Warum überschreiten Turbofan-Blattspitzen die Schallgeschwindigkeit, während Propellerspitzen dies nicht sollten?

Es scheint, dass die Spitzen des Lüfters eines Turbofan-Triebwerks die Schallmauer durchbrechen können und tun:

Der GE-90 hat einen Lüfterdurchmesser von 3124 mm und eine Drehzahl von 3475 U/min. Ihre Umfangsgeschwindigkeit beträgt d·π·57,917 = 568 m/s oder Mach 1,67 auf Meereshöhe und ISO-Atmosphäre. Antwort von
Peter Kämpf

Während es bei einem Flugzeug mit Propellerantrieb eine schlechte Sache zu sein scheint, wenn die Propellerspitzen die Schallgeschwindigkeit überschreiten - Können Turboprop-Blätter die Schallmauer durchbrechen?

Warum ist das Überschreiten der Schallgeschwindigkeit in einer Situation akzeptabel, in der anderen jedoch nicht?

Die Schätzung von Mach 1,67 ist zu hoch, da sie die Tatsache ignoriert, dass der Luftstrom durch den Lüfter durch das Lüftergehäuse eingeschränkt wird. Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Schaufelspitzen und der Luft außerhalb des Lüftergehäuses ist irrelevant. Die Strömung durch den Lüfter ist zwar in manchen Situationen transsonisch, aber die höchste Machzahl liegt viel näher bei 1,0 als bei 1,67.
@alephzero Die Schaufelspitzen bewegen sich in einer Ebene, die (meistens) senkrecht zur Strömung durch den Motor steht. Es stimmt, dass die Strömung durch das Triebwerk normalerweise (wahrscheinlich immer in einem Nicht-Scramjet) Unterschall ist, aber das bedeutet nicht, dass die Blattspitzen relativ zur Luft, in der sie sich bewegen, Unterschall sind, da sie sich senkrecht bewegen zu besagtem Fluss. Damit die Luftgeschwindigkeit der Schaufelspitzen kleiner als ihre Rotationsgeschwindigkeit ist, müsste sich die Ansaugluft um die Turbinenachse drehen, bevor sie auf das Ansauggebläse trifft.

Antworten (4)

Kurze Antwort:

  • Turbofans benötigen Überschallgeschwindigkeit an den Spitzen der Fanschaufeln, um ihren hohen Schub zu erzeugen.
  • Turbofans können Überschallgeschwindigkeiten tolerieren, da der Einlass unabhängig von der Fluggeschwindigkeit konstante Strömungsbedingungen schafft.
  • Der Wirkungsgrad für Propeller und Fanschaufeln ist bei Unterschallströmungsbedingungen am höchsten.
  • Propeller können sich mit Überschallgeschwindigkeit drehen, aber da die Strömungsbedingungen weniger kontrolliert werden, ist die Strafe dafür viel höher als die Strafe für einen Lüfter.

Erläuterung

Es ist eine schlechte Sache, Überschall-Lüfterblattspitzen zu haben, genau wie Überschall-Propellerspitzen am besten vermieden werden. Aber bei Turbofans ist es ein lohnender Preis, denn die schnellere Spitzengeschwindigkeit bedeutet einen höheren dynamischen Druck, und der Druckunterschied zwischen beiden Seiten der Fanschaufel wächst mit dem Quadrat ihrer Geschwindigkeit. Dies ermöglicht die hohen Schubwerte moderner Turbofans.

Propellereffizienz über Geschwindigkeit

Propellereffizienz über Drehzahl ( Bildquelle ). Die Handlung für Lüfterblätter würde nicht viel anders aussehen. Das sehr dünne, ungekrümmte Profil eines Überschallpropellers und der zusätzliche Wellenwiderstand verringern die maximale Effizienz, halten aber die Effizienz bis in Überschallgeschwindigkeiten hoch.

Beachten Sie, dass sich der Propeller des XF-84H Thunderscreech mit Überschallgeschwindigkeit bewegte. Propellern ist nichts inhärent, was ihre Spitzen daran hindert, sich schneller als mit Schallgeschwindigkeit zu bewegen. Andererseits erfordert der große Durchmesser eines Propellers proportional mehr Drehmoment, um den Propeller gegen den Luftwiderstand der Überschallspitzen rotieren zu lassen. Somit erfordert ein Fan-Triebwerk weniger Drehmoment pro Schaufel, um Spitzengeschwindigkeiten von Überschall an den Fan-Flügeln zu erreichen.

Auch die Verkleidung eines Turbofan-Triebwerks trägt viel dazu bei, den Lärm von Überschallspitzen beherrschbar zu machen. Der Lärm des XF-84H machte die Leute buchstäblich krank. Aber es steckt noch mehr dahinter: @FreeMan hat mich mit seinem Kommentar ermutigt, etwas tiefer einzutauchen.

Ein Überschallpropeller funktioniert gut, wenn die Strömungsrichtung an jeder Station entlang des Propellerblatts ungefähr gleich der lokalen Profilsehne ist. Da das Blatt ungekrümmt ist, bedeutet dies, dass die Änderung der lokalen Strömungsrichtung an der Vorderkante auf das Ausmaß minimiert werden kann, das erforderlich ist, um den gewünschten Schub zu erzeugen. Aber um diese Bedingung erfüllen zu können, müssen Sie Ihre Propellerdrehzahl an die Fluggeschwindigkeit und Drallverteilung anpassen. Außerdem muss der Anstellwinkel durch Schwenken dieser Propellerachse in Flugrichtung ausgeglichen werden. Es hat keinen p-Faktor , kann aber bei einer gegebenen Fluggeschwindigkeit nur mit einer Geschwindigkeit laufen.

Vergleichen Sie dies mit einem Turbofan: Der Einlass sorgt dafür, dass die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung an der Vorderseite des Lüfters unabhängig von der Fluggeschwindigkeit gleich ist. Dies wird durch das Druckfeld in und um den Einlass erreicht, das bei hoher Geschwindigkeit überschüssige Luft über Bord schleudert oder bei niedriger Geschwindigkeit zusätzliche Luft von den Seiten ansaugt. Im Lüfter können Sie den lokalen Einfallswinkel tatsächlich an die Fluggeschwindigkeit anpassen, sodass der Lüfter über seinen Auslegungsbereich gut funktioniert.

Im Allgemeinen wäre ein Vollunterschallventilator effizienter. Aber dann müsste der Durchmesser so groß sein wie bei großen Turboprop-Triebwerken, und die Ummantelung würde unglaublich schwer und würde zu viel Luftwiderstand erzeugen. Der hohe dynamische Druck auf die Fanschaufeln wird benötigt, um mit dem relativ kleinen Durchmesser eines Turbofans den Schub zu erzeugen.

Wenn ich Ihren Text und diese Grafik richtig gelesen habe, wäre ein sehr dünner, ungekrümmter Überschallpropeller tatsächlich vorzuziehen , wenn man eine praktische Ummantelung / Gondel darum bauen könnte, und das ist im Wesentlichen der "Lüfter" -Teil eines Turbofan-Triebwerks ist.
@FreeMan: Da steckt noch mehr dahinter. Dieser Propeller würde nur dann gut funktionieren, wenn die Anströmrichtung an der Vorderkante parallel zur Flügelsehne ist, also muss die örtliche Anstellung stimmen. Dies erfordert, dass Drall, Geschwindigkeit und Fluggeschwindigkeit aufeinander abgestimmt sind. Für jede Mach-Zahl hätte man nur eine Prop-Geschwindigkeit, bei der die Verdrehung richtig wäre. Bei Unterschallströmung gibt Ihnen die runde Eintrittskante viel mehr Spielraum, um mit Ihrer lokalen Einfallsrichtung abzuweichen. Der Einlass eines Turbofans gibt Ihnen das: Gleichmäßige und gleiche Fluggeschwindigkeit, egal bei welcher Fluggeschwindigkeit. Ein Propeller muss flexibler sein.
@FreeMan: Ja, der Lüfter ist wirklich ein Propeller mit einfacheren Strömungsverhältnissen und einem sehr hohen Aktivitätsfaktor.
(1) In Ihrem ersten Aufzählungspunkt sagen Sie: "Turbofans benötigen Überschallgeschwindigkeit, um ihren hohen Schub zu erzeugen". Sollte es nicht stattdessen " ... subsonic ... " heißen? (2) Auch im dritten Aufzählungspunkt "Effizienz für beide ..." meinen Sie, dass die Effizienz sowohl für den Einlass als auch für den Lüfter bei Unterschallbedingungen am höchsten ist? Wenn ja, könnten Sie den Satz vielleicht zur Verdeutlichung um "Einlass und Lüfter" ergänzen.
@Thesis: Die Frage bezieht sich auf die Blattspitzen, daher beziehe ich mich hier auf die Geschwindigkeit an den Blattspitzen. Die Anströmgeschwindigkeit und die Fluggeschwindigkeit sind zwar Unterschall, aber die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln muss addiert werden. Ich werde bearbeiten, um zur Klarstellung zu antworten.
Danke Peter. Zwei weitere Fragen: (1) "Daher benötigt ein Lüftermotor weniger Drehmoment, um Überschallspitzengeschwindigkeiten an den Lüfterflügeln zu erreichen." - Der Grund ist ein kleinerer Durchmesser D des Lüfters? (2) "Im Allgemeinen wäre ein vollständiger Unterschallventilator effizienter. Aber dann müsste der Durchmesser so groß sein wie der von großen Turboprop-Triebwerken, ..." - dem kann ich nicht folgen. Die Umfangsgeschwindigkeit ist proportional zu D, also sollte D für einen Unterschallventilator (Spitze) klein sein? Andererseits ist die Motorleistung proportional zu D^5 und Drehzahl n^3, also könnte man bei D=const theoretisch auch n erhöhen?
@Thesis: (1) Ja, aber streng genommen nur für das einzelne Lüfterblatt. Da die Festigkeit eines Lüfters höher ist als die eines Propellers, ist das Drehmoment zum Antrieb des gesamten Lüfters immens. Aber das Drehmoment/Schubverhältnis eines Lüfters ist geringer. (2) Ein Unterschalllüfter würde viel langsamer laufen und einen geringeren dynamischen Druck entlang der Schaufelspanne haben. Nicht D, sondern RPM muss klein sein. Um Schub zu erzeugen, würde der Unterschallventilator mehr Luft benötigen, die er durch Erhöhen von D erhält. Dadurch wird er zu einem Propeller.
Bedeutet dies, dass es tatsächlich praktisch ist , ein Überschallpropellerflugzeug zu bauen, solange Sie eine Ummantelung haben, der Motor kardanisch aufgehängt werden kann und die Propellerblätter eine variable Steigung UND Drehung haben? Ich verstehe auch nicht, warum Turbofans, wenn sie umhüllt sind und meiner Meinung nach Ihre Bedingungen erfüllen, im Grunde nie für Überschallflüge verwendet werden. Vielen Dank.
@Gus: Überschallflug erfordert hohe Austrittsgeschwindigkeiten der Abgase, daher ist ein Turbofan im Nachteil. Die Tu-144 verwendete zuerst Turbofans und wechselte mit erheblichen Leistungsverbesserungen zu Turbojets (die die Concorde von Anfang an verwendete). Siehe hier für mehr. Der ummantelte Überschallpropeller ist in der Tat machbar, aber viel einfacher zu realisieren, wenn er an ein Strahltriebwerk gekoppelt ist. Die meisten Überschallflugzeuge verwenden heute Turbofans mit einem niedrigen Nebenstromverhältnis.
@PeterKämpf Danke. Ich frage mich jetzt, ob die umhüllte Überschallstütze für ein elektrisches Überschallflugzeug praktisch wäre. Das Problem, das ich sehe, ist die Masse des Motors und des Kanals, die kardanisch aufgehängt werden müssen. Der Motor der Concorde, Olympus 593, hat ein Leistungsgewicht von 36 kW/kg, während Hochleistungs-Elektromotoren nur 9 kW/kg haben, was bedeutet, dass die Baugruppe schwerer wäre als die mit einem Turbo (aber vielleicht ist sie kleiner). Volumen). Im Vergleich zu anderen Optionen für Überschall-Elektroflugzeuge (Kompressor + Düse-Kombination) ist es jedoch vielleicht optimal? Gibt es dazu auch Lesetipps?
Vielleicht könnte auch eine Art gegenläufige Krummsäbelklinge verwendet werden.
@Gus: Vergiss den elektrischen Antrieb für den Überschallflug. Das ist völliger Unsinn bei der aktuellen (und prognostizierten) Energiespeicherung und realistischen Reichweite. Außerdem wird die Leistung des 593 bei Mach 2 berechnet und beinhaltet den Ansaugschub; Sie werden überrascht sein, wie sehr sich dies auf die Berechnung auswirkt. Betrachten Sie stattdessen die statische Leistung für einen fairen Vergleich.
Ich dachte, ein Vorteil von Propellern ist die relativ konstante Effizienz mit der Höhe. Sie könnten also sehr hoch gehen (85.000 Fuß) und etwa 1/3 des Luftwiderstands einer Concorde haben, vorausgesetzt, der Luftwiderstand ist ~ proportional zu Rho (obwohl mit Wellenwiderstand nicht sicher). Und wenn es möglich ist, eine Überschallstütze wie die von Ihnen beschriebene zu konstruieren, die in der Nähe der Effizienz von Propellern mit niedriger Geschwindigkeit liegt, dann kann der Motor vielleicht 1,5-2x so effizient sein wie die 30-40% von Jets. Und dann würde der Reiseleistungsbedarf auf ~ 25% der Concorde gesenkt werden. Dann ist es vielleicht sinnvoll, wenn sich die Batterien in J / kg gegenüber ihrem aktuellen Zustand verdoppeln?
@Gus: Der elektrische Antrieb hat den Vorteil eines hohen Wirkungsgrads über einen hohen Motordrehzahlbereich, daher muss der Höhenpropeller sehr groß sein (um den niedrigen zu kompensieren ρ in der Höhe) und sich langsam in niedriger Höhe dreht. Aber mit einer einlassartigen Ummantelung für Überschalleffizienz muss der Propeller viel kleiner werden und viel wiegen (und trotzdem wird die Effizienz im Vergleich zur Unterschalleffizienz miserabel sein). Suchen Sie hier nach elektrischem Unterschallflug.

Propellerspitzen können und werden manchmal Überschall (wie XF-84H oder Tu-95 ). Während es im Falle von Turbofans toleriert wird (einige Maßnahmen wie gepfeilte Schaufeln und Lüfter mit niedriger Drehzahl werden in Turbofans verwendet, um dem entgegenzuwirken), ist dies bei Propellern aus einigen Gründen nicht der Fall:

  • Bei Annäherung an Überschallgeschwindigkeiten (bzw. örtlicher Überschreitung) bilden sich über Abschnitte der Propellerblätter Stoßwellen. Dies reduziert den Propellerwirkungsgrad erheblich und führt gleichzeitig zu erhöhten Blattbelastungen. Dies verursacht ein Problem: Für Überschallgeschwindigkeiten müssen die Schaufeln extrem dünn sein, während die Belastungen erfordern, dass die Schaufeln dicker sind.

  • Der Luftwiderstand durch die (Spitzen-)Stoßwellen erhöht die erforderliche Motorleistung enorm. Zum Beispiel mussten die Motoren der Tu-95 von 12000 PS in den Prototypen auf 15000 PS in Serieneinheiten gesteigert werden, um die erforderliche Geschwindigkeit zu erreichen.

  • Ein weiterer Hauptgrund ist der Sound – XF-45 war so laut, dass es Anfälle verursachte . Bei Turbofans ist der Bypass-Lüfter abgedeckt, was die Geräuschprobleme etwas mildert.

Ich dachte, die Tu-95-Frage hat ergeben, dass die Blattspitzen tatsächlich Mach 1,0 nicht erreichen?
@egid Ich denke, diese Frage zeigt, dass die Propellerspitzen nach Erhöhung der Motorleistung überschallten. Siehe die Bearbeitung in dieser Frage.
Außerdem hat Peter gerade seine Tu-95-Antwort bearbeitet, um die Propellergeschwindigkeit zu korrigieren.
@FreeMan ah, ja, in der Tat. Hatte das nicht gesehen - es war M0.87 oder so etwas vorher

Der wichtigste Unterschied besteht darin, dass die Lüfterflügel in einem Gehäuse laufen und die Propeller im Freien arbeiten. Der größte Teil des Lärm- und Energieverlusts kommt von den Wirbeln, die von den Spitzen der Propellerblätter abgegeben werden. Das Lüftergehäuse verhindert, dass sich diese Wirbel bilden, mit Ausnahme der geringen Luftleckage zwischen den Schaufelspitzen und dem Gehäuse.

Es gibt unvermeidlich einen kleinen Spielraum zwischen den Blättern und dem Gehäuse, zum Beispiel weil die äußeren aerodynamischen Kräfte auf das Gehäuse es unter manchen Flugbedingungen in eine nicht kreisförmige Form verformen können, aber der maximale Spalt um einen Lüfter mit 3000 mm Durchmesser würde typischerweise weniger als 5 mm betragen .

Kanalpropeller werden in kleinen Größen verwendet, aber der Gewichtsnachteil eines großen Kanals, der stark genug ist, um Bedingungen wie Vogelschlag (und die Kollateralschäden durch verbogene oder gebrochene Propellerblätter) zu überstehen, wäre für große Propeller unerschwinglich.

" Das Lüftergehäuse verhindert, dass sich diese Wirbel bilden ": Dies scheint die beste und direkteste Antwort auf die Frage zu sein.

Warum ist das Überschreiten der Schallgeschwindigkeit in einer Situation akzeptabel, in der anderen jedoch nicht?

Weil der Auftrieb (oder Schub des Propellers, der ein sich drehender Flügel ist) bei Überschallgeschwindigkeit abnimmt, während die Kompression nicht beeinflusst wird. Die Luft, die auf die Schaufeln eines Kompressors trifft, hat keinen anderen Weg, als hindurchzuströmen und den Motor zu speisen.

Im Falle eines Propellers mit Überschallgeschwindigkeit bildet die Luft, anstatt um die Blätter zu strömen, V-Wellen, ein Phänomen, das den Luftwiderstand erhöht und den Auftrieb (Schub) verringert.

Haben Sie einen Link, wo man mehr über die V-Wellen finden könnte (Suchen neigen dazu, die medizinische Version zurückzugeben, die hier eindeutig irrelevant ist)?
Statt „V-Wellen“ suchen Sie stattdessen nach „Stoßwellen“.
Oh, Schockwellen sind offensichtlich. Ich hatte gehofft, dass ich etwas Neues lernen werde, aber anscheinend nicht.
Warum überschreiten Turbofan-Blattspitzen die Schallgeschwindigkeit, während Propellerspitzen dies nicht sollten?
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