até não 100% correto. Se você não gostar, pule este parágrafo, se quiser ter mais detalhes sobre um tipo de motor, por favor sinta-se à vontade para fazer suas perguntas) Motores de pistão são os primeiros motores e ainda as aeronaves esportivas leves ou mais comuns. Você pode compará-los ao motor do seu carro, mas em vez de dirigir a caixa de câmbio que move suas rodas, eles dirigem uma hélice (às vezes também por meio de uma caixa de câmbio). Os motores de pistão fortes o suficiente para mover um avião comercial, como faziam no passado, consomem muito combustível e óleo para serem eficientes o suficiente para competir com os motores a jato. Existem diferentes tipos de motores a jato . O motor a jato clássico suga o ar com seu ventilador, espreme em um compressor, faz com que ele bang em uma câmara de combustão e sopra para fora, enquanto uma turbina à frente do bico usa um pouco dessa energia para acionar o ventilador e o compressor - lembre-se dessas quatro palavras e você sempre saberá como funciona;) Este tipo simples de motor a jato era usado para os primeiros aviões de passageiros movidos a jato, mas hoje em dia você só o encontrará em jatos militares. As aeronaves de passageiros modernas usam o mesmo princípio, mas seus motores têm um ventilador muito maior motores turbo ventilador . A maior parte do ar é desviado ao redor do "núcleo" do motor. Este ar fornece mais da metade do empuxo. Existem também motores turbo-hélice : basta substituir o ventilador por uma hélice. E, finalmente, os motores de turbo-eixo , em que toda a potência dos motores a jato é usada para acionar uma hélice e o escapamento não fornece energia para a frente.

De onde vem todo esse barulho? Para simplificar, podemos dizer que as diferenças de velocidade produzem ruído. Os motores a jato são barulhentos devido à grande diferença entre a velocidade do ar que passa pelo motor e o fluxo de ar livre. O fluxo de ar frio de um motor turbo ventilador é mais lento, portanto, há menos diferença de velocidade no escapamento e menos ruído. O ruído dos motores da hélice depende principalmente da velocidade da hélice. As pontas das pás da hélice são obviamente as partes móveis do jejum. Seu projeto requer que permaneçam subsônicos para fornecer o empuxo, mas a velocidade da hélice, bem como a velocidade do ventilador nos motores turbo-ventilador, é cada vez mais reduzida para reduzir as emissões de ruído.

Um motor econômico não deve ser apenas bastante mas também potente e eficiente em termos de combustível. Você está certo, os motores turbo hélice são geralmente os motores mais eficientes em termos de combustível, mas você, como passageiro, gostaria de sentar-se dez horas em um avião para ir de Londres a Nova York? Eu não gosto e a maioria dos aviões também não vai gostar desse avião, porque o tempo de voo custa dinheiro. Aeronaves turbo-hélice são mais eficientes em distâncias curtas, onde a diferença na velocidade não faz uma diferença tão grande no tempo de voo.

Outro problema com os motores turbo-hélice são os passageiros. Muitas pessoas vêem uma hélice e pensam que estão sentadas em um dos aviões mais antigos de todos os tempos. Eles confiam nos motores a jato, no design de asa baixa e em tudo que você encontraria em um avião de passageiros "moderno" desenhado por uma criança de sete anos.

Espero que você encontre sua resposta, considerando tudo isso realmente básico e conhecimento simplificado.

Você mencionou "motores de hélice urbo são geralmente os motores mais eficientes em termos de combustível, mas você, como passageiro, gostaria de sentar-se dez horas em um avião para ir de Londres a Nova York?" , mencionei o Tu-95 por causa da mesma velocidade de um avião comercial
Ok, adivinhe o que é necessário para acelerar e manter uma aeronave como essa nessa velocidade em vôo direto e nivelado. Você precisa de muito poder. Esses motores NK-12 são capazes de fornecer essa quantidade de potência, mas em termos de eficiência de combustível, eles não são comparáveis ​​aos motores a jato modernos. Pode ser possível que vejamos mais aeronaves movidas a hélice no futuro, mesmo em rotas mais longas, mas essas aeronaves ainda não foram desenvolvidas. Além disso, alguns tipos de híbridos entre o turbo ventilador e a hélice no fluxo de ar livre estão sendo considerados. Consulte este link: http://en.wikipedia.org/wiki/Propfan
Curiosamente, no final da década de 1980, a GE trabalhou em um projeto de alta eficiência conhecido como ventilador sem construção (UDF). Ele era baseado em um núcleo turbofan existente, mas tinha uma série de lâminas curtas e curvas que foram montadas em um anel que formava o perímetro externo do motor. Em essência, o ventilador ficava no exterior do motor. Eles conseguiram uma redução de cerca de 30% no consumo de combustível, mas sofreram com problemas de ruído. A Boeing estava interessada em usar esses motores em um novo projeto de aeronave de corpo estreito (7J7) para substituir o 737. Preços mais baixos de combustível e altos custos de desenvolvimento levaram ao cancelamento dos projetos.


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