Würde es 7- bis 10-mal mehr Energie benötigen, um einen Turbofan-Hubschrauber anzuheben?

Ich möchte herausfinden, wie viel Energie benötigt wird, um einen Turbofan-Helikopter anzuheben.

Als Referenz habe ich mit einem Rotorhubschrauber angefangen und angenommen T = 100   k N Bruttogewicht u d = 16   m Rotordurchmesser (vergleiche S92 oder AH64 ).

Mit der Propeller-Formel

T = ( 0,5 ∗ P 2 ∗ η Knirps 2 ∗ π ∗ d 2 ∗ ρ Luft ) 1 / 3 .

mit η Knirps 2 = 0,58 ( Quelle ) Ich bekomme eine Engine-Ausgabe von P = 1 870   k W

Wenn ich jetzt einen typischen Turbofan und einen Start nehme t s f c von 10   g / ( k N s ) Ich komme auf einen Verbrauch von 1   k g / s für mein 100   k N Hubschrauber. Wenn ich weiterhin von 30% Gesamtwirkungsgrad ausgehe und E Kerosin = 43.5   M J / k g Ich bekomme einen Energiebedarf von 13 050   k W um den Lüfter laufen zu lassen (alle anderen Dinge vernachlässigt, die Energie von der Welle nehmen).

Bedeutet dies, dass es die 7-fache Energiemenge erfordern würde, einen Turbofan-Hubschrauber anzuheben (mit Motoren, die auf Vollgas laufen)? Oder eine Größenordnung, wenn ich annehme, Cruise Tsfc ...

Passt das zu Ihrer Erfahrung? Oder gibt es einen großen Fehler / Missverständnis in meiner kurzen Berechnung?

Ja, das ist genau der Grund, warum der Senkrechtstart in Jets auf Kampfflugzeuge beschränkt ist, die für ihr Gewicht eine wahnsinnige Motorleistung haben, und selbst dort sehr selten.

Antworten (3)

Helikopterrotoren sind genau aus diesem Grund sehr groß. Der Auftrieb eines Rotors (oder der Schub eines Propellers oder Lüfters) wird durch Beschleunigung einer gegebenen Luftmasse m auf eine Geschwindigkeit v erzielt. Der erhaltene Schub ist proportional zur Zunahme des Impulses ∆mv. Offensichtlich können Sie das gleiche ∆mv erhalten, indem Sie eine bestimmte Gasmasse auf eine hohe Geschwindigkeit (Propeller/Lüfter) oder eine größere Masse auf eine niedrigere Geschwindigkeit (Rotor) beschleunigen. Aber die benötigte Energie ist proportional zu v zum Quadrat ... Daher ist es bei gleichem Schub / Auftrieb in Bezug auf Energie oder Leistung viel teurer, einen Propeller / Lüfter zu verwenden als einen großen Rotor ...

Wäre es nach dieser Logik sinnvoll, Flugzeuge mit massiven Rotoren zu bauen (vielleicht in Bodennähe einzuziehen / zu bewegen)?
Die Osprey V-22 hat im Flugmodus sehr große Propeller und fliegt recht gut...
Die Komplikation besteht darin, dass das Antriebssystem eines Flugzeugs einem sich bereits bewegenden (relativ zum Flugzeug) Luftstrom gegenübersteht. Große Requisiten funktionieren gut bei niedriger Geschwindigkeit, aber nicht so gut, wenn das Flugzeug schneller wird. AIUI die Fischadler-Proprotoren sind ein Kompromiss, sie sind größer als ideal für den Flugzeugmodus und kleiner als ideal für den Hubschrauberbetrieb.
@peter green Die Größe wird auch von den Speicheranforderungen der US Navy beeinflusst.
@xxavier Ihre Antwort erklärt genau, warum der von Menschen angetriebene Hubschrauber AeroVelo Atlas vier riesige Rotoren (das Flugzeug ist größer als eine 737) mit niedriger Geschwindigkeit verwendet.

Ein Turbofan-Hubschrauber muss auch abheben, indem er mindestens den Schub erzeugt, der dem TO-Gewicht entspricht. Bei Turbofans wird der statische Schub bei Drehzahl Null stark vom Bypass-Verhältnis bestimmt. Sie erwähnen einen typischen Turbofan, also nehmen wir einen CFM56-3 mit einem Bypass-Verhältnis von 6, das ist ein 100-kN-Motor.

  • Der UH-60 hat eine max. Bei einem Gewicht von 22.000 lb und einem Rotordurchmesser von 16,4 m wäre dies Ihr Zielhubschrauber. Seine installierte max. Die TO-Leistung beträgt 3.086 SHP = etwa 2.300 kW. Zum Klettern ist überschüssige Leistung erforderlich, daher würde ich sagen, dass Ihre erforderliche Motorleistung im Stadion liegt.
  • Der CFM56 hat einen Massendurchfluss durch den Gasgenerator von 53,5 kg/s (Quelle altes Lehrbuch), also Gesamtmassendurchfluss = (1+6)*53,5 = 374,5 kg/s. Durchschnittliche Abgasgeschwindigkeit v e = T / m ˙ = etwa 265 m/s. Macht = 1 2 ⋅ m ˙ ⋅ v e 2 = 13,2 kW

Ich bekomme also ungefähr die gleichen Zahlen wie Sie: Ihre Aussage ist gültig, ein Hubschrauber mit einem CFM56-Motor benötigt zum Abheben etwa das 7-fache der installierten Leistung.

Aus dimensionalen Überlegungen die Leistung P = k ⋅ T 3 / 2 ⋅ D − 1 ⋅ ρ − 1 / 2 . Daher gilt für denselben Schub und dieselbe Dichte P = k\cdot D^{-1}} wobei k eine Konstante ist ...
Versuchen Sie es lieber mit einem Rolls Royce Pegasus als mit einem CFM56!
@BrianDrummond Royce Pegasus ist natürlich ein erfolgreicher vertikaler Heber von Flugzeugzellen. Es läuft mit 81,1 kg/s durch den Gasgenerator und hat ein Bypass-Verhältnis von 1:1,2. Wenn wir die gleiche Berechnung wie oben durchführen, erhalten wir eine Überschall-Abgasgeschwindigkeit, die nur von einem konvergent-divergenten Abgasrohr aufgenommen werden kann. Das hat der Harrier nicht, also verursacht die überschüssige Energie einen Druckanstieg, der auch Schub liefert. Es sind jedoch viel mehr Details der Geometrie des Pegasus erforderlich, um die Berechnung richtig durchzuführen. Der CFM56-Fall ermöglicht dieses Verfahren, da die durchschnittliche Abgasgeschwindigkeit Unterschall ist.

Sie stehen vor einem anderen Problem. Hubschrauberrotoren werden auch verwendet, um die Kontrolle über das Flugzeug aufrechtzuerhalten, indem die Steigung der Rotorblätter auf einem Teil ihres Bogens variiert wird.

Bei einem Impeller müssen Sie einen anderen Weg finden, ihn zu steuern. Wahrscheinlich entleert sich die Luft an den Roll- und Nickachsen, so wie es der Harrier und der F35 im Schwebeflug machen.

Sie müssten also zu Ihrem Leistungsbudget genügend Reservezapfluft für die Kontrolle hinzufügen.

Würde es 7- bis 10-mal mehr Energie benötigen, um einen Turbofan-Hubschrauber anzuheben?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v