Я пытаюсь выяснить, ПОЧЕМУ турбовинтовые двигатели более эффективны на более низких высотах и скорости полета, а турбовентиляторные лучше на более высоких скоростях и большей высоте.
Упрощенно мое объяснение следующее:
Газотурбинная часть как турбовинтовых, так и турбовентиляторных двигателей в основном одинакова, поэтому ОБА должны выиграть от увеличения высоты.
Однако, поскольку TAS также увеличивается с высотой, турбовинтовые двигатели начинают испытывать сверхзвуковые эффекты (ударные волны) на концах винтов, что ограничивает их потолок.
Правильно ли это объяснение? Какие формулы могут поддержать это? Почему турбовентиляторный двигатель менее эффективен, чем турбовинтовой, на меньших высотах?
Спасибо.
Турбовинтовые двигатели более эффективны, потому что они меньше разгоняют воздух для создания тяги, и, следовательно, воздух уносит меньше энергии, так как кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости. Это верно на всех высотах.
Ни один из двигателей не выигрывает от высоты. Они действительно выигрывают от более низких температур наверху, поскольку эффективность тепловой машины пропорциональна соотношению высокой и низкой абсолютной температуры. Но главное преимущество полета на большой высоте заключается в том, что сопротивление пропорционально плотности, поэтому в менее плотном воздухе на большой высоте самолет летит быстрее с той же тягой. Это справедливо для обоих типов двигателей.
Ключевое отличие заключается в том, что турбовинтовые двигатели ограничены истинной воздушной скоростью, поскольку, когда концы винтов приближаются к скорости звука, начинают формироваться ударные волны, которые создают огромное сопротивление (и много шума), и эффективность быстро снижается. Напротив, вход турбовентиляторного двигателя изменяет поле давления вокруг него, так что воздух всегда попадает на вентилятор с той же скоростью, независимо от скорости самолета, вместо этого преобразуя дополнительную скорость в давление. Поэтому турбовентиляторные двигатели сохраняют свою эффективность до более высоких реальных скоростей полета.
Поскольку низкая плотность на больших высотах также увеличивает истинную скорость сваливания, ограничение истинной воздушной скорости турбовинтовых двигателей также создает ограничение по высоте.
Таким образом, для коротких маршрутов, где не хватает расстояния, чтобы подняться так высоко, более высокая эффективность турбовинтовых двигателей лучше, и используются турбовинтовые двигатели. Но для более длинных маршрутов, где вы можете подняться выше примерно 30 000 футов и пролететь там большую часть маршрута, повышение эффективности из-за меньшей плотности и, как следствие, более высокой истинной воздушной скорости компенсирует более низкую эффективность турбовентиляторных двигателей, и они становятся лучше.
Кроме того, полет быстрее снижает другие расходы. На коротких маршрутах самолет тратит большую часть времени на погрузку, разгрузку и дозаправку на земле, поэтому более быстрый полет имеет меньший эффект, и вы хотите свести к минимуму расход топлива. Но для более длинных маршрутов полет быстрее означает, что самолет может совершить больше рейсов за определенное время, а экипажи могут совершить больше рейсов, и, следовательно, фиксированные расходы распределяются на большее количество пассажиро-миль, что делает целесообразным летать быстрее, даже если это означает использование немного больше топлива. . Это снова требует использования турбовентиляторных двигателей.
По мере уменьшения длины этапа максимальная крейсерская скорость на высоте 39 000 футов играет все меньшую роль в определении продолжительности полета от ворот до ворот, поскольку обычно не хватает времени, чтобы подняться на эту высоту, а затем снова спуститься на пригородном прыжке.
Это означает, что существует жизнеспособный профиль полета, который включает в себя набор высоты на более низкую высоту и крейсерский полет с более низкой скоростью, который находится в пределах расстояния от ворот до ворот более быстрого самолета, который летит на гораздо большей высоте.
Это область турбовинтовых двигателей.
Ману Х