Warum sind Kolbenmotoren in Verkehrsflugzeugen so unzuverlässig?

Diese Aussage ist nicht ganz richtig. Der R2800-Motor galt damals im Vergleich zum R3350 und R4360 als recht zuverlässig. Diese Motoren stellten die evolutionäre Sackgasse der großen Kolbenkraft dar, wo der Druck auf mehr Leistung die Motoren weniger zuverlässig machte als ihre Vorgänger mit geringerer Leistung.

Dazu gehörte eine einfache Statistik, bei der die Ausfallwahrscheinlichkeit einer Maschine mit der Anzahl der darin enthaltenen Teile skaliert. Grob gesagt bedeutet dies, dass eine Verdoppelung der Kolbenanzahl die Wahrscheinlichkeit verdoppelt, dass bei einem von ihnen im Motor etwas schief geht. Beachten Sie auch, dass diese zusätzlichen Kolben keine Redundanz bieten, in dem Sinne, dass ein ausgefallener Kolben das Ölsystem mit gebrochenem Metall füllt, was dazu führt, dass die anderen Kolben nicht lange danach ausfallen oder den Motor in Brand setzen.

Turbinenkraftwerke bieten mehr Betriebszeit und längere TBOs als die Kolbenmotoren, die sie ersetzten, sowie mehr Leistung bei geringerem Motorgewicht. Diese Eigenschaften gleichen die höheren Wiederbeschaffungskosten und den höheren Kraftstoffverbrauch in Anwendungen aus, bei denen Betriebszeit und Leistung erforderlich waren, um ein tragfähiges Geschäftsmodell zu ermöglichen.

Kostensensible Anwendungen mit geringer Leistung verwenden immer noch Kolben, wobei der Haltepunkt bei etwa 300 PS liegt. Dies ist zumindest teilweise darauf zurückzuführen, dass bei der Reduzierung der Leistung von Turbinen normalerweise ihre Effizienz leidet und ihre Herstellungskosten nicht schnell genug sinken, um mit Kolben im 250-PS-Bereich zu konkurrieren.

Sie beantworten teilweise Ihre eigene Frage

Flugzeuge mit Kolbenmotor in den 1940er Jahren

im Vergleich zu

Flugausfälle moderner Turbofan-Triebwerke

Einfach gesagt, wir haben in den letzten 75 Jahren viel über Herstellung und Konstruktion gelernt, sowie wie man Ermüdung testet, erkennt und verhindert. Dieses Wissen hat Kolbenmotoren genauso geholfen wie Jets. Wie andere angemerkt haben, gibt es auch viel mehr bewegliche Teile in einem Kolbenmotor, die alle synchron arbeiten müssen, damit alles läuft.

Da Kolbenmotoren in den großen Flugzeugen nicht mehr verwendet werden, sind die besten Analogen diejenigen, die immer noch in GA-Flugzeugen fliegen. FAA-Analysen aus den zwanzig Jahren zwischen '84 und '04 zeigen, dass nur 26 % der Unfälle mechanischer Natur waren und davon nur 11 % Kolbenmotorausfälle. Mit anderen Worten, Flugkolbenmotoren sind eigentlich ziemlich zuverlässig, wenn sie richtig eingesetzt werden. Andere Trendberichte weisen darauf hin, dass Fehler häufig mit einer missbräuchlichen Verwendung des Motorsteuerungssystems zusammenhängen . In den 40er Jahren gab es kein FADEC, es gab möglicherweise nicht einmal Drehzahlbegrenzer, Betriebsparameter basierten auf jahrzehntelangen Daten aus nicht annähernd einem Jahrhundert.

...so unzuverlässig auf großen Flugzeugen, aber extrem zuverlässig auf kleinen Flugzeugen?

Die Kolbenmotoren von Kleinflugzeugen sind keineswegs neu. Der Lycoming im Archer I Fliege ist so ziemlich derselbe wie bei seinem Erscheinen im Jahr 1955. Er ist zuverlässig, weil unsere maschinelle Bearbeitung, das Gießen, die Herstellung und die damit verbundenen Funktionen besser sind als im Jahr 1955. Viele Menschen fliegen herum mit vollen Motormonitoren , was viel mehr ist als die einzelne Temperaturanzeige, die die Flugzeugzelle ursprünglich hatte. Es könnte argumentiert werden, dass zusätzliche 50 Jahre Entwicklung bei großen Kolbenmotoren sie genauso zuverlässig gemacht hätten wie ihre GA-Pendants.

Turbinen sind auch nicht ohne Probleme.

Eine andere zu berücksichtigende Sache ist, dass ein Großteil des Hangar-Geredes (oder was aus dieser Zeit übrig geblieben ist) über das Multi-Fliegen mit großen Kolben schwere militärische Wurzeln hat. Die Motorwartung vor Ort war gut, aber nicht großartig, und bei täglicher starker Beanspruchung, Live-Feuer und nicht immer "vorschriftsmäßigen" Operationen sollte ein zuverlässiger Betrieb niemals erwartet werden. Dies hat zu vielen Geschichten über ausgefallene Motoren, nach Hause (oder in ein Feld) usw. geführt. Dies trug lange Zeit dazu bei, den Zwillingsmarkt zu befeuern, und trug dazu bei, die Vorstellung zu schaffen, dass große Kolbenmotoren unzuverlässig seien.

Diese Antwort muss nicht komplex sein. Kolbenmotoren haben viel mehr Teile, und sie sind hin- und hergehende Teile. Sie sind viel komplexere Maschinen als Turbofans. Das ist die Antwort.

Turbofans sind ziemlich einfache Maschinen. Ja, es gibt viele Teile, aber viele der Teile sind statisch oder bewegen sich nur sehr wenig. Ihre Entwicklung und Konstruktion ist aufwendig, ihre Bedienung jedoch relativ einfach und damit zuverlässiger.

Zum Beispiel; Ein 18-Zylinder-Sternmotor benötigt ungefähr 54.000 Zündereignisse pro Flugminute . Ein Turbofan benötigt für den gesamten Flug nur ein Zündereignis, und das geschieht am Boden.

In ähnlicher Weise erfordert das gleiche Radial zwei Ventilbetätigungen pro Zündereignis. Das sind 108.000 Ventilbetätigungen pro Minute oder etwa 19,4 Millionen Ventilbetätigungen pro Triebwerk bei einem 3-stündigen Flug.

Dies bedeutet, dass eine Douglas DC-7 in einem 3-stündigen Flug 78 Millionen Ventilbetätigungen und 39 Millionen Zündereignisse aufweisen würde . Früher waren Zündsysteme weitgehend mechanisch mit vielen beweglichen Teilen. (Elektronische Zündung und verteilerlose Zündung hat dies bei modernen Kolbenmotoren stark verändert.)

Kombinieren Sie damit die Tatsache, dass sie Geräte wie den Turbo-Compound hatten, den Sie sich als Turbowellenantrieb vorstellen könnten, der hilft, die Kurbelwelle anzutreiben. Jeder Motor einer DC-7 hatte drei davon. Übrigens verursachten sie Zuverlässigkeitsprobleme, weil sie die Abgastemperaturen erhöhten, und es war bekannt, dass sie Auslassventilausfälle verursachten.

Beispiel für einen 3-stündigen DC-7-Flug mit 350 mph: Denver nach San Francisco

Referenz: Mathe- und Motorenkenntnisse

Der Wright R-3350 auf der DC-7 ist auf 16:7 oder etwa 2,29:1 ausgerichtet. Verwenden Sie 2.600 Propellerdrehzahlen, um 6.000 Motordrehzahlen zu erhalten.

Obwohl es nichts mit der Zuverlässigkeit zu tun hat, erfordert der Betrieb von Kolbenmotoren mit ausreichender Leistung sowohl in großen als auch in niedrigen Höhen die Verwendung von Kompressoren (die Masse hinzufügen, den Wirkungsgrad verringern, zusätzliche Komponenten erfordern, ...).

Auch nicht unbedingt im Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit:

Hughes HK-1 'Spruce Goose'. Acht R-4360 mit insgesamt 448 Zündkerzen für ein Flugzeug.

Avro Lancaster (4 Motoren mit 12 Zylindern, zwei Zündkerzen pro Zylinder). ... und es macht richtig Spaß, sie zu wechseln. Wohlgemerkt, es ist nicht so schlimm, wie das Ventilspiel zu überprüfen und neu einzustellen, komm schon, wie viele, 48 x 4 = 192 der verdammten Dinger ....