Gab es jemals einen dieselelektrischen Hubschrauber?

Gelegentlich stoße ich auf die dieselelektrische (DE) Ausführung für U-Boote und Güterzüge. Sie sagen so etwas wie "ein Dieselmotor, der einen Elektroantrieb antreibt, lässt die beiden mit ihren effizientesten Drehzahlen arbeiten, und der Elektroantrieb hat nur sehr geringe Effizienzverluste."

Da stellte sich mir die Frage: Gab es überhaupt einen DE-Helikopter? Gibt es etwas am DE-System, das es schlecht für die Luftfahrtindustrie macht? Gewicht vielleicht? Beachten Sie jedoch, dass wir keine Batterien wie bei einem U-Boot benötigen. Wir müssen den Strom nicht speichern, sondern wandeln ihn einfach in Strom um, der sofort in den elektrischen Antrieb der Rotoren fließt.

"Gelegentlich"? Alle dieselbetriebenen U-Boote und fast alle Diesellokomotiven der Eisenbahn sind dieselelektrisch.
@DavidRicherby Ja, heutzutage sind sie das. Was ich meinte war, gelegentlich lese ich wieder über sie.
Ich würde auf "nein" tippen (obwohl es Konzeptentwürfe gibt), weil die Technologie, um die Batterien leicht und robust genug zu machen, erst vor kurzem entwickelt wurde.
@Simon Wenn Sie die letzten beiden Sätze im OP lesen, benötigt ein DE-Hubschrauber keine Batterien, da wir den Strom nicht speichern müssen. Die Kraft geht sofort in die Rotoren.
Wenn die Kraft des Diesels sofort in die Rotoren fließt, welchen Sinn hat es dann, sie durch ein elektrisches System zu leiten?
@DarioP Siehe meine Antwort. Elektrische Systeme sind nur ein sehr schickes Getriebe, wenn sie ohne Energiespeicher verwendet werden.
@DarioP Die Idee war, den Diesel mit seiner sparsamsten Drehzahl drehen zu lassen.
Vielleicht, wenn Sie möchten, dass ein Motorgenerator viele Rotoren antreibt? SHIELD Helicarrier oder Robur-Stil. Obwohl alles, was groß genug ist, um sinnvoll zu sein, wahrscheinlich einen Kernreaktor und keinen Dieselmotor für die Stromversorgung verwenden sollte. (Nicht zu behaupten, dass dies sinnvoll ist, nur dass es wahrscheinlich die Größe eines Nuklearträgers haben müsste, damit es Sinn macht, um möglich zu sein.)
Beziehen Sie sich auf Ottomotoren oder alle Motoren und Zyklen, die mit Diesel betrieben werden?
@jCisco Ich beziehe mich auf einen herkömmlichen Dieselmotor mit Kolbenantrieb, der keine Zündkerzen benötigt, da das Verdichtungsverhältnis so hoch ist, dass der Kraftstoff automatisch gezündet wird. Dies war die ursprüngliche Bedeutung des Wortes "Diesel", aber heute könnte es sich nur auf Dieselkraftstoff beziehen, daher gibt es Raum für Verwirrung.
Ich denke, die für den Rotor eines Hubschraubers erforderliche Drehzahl ist ziemlich konstant. Somit können Sie das Getriebe so konstruieren, dass Ihr Dieselmotor mit nur einem Übersetzungsverhältnis in der Nähe seiner optimalen RMP betrieben wird, wenn Ihr Rotor bei seiner Nenndrehzahl läuft.
@Sanchises: Ein sehr schickes, viel effizienteres, stufenloses Getriebe.

Antworten (5)

Hubschrauber verwenden derzeit leichte, aber ziemlich ineffiziente Gasturbinen. Dieselelektrische Motoren haben eine große Energieeffizienz in Bezug auf die pro Kilo Kraftstoff abgegebene mechanische Energie. Allerdings sind sie ziemlich schwer. Dies bedeutet, dass Sie mehr Auftrieb benötigen, was wiederum bedeutet, dass mehr Leistung benötigt wird. Dies negiert den anfänglichen Vorteil.

Mit dem Aufkommen leichter Materialien nimmt der letztere Effekt ab, sodass sich diese Situation ändern könnte.

Dieselmotoren können im Gegensatz zu Gasturbinen ziemlich stark drosseln, aber diese Kapazität ist für Hubschrauber irrelevant. Beachten Sie, dass Hubschrauber einen ziemlich konstanten Auftrieb benötigen.

"Beachten Sie, dass Hubschrauber einen ziemlich konstanten Auftrieb benötigen. ", haben Sie eine Referenz dafür? Es scheint mir, dass Hubschrauber ihren Auftrieb ziemlich stark variieren müssen (zum Beispiel um eine Aufwärtsbeschleunigung zu erreichen?)
@ROIMaison: Das ist eigentlich nicht viel Variation. In einem Hubschrauber steigt man normalerweise nicht mit 2 g auf, und man versucht auf jeden Fall, einen Abstieg im freien Fall zu vermeiden, sodass das benötigte Vertrauen um weniger als 100 % vom Nennwert abweicht. Autos beschleunigen oft auf ein Vielfaches der Leistung, die für straßenzugelassene Geschwindigkeiten erforderlich ist (weshalb die Höchstgeschwindigkeiten so viel höher sind). IOW, Autos kämpfen normalerweise nur gegen Luft und Rollreibung (nicht viel), während Hubschrauber normalerweise gegen die Schwerkraft kämpfen (viel mehr).
Beachten Sie, dass Airbus Helicopters an einem Dieselhubschrauber arbeitet, jedoch mit Direktantrieb, nicht dieselelektrisch.

Der Hauptvorteil von Dieselelektrik besteht darin, dass sie ein hohes Drehmoment bei niedriger Motordrehzahl bietet [von Physics Forums]. Tatsächlich ist die Drehmomentkurve eines Elektromotors bei 0 U/min am höchsten und nimmt mit zunehmender Drehzahl sehr flach ab.

Dies ist von großem Wert für Fahrzeuge, die viel Gewicht ziehen müssen, und um die Trägheit beim Anfahren aus dem Stand zu überwinden. Es ist für Flugzeuge von geringem oder negativem Wert, da es viel weniger effizient ist. Jedes Mal, wenn Sie Strom aus einem Medium erzeugen und diesen Strom dann verwenden, um ein anderes Medium anzutreiben, wird viel Strom verschwendet. Dieselöl in mechanische Energie umzuwandeln und dann weiter in elektrische Energie umzuwandeln, ist also viel zu verschwenderisch und unnötig für einen Hubschrauber, bei dem jedes Erg zählt. Bei Helikoptern, die heute überwiegend Gasturbinentriebwerke verwenden, wird möglichst viel der durch die Verbrennung von Treibstoff gewonnenen Energie direkt in Drehbewegung umgesetzt. Beachten Sie auch, dass ein massives Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen für Rotorflugzeuge nutzlos ist, da solche Fahrzeuge nur bei hohen Drehzahlen fliegen können.

Wichtig ist auch die Tatsache, dass Dual-Power-Systeme wie Diesel-Elektro viel Gewicht hinzufügen, da Sie es mit zwei verschiedenen Motortypen zu tun haben. Für jedes Flugzeug, insbesondere den Hubschrauber, kann das sogar ein größerer Nachteil sein als Energieverschwendung – obwohl diese Dinge als zwei Seiten derselben Medaille angesehen werden können.

Dies gerade eingetroffen : Das Magazin Economist hat jetzt einen Artikel mit dem Titel „ Hybridantrieb wird Hubschrauber sicherer und produktiver machen“ über das Aufkommen von Hubschraubern mit Hybridmotoren veröffentlicht.

Es ist auch erwähnenswert, dass bei einer dieselelektrischen Lokomotive oder einem U-Boot das Gewicht oft eine gute Sache ist, da in beiden Fällen, wenn der dieselelektrische Antriebsstrang und der Antriebsstrang nicht genug wiegen, Ballast hinzugefügt werden müsste [eine Lokomotive Das ist zu leicht, kann nicht viel ziehen, und ein Sub, das im Verhältnis zu seinem Volumen zu leicht ist, kann nicht untertauchen.
Wo verwendet man noch Erg als Energieeinheit?
@immibis: Im Land der Metapher und der bunten Schrift.
@Robusto elektrische Motordynamik verwechselt vereinfachte Modelle wie dargestellt. Entgegen der Verallgemeinerung zeigen z. B. Nebenschluss-Gleichstrommotoren, die mit konstanter Drehzahl laufen, einen Drehmomentverlauf, der sich bei Erhöhung der Drehzahl wie folgt verhält. Wenn sich die Drehzahl von 0 in Richtung ~90 % der idealen und daher angestrebten Drehzahl bewegt. Das verfügbare Drehmoment beträgt 300 % des verfügbaren Drehmoments bei 100 % U/min. Während der letzten 10 % Geschwindigkeitszunahme sinkt das Drehmoment auf das 100 %-Niveau. Dieser Graph Drehmoment % (x) ist eine Linie, die gerade nach oben verläuft und sich dann bei 10 % Rotationszunahme = y nach links krümmt.

Diesel-Elektro wird als Lösung für eine Reihe von Problemen gewählt, die nicht wirklich mit der Drehzahl zusammenhängen. Der Hauptgrund für die Wahl im Fall von Zügen war die Unfähigkeit, eine mechanische Verbindung effektiv zu verwenden, um eine Anzahl von Rädern anzutreiben.

Es gibt eine Grenze für die Menge an Leistung und Drehmoment, die über ein Getriebe übertragen werden kann, bevor es unpraktisch bis unmöglich wird. Züge mit 2000-PS-Dieselmotoren erfordern ein Getriebe mit übermäßiger Größe und übermäßigem Gewicht, um ein Drehmoment von 100.000 Pfund Fuß auf die Räder zu übertragen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Leistung auf mehrere Achsen aufgeteilt werden muss. Es ist kompliziert, schwer, unzuverlässig und ineffizient, und dies war bei sehr frühen Dieselmotoren offensichtlich, obwohl es nicht zu den Dampfmaschinen passte, die sie ersetzten.

Die Lösung, um eine bessere Zugkraft zu erzielen, bestand darin, mehrere Elektromotoren anzutreiben, wobei jeder Motor eine einzelne Achse (manchmal mehr als eine) antreibt. Dies erforderte den Austausch des mechanischen Getriebes durch einen Generator/Generator und die erforderliche Kraftübertragungsausrüstung.

Natürlich gibt es einige Overhead-Verluste in der Größenordnung von 25 % aufgrund des Umwandlungsprozesses von mechanisch zu elektrisch sowie der Notwendigkeit, Nebensysteme wie Wärmetauscher, das Laden von Batteriebänken usw. mit Strom zu versorgen, jedoch die Erhöhung der Flexibilität, Zuverlässigkeit, Leistung und Vereinfachung Machen Sie den Overhead zu einem billigen Kompromiss im Vergleich zu Alternativen.

Zug- und Hubschrauberspezifikationen:

  • Eine typische Antriebsmaschine einer Lokomotive hat 4.400 PS und 21.000 ft·lb Drehmoment bei 1.100 U/min. Der Generator/Generator liefert 2,1 MW an elektrischer Energie. Die gesamte Lokomotive wiegt 400.000 Pfund. Der Elektromotor in einem typischen Sechsersatz hat ein Drehmoment von etwa 6.200 ft lbs.
    Größe: (Prime Mover, Generator und Antriebsrad): Massiv.

  • Ein leichter Hubschrauber wie der R22 hat 124 PS und 241 ft lbs Drehmoment bei 2700 U / min MTOW 1.400 lbs.
    Größe: (Triebwerk & Getriebe) Ein großer Koffer.

  • Ein schwerer Hubschrauber CH-53E verfügt über drei Triebwerke mit 4.380 PS bei 14.280 U/min und einem Drehmoment von ~1.610 ft·lb, das über ein mehrstufiges Getriebe angetrieben wird, das fast 600.000 ft·lb Drehmoment an die Hauptrotorwelle liefert. MTOW 73.500 lb.
    Größe: (Triebwerk & Getriebe) 10.000 lbs im Volumen des Mini Cooper.

Endeffekt

  1. Eine Lokomotive benötigt sofort ein hohes Drehmoment, um das Eigengewicht und den Widerstand der Last zu überwinden. Die Zeit zum Beginn der Fahrt ist kritisch, der Zug muss in der Lage sein, die Fahrt auf Anforderung aufzunehmen. Während Hubschrauber Zeit haben, die Motoren zu spulen und den Rotor auf Betriebsdrehzahl zu bringen. Das erforderliche Drehmoment steigt von null U/min auf die Betriebsdrehzahl an, an welchem ​​Punkt der Rotor ein fortgesetztes Grundliniendrehmoment mit beträchtlichem Overhead benötigt.

    • extrem unterschiedliche Betriebsumgebung und Umschlag

  2. Um einen Hubschrauber dieselelektrisch zu machen, müssen ein sehr schwerer Generator, Wellenbremsen/Widerstandsbänke, Wärmetauscher, Schaltanlagen, ein Schwungrad sowie mehrere hundert Kilogramm Kupferkabel und Elektromotoren installiert werden. Alles zusätzlich zu den Antriebsmaschinen, von denen sich keine in Bezug auf die Leistungsfähigkeit auszahlt. Die zusätzlichen Komponenten verbrauchen wertvollen Innenraum und fügen ein erhebliches Gewicht hinzu, das weit über die sehr leistungsfähigen bestehenden mechanischen Verbindungen hinausgeht, die bei mehrmotorigen Hubschraubern nicht eliminiert werden können.

    • Komplex, schwer und frisst internes Volumen ohne Vorteile
Ein weiterer wichtiger Aspekt für Eisenbahnlokomotiven ist, dass Gewicht eine gute Sache ist, da es die Traktion verbessert, aber nicht viel zusätzliche Energie benötigt, um es auf Rädern zu transportieren. Im Gegensatz dazu ist Gewicht in einem Hubschrauber eine schlechte Sache – jedes zusätzliche Pfund Motor, das die Leistung nicht verbessert, kostet ein Pfund Nutzlast.
Ja, absolut, die Masse einer Lokomotive trägt dazu bei, die maximale Kraft zu erhöhen, die auf ein Rad ausgeübt werden kann, bevor es durchrutscht, was tatsächlich beim Beschleunigen und Bremsen hilft. Was etwas kontraintuitiv ist und kein Problem für die Leistungsfähigkeit einer Lokomotive darstellt, da Platz und Gewicht kein Problem darstellen und es auch keine Auswirkungen auf die Zwangszufuhr von Luft zu den Wärmetauschern, Ladeluftkühlern und Lastbänken gibt sinken Strom von Bremsen. Hohe Energie ist platz- und gewichtsintensiv, was Helikopter auch empfindlich sind.
Interessant, mir war nicht klar, dass ein schwerer Helikopter ungefähr so ​​stark ist wie eine Lokomotive!

Eine Sache, die ich in anderen Antworten noch nicht angesprochen sehe:

Der Grund für dieselelektrische Systeme ist, dass Dieselmotoren (eigentlich alle ICE-Motoren) nur bei bestimmten Drehzahlwerten effizient sind. Bei Straßenfahrzeugen, die viel beschleunigen und abbremsen, bedeutet dies, dass Ihr direkt verbundener Motor die meiste Zeit nicht effizient arbeitet. Um dieses Problem zu lindern, können Sie entweder ein ausgefallenes Getriebe (z. B. Doppelkupplung oder CVT - oder sogar ein normales Getriebe) oder einen Generator und einen Elektromotor haben: Dies ist ein sehr praktisches "Getriebe" seit Elektronen sind so einfach zu manipulieren. Einige (Prototyp-)Hybridautos verwenden dieses System ebenfalls.

Hubschrauber arbeiten fast immer mit einer festen Drehzahl , die vom Regler festgelegt wird. Das bedeutet, dass Sie den verwendeten Motor mit einem einfachen Getriebe mit festem Gang einfach mit der besten Drehzahl laufen lassen können. Tatsächliche Variationen des Auftriebs werden mit der Blattsteigung und nicht mit der Motordrehzahl erreicht. Der springende Punkt, ein elektrisches System zu haben (das nur ein sehr schickes Getriebe wie eine Art CVT ist), wird dann negiert, weshalb dieses System niemals sowohl in Propeller-Starrflügeln als auch in Hubschraubern verwendet wird.

Das Gleiche gilt für dieselelektrische Züge. Ich bin sicher, dass die Motordrehzahl eines Reisezuges auch nahezu konstant ist. Die eigentliche Frage ist, ist ein typischer Turbowellenmotor bei der für einen Hubschrauber erforderlichen Drehzahl am effizientesten? Wenn ja, dann verliert ja die dieselelektrische Idee an Anreiz.
Ich stimme DrZ214 zu, diese Art von System wird bereits untersucht und in Starrflügelflugzeugen verwendet (die nicht alle feste Drehzahlen haben). Ich denke nicht, dass Ihr Standpunkt völlig falsch ist, ich stimme nur nicht allen Behauptungen zu.
@foot, der Sinn von Hybrid ist, dass sich eine Batterie im Stromkreis befindet. Viel einfacher im Starrflügler, da sie ein geringeres Schub-/Gewichtsverhältnis benötigen.
@JanHudec ja, aber der letzte Satz scheint alle Propeller- / Hubschrauberfahrzeuge in einen Topf zu werfen und zu sagen, dass sie ihn niemals benutzen werden, wo ich anderer Meinung bin.
@DrZ214. Der Reisezug hat eine nahezu konstante Drehzahl. Aber Züge haben Gleitlager (weil sie zu schwer für Wälzlager sind), die mit achsgetriebenen Pumpen geschmiert werden. Wenn der Zug also anhält, fällt der Öldruck ab, das Öl wird herausgedrückt und die Haftreibung ist viel höher als beim Rollen. Zugmotoren benötigen also ein hohes Drehmoment aus dem Stillstand, und darin sind Elektromotoren großartig.
Das einzige, was ich in dieser interessanten Diskussion vermisse: Ein Hubschraubergetriebe ist mehr als ein „einfaches Getriebe“. Es muss eine sehr hohe Übersetzung haben (zumindest bei Turbowellenhelis) und es ist eine Richtungsänderung von 90 Grad erforderlich. Da es sich um ein kritisches Teil handelt, ist es auch ziemlich schwer und teuer. Es gibt also einen Grund, nach einer Alternative Ausschau zu halten, auch wenn die Elektromechanik den Anforderungen möglicherweise nicht gerecht wird. Hydraulik vielleicht?
Beachten Sie, dass die Lasteigenschaften eines Hubschraubers und einer Lokomotive sehr unterschiedlich sind. Ein Hubschrauber hat hohe Drehmomentanforderungen, wenn es um die zum Starten des Fluges erforderliche Rotordrehzahl geht. Während das von einer Lokomotive benötigte Drehmoment abfällt, wenn sie eine höhere Geschwindigkeit erreicht, ist das erforderliche Drehmoment im Vergleich zum Rollen gering. Der Hauptrotor eines Hubschraubers ist für den Betrieb mit maximaler Geschwindigkeit ausgelegt, was normalerweise mit Kompromissen bei der Spitzengeschwindigkeit zusammenhängt? Das Aufrechterhalten dieser Betriebsdrehzahl ist ein sehr hohes verfügbares maximales Drehmoment. Es fällt nicht wirklich ab, wenn es in den Reiseflug geht.
@JanHudec Whoa, das wusste ich noch nie über Züge. Ich bin mir nicht einmal sicher, ob ich deinen Kommentar bis jetzt überhaupt gesehen habe. Ich wünschte, es gäbe eine Trains.SE, damit ich Sie all diese Dinge fragen könnte.

Vorteile der Verwendung eines elektrischen Antriebsstrangs mit Dieselmotoren sind:

  1. Hohes Drehmoment ab 0 U/min. Das ist bei Zügen extrem wichtig, denn Züge haben auf den ersten Metern, bevor die radgetriebenen Ölpumpen es schaffen, die Lager ausreichend zu schmieren, eine viel höhere Rollreibung. Dieselzüge, die einen mechanischen Antriebsstrang verwenden, haben sogar oft zusätzliche kurzfristige Energiequellen wie Dampfturbinen, um dabei zu helfen.

    Beachten Sie, dass dieser Grund auch für Autos gilt, die Dieselmotoren verwenden, aber mit mechanischen Antriebssträngen. Und für Hubschrauber brauchen sie nicht einmal ein Getriebe, weil sie den Rotor ohnehin mit konstanter Drehzahl laufen lassen.

  2. Batterien können problemlos mitgeliefert werden. Dies ist wichtig für U-Boote, da sie Dieselmotoren nicht unterhalb der Periskoptiefe betreiben können, da sie viel Sauerstoff benötigen (in Periskoptiefe können sie Schnorchel verwenden). Aber das ist spezifisch für U-Boote.

    Andere Fahrzeuge können dies ebenfalls verwenden, zum Beispiel Hybridautos verwenden es, um eine höhere Spitzenleistung mit einem kleineren Motor zu erzielen, der effizienter laufen kann. Aber Helikopter brauchen ziemlich konstante Leistung, also haben sie auch nicht viel Verwendung dafür.

Hubschrauber mit Dieselmotor sind also möglich, und Airbus Helicopters arbeitet zumindest daran, aber der elektrische Teil hat einfach keinen Nutzen. Die gab es bisher nicht, weil Dieselmotoren zu schwer waren, aber sie werden so leicht, dass sie in Zukunft einsetzbar sein sollten.

Wenn Sie sagen „die werden leicht genug“, sprechen Sie von Dieselmotoren wie in einem Lkw, also von einem Kolbenmotor? Oder sprechen Sie von einem Turbowellenmotor, der mit Dieselkraftstoff betrieben wird?
@DrZ214, „Dieselmotor“ bedeutet Kolbenmotor mit Selbstzündung, und davon spreche ich. Turbinen, die mit Dieselkraftstoff betrieben werden, wären nicht bemerkenswert, weil sie alle tun – Düsentreibstoff ist im Grunde dasselbe wie Autodiesel mit strengeren Reinheitsgrenzen (und Flugdieselmotoren werden normalerweise mit Jet-A/Jet-A1 betrieben).
@JanHudec: Düsentreibstoff ist Kerosin, kein Diesel.
@ Sean, Standard-Dieselkraftstoff für Kraftfahrzeuge ist etwas schwerer als Jet-A1, aber die Bereiche überschneiden sich und keiner der Motoren kümmert sich sowieso zu sehr darum.
Gab es jemals einen dieselelektrischen Hubschrauber?
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