Warum ist der Tu-95 so effizient, obwohl er Propeller hat, die sich schneller drehen als die Schallgeschwindigkeit?

Ich habe viele, viele Male darauf hingewiesen, dass Propeller in der Nähe der Schallgeschwindigkeit nicht effizient sind, weil es so schwierig ist, eine Spitzengeschwindigkeit über Mach 1 zu erreichen.

Dann bin ich auf das gestoßen:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es ist der Tu-95 „Bear“ , ein Propeller-getriebener Bomber, dessen Blattspitzen sich tatsächlich schneller als die Schallgeschwindigkeit bewegen. Dies ist das einzige Propellerflugzeug, das ich je gesehen habe, dessen Blattspitzen dies tun. Es gab sogar Berichte, dass die SONARs von U-Booten es aus großer Entfernung hören konnten, weil diese Überschall-Blattspitzen so laut waren.

Und das Flugzeug hat eine Reichweite von 15.000 km. Das ist ziemlich gut, auf Augenhöhe mit den heutigen großen Verkehrsflugzeugen.

Wie können Propeller bei Überschallgeschwindigkeit sehr ineffizient sein, aber so etwas kann nur mit Propellerkraft gebaut werden?

Bearbeiten: Hier ist der Hauptpunkt meiner Frage: Es scheint, dass mir "mein ganzes Leben lang" gesagt wurde, "Propeller sind bei Überschallspitzengeschwindigkeiten nicht effizient, und dies hat die Industrie zur Jet-Power getrieben." Und doch ist hier dieses offensichtliche Gegenbeispiel, der Tu-95. Wie ist das möglich? Was vermisse ich?

Hier ist eine etwas verwandte Frage, in der es darum geht, ob Hubschrauberblätter regelmäßig Überschall erreichen. Das ist ein weiterer Punkt, den ich schon oft gehört habe: Heli-Blades tun das nicht, weil sie dadurch sehr ineffizient würden. Ich gehe davon aus, dass die Rotoren effektiv denselben Effizienzgesetzen unterliegen wie ein Propeller für ein Starrflügelflugzeug.

Bearbeiten: Die B-52 wurde im Vergleich erwähnt, hier sind einige Zahlen:

Modell Kraftstoffkapazität [l] Beladenes Gewicht [kg] Reichweite [km] B-52 181 , 610 120 , 000 16 , 230 Tu-95 95 , 000 171 , 000 fünfzehn , 000

Dies sagt mir, dass der Tu-95 sehr viel effizienter ist, weil er deutlich mehr Gewicht und deutlich weniger Kraftstoffkapazität hat, aber ungefähr die gleiche Reichweite hat.

FWIW, es war das US-amerikanische SOSUS-System, en.wikipedia.org/wiki/SOSUS , das die "Bären" erkennen konnte, nicht unbedingt einzelne U-Boote ...
Große Reichweite bedeutet nicht unbedingt, dass es effizient ist. Es ist als Langstreckenbomber (interkontinental) konzipiert, daher ist es sinnvoll, dass es eine große Reichweite hat. Die US B-52 aus dem gleichen Zeitraum hat mit 8.760 Seemeilen (16.230 km) eine etwas höhere Reichweite, obwohl sie deutlich schneller fliegt. Das bedeutet nicht, dass beide Flugzeuge unbedingt treibstoffeffizient waren.
@reirab Ich habe das OP mit diesem Beispiel bearbeitet. Wenn überhaupt, macht dies den Tu-95 viel effizienter.
@ROIMaison danke, dass du gezeigt hast, wie man die Daten in eine Tabelle einfügt, aber bitte sei in Zukunft vorsichtiger, da die Zahlen für B-52 und Tu-95 verwechselt wurden. Ich habe sie wieder getauscht.
Meine Erwähnung der B-52 diente nur dazu, darauf hinzuweisen, dass Reichweite nicht Effizienz bedeutet, ganz zu schweigen davon, dass die B-52 effizienter war.
Der XF-84H Thunderscreech hatte auch einen Überschallpropeller.
@Compro01 Okay, das macht 2, die ich kenne, und 1, das in Produktion gegangen ist.
Das Kolbenmotor-Etikett ist fehlerhaft, da ich glaube, dass der Tu-95 Turboprop-Motoren verwendet.
Der Bär ist extrem laut. Ich verstand, dass das Geräusch von den gegenläufigen Propellern herrührte. Jedes Blatt an einem Propeller erzeugt eine kleine Schockwelle. Bei gegenläufigen Propellern schneiden die Stoßwellen der nachlaufenden Schraube die Stoßwellen der vorlaufenden Schraube. Wenn Sie 4 Blätter an jeder Stütze haben, treten 4 solcher Schnittpunkte gleichzeitig auf, 4x / Umdrehung. Das summiert sich zu extremen Geräuschpegeln. Eine unterschiedliche Anzahl von Blättern zwischen den beiden Stützen würde zu einer niedrigeren Amplitude (keine gleichzeitigen Schnittpunkte) und einer höheren Frequenz (möglicherweise über dem menschlichen Hörbereich) führen.
@ Meower68 nicht nur, weil sie gegenläufig rotieren, sondern die Spitzen erzeugen Überschallwirbel, die selbst schon ziemlich laut sind.
Diese Vergleichszahlen sehen sehr seltsam aus. Ich denke, die Spalte „Geladenes Gewicht“ versucht, zwei verschiedene Elemente zu vergleichen: Für den B-52 sind 120 t das Gewicht mit Nutzlast, aber ohne Kraftstoff, für den Tu-95 scheint es umgekehrt zu sein (Kraftstoff, aber keine Nutzlast). . Auch die B-52-Zahlen stimmen nicht: Sie könnte nur 181 kl Treibstoff transportieren, wenn sie keine Bomben hätte. 181 kl Kraftstoff wiegen 140 t, bei einem beladenen Gewicht von 120 t und einer vollen Kraftstoffladung würden Sie am Ende weit über dem angegebenen MTOW liegen.

Antworten (3)

Ja, Propeller haben Probleme bei hohen Geschwindigkeiten, aber wenn sie richtig gemacht werden, haben sie bei Geschwindigkeiten bis zu Mach 0,8 immer noch einen Vorteil gegenüber Turbofans. Schauen Sie sich die inneren Triebwerksgondeln der Tu-95 an: Sie sind länglich und dicker hinter der Hinterkante. Dies geschah, um das Fahrwerk darin zu verstauen, aber auch um das Flugzeug zu regeln. Die Tu-95 wendet Erkenntnisse an, die nur im frühen Jet-Zeitalter gewonnen wurden. Das erklärt natürlich auch den Pfeilflügel.

Als nächstes werden gegenläufige Propeller verwendet , die sich sehr langsam drehen (nur 750 U / min). Dadurch, dass sich zwei koaxiale Propeller in entgegengesetzter Richtung drehen, wird der Wirkungsgrad bei hoher Geschwindigkeit verbessert. Der erste Propeller verwirbelt die Strömung vor, so dass die Strömungsverhältnisse am zweiten Propeller günstiger für die Schuberzeugung sind.

Die Spitzen der Lüfterblätter eines modernen Turbofans bewegen sich ebenfalls mit Überschallgeschwindigkeit, sodass die Überschallpropeller des Tu-95 keinen direkten Nachteil darstellen. Indem die relative Dicke des Blatts nahe der Spitze niedrig gehalten wird, kann die Widerstandszunahme auf einem tolerierbaren Niveau gehalten werden. Aber machen Sie keinen Fehler: Überschallströmung fügt Wellenwiderstand hinzu, und besonders um Mach 1 herum hat der Nullauftriebswiderstandsbeiwert von allem, was sich durch Luft bewegt, ein Maximum. Es würde den Tu-95 noch effizienter machen, wenn er mit einer niedrigeren Reisegeschwindigkeit fliegen würde, bei der die Propellerspitzen immer noch Unterschall sind, aber Tupolev wollte das Design auf die höchste nutzbare Reise-Mach-Zahl bringen.

Was Sie über Propeller und Jets gelernt haben, ist nicht falsch, aber es ist auch keine Schwarz-Weiß-Welt. Verkehrsflugzeuge verwenden Strahltriebwerke, um mit der höchstmöglichen Reisegeschwindigkeit zu fliegen, jedoch auf Kosten eines höheren Treibstoffverbrauchs. Würden sie sich auf niedrigere Geschwindigkeiten beschränken, ließe sich reichlich Sprit sparen . Diese Flüge würden aber zu wenige buchen, weil sie auf interkontinentalen Strecken merklich länger dauern. Beachten Sie, dass Turboprops immer noch im regionalen Flugverkehr eingesetzt werden und selbst die Regionaljets niedrigere Fluggeschwindigkeiten haben als die Interkontinentaljets.

Nun zu den Wirkungsgraden der Motortypen:

  1. Kolbenmotoren sind die sparsamsten Flugmotoren. Ihr Nachteil ist eine konstante Leistungsabgabe über der Geschwindigkeit, sodass der Schub umgekehrt zur Geschwindigkeit ist. Dies hilft beim Beschleunigen beim Start, begrenzt aber die Höchstgeschwindigkeit. Ein moderner Kolbenmotor verbraucht 240 g Kraftstoff für die Bereitstellung von 1 kW Leistung in einer Stunde: 240 g/kW-h. Dieselmotoren verbrauchen nur 220 g/kW-h. Diese Zahl gilt bereits für den alten Jumo 205 , einer der ersten Flugdieselmotoren, der vor 80 Jahren in Betrieb war.
  2. Als nächstes folgen Turboprop-Triebwerke, deren Leistung aufgrund des Staudrucks etwas über der Drehzahl zunimmt (was den Innendruck im Triebwerk bei Mach 0,8 um ca. 30 % erhöht). Ihr leistungsspezifischer Verbrauch liegt bei etwa 300 g/kW-h , nimmt aber mit zunehmender Größe ab, sodass sich die größten Turboprops dem Wirkungsgrad von Kolbenmotoren annähern.
  3. Düsentriebwerke sind weniger effizient als beide, eignen sich aber besser für schnelles und hohes Fliegen. Ihr Schub fällt mit zunehmender Geschwindigkeit noch weniger ab, daher ist die bessere Grundlage für den Ausdruck des Verbrauchs der Schub, nicht die Leistung. Der typische Treibstoffverbrauch eines modernen Strahltriebwerks ( GE-90 ) beträgt 30 Gramm Treibstoff pro Newton Schub über eine Stunde (30 g/Nh) im stationären Betrieb und doppelt so viel im Reiseflug bei Mach 0,85. Moderne Militärstrahltriebwerke erreichen beim Start 80 g/Nh und haben einen ungefähr konstanten Schub und spezifischen Verbrauch über der Geschwindigkeit . Da die meisten Innovationen heutzutage an Turbofans stattfinden, nähern sich die modernsten Turbofans wieder dem Wirkungsgrad von Kolbenmotoren, aber wenn Sie denselben technologischen Standard vergleichen, sind sie weniger effizient als ihre Zeitgenossen mit Kolben und Turboprop.

In allen Fällen wird Schub erzeugt, indem eine Luftmasse rückwärts beschleunigt wird. Die allgemeine Gleichung für die Antriebseffizienz η ist

η = v ∞ v ∞ + Δ v 2 ,
wo Δ v ist die Geschwindigkeitszunahme der Luftmasse aufgrund dieser Beschleunigung. Diese Formel zeigt, dass es besser ist, eine große Luftmasse nur wenig zu beschleunigen als eine kleinere Masse stark. Propeller tun dies und bieten daher den besten Wirkungsgrad. Turboprops verwenden weniger effiziente, aber leichtere Gasturbinen zur Energieerzeugung, behalten aber den effizienten Propeller bei. Zivile Turbofans versuchen, die Luftmasse durch Erhöhen ihres Bypass-Verhältnisses zu erhöhen , und nur das Militär verwendet die am wenigsten effizienten Typen mit Bypass-Verhältnissen unter 1, weil sie bei Überschallgeschwindigkeit die beste Wahl sind.

Unten sehen Sie ein Diagramm des schubspezifischen Kraftstoffverbrauchs im Reiseflug verschiedener Triebwerkstypen über ihrem Nebenstromverhältnis. Der umgekehrte Zusammenhang ist leicht ersichtlich.

Darstellung des schubspezifischen Kraftstoffverbrauchs über dem Bypass-Verhältnis

Auftragung des schubspezifischen Treibstoffverbrauchs in lb Treibstoff pro lb Schub pro Stunde verschiedener Triebwerke über dem Logarithmus ihres Nebenstromverhältnisses ( Bildquelle ).

Um einen Vergleich zwischen Kolben- und Turbofan-Triebwerken zu ermöglichen, vergleichen wir den Kraftstoffverbrauch beim Start. Die Formel für den statischen Schub eines Propellers lautet

T 0 = P 2 ⋅ η P r Ö p 2 ⋅ π ⋅ d P 2 ⋅ ρ 3 ,
wo P ist die Wellenleistung, d p der Propellerdurchmesser u ρ die Luftdichte. Für unser Beispiel verwenden wir einen Vierblattpropeller mit 3,4 m Durchmesser und einen Motor mit 1111 kW Leistung. Sein Standschub beträgt 10,727 kN, wenn wir normale atmosphärische Bedingungen und einen Propellerwirkungsgrad von 85 % annehmen. Der Treibstoffdurchsatz wird 266,6 kg pro Stunde betragen, und bezogen auf den Schub beträgt dieser 24,8 g/Nh oder nur 80 % eines modernen Turbofans.

Ich frage mich, ob selbst die Enthusiasten erraten könnten , welches Flugzeug ich benutzt habe , weil ich es verschleiert habe, indem ich diese ungewohnten metrischen Einheiten verwendet habe. Ich denke, niemand wird argumentieren, dass es nicht für schnelle Flüge optimiert ist, daher sollte dieser Vergleich auch für die Tu-95 gelten, für die ich weniger Daten zur Verfügung habe.

Hier folgt die geforderte Erweiterung der Propellerspitzengeschwindigkeiten. Dank des hervorragenden Kommentars von @JanHudec bleibt nicht viel zu sagen: Der Propellerdurchmesser beträgt 5,6 m und ihre Drehzahl beträgt 750 U / min, also die Umfangskomponente 5.6 ⋅ π ⋅ 750 / 60 = 220 m / s . Hinzu kommt die Reisegeschwindigkeit von Mach 0,67 (von dieser Seite – andere nennen ziemlich unglaubliche Zahlen) in der Höhe, wo die Schallgeschwindigkeit 295 m/s beträgt. Mach 0,67 entspricht dort 197,65 m/s, und die Vektoraddition ergibt 295 m/s für die Propellerspitzen, genau Mach 1,0. Dies bedeutet, dass der Propeller über seine gesamte Spannweite Unterschall ist.

Aber die Höchstgeschwindigkeit ist um einiges höher. Dank der hervorragenden Arbeit von Ferdinand Brandner und seinem Team in den fünfziger Jahren leisteten die NK-12-Motoren damals bereits 12.000 PS, und ihre Leistung wurde seitdem auf 14.795 PS gesteigert. Dies ermöglicht eine Höchstgeschwindigkeit von Mach 0,82, und jetzt liegt die Spitzengeschwindigkeit bei 327 m/s oder Mach 1,08 – leichtem Überschall. Das bedeutet, dass die äußeren 30 % des Propellers einer Überschallströmung ausgesetzt sind.

Ich kann keine Quelle für die Reichweitenzahlen finden, die Sie in Ihrer Frage angeben. Ich beziehe mich noch einmal auf diese Seite : Es sind 7.800 Meilen oder 12.552 km bei einer Reisegeschwindigkeit von 400 Knoten oder 179 m/s, was Mach 0,606 in der Höhe entspricht, was Mach 0,96 für die Propellerspitzen ergibt. Daher scheint es, dass die beste Reichweite mit Unterschall-Propellerspitzen erreicht wird.

Vielen Dank für diese Daten, aber könnten Sie bitte mehr über die Propellerspitzengeschwindigkeit hinzufügen? Ich habe das OP bearbeitet, um zu betonen, dass Überschallspitzengeschwindigkeiten angeblich sehr ineffizient sind, und daher kommt meine Frage. Seien Sie bitte auch vorsichtiger, wenn Sie meine Daten in eine Tabelle bearbeiten. Die Tu-95 und B-52 hatten Zahlen verwechselt; Ich habe sie wieder getauscht.
@ DrZ214: Ich habe Ihre Frage nicht bearbeitet; Ich hatte mit meiner Antwort alle Hände voll zu tun.
Hoppla. Wo finde ich den Revisionsverlauf? oder habe ich dieses Privileg schon? Ich bin noch neu auf der Seite.
@ DrZ214 Am Ende Ihrer Frage befindet sich ein Link mit der Aufschrift "vor x Minuten / Stunden bearbeitet". Wenn Sie darauf klicken, wird Ihnen der vollständige Revisionsverlauf angezeigt.
@reirab ok danke, ich denke ich werde in zukunft vorsichtiger sein.
750 U/min/60*2*pi=78,5 Radianten pro Sekunde. (334 m/s) / (78,5 rad/s) = 4,25 m Propellerradius. Das scheint für die Spannweite von 50,10 m hier nicht richtig zu sein. en.wikipedia.org/wiki/Tupolev_Tu-95 Wenn 4,25 m richtig wären, wäre der kombinierte Durchmesser aller Propeller 4,25 * 8 = 34 m oder 34/50,10 = 68% der Spannweite. Das scheint nicht der Fall zu sein.
@steveverrill, vermutlich wären die 334 m / s die Gesamtgeschwindigkeit der Propellerspitzen einschließlich der Vorwärtskomponente (woher hast du die Zahl, ich sehe sie weder in der Antwort noch im Wiki und es ist keine Geschwindigkeit von Geräusch, das bei FL350 nur etwa 300 m/s beträgt). Bei maximaler Geschwindigkeit 255 m/s die orbitale Komponente 334 2 − 255 2 beträgt nur 217 m/s und 217/78,5 nur 2,76 m.
„Dieselmotoren verbrauchen nur 200 g/kW-h“ Pfft. Volkswagen kann deutlich weniger verbrauchen! Oh, Moment mal...
@JanHudec 1. Je nach Bedingungen gibt es viele verschiedene Werte für die Schallgeschwindigkeit in den niedrigen 300ern. Der Wikipedia-Artikel zur Schallgeschwindigkeit gibt 343,2 m/s an. Es ist möglich, dass ich die Ziffern versehentlich vertauscht habe. 2. Die Frage besagt eindeutig, dass sich die Spitzen schneller als die Schallgeschwindigkeit "drehen". Ich hatte das Gefühl, dass etwas nicht stimmte, wurde neugierig und überprüfte es. In jedem Fall sind sie einige riesige Propeller.
@steveverrill, Schallgeschwindigkeit ist eine Funktion der Temperatur. Bei durchschnittlicher (ISA) Temperatur bei FL350 beträgt die Schallgeschwindigkeit 301 m/s. Viel tiefer geht es nicht, denn die Temperatur nimmt nur bis zur Tropopause ab und die ist nicht viel höher. Aber natürlich ist der wichtige Punkt, dass die Spitzen Überschall sind, wenn die Vorwärtsgeschwindigkeit hinzugefügt wird.
Kolbenmotoren sparsamer als Turbinenmotoren? Das kann nicht stimmen: Hubkolbenmotoren sind in der Regel halb so effizient wie Turbinenmotoren. Sie müssen etwas anderes sagen wollen oder eine kritische Einschränkung ausgelassen haben.
@feetwet: Ein Kolben, der sich in einem Zylinder bewegt, ist ein ziemlich effizienter Kompressor. Vielleicht solltest du an deinen Vorurteilen arbeiten.
Gute Antwort. Nur ein kurzer Kommentar: Ich denke, der genaue Begriff lautet gegenläufige Requisiten , nicht gegenläufig
@BenSchwehn: Ja, das habe ich übersehen. Auch den obligatorischen Wikipedia-Link hinzugefügt. Danke für Ihre Hilfe!
Wie viel des Effizienzvorteils ist lediglich auf eine langsamere Reisegeschwindigkeit zurückzuführen?
@RobinBennett: Sie haben Recht, langsamer zu fliegen sollte unabhängig von Mach-Effekten helfen. Die Details hängen von der Flächenbelastung und der Reiseflughöhe ab, und ich würde erwarten, dass das Konstruktionsbüro von Tupolev das Design für Mach 0,7 optimiert hat (die wirtschaftliche Geschwindigkeit der Tu-114 war Mach 0,71) und die Mach 0,82-Fähigkeit nur für den Flug über feindliches Gebiet hinzugefügt hat. Bei gleicher Höhe würde eine um 15 % höhere Geschwindigkeit L/D nur um 8 % reduzieren.

Dies ist keine Tu-95-spezifische Antwort. Denken Sie daran, dass ein Propeller auf die gleiche Weise Kraft erzeugt wie ein Flugzeugflügel. Unterschall- und Überschallflügel erzeugen beide Auftrieb, verwenden jedoch sehr unterschiedliche Konstruktionsprofile. Ich würde mir den Propeller genau ansehen, um zu sehen, wie der Spitzenbereich gestaltet ist. Es kann diamantförmig sein, wie ein Überschalltragflächenprofil, oder es kann sehr flach sein, wobei die Funktion nicht der Auftrieb ist, sondern der Wirbelenergieverlust reduziert wird, wie bei neueren Verkehrsflugzeugen. Solange der Überschallteil des Propellers nicht das Profil eines Unterschallflügels hat, werden die unerwünschten Wirkungen nicht erzeugt.

Es ist eigentlich nicht ungewöhnlich, dass Spitzengeschwindigkeiten Überschall erreichen. Tatsächlich tut es fast jeder moderne Turbofan bei hohen Schubeinstellungen. Wenn Sie das nächste Mal ein Flugzeug nehmen, setzen Sie sich an einen Fensterplatz vor den Triebwerken, wo Sie die Lüfterflügel "sehen" können. Während des Starts hören Sie ein unverwechselbares Brummen des Lüfters. Das sind Eigenschaften von Überschallspitzengeschwindigkeiten. Sie werden auch feststellen, dass das neueste Design einen plötzlichen Rückwärtsschwung an den Klingen in der Nähe der Spitzen hat. Das dient der Schockabschwächung.

Warum ist der Tu-95 so effizient, obwohl er Propeller hat, die sich schneller drehen als die Schallgeschwindigkeit?
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