Propulsion Fiziği: Thrust Fundamentals

Thrust, hava yoluyla ileriye giden bir uçak hareket eden güçtür, sürüklenme ve doğru hava ile ilgili ifadeler[Döneticileri değiştir] ve × (V[Dönemli) × (V)[Dönetici[Dönemli) *[Döneticileri ve/veya dışlamalar için) *

Bir jet motorunda, itika öncelikle yüksek seviyeli bir akış oluşturmakla üretilir. Motor en büyük hava akışı biriminde ortaya çıkar, yakıtı sıkıştırır ve karışımları azaltır, daha düşük bir hıza kadar genişleyen sıcak gazlar üretir. Yüksek egzoz hızı, hava pompasının bir ünitesine doğru yol açar.

Bu kontrast yaklaşımlarını anlamak, belirli bir görev profili için doğru tahrik sistemini seçmek için önemlidir. jet motoru yüksek hızlarda ve yüksek egzoz hızlarının bir avantaj haline geldiği yüksek hızlarda ve yüksek performanslı uygulamaları yüksek hızlarda ve yüksekliklerde yüksek verim sağlarken, çünkü bu makale uyandırmak için daha az kinetik enerji kaybı verir.

Jet Engines: Yüksek-Velocity Thrust Generation

Turbojet Çevrimi

turbojet, uçak tahriki için kullanılan bir gaz türbini motorunun en basit şeklidir. Hava bir inletle girer, yüksek basınçla sıkıştırılır ve yakıtın sürekli olarak yakıldığı bir yanma odasına taşınır.

Bir turbojet'de Thrust çıktısı, uçakların ileri hızıyla ilgili egzoz hızına çok bağlıdır. Çünkü kompresör ve türbin yüksek basınçlı oranlarda, turbojetler, deniz seviyesindeki Mach 2'yi aşabilecek egzoz ve boşluklara büyük ölçüde bağlıdır, ancak süpersonik askeri uçaklarda ve füzelerde önemli ölçüde önemlidir.

Turbofan Evolution

Bir turbofan, motorun önünde büyük bir hayran ekliyor, ek bir düşük basınçlı türbin tarafından yönlendiriliyor. fan, anadaki gelen havanın bir kısmını hızlandırıyor (BPR)[Dönder:0)[Dönder: 8K)[Dönder: 1 akış), Boeing 787 ve Airbus A350 gibi modern havayolu şirketleri ile birlikte, toplam 90-binak hava akışını karşılaştırır.

Bir turbofanın temel avantajı, yüksek basınç için yüksek bir pompa sağlarken, daha yüksek bir hava kütlesini saf turbojetden daha düşük bir hızda hızlandırır, ancak motor turbopropilenlerden daha az enerji harcar. Turbofanlar da yüksek irtifalar için yüksek basınç sağlarken (SFC) yüksek irtifalarda çalışır ve tırmanmaya devam eder (5.000-400 $) ve ağırlık, bu da yüksek bir hava hacminin büyük bir hacminin yüksek olması nedeniyle yüksek bir miktar daha düşük.

Jet Motorlarda Thrust Production: Key Faktörler

  • [FONT:0]Mass akış oranı ( ⁇ ): Motor üzerinden daha fazla hava itendir. kompresör basınç oranı ve fan çapı birincil determinantlardır.
  • [FONT=0)Eğlenceli hız (V)[Dönem:2)[Dönetici:0))[Dönüşük hız, verimlilik artışı sağlar, ancak verimliliği azaltır. Turbofans dikkatle denge V[FLT: 4 ve kütle akışı).
  • [FONT:0]Nozzle tasarımı:[Dönemli nozullar Mach 1'de aktı uyandırır; yakın olmayan nozullar, yan yana motorlar için süpersonik genişlemeye izin verir.
  • [FONT:0) Afterburners:[Dönetici:[Dönder: 1) Ek yakıt, dükleri veya% 50 oranında turbojets için itti.

Modern turbofans, 100.000'den fazla lbf'ye (89-445 kN) iten veamp; Whitney PW1000G, fan ve düşük basınçlı türbin arasında bir azalma işlemi kullanıyor, her ikisine de optimum hızlarda faaliyet göstermesine izin veriyor.

Turboprops: Yüksek Mass Flow, Low Velocity Thrust

Gaz Türbini Bir Pereller ile

Bir turboprop motor, turbojet'ninkine benzer bir gaz türbininden oluşur, ancak Türbin bir mil çevirmek için egzoz ısı enerjisinin çoğunu alır.Bu mil, yüksek, çok yönlü bir pervane döndürür, çok daha düşük bir hızda dönerken, yüksek performanslı bir şekilde 1000-2,000 RPM'yi güç türbini için 10.000-15,000 RPM'ye karşı.

Bir turbopropandan Thrust temel olarak bir jet motorundan farklıdır. pervane hava dalgasının büyük bir hacmini hızlandırıyor, ancak hız artışı mütevazı - genellikle 50-150 düğümler hava akışından daha hızlı. Çünkü hız değişikliği çok daha büyük bir kütle akışına yayılıyor, turboproper düşük hızlara yüksek bir şekilde ilerliyor, almak ve ilk tırmanmak için olağanüstü derecede verimli hale getiriyor.

Perulsive Verimliliği ve Pereller'ın Rolü

Perulsive verimliliğini ⁇ [DÜT:0)p) olarak tanımlanır (Dörtücük hız oranı) yüksek hıza kadar (örneğin, yüksek hızlarda yüksek bir hıza kadar hıza kadar hızlanır. Turbopropler, verilen bir sabit hıza ek olarak, yüksek hızlarda yüksek bir hıza kadar yüksek hıza kadar yüksek hıza kadar yüksek hıza kadar yüksek hıza kadar hıza kadar hıza kadar hız sağlar.

Bir başka kritik parametresi şöyledir:0)disk yükleme[Döntgen:0) - alt disk yüklemesi, tahrikli ve gürültüyü azaltan bir alanda daha küçük bir hız artışı sağlar.Bu yüzden turbopropes'in kısa mesafeli, bölgesel ve kargo operasyonları için turbojet'nin yüksek disk yüklemesi (örneğin, düşük irtifalarda yakıt verimliliğinin en düşük miktarlardaki maliyetlerin en düşük olduğu yerlerdeki düşük hız artışı tercih edilir.

Turboprop Thrust'ın bileşenleri

  • [FONT:0)Propeller itme:[Dönetici:[Dönetici:0)Koleksiyon:[Dönemli-pitch (konstant-hızlı) komponentler çeşitli uçuş aşamaları için bıçak açısı optimize eder.
  • [FONT:0)Residual jet it:[Dönemli gazlar:[Dönemli bir jet itme:[Dönemli)) Bu, toplam itkinin% 5–15'ine katkıda bulunur ve yüksek güç ayarlarında daha belirgindir.
  • [FONT:0)Redüksiyon dişlisi:[Dönetici:[Dönetici:0) Güç türbini yüksek hızda ( gaz döngüsü için verimli) çalıştırmaya izin verir, ancak pervane daha düşük hızda çalışır (daha az aerodinamik olarak).

Pratt & gibi modern turboproper; Whitney Kanada PT6A ve GE H80 serisi 500 ila 5.000 μp (373-3,728 kW) bir araya gelen itme bin lbf (9-67 kN'ye kadar değişebilir. Örneğin, ATR 72-600, bir bölgesel turboprop, 2,750 shp üretiyor, bir araya gelen bir parçaya kadar 15,000 lbf'ye kadar.

Doğrudan Karşılaştırma: Jet Engine vs. Turboprop Thrust

ParameterTurbojet / Turbofan (Jet)Turboprop
Primary thrust mechanismHigh-velocity exhaust gas jetPropeller accelerating large air mass
Exhaust velocity800–2,000+ mph (subsonic/supersonic)50–150 mph increase above flight speed
Mass flow processedModerate (core + bypass)Very high (propeller swept area)
Specific thrust (thrust per unit airflow)HighLow
Propulsive efficiency sweet spotMach 0.7–0.95 (turbofan); supersonic (turbojet)Mach 0.2–0.6
Optimum altitude30,000–45,000 ft10,000–25,000 ft
Thrust specific fuel consumption (TSFC)0.3–0.6 lbm/lbf-hr at cruise0.45–0.7 lbm/lbf-hr (but higher at low speeds)
Noise levelsHigh jet noise; fan noise dominant in turbofansLower noise (propeller tip speed controlled)
Thrust-to-weight ratio (engine only)5:1 to 8:1 (turbofan)2:1 to 4:1 (including gearbox & propeller)
Typical applicationsLong-range airliners, business jets, fightersRegional airliners, cargo feeders, utility aircraft

Masa, yüksek hızda ve yüksek irtifalar gerektiğinde hükmeddiğini vurgulamaktadır, turboprops daha düşük, daha yavaş rejimlerde daha iyi yakıt ekonomisi sunar. Ancak, turbofanların daha düşük yüksekliklerde (örneğin, bölgesel jetler üzerindeki CF34) verimli bir şekilde çalışabilmesi ve A400M kruvazörde 4B6 gibi gelişmiş turbopropilenler 0.72'de seyir yapabilir.

Thrust Generation'de Gelişmiş Düşünmeler

Bypass Oran ve Perulsive Verimliliği

Boşluk oranı (BPR) en önemli tasarım parametresi jet motorlarını turboproplerden ayırt ediyor - ve hatta farklı turbofan ailelerine (BPR > 10) neredeyse turboprop: fanlar gibi çalışır, ancak motor daha ağır ve sıkı bir şekilde çalışır.

[FONTA Glenn Research Center[[Dönetici:0], jet ve pervane propulsion arasındaki ticaret-offları için mükemmel eğitim kaynakları sağlar. online ders notları Froude verimliliğinin doğrudan tahrik cihazı arasındaki hız farkı ile nasıl ilişkili olduğunu açıklar.

Termal Verimliliği vs. Propulsive Verimliliği

Motor performansı iki efficinin ürünüdür: [Dönetici:0].(Cesel verimlilik[Dönetici: 0,3) ve [[Döneticisel verimlilik[Döneticisel enerji sabiti) % 0,9 daha düşük turbo hızlara sahip olabilir, çünkü aynı Brayton termodinamik döngüsüni paylaşırlar.Profilli bir verimlilikte fark eder. Tipik turboproperik hıza dönüşür.

Ancak, uçuş hızı Mach 0.7'nin ötesine yükselirken, pervane verimliliği bıçaklarda (shock dalga formu) sert bir şekilde azalır (örneğin, turbofan’ın yüksek katılık ve daha küçük çaplı düşüşleri ile, yüksek irtifalarda (above 30,000 ft) bir turbofan'ın yüksek kütle akışına sahip olduğu yüksek oranda azalır.

Thrust specific Yakıt Tüketimi (TSFC) in Detaylı

TSFC, motorlarda yakıt verimliliğini karşılaştırmak için standart ölçümdür, bir turboprop için saatte bir pompa (lbm/lbf-hr) veya SI eşdeğerdir.Sağda tipik bir turbofan için, TSFC yaklaşık 0,55 lbm /lbf-hr. bir turboprop için, eşdeğer metrik genellikle yüksek çözünürlükte turbo verimliliği kullanarak yapılır.

[FONT=0]Airliners.net forumları[Döneticileri genellikle pilotlardan ve mühendislerden gelen ayrıntılı gerçek dünya karşılaştırmaları, 200 mil bölgesel bir uçuş için, Bombardier Q400 gibi bir turboprop, Embraer E175 gibi bir bölgesel jete sahip.

Misyon için doğru motoru seçin

Uçak tasarımcıları jet motorları ve turboprops arasında seçim yaparken birçok faktör değerlendiriyor:

  • [FONT:0]Stage uzunluğu:[Dönetici:[Dönetici: 0,3) 500 nm altında, turbopropler genellikle yakıt maliyetine karşı kazanır. 1000 nm'den fazla jetler daha verimlidir ve daha yüksek hız, mürettebat maliyetlerini geri alır.
  • [FONT:0)Küresel yükseklik: [Döntme: Turboprops pervaner performansı nedeniyle yaklaşık 2,000 ft uçurabilir; jetler hava ve trafikten kaçınabilir.
  • [FONT:0)Runway uzunluğu:[Döntgen:[Döntgen: 0) Turboprops daha kısa bir performansa sahiptir çünkü pervaner yüksek statik itme (suç hava hızına bağlı) ve ters saha yardımı frenleme yapar.
  • [FONT:0)Cabin gürültü ve titreşim: Turboprops daha yüksek ve daha fazla titreşime maruz kalır (ATR 42/72 gibi modern tasarımlar altı litre ve aktif gürültü iptali gibi).
  • [FONT=0)Certification and maintenance:) Turboprop motorlar genellikle jet motorlarından daha düşük maliyetli maliyetlere sahiptir, kısmen daha düşük sıcaklıklar ve basınçlarda çalıştırılırlar.

Örneğin, CFM LEAP-1B turbos ile ilgili olarak, bölgesel rotalarda turboprop verimliliğin bir kriteri olduğu, ancak 737 MAX) ile CFM LEAP-1B turbofans daha uzun süredir optimize edilmiştir.Her motor tipi fizik ve ekonomi arasında dikkatli bir uzlaşmadır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Jet motorları ve turboproper hem hava arkasını hızlandırarak, Newton'un üçüncü kanununa reklam veriyor, ancak bu ivmeyi temel olarak farklı yollarla elde ediyorlar. Jet motorları - özellikle modern turbofanlar - yüksek hızlarda ve yüksek irtifalarda muazzam bir itme sağlayan yüksek enerji verimliliği sağlamak, onları uzun vadeli ve yüksek performanslı uçaklar için gerekli kılıyorlar. Turbopropetler daha büyük, daha yavaş yavaş hava akışı ile bir gaz türbini ile tahrik ediyor.

Aralarındaki seçim evrensel olarak “daha iyi” olmanın bir önemi değildir; tamamen görev profiline bağlıdır. Bölgesel havayolu şirketleri, kargo operatörleri ve faydalı pilotlar turbopropin düşük yakıt kaynakları yakıp kısa alan kapasitesi. Havayolları, jet ve turbopropilen nesil ile daha fazla rotalar hizmet eder, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, hızlı bir şekilde hareket etmeye devam eder.