Turboprop - Turboprop
Ein Turboprop- Triebwerk ist ein Turbinentriebwerk, das einen Flugzeugpropeller antreibt .
Ein Turboprop besteht aus einem Einlass, einem Untersetzungsgetriebe, einem Kompressor , einer Brennkammer , einer Turbine und einer Treibdüse . Luft wird in den Einlass gesaugt und vom Kompressor komprimiert. Der komprimierten Luft in der Brennkammer wird dann Brennstoff zugesetzt, wo dann das Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennt . Die heißen Verbrennungsgase expandieren durch die Turbine. Ein Teil der von der Turbine erzeugten Leistung wird zum Antrieb des Kompressors verwendet. Die Gase werden dann von der Rückseite des Motors ausgestoßen. Im Gegensatz zu einem Turbojet enthalten die Abgase des Triebwerks nicht genug Energie, um einen nennenswerten Schub zu erzeugen, da fast die gesamte Leistung des Triebwerks für den Antrieb des Propellers verwendet wird.
Technologische Aspekte
Der Abgasschub in einem Turboprop wird zugunsten der Wellenleistung geopfert, die durch Extrahieren zusätzlicher Leistung (über die zum Antrieb des Verdichters erforderliche hinaus) aus der Turbinenexpansion erhalten wird. Durch die zusätzliche Expansion im Turbinensystem ist die Restenergie im Abgasstrahl gering. Folglich erzeugt der Abgasstrahl etwa 10 % des Gesamtschubs. Bei niedrigen Drehzahlen kommt ein größerer Schubanteil vom Propeller, bei höheren Drehzahlen weniger.
Turboprops haben Bypass-Verhältnisse von 50-100, obwohl der Antriebsluftstrom bei Propellern weniger klar definiert ist als bei Ventilatoren.
Der Propeller ist über ein Untersetzungsgetriebe mit der Turbine gekoppelt , das die hohe Drehzahl /niedriges Drehmoment in niedrige Drehzahl/hohes Drehmoment umwandelt . Der Propeller selbst ist normalerweise ein Propellertyp mit konstanter Geschwindigkeit (variabler Steigung), ähnlich dem, der bei Hubkolbenmotoren von größeren Flugzeugen verwendet wird , außer dass die Anforderungen an die Propellersteuerung sehr unterschiedlich sind.
Im Gegensatz zu den Ventilatoren mit kleinem Durchmesser, die in Turbofan- Düsentriebwerken verwendet werden, hat der Propeller einen großen Durchmesser, der es ihm ermöglicht, ein großes Luftvolumen zu beschleunigen. Dies ermöglicht eine geringere Luftstromgeschwindigkeit für einen gegebenen Schubbetrag. Da es bei niedrigen Geschwindigkeiten effizienter ist, eine große Luftmenge geringfügig zu beschleunigen als eine kleine Luftmenge stark, erhöht eine geringe Scheibenbelastung (Schub pro Scheibenflächeneinheit) die Energieeffizienz des Flugzeugs, und dies reduziert der Kraftstoffverbrauch.
Propeller funktionieren gut, bis die Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs hoch genug ist, dass der Luftstrom an den Blattspitzen vorbei die Schallgeschwindigkeit erreicht. Jenseits dieser Drehzahl sinkt der Anteil der den Propeller antreibenden Leistung, die in Propellerschub umgewandelt wird, dramatisch. Aus diesem Grund werden Turboprop-Triebwerke nicht bei Flugzeugen verwendet, die schneller als 0,6–0,7 Mach fliegen . Allerdings propfan Motoren, die sehr ähnlich sind Turboprop - Triebwerke, können Kreuzfahrt bei Fluggeschwindigkeiten nähert 0,75 Mach. Um die Propellereffizienz über einen weiten Bereich von Fluggeschwindigkeiten beizubehalten, verwenden Turboprops Propeller mit konstanter Geschwindigkeit (variabler Steigung). Die Blätter eines Propellers mit konstanter Geschwindigkeit erhöhen die Steigung mit zunehmender Flugzeuggeschwindigkeit. Ein weiterer Vorteil dieses Propellertyps besteht darin, dass er auch zur Erzeugung von Gegenschub verwendet werden kann, um den Bremsweg auf der Landebahn zu verkürzen. Darüber hinaus kann der Propeller bei einem Motorausfall gefiedert werden , wodurch der Widerstand des nicht funktionierenden Propellers minimiert wird.
Während die Arbeitsturbine in den Gasgeneratorabschnitt integriert sein kann, weisen viele Turboprops heute eine freie Arbeitsturbine auf einer separaten koaxialen Welle auf. Dadurch kann sich der Propeller unabhängig von der Kompressordrehzahl frei drehen.
Geschichte
Alan Arnold Griffith hatte 1926 ein Papier über das Design von Kompressoren veröffentlicht. Nachfolgende Arbeiten am Royal Aircraft Establishment untersuchten Konstruktionen auf Axialkompressorbasis, die einen Propeller antreiben würden. Ab 1929 begann Frank Whittle mit der Arbeit an Konstruktionen auf Zentrifugalkompressorbasis, die die gesamte vom Triebwerk erzeugte Gaskraft für den Strahlschub nutzen würden.
Der weltweit erste Turboprop wurde von dem ungarischen Maschinenbauingenieur György Jendrassik konstruiert . Jendrassik veröffentlichte 1928 eine Turboprop-Idee und am 12. März 1929 ließ er seine Erfindung patentieren. 1938 baute er eine kleine (100 PS; 74,6 kW) Versuchsgasturbine. Der größere Jendrassik Cs-1 , mit einer erwarteten Leistung von 1.000 PS, wurde zwischen 1937 und 1941 im Ganz-Werk in Budapest hergestellt und getestet . Er war axial durchströmt mit 15 Verdichter- und 7 Turbinenstufen, Ringbrennkammer. Erstmals 1940, Verbrennungsprobleme begrenzten seine Leistung auf 400 PS. 1941 wurde der Motor kriegsbedingt aufgegeben und die Fabrik auf konventionelle Motorenfertigung umgestellt.
Die erste Erwähnung von Turboprop-Triebwerken in der allgemeinen Presse erfolgte in der Februar-Ausgabe 1944 der britischen Luftfahrtzeitschrift Flight , die eine detaillierte Schnittzeichnung enthielt, wie ein mögliches zukünftiges Turboprop-Triebwerk aussehen könnte. Die Zeichnung war dem zukünftigen Rolls-Royce Trent sehr nahe. Das erste britische Turboprop-Triebwerk war der Rolls-Royce RB.50 Trent , ein umgebauter Derwent II mit Untersetzungsgetriebe und einem Rotol 7 ft 11 in (2,41 m) Fünfblattpropeller. Gloster Meteor EE227 - der einzige "Trent-Meteor" - wurde mit zwei Trents ausgestattet und war damit das weltweit erste Turboprop-Flugzeug, wenn auch ein nicht für die Produktion vorgesehener Prüfstand. Es fliegt erstmals am 20. September 1945. Aus ihrer Erfahrung mit dem Trent, Rolls-Royce entwickelt , um den Rolls-Royce Clyde , das erste Turboprop - Triebwerk vollständig zu zertifizierten Typ für militärische und zivile Zwecke, und das Dart , die eine des wurde zuverlässigen Turboprop-Triebwerken, die jemals gebaut wurden. Die Dartproduktion dauerte mehr als fünfzig Jahre. Die Vickers Viscount mit Dart-Antrieb war das erste Turboprop-Flugzeug überhaupt, das in Produktion ging und in großen Stückzahlen verkauft wurde. Es war auch der erste viermotorige Turboprop. Sein Erstflug fand am 16. Juli 1948 statt. Das weltweit erste einmotorige Turboprop-Flugzeug war die von Armstrong Siddeley Mamba angetriebene Boulton Paul Balliol , die am 24. März 1948 erstmals flog.
Die Sowjetunion baute auf den deutschen Turboprop-Vorarbeiten der Junkers Motorenwerke aus dem Zweiten Weltkrieg, während auch BMW, Heinkel-Hirth und Daimler-Benz an Entwurfsprojekten arbeiteten. Während die Sowjetunion über die Technologie verfügte, um die Flugzeugzelle für einen strategischen Bomber mit Düsenantrieb zu bauen, der mit Boeings B-52 Stratofortress vergleichbar war , produzierte sie stattdessen die Tupolev Tu-95 Bear, angetrieben mit vier Kuznetsov NK-12 Turboprops, die mit acht Kontra- rotierende Propeller (zwei pro Gondel) mit Überschallspitzengeschwindigkeiten, um maximale Reisegeschwindigkeiten von über 575 Meilen pro Stunde zu erreichen, schneller als viele der ersten Düsenflugzeuge und vergleichbar mit Jet-Reisegeschwindigkeiten für die meisten Missionen. Der Bär sollte bis zum Ende des 20. Die USA verwendeten in den 1950er Jahren Turboprop-Triebwerke mit gegenläufigen Propellern wie die Allison T40 in einigen Versuchsflugzeugen. Das T40-angetriebene Convair R3Y Tradewind Flugboot wurde für kurze Zeit von der US Navy betrieben.
Das erste amerikanische Turboprop-Triebwerk war das General Electric XT31 , das erstmals im experimentellen Consolidated Vultee XP-81 eingesetzt wurde . Die XP-81 flog erstmals im Dezember 1945, das erste Flugzeug, das eine Kombination aus Turboprop- und Turbojetantrieb verwendete . Die Technologie von Allisons früherem T38-Design entwickelte sich zur Allison T56 , die zum Antrieb des Lockheed Electra- Verkehrsflugzeugs, seines militärischen Seepatrouillenderivats P-3 Orion und des militärischen Transportflugzeugs C-130 Hercules verwendet wurde.
Der erste Turbinenantrieb, wellengetriebenen Hubschrauber war die Kaman K-225 , eine Entwicklung von Charles Kaman ‚s K-125 synchropter , die eine gebrauchte Boeing T50 Turbomaschine zur Macht es am 11. Dezember 1951.
Verwendungszweck
Im Vergleich zu Turbofans sind Turboprops bei Fluggeschwindigkeiten unter 725 km/h (450 mph; 390 Knoten) am effizientesten, da die Strahlgeschwindigkeit des Propellers (und des Abgases) relativ niedrig ist. Moderne Turboprop-Flugzeuge arbeiten mit fast der gleichen Geschwindigkeit wie kleine Regionaljet- Flugzeuge, verbrauchen jedoch zwei Drittel des Treibstoffs pro Passagier. Im Vergleich zu einem Turbojet (der für erhöhte Geschwindigkeit und Kraftstoffeffizienz in großer Höhe fliegen kann ) hat ein Propellerflugzeug jedoch eine niedrigere Decke.
Im Vergleich zu Kolbenmotoren können ihr größeres Leistungsgewicht (das kürzere Starts ermöglicht) und ihre Zuverlässigkeit ihre höheren Anschaffungskosten, Wartung und Kraftstoffverbrauch ausgleichen. Als Düsentreibstoff leichter sein kann als erhalten Avgas in abgelegenen Gebieten, Turboprop-Flugzeug wie der Cessna Caravan und Quest - Kodiak wird eingesetzt als bush Flugzeuge .
Turboprop-Triebwerke werden im Allgemeinen in kleinen Unterschallflugzeugen verwendet, aber die Tupolev Tu-114 kann 470 kn (870 km/h, 541 mph) erreichen. Große Militärflugzeuge wie die Tupolev Tu-95 und zivile Flugzeuge wie die Lockheed L-188 Electra wurden ebenfalls mit Turboprop betrieben. Der Airbus A400M wird von vier Europrop TP400- Triebwerken angetrieben, die nach dem 11 MW (15.000 PS) Kuznetsov NK-12 die zweitstärksten jemals produzierten Turboprop-Triebwerke sind .
Im Jahr 2017 waren die am weitesten verbreiteten Turboprop- Flugzeuge die ATR 42 / 72 (950 Flugzeuge), Bombardier Q400 (506), De Havilland Canada Dash 8 -100/200/300 (374), Beechcraft 1900 (328), de Havilland Kanada DHC-6 Twin Otter (270), Saab 340 (225). Weniger verbreitet und ältere Verkehrsflugzeuge sind die BAe Jetstream 31 , Embraer EMB 120 Brasilia , Fairchild Swearingen Metroliner , Dornier 328 , Saab 2000 , Xian MA60 , MA600 und MA700 , Fokker 27 und 50 .
Zu den Turboprop- Geschäftsflugzeugen zählen Piper Meridian , Socata TBM , Pilatus PC-12 , Piaggio P.180 Avanti , Beechcraft King Air und Super King Air . Im April 2017 befanden sich 14.311 Business-Turboprops in der weltweiten Flotte.
Zuverlässigkeit
Zwischen 2012 und 2016 beobachtete der ATSB 417 Ereignisse mit Turboprop-Flugzeugen, 83 pro Jahr, über 1,4 Millionen Flugstunden: 2,2 pro 10.000 Stunden. Drei waren „hohes Risiko“ mit Triebwerksausfall und ungeplanter Landung in einmotorigen Cessna 208 Caravans , vier „mittleres Risiko“ und 96 % „geringes Risiko“. Zwei Vorfälle führten zu leichten Verletzungen durch Triebwerksfehler und Geländekollisionen in landwirtschaftlichen Flugzeugen und fünf Unfälle im Zusammenhang mit Luftarbeit: vier in der Landwirtschaft und einer in einer Ambulanz .
Aktuelle Motoren
Janes alle Flugzeuge der Welt . 2005–2006.
Siehe auch
- Düsentriebwerk
- Düsenflugzeug
- Jet-Boot
- Propfan
- Ramjet
- Krummsäbelpropeller
- Kompressor
- Tiltrotor
- Turbolader
- Turbofan
- Turbojet
- Turbowelle
Verweise
Anmerkungen
Literaturverzeichnis
- Green, W. und Cross, R. Das Jet-Flugzeug der Welt (1955). London: MacDonald
- Gunston, Bill (2006). Die Entwicklung von Strahl- und Turbinentriebwerken, 4. Auflage . Sparkford, Somerset, England, Großbritannien: Patrick Stephens, Haynes Publishing. ISBN 0-7509-4477-3.
- Gunston, Bill (2006). World Encyclopedia of Aero Engines, 5. Auflage . Phoenix Mill, Gloucestershire, England, Vereinigtes Königreich: Sutton Publishing Limited. ISBN 0-7509-4479-X.
- James, DN Gloster Flugzeug seit 1917 (1971). London: Putnam & Co. ISBN 0-370-00084-6
Weiterlesen
- Van Sichel, Neil D .; et al. (1999). "Turboprop-Triebwerke" . Van Sickles moderne Luftwaffe . McGraw-Hill-Profi. P. 205. ISBN 978-0-07-069633-4.
Externe Links
- Jet Turbine Planes von LtCol Silsbee USAAF, Popular Science, Dezember 1945, erster Artikel über Turboprops gedruckt
- Wikibooks: Jetantrieb
- "Entwicklung des Turboprop" ein 1950 Flugartikel über britische und US-Turboprop-Triebwerke