Wie unterscheidet sich ein Lüfter von einem Propeller?

Warum unterscheidet sich der Fan in einem Turbofan von einem Propeller in einem kleinen Flugzeug? Warum haben Propeller normalerweise 2 oder 3 Blätter, aber der Lüfter hat viel mehr? Und warum ist der Lüfter verkleidet, aber der Propeller offen?

Ich habe gelesen, dass ein Impeller bei sehr langsamen Geschwindigkeiten effizienter ist (er erzeugt mehr statischen Schub als ein offener Propeller), aber bei hohen Geschwindigkeiten wird der Luftwiderstand zu groß und Sie sind mit einem offenen Propeller besser dran. Deshalb verwenden sie zum Beispiel in Hovercrafts einen Impeller. Aber wenn das stimmt, sollte der Lüfter in einem Turbofan angesichts der hohen Geschwindigkeiten (höher als ein Propeller) nicht offen (nicht ummantelt) sein?

Wie kommt der Lüfter mit Überschallgeschwindigkeiten an der Spitze davon und die Stütze nicht? Wäre der Lüfter effizienter, wenn die Spitzengeschwindigkeiten niedriger wären?

Antworten (5)

Die einfache Antwort, die die meisten Motoren abdeckt, lautet, dass ein Lüfter eine Ummantelung hat. Die mögliche Ausnahme sind unducted Fans oder Open Rotor Engines , die eine Mischung aus einem Turboprop- und einem Fan-Triebwerk darstellen.

Eine wissenschaftlichere Antwort basiert auf dem Unterschied in der Plattenbelastung: Wie viel Leistung pro Plattenfläche kann zum Vortrieb in den Lüfter gepumpt werden. Bei Propellern ist dies deutlich weniger als bei Ventilatoren. Einige Beispiele:

  • Cessna 172 mit O-320-Motor (150 PS) und McCauley 1C160-Propeller (1,9 m Durchmesser): 39,45 kW/m².
  • P-51D mit Packard-Merlin 1650 (1590 PS) und Hamilton-Standard-Propeller (3,4 m Durchmesser): 130,59 kW/m².
  • Lockheed C-130H Hercules mit Allison T-56-Motor (4590 PS) und Aeroproducts-Propeller (4,1 m Durchmesser): 259,25 kW/m².

Bei Jets braucht dieser Vergleich Leistung, wenn Schub aufgeführt ist. Daher gehen wir von der heroischen Annahme aus, dass die Geschwindigkeit am Lüfter unter statischen Bedingungen Mach 0,4 beträgt und der Schub nach dem Bypass-Verhältnis aufgeteilt wird (was völlig ungenau ist, aber für den Zweck hier ausreicht):

  • BAe 146 mit Lycoming ALF 502 (31 kN Standschub, 5,7:1 Bypassverhältnis und 1,02 m Lüfterdurchmesser): 4254,35 kW/m².
  • Boeing 747-200 mit Pratt & Whitney JT9D (213 kN Standschub, 5:1 Bypassverhältnis und 2,34 m Lüfterdurchmesser): 5388,74 kW/m².
  • Boeing 777 mit GE90 (388,8 kN Schub beim Start, 8,4:1 Nebenstromverhältnis und 3,124 m Fandurchmesser): 6077,23 kW/m².

Ich denke, Sie sehen jetzt, wohin das führt: Turbofans sind einfach eine andere Klasse, wenn es um den Schub pro Frontfläche geht. Und damit dies möglich ist, müssen drei Bedingungen erfüllt sein:

  1. Ein gut gestalteter Einlass, der eine gleichmäßige Strömung über die Motorfläche erzeugt. Die Ummantelung ist nur die Folge davon, den Lüfter mit einem Einlass zu versehen.
  2. Ein hoher Festigkeitsfaktor des Lüfters/Propellers (das Verhältnis der gesamten Blattfläche des Propellers zur ausgefahrenen Scheibe, wenn sich der Propeller dreht)
  3. Hoher dynamischer Druck an der Triebwerksstirnseite, damit die Triebwerksleistung vom Lüfter/Propeller aufgenommen werden kann.

Beachten Sie, dass diese Bedingungen voneinander abhängen: Ohne die Solidität könnte viel weniger Leistung absorbiert werden. Ohne den Einlass würde die Überschallströmung an den Lüfterspitzen schreckliche Verluste und Geräusche erzeugen .

Nun zu den Verrückten. Die Außenseiter. Die Rebellen. Die Störenfriede. Die runden Stifte in den quadratischen Löchern:

Hier ist es schwer zu unterscheiden, ob es sich um Lüfter oder Propeller handelt. Ihr richtiger Name „propfans“ deutet das schon an.

Ein letztes Wort zur Terminologie

Effizienz ist ein Maß dafür, wie viel Aufwand für ein bestimmtes Ergebnis erforderlich ist. Ein effizienter Propeller benötigt weniger Leistung pro erzeugter Schubeinheit. Es hat wenige Klingen , dreht sich langsam und hat einen großen Durchmesser. Ein Unterschalllüfter wäre effizienter, würde aber für eine bestimmte Größe viel weniger Schub erzeugen.

Wenn Sie die Kapazität zur Schuberzeugung bei einem bestimmten Durchmesser ausdrücken möchten, verwenden Sie die Scheibenladung, nicht die Effizienz.

Die Ummantelung ist also im Grunde eine aerodynamische Ergänzung zum Lüftereinlass? Aber ich hatte auch den Eindruck, dass der Lüfter ein bisschen wie ein Kompressor wirkt, der den Luftdruck erhöht und dann die Luft mit einer höheren Geschwindigkeit als der Ansauggeschwindigkeit ausstößt. Ich sage das wegen der Gondelform. Der Ausgang hat normalerweise einen kleinen Durchmesser, was für mich wie eine konvergente Düse aussieht. Ich weiß, dass der Strahlkern dieses Prinzip verwendet, aber gilt es in geringerem Maße auch für den Kaltstrom des Lüfters oder dient die Ummantelung lediglich dazu, den Ansaugstrom zu steuern? Vielen Dank
@Anonym; Sie haben Recht, die Strömung zieht sich zusammen, während sie beschleunigt wird. Siehe diese Antwort für einen Propeller , bei dem dasselbe passiert, nur ohne eine Wand zwischen innerer und äußerer Strömung. Die Ummantelung folgt einfach der Stromlinienkontur.
OK, @PeterKämpf, kannst du bitte konsequent die Bruchnotation verwenden? Für Props und kW/m² verwenden Sie die amerikanische Dezimalzahl, um die Meter von Bruchteilen davon zu unterscheiden , 1C160 prop (1.9 m diameter)und 4254.35 kW/m²verwenden für Jets das europäische Komma 3,124 m fan diameter. Es hat einen Moment gedauert, bis mir klar wurde, wie riesig dieser Fan war, und dann wurde mir klar, dass Sie bei mir die Methoden geändert haben. :)
@FreeMan: Entschuldigung, das ist durchgerutscht. Ich habe die Liste per Kopieren und Einfügen erstellt und nicht auf das Komma geachtet. Danke, dass du es erwischt hast!
Ich dachte, das wäre wahrscheinlich ein Copy/Pasta-Problem. Es hat mich wirklich für eine Minute umgehauen! Ihre Antworten sind so gut, dass es Spaß macht zu erkennen, dass Sie nur Menschen sind wie der Rest von uns. ;)
@FreeMan: Danke. Hast du das Osterei gefangen? (Hinweis: Es ist ein Zitat aus einem Werbespot ...)
@fooot: Bringen die geschützten Leerzeichen das Layout durcheinander? Ich habe versucht, die Trennung der Linien zwischen Zahl und Einheit zu vermeiden. Bitte helfen Sie mir, was Sie dazu veranlasst hat, den Beitrag zu bearbeiten - für mich sehe ich keinen Unterschied.
Ich schätze, es ist das Jetzt für die Verrückten... , aber ich schaue nicht viel kommerzielles Fernsehen.
Ich habe dies abgelehnt, weil ich denke, dass "Requisite" aus der frühen Umgangssprache von jemandem wie Wright oder Curtiss stammt. Und als sie beschlossen, das Gerät, das wir jetzt „Turbofan“ nennen, zu nennen, setzten sie sich nicht hin und maßen die Disc-Ladung, überprüften, ob es eine Prop/Fan-Unterscheidungsgrenze überschreitet, und entschieden sich, es „Fan“ zu nennen. . Sie sahen sich das Ding an und sagten, huh, es sieht eher aus wie ein Fächer als wie eine Requisite.
@rbp: Hast du in Betracht gezogen, dass ich versucht habe, die Frage zu beantworten? Übrigens wurde das Wort Propeller schon lange vor Curtiss oder Wright verwendet.
@FreeMan: Ja, und dieser hat eine eigene Wikipedia-Seite .
@PeterKämpf ja habe ich mir überlegt. Aber ich denke, Sie entwickeln eine Antwort basierend auf beobachteten Eigenschaften zurück, mit Ausnahmen, die nicht der von Ihnen festgelegten Regel entsprechen. Ich glaube nicht, dass das Wort "Prop" im Zusammenhang mit der Luftfahrt vor Wright verwendet wurde, was das vorliegende Thema ist, und ich habe mich dem entzogen, als ich davon sprach, dass der Begriff von Mariners stammt.
@FreeMan Jetzt möchte ich diesen 3,124-km-Lüfter sehen. - lol - Der Lüfterdurchmesser wäre länger als die meisten Start- und Landebahnen.
Du und ich beide, @reirab, du und ich beide... :)
@FreeMan Um die Spitzen im Unterschallzustand zu halten, würde ihre maximale Drehzahl etwa 2 U / min betragen. - lol

Beginnen wir zunächst mit der einfachsten Maschine, der Schraube , die eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umwandelt.

Ein Ventilator ist eine Schraube, deren Hauptzweck darin besteht, die sie umgebende Flüssigkeit (Luft für ein Flugzeug oder Wasser für ein Boot) zu bewegen.

Ein Propeller ist eine Schraube, deren Hauptzweck darin besteht, das Objekt, an dem sie befestigt ist, zu bewegen ( anzutreiben ), z. B. ein Boot oder ein Propellerflugzeug. Und tatsächlich verwenden Seefahrer den Begriff Schraube statt Propeller .

Im Fall von Turboprop und Turbofan verwendet der Turboprop seine Stütze als primäres Bewegungsmittel, während beim Turbofan der Lüfter einfach die Luftgeschwindigkeit erhöht, aber nicht das primäre Bewegungsmittel für das Flugzeug darstellt.

die von der Turbine selbst ausgestoßenen Gase
Jetzt kommen wir zur Etymologie. Als das Wort Turbofan erfunden wurde, gab es nur Ventilatoren mit niedrigem Bypass-Verhältnis, und die Abgase stellten das primäre Antriebsmittel dar. Auch als High-Bypass-Ventilatoren entwickelt wurden, blieb der Name haften.
Fühlen Sie sich frei zu stimmen, dann :)
Das ist im Fall der Motoren mit niedrigem BPR richtig, aber nicht in den heutigen zivilen Motoren aus Gründen der Kraftstoffeffizienz, wie hier erklärt: Wozu dient die Bypass-Luft in einem Turbofan-Triebwerk eigentlich?
Ja, und ich sage (erneut), dass Turbofan ein historischer Begriff für die LBPR-Motoren ist, als die vergaste und nicht die Bypass-Luft den größten Teil des Antriebs lieferte. Der Name blieb, obwohl der größte Teil des Schubs jetzt durch Bypass-Luft in HBPR-Triebwerken erzeugt wird.
the fan simply increases the velocity of the airIch bin mir nicht sicher, was Sie damit sagen. Es sorgt für Bewegung für das Flugzeug. Vielleicht ist es in LBP nicht das primäre Mittel, aber es erfüllt immer noch die gleiche Funktion wie ein Propeller.
Zwischen dieser Antwort und Ihren Kommentaren zu Peters Antwort scheinen Sie darauf hinzuweisen, dass Prop vs. Fan ein Kontinuum ist, was wahr ist. Aber abgesehen von den Propfans, die Peter erwähnt, gibt es deutliche Unterschiede zwischen Requisiten und Fans, die heute verwendet werden. Darum geht es in der Frage, nicht um den Unterschied in der Terminologie

Vereinfacht gesagt ist das Arbeitsprinzip anders:

Ein Propeller ist ein rotierender Flügel. Das bedeutet, dass sein Hauptarbeitsprinzip das Bernoulli-Prinzip ist. Ein Druckunterschied (dh niedriger Druck vorne und hoher Druck hinten) bewirkt, dass sich das Flugzeug vorwärts bewegt. Ist das gleiche wie bei den Helikopterrotoren. Siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Lift_(force) und https://en.wikipedia.org/wiki/Airfoil

Der Turbofan ist hauptsächlich ein Reaktor. Das bedeutet, dass sein Hauptarbeitsprinzip das dritte Newtonsche Gesetz ist. Die Luft mit hoher Geschwindigkeit, die durch die Düse gepresst wird, drückt das Flugzeug nach vorne. Dasselbe wie in einem Gartenschlauch. Siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Newton%27s_laws_of_motion

Um eine Ihrer zusätzlichen Fragen zu beantworten, ist der Propeller bei hohen Geschwindigkeiten weniger effizient. Denn im Propeller strömt bei hohen Geschwindigkeiten die Luft von vorne nach hinten, wodurch der Druck vorne ansteigt und der Propeller abgewürgt wird.

Andererseits trägt der zusätzliche Druck an der Vorderseite beim Turbofan tatsächlich dazu bei, dass die Luft durch die Düse gedrückt wird, um die Leistung zu steigern.

Bei extrem hohen Geschwindigkeiten wird der Widerstand des Lüfters jedoch sehr hoch und die Geschwindigkeit wird wieder begrenzt (aber bei einer höheren Geschwindigkeit als im Propeller). Um noch mehr Geschwindigkeit zu erreichen, werden die rotierenden Blätter entfernt und die Luft wird durchgedrückt des Kompressors wegen des sehr hohen Drucks an der Vorderseite (Siehe Staustrahl.) Das Arbeitsprinzip des Staustrahls ist auch Newtons drittes Gesetz.

@SMSvonderTann, Ein Turbo<b>Lüfter</b> ist ein Impeller und eindeutig die Art von Impeller, um die es im OP geht.
Nein, das Prinzip ist nicht anders . Propeller und Fan (Turbokompressor) sind beide rotierende Flügel. Ein Druckunterschied ist die einzige Möglichkeit, Luft auf irgendetwas zu zwingen, also verwenden sie beide das auch. Und beide verwenden Luft als Reaktionsmasse, weil man die Bewegungsgesetze einfach nicht umgehen kann.
Du hast in der Tat Recht, Jan. Alle Gesetze der Physik sind in beiden Geräten vorhanden. Der Unterschied besteht darin, dass das Hauptprinzip konstruktionsbedingt anders ist. Zum Beispiel kommt beim Propeller die Luft durch die Blätter hauptsächlich von den Seiten (nicht von vorne). Aus diesem Grund ist der Venturi-Effekt beim Propeller wichtiger als das dritte Newtonwsche Gesetz. Andererseits wird im Turbofan die Luft hinter den Schaufeln komprimiert und beschleunigt, bevor sie die Düse verlässt, wodurch das dritte Newtonsche Gesetz eine größere Wirkung hat als der Venturi-Effekt.
Ich denke, Sie haben Recht, Krauss, denn die praktische Grenze der Requisiten scheint bei etwa 700 km / h zu liegen, sie können bei höheren Fluggeschwindigkeiten keine Luft drücken. Turbofans fliegen jedoch mit 900 km/h, also müssen sie etwas anderes tun als Propeller. Anscheinend wirken sie eher wie Kompressoren.
Zunächst einmal ist der Venturi-Effekt spezifisch für geschlossene Strukturen wie ein Rohr. Ich denke, Sie beziehen sich auf das Bernoulli-Prinzip . Ich unterstütze JanHudec. Sowohl Propeller als auch Lüfterblätter verwenden genau die gleiche Methode zur Druckreduzierung, um Luft zu beschleunigen. Die Newtonsche Reaktionskraft ist das Ergebnis der Beschleunigung dieser Luft. Es gibt keine Reihenfolge der Wichtigkeit. Je mehr Bernoulli du hast, desto mehr Newton hast du.
Du hast Recht Tom. Es ist mein Fehler. Ich hätte Bernoulli-Prinzip statt Venturi sagen sollen. Ich stimme auch zu, dass die von mir angebotene Erklärung zu einfach sein könnte, aber der Punkt ist (wie ich bereits erklärt habe), dass, obwohl alle Gesetze der Physik zum Aufbau der Schubkraft beitragen, die Konstruktionsunterschiede unterschiedliche Prinzipien ausnutzen. Hinweis: Vielen Dank für die Korrektur, ich bearbeite die Antwort.
@Anonymous: Was anders ist, ist die Einnahme. Es verlangsamt die Luft im Falle des Lüfters, sodass es nie die tatsächliche Fluggeschwindigkeit "sieht".

Ich denke, sowohl der Propeller als auch der Lüfter handeln nach dem Prinzip der Impulserhaltung, nennen es "Aktion-Reaktion", es senden eine Luftmasse nach hinten, die das Gerät vorwärts drückt, die Geschwindigkeit der ausgestoßenen Luftmasse und die Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs haben einen Einfluss darauf, welche Art von Antriebsmethode bessere Ergebnisse liefert, viel Luft bei nicht sehr hoher Geschwindigkeit oder eine geringere Luftmasse, die sehr schnell ausgestoßen wird. Deutsche Ingenieure während des Zweiten Weltkriegs dachten, dass Propeller bis etwas über Mach 1 gut sein würden, aber die Version mit gegenläufigen Propellern des Düsenjägers F-84 Thunderstreak erwies sich als so laut, dass diejenigen, die sich in der Nähe des laufenden Motors oder der Landebahn befanden, krank wurden. Hier ist eine kurze YouTube-Audioaufnahme der F-84H 'Thunderscreech':

Vielleicht gefällt Ihnen die beigefügte Tabelle aus der Broschüre: „Ducted Fans for Ultralight Aircraft“ von RW Hovey. Es zeigt die Effizienz verschiedener Antriebssysteme nach AirSpeed ​​eines Fluggeräts. Typische Effizienz von Antriebssystemen

Eine detailliertere Analyse des Themas findet sich in einer Dissertation von Leighton Montgomery Myers, Pennsylvania State University aus dem Jahr 2009: „Aerodynamic Experiments on a Ducted Fan in Hover and Edgewise Flight“ http://www.engr.psu.edu/rcoe/theses/ Myers_Leighton.pdf

Außerdem: AIAA-98-3116 NASA / TM--1998-208411 General Aviation Light Aircraft Propulsion: From the 1940's to the Next Century Leo A. Burkardt Lewis Research Center, Cleveland, Ohio Vorbereitet für die 34. Joint Propulsion Conference, die von AIAA mitgesponsert wird, ASME, SAE und ASEE Cleveland, Ohio, 12.-15. Juli 1998 National Aeronautics and Space Administration Lewis Research Center, Juli 1998. http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/ 19980209647.pdf

Es wäre hilfreich, einige der Informationen aus diesen Referenzen aufzunehmen, um die Schlussfolgerung klarer zu machen.
Stimmen Sie @fooot zu, wir versuchen uns davon fernzuhalten, eine reine Link- (oder reine Referenz-) Seite zu sein. Es ist besser, die relevanten Informationen in Ihre Antwort einzubeziehen.
Die zitierten Artikel haben viele Seiten, das Hinzufügen von nur wenigen oder einigen Diagrammen führt dazu, dass Informationen verloren gehen. Das erste Bild ist die grundlegende Information, mehr ist in den Links verfügbar. Vielen Dank für Ihr interessantes Feedback

Ein Lüfter ist nicht unbedingt eine Schraube, sondern ein beliebiges Objekt, mit dem Luft auf etwas zu bewegt wird. Die Schraubenform ist ziemlich ideal, aber ein Propeller muss auch kein spiralförmiges Ding sein, sondern nur ein Objekt, das verwendet wird, um etwas in einer Flüssigkeit oder einem Gas anzutreiben. (Der Antrieb durch einen Feststoff ist wie eine Zeitreise: wahrscheinlich unmöglich. Es sei denn, wir können uns so etwas wie einen Tunnelbauer vorstellen, der alles ausspuckt, was am anderen Ende kommt, um sich vorwärts zu bewegen.)

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Wie unterscheidet sich ein Lüfter von einem Propeller?
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