Warum sind die Höchstgeschwindigkeiten bei Strahltriebwerken höher als bei Propellern?

Der Schub eines Propellers ist proportional zum Kehrwert der Fluggeschwindigkeit, während der Schub eines reinen Turbojets im Unterschallbereich über der Fluggeschwindigkeit ungefähr konstant ist. Das bedeutet, dass zwei Flugzeuge mit gleichem Standschub, eines mit Propellerantrieb und das andere mit Düsenantrieb, sehr unterschiedliche Höchstgeschwindigkeiten erreichen.

Und nein , Kolbenmotoren sind effizienter .

Ein Kolbenmotor erzeugt ein konstantes Drehmoment $\tau$, unabhängig von der Geschwindigkeit. Dieses Drehmoment treibt den Propeller an, der Arbeit leistet$W$pro Zeiteinheit auf die durchströmende Luft. Diese Arbeit pro Zeiteinheit ist Leistung$P$und proportional zum Produkt aus Drehmoment und Propellerdrehzahl$\omega$, die wiederum über der Fluggeschwindigkeit konstant ist$v$. Die Antriebsleistung des Flugzeugs ist das Produkt aus Schub und Fluggeschwindigkeit und entspricht Motorleistung mal Propellerwirkungsgrad$\eta_{Prop}$. Wenn die Fluggeschwindigkeit steigt, muss der Schub proportional sinken, damit die Leistung konstant bleibt.

Turbojets hingegen profitieren von der Fluggeschwindigkeit, da der Einlass die Luft vorverdichtet, wenn sie vor und im Einlass langsamer wird. Diese Vorverdichtung hebt das Druckniveau des gesamten Triebwerks an, so dass es mit zunehmender Drehzahl einen erhöhten Massenstrom erfährt, wodurch ein höherer Schub entsteht. Dieser Effekt an sich würde den Schub proportional zum Quadrat der Fluggeschwindigkeit erhöhen, aber der gleiche Effekt, der den Schub eines Propellers reduziert, wirkt sich auch auf einen Turbojet aus. Dieser Effekt ist jedoch weniger stark ausgeprägt, da der Strahl weniger Luft auf eine höhere Geschwindigkeit beschleunigt und beide sich in etwa aufheben.

Turbofans ähneln eher Propellermotoren, daher sinkt hier der Schub über der Fluggeschwindigkeit, und dies umso mehr für höhere Bypass-Verhältnisse . Turboprops sind noch näher an kolbengetriebenen Propellern, sodass ihr Schub mit zunehmender Geschwindigkeit noch stärker abfällt. Dies bedeutet, dass die Geschwindigkeit, bei der der Luftwiderstand dem Schub entspricht, abnimmt, wenn Sie von Turbojets zu Turbofans und weiter zu Turboprops wechseln, und bei Propellerflugzeugen mit Kolbenantrieb am niedrigsten ist.

Ich möchte anschaulich veranschaulichen, warum Propeller nicht für Hochgeschwindigkeitsflüge geeignet sind.

Betrachten wir zunächst einen Propeller mit variabler Steigung , der an einem leistungsfähigen Motor montiert ist.

Wenn Sie die beiden Skizzen studieren, die ich oben gezeichnet habe, werden Sie feststellen, dass sich die Schubrichtung mit zunehmender horizontaler Geschwindigkeit (rechtes Bild) trotz des erhöhten Luftstroms und des lokalen Auftriebs am Blatt von vorne wegbewegt.

Dies wird in vielen Lehrbüchern fälschlicherweise als "einen größeren Biss nehmen" bezeichnet, aber wie Sie sehen können, ist es derselbe Biss (Anstellwinkel).

^{Abbildung 11-8, FAA Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge}

Je schneller Sie also einen Propeller fliegen, desto geringer ist der Vorwärtsschub, sodass Sie nicht schneller fahren können. Die obige Grafik zeigt T _A (verfügbarer Schub) für einen Propeller, der abnimmt, je schneller das Flugzeug fliegt.

Ein weiterer Faktor ist, wenn Sie so schnell wie die Spitzengeschwindigkeit des Propellers fliegen – sagen wir Mach 0,75 (eine Boeing 737 Classic im Reiseflug) – fliegt das Tragflächenprofil jedes Blattes viel schneller als Ihre Vorwärtsgeschwindigkeit (vergleichen Sie die Hypotenuse mit den vertikalen / horizontalen Seiten). im obersten Bild).

Der Luftstrom um das Schaufelblatt wird Überschall sein. Gerade Flügel (und Blätter) sind bei Überschallgeschwindigkeiten nicht gut (zu viel unangenehmer Luftwiderstand).

Nehmen wir an, wir lassen bei einem Festpropeller ein Flugzeug mit Festpropeller mit hoher Geschwindigkeit von einem Mutterschiff fallen. Der Luftstrom trifft auf die Oberfläche der Propellerscheibe und erzeugt einen Rückwärtsschub – wodurch das Flugzeug effektiv rückwärts angetrieben wird.

Es ist am besten, wenn die Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeugs verhindert, dass sich die Propellerscheibe der Schallmauer nähert, und nicht dazu führt, dass der Schub zu weit von vorne weg gerichtet ist.

Bei einem Turboprop ist der begrenzende Faktor bis zu einem gewissen Grad die Effizienz des Propellers, nicht der Motor. Im Laufe der Jahre gab es eine Reihe von Versuchen mit sehr schnellen Turboprops, wobei der schnellste am ehesten zum XF-84H Thunderscreach ging , aber in allen Fällen wurde der Propeller zum limitierenden Faktor.

Zunächst einmal, um in dem von Ihnen erwähnten Geschwindigkeitsbereich mit einem Propeller in brauchbarer Größe in Gang zu kommen, werden Ihre Spitzen Überschallgeschwindigkeit erreichen, was Probleme in sich birgt. Der XF-84H litt darunter und Sie können nachlesen, warum das ein Geräuschproblem war.

Zusätzlich zum Lärmproblem wird es einfach effizienter, einen Jet bei diesen Geschwindigkeiten zu verwenden, so dass es in der Praxis das Kraftwerk der Wahl ist. Viele der heutigen Top-Preforming-Turboprops erreichen leicht die Geschwindigkeit von leichten Jets.