Ich versuche herauszufinden, WARUM Turboprops bei niedrigeren Höhen und Fluggeschwindigkeit effizienter sind, während Turbofans bei höheren Geschwindigkeiten und größerer Höhe besser sind.
Vereinfacht gesagt ist meine Erklärung folgende:
Der Gasturbinenteil von Turboprop- und Turbofan-Triebwerken ist im Grunde gleich, daher müssen BEIDE von der zunehmenden Höhe profitieren.
Da die TAS jedoch auch mit der Höhe zunimmt, beginnen Turboprops an den Propellerspitzen Überschalleffekte (Stoßwellen) zu erfahren, was ihre Obergrenze begrenzt.
Ist diese Erklärung richtig? Welche Formeln können es unterstützen? Warum ist Turbofan in geringeren Höhen weniger effizient als Turboprop?
Danke.
Turboprops sind effizienter, weil sie mehr Luft durch weniger beschleunigen, um den Schub zu erzeugen, und daher die Luft weniger Energie wegträgt, da die kinetische Energie proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist. Dies gilt in allen Höhen.
Kein Motor profitiert von der Höhe. Sie profitieren etwas von den kälteren Temperaturen in der Höhe, da der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine proportional zum Verhältnis zwischen hoher und niedriger absoluter Temperatur ist. Der Hauptvorteil des Höhenflugs besteht jedoch darin, dass der Luftwiderstand proportional zur Dichte ist, sodass das Flugzeug in der weniger dichten Luft in der Höhe mit dem gleichen Schub schneller fliegt. Dies gilt für beide Motortypen.
Der Hauptunterschied besteht darin, dass Turboprops durch die wahre Fluggeschwindigkeit begrenzt sind, denn wenn die Propellerspitzen nahe genug an die Schallgeschwindigkeit herankommen, beginnen sich Stoßwellen zu bilden, die einen massiven Luftwiderstand (und viel Lärm) erzeugen und die Effizienz schnell abnimmt. Im Gegensatz dazu modifiziert der Einlass eines Turbofans das Druckfeld um ihn herum, so dass die Luft unabhängig von der Geschwindigkeit des Flugzeugs immer mit der gleichen Geschwindigkeit auf den Fan trifft und stattdessen die zusätzliche Geschwindigkeit in Druck umwandelt. Daher behalten Turbofans ihre Effizienz bis zu höheren wahren Fluggeschwindigkeiten bei.
Da die geringe Dichte in großen Höhen auch die wahre Strömungsabrissgeschwindigkeit erhöht, erzeugt die wahre Fluggeschwindigkeitsbeschränkung von Turboprops auch eine Höhenbeschränkung.
Für kurze Strecken, bei denen die Entfernung nicht ausreicht, um so hoch zu klettern, ist die höhere Effizienz von Turboprops besser und es werden Turboprops verwendet. Aber für längere Strecken, auf denen Sie über etwa 30.000 Fuß aufsteigen und den größten Teil der Strecke dorthin fliegen können, gleicht die Effizienzsteigerung aufgrund der geringeren Dichte und der daraus resultierenden höheren wahren Fluggeschwindigkeit die geringere Effizienz der Turbofan-Triebwerke aus und sie werden besser.
Außerdem reduziert das schnellere Fliegen andere Kosten. Auf kurzen Strecken verbringt das Flugzeug einen größeren Teil der Zeit am Boden beim Be- und Entladen und Auftanken, sodass schnelleres Fliegen weniger Auswirkungen hat und Sie den Treibstoffverbrauch minimieren möchten. Aber für längere Strecken bedeutet schnelleres Fliegen, dass das Flugzeug mehr Flüge in einer bestimmten Zeit und die Besatzungen mehr Flüge machen kann und daher die Fixkosten sich auf mehr Passagiermeilen verteilen, wodurch es sich lohnt, schneller zu fliegen, auch wenn es bedeutet, dass es etwas mehr Treibstoff verbraucht . Das wiederum erfordert die Verwendung von Turbofan-Triebwerken.
Mit abnehmender Etappenlänge spielt die maximale Reisegeschwindigkeit bei 39.000 Fuß eine immer geringere Rolle bei der Bestimmung der Gate-to-Gate-Dauer, da normalerweise nicht genug Zeit bleibt, um auf diese Höhe zu steigen und dann mit einem Pendlersprung wieder abzusteigen.
Dies bedeutet, dass es ein praktikables Flugprofil gibt, das einen Aufstieg auf eine niedrigere Höhe und einen Reiseflug mit niedrigerer Geschwindigkeit beinhaltet, der in unmittelbarer Nähe der Gate-to-Gate-Dauer eines schnelleren Flugzeugs liegt, das in einer viel höheren Höhe fliegt.
Dies ist die Domäne der Turboprops.
Manuel H