Flygplansmotorprestanda
Flygplansmotorprestanda avser faktorer inklusive dragkraft eller axeleffekt för förbrukat bränsle, vikt, kostnad, yttermått och livslängd. Det inkluderar att uppfylla reglerade miljögränser som gäller för utsläpp av buller och kemiska föroreningar, och reglerade säkerhetsaspekter som kräver en design som på ett säkert sätt kan tolerera miljörisker som fåglar, regn, hagel och isbildning. Det är slutprodukten som ett motorföretag säljer.
Flygplansmotorer är en del av framdrivningssystemet för ett flygplan , en helikopter , en raket eller en UAV som producerar roterande kraft som överförs till en propeller eller kinetisk energi som en gasavgasström med hög hastighet . Flygplansmotortyper inkluderar turboprop , turbojet , turbofläkt och turboaxel . Kolvmotorer används i privata fritidsflygplan och äldre flygplan. Elmotorer används i modellflygplan, små drönare, små UAV:er och små besättningsflygplan. Flygplansmotorns prestanda har förbättrats dramatiskt sedan tillkomsten av den första motordrivna flygningen 1848 av John Stringfellow . Flygplansmotortillverkare måste ständigt förnya sig för att förbli konkurrenskraftiga genom att erbjuda effektivare och mer pålitliga motorer. Att förbättra prestandan hos flygplansmotorer minskar ägandekostnaderna för operatörer av kommersiella, militära och privata flygplan.
Prestandakriterier
Följande är olika mått på motorn som en svart låda och de flesta är förhandlade mellan motortillverkaren och dess kund för en viss flygplansinstallation. Vissa, som buller, avgasföroreningar och vissa driftkrav, såsom accelerationstider, regleras med gränser som måste uppfyllas för kommersiell drift. Var och en är resultatet av designiterationer i den "svarta lådan" med både analytisk datormodellering och utvecklingstestning.
Dragkraft, Axeleffekt, Bränsleförbrukning, Vikt, Kostnad, Installationsomslag, Översynslivslängd, Driftbarhet, Buller, Avgasföroreningar.
Faktorer som påverkar motorns prestanda
Bränsle
Bränslekostnaden är en betydande del av driftskostnaden för ett flygplan, cirka 56 % för ett bredkroppsflygplan 1983. Särskilda bränslen är godkända för användning i en viss motor för att förhindra säkerhets- och tillförlitlighetsproblem . Bränslen inkluderar flygbränsle och AVGAS (flygbensin), som skiljer sig från fordonsmotorbränslen . Gasturbinmotorer kommer att drivas på flygbensin som ett alternativ till flygbränsle som i fallet med turbojetboostermotorer på kolvmotoriserade flygplan. Små turboprop- och affärsflygplan kan godkännas för en begränsad drifttid på avgas för att tillåta tankning vid avlägsna landningsbanor utan flygbränsletillförsel. Olika bränslen används för olika tillämpningar på grund av deras prestandaegenskaper.
Flygbränsle
Fotogen jetbränsle , även känt som flygturbinbränsle (ATF), är designat för att användas i flygplan som drivs av gasturbinmotorer . Jetbränsle som används för att driva gasturbinmotorer har varit det föredragna drivmedlet sedan tillkomsten av denna typ av motor på grund av bränslets gynnsamma förbränningsegenskaper och relativt höga energiinnehåll. Jetbränsle är fortfarande det mest använda bränslet inom flyget på grund av turbofläkt- och turbopropmotorernas popularitet. Turbofläktmotorer driver de flesta stora kommersiella passagerar- och fraktflygplan idag. Civila flygbränslekvaliteter inkluderar A-1 , A , B , TS-1 . Militära betyg inkluderar JP-4, JP-8 och JP-5. Militära varianter skiljer sig från civila jetbränslen på grund av tillsatsen av korrosionsinhibitorer och anti-isningstillsatser. JP-8 jetbränsle är det vanligaste bränslet bland Natos flygplansflotta.
AVGAS
AVGAS (flygbensin) används ofta i kolvmotorer ( kolvmotorer ). Flygbensin är mycket flyktig och mycket brandfarlig, med låg flampunkt , vilket gör den olämplig för användning i gasturbinmotorer. Flyktighet är hur lätt ett ämne kommer att förändras från ett flytande till ett gasformigt tillstånd. Mycket flyktigt bränsle krävs för att driva kolvmotorer eftersom den flytande bensinen som pumpas till förgasaren lätt måste förångas för att förbrännas i motorn. Det behövs dock en balans av volatilitet. Om AVGAS-bränsle är för flyktigt kan det orsaka ånglåsning och tidig detonation i motorcylindern. Om AVGAS inte är tillräckligt flyktig kommer det att uppstå inkonsekvent motoracceleration och kraft i hela varvtalet. AVGAS kompletteras vanligen med tetraetylbly (TEL) för att förhindra knackning av motorn , vilket är en skadlig uppbyggnad av tryck inuti motorn orsakad av lågoktantal bränsle som kan leda till motorbortfall i kolvmotorer. Antiknocktillsatser möjliggör högre effektivitet och toppeffekt. TEL har förbjudits av EU för bilbruk på grund av miljöhänsyn, men är fortfarande godkänt för användning i flygplan.
Raketbränsle
Raketbränsle består av fasta, flytande och geltillståndsbränslen för framdrivning. För att driva raketer blandas ett bränsle och ett oxidationsmedel i förbränningskammaren, vilket ger ett högenergidrivande avgas som drivkraft. De huvudsakliga användningsområdena för raketbränsle är för förstärkare av rymdfärjor för att driva farkosten ur atmosfären, eller för missiler . Fast raketdrivgas bryts inte ned vid långtidslagring och förblir pålitlig vid förbränning. Detta gör att ammunition kan förbli laddad och avfyras vid behov, vilket är högt ansedd för militär användning. När de har antänts kan fasta raketdrivmedel inte stängas av. Bränslet och oxidationsmedlet lagras i ett metallhölje. När det har antänts, brinner bränslet från mitten av den fasta föreningen mot kanterna på metallhöljet. Brännhastigheter och intensitet manipuleras genom att formen på en kanal mellan bränslet och höljesskalet ändras. Två varianter av fasta raketbränsledrivmedel finns. Dessa inkluderar homogena och sammansatta fasta raketbränslen. Dessa bränslen är karakteristiskt täta, stabila vid vanliga temperaturer och lätta att lagra. Flytande bränslen är mer kontrollerbara än fasta raketbränslen och kan stängas av efter antändning och startas om, samt erbjuda bättre dragkraftskontroll. Flytande drivmedel lagras i två delar i en motor, som bränsle i en tank och ett oxidationsmedel i en annan. Dessa vätskor blandas i förbränningskammaren och antänds. Hypergoliskt bränsle blandas och antänds spontant, vilket inte kräver någon separat antändning. Flytande bränsleföreningar inkluderar petroleum, väte och syre.
Elektrisk
Elektricitet kan överföras till ett flygplans elmotorer genom batterier , jordströmkablar , solceller , ultrakondensatorer , bränsleceller och kraftstrålar . Elektriskt drivna motorer är för närvarande endast lämpliga för lätta flygplan och UAV ( obemannade flygfarkoster) . Elmotorer prisas för att vara miljövänliga och relativt tysta. Det finns en mängd personliga UAV:er och drönare tillgängliga att köpa utan licens eller åldersbegränsning globalt, kapabla till höghastighetsmanövrar och smidiga flygegenskaper. Vanligtvis har flygplan med elektriska motorer betydligt kortare flygtid än konventionella bränsledrivna flygplan även om batteriteknikutvecklingen och solenergiomvandling har skapat potential för användning i kommersiella flygplan. Jeffrey Engler, VD för Wright Electric , uppskattar att kommersiellt gångbara elplan kommer att minska energikostnaderna med 30 %.
Väte
Väte som bränsle, genom förbränning av väte i en jetmotor eller bränslecell, är en livskraftig bränslekälla för flygplansmotorer. För närvarande är trycksatta tankar för att hålla vätgasbränslet med tillräcklig volym och tillräckligt låg vikt inte tillgängliga för stora kommersiella flygplan, men har framgångsrikt implementerats på mindre personliga flygplan som Boeing Fuel Cell Demonstrator av Boeing Phantom Works och på raketer för uppskjutning för rymdfärjor när de lagras kryogent . Väte kan användas för att driva en mängd farkoster, via turbinmotorer, kolvmotorer och raketmotorer. Vätgasbränsleceller skapar elektrisk kraft genom hydrolys och befinner sig i olika stadier av forskning för tillämpningar i miljövänliga motorer då de inte avger några giftiga avgaser. Vätgasdrivna motorer avger endast vatten genom bindning av syre och väte, såväl som eventuellt överskott av väte som avgaser. Det betyder att detta är ett mycket miljövänligt framdrivningssystem.
Elektroaerodynamisk dragkraft
Forskare från MIT (Massachusetts Institute of Technology) har utvecklat ett jondrivet framdrivningssystem utan rörliga delar. "Motorn" drivs av jonisk vind , även känd som elektroaerodynamisk dragkraft. Denna nya form av flygplansframdrivning skulle vara helt tyst och kräva mycket mindre underhåll än konventionella fossilbränsledrivna motorer. Denna teknik har potential att användas tillsammans med konventionella flygplans förbränningsmotorer som ett hybridsystem med vidareutveckling eller till och med som framdrivningssystem på rymdfarkoster.
Atmosfäriska förhållanden
Atmosfäriska förhållanden är en viktig faktor vid analysen av de faktorer som bidrar till olika flygmotorprestanda. Dessa faktorer inkluderar höjd, temperatur och luftfuktighet. Flygplansmotorns prestanda minskar när höjden och temperaturen ökar. Vid hög luftfuktighet minskar volymen luft tillgänglig för förbränning, vilket orsakar effektförluster i förbränningsmotorer. Flygplansmotorprestanda mäts vid baslinjeparametrar för en standardatmosfär (29,92” kvicksilver) vid 15 °C.
Vädret kan vara ett fysiskt hinder för flygplansdrift, som det är vid prognoser för hagel eller vulkanisk aska, på grund av risken för allvarliga skador på alla motorer som är installerade på flygplanet.
Höjd över havet
När höjden ökar minskar luftdensiteten . Med lägre luftdensitet är luftmolekylerna längre ifrån varandra, vilket kommer att leda till sämre prestanda hos förbränningsmotorer. Eldrivna flygplan kommer inte att se effektförluster på hög höjd, utan snarare aerodynamiska förluster då propellrar arbetar hårdare för att driva fram samma mängd luft som på marknivå. Kylkapaciteten kommer dock att minska på både förbränningsmotorer och elmotorer på hög höjd på grund av den lägre densiteten av luft. Detta fenomen är anledningen till att helikoptrars driftsgräns är begränsad, eftersom propellerkraften återgår till värdet 0 när luften blir för tunn på hög höjd. Detta gör flygplatser på hög höjd betydligt farligare än flygplatser vid havsnivå.
Temperatur
Temperaturen har betydande effekter på den maximala tillgängliga effekten och driftseffektiviteten hos en flygplansmotor. Detta gäller för förbrännings- och elmotorer. Piloter tar hänsyn till omgivningstemperaturen på dagen för en flygning för att beräkna den startsträcka som krävs. Extrem värme eller kyla är prestandabegränsningar för flygplansmotorer.
Ett flygplan som flyger på en konstant höjd med en omgivande lufttemperatur på 20 °C skulle uppleva bättre prestanda än att flyga med en omgivande lufttemperatur på 40 °C. Med kalla temperaturer blir luften tätare och en större massa luft/bränsleblandning förbränns, vilket leder till högre effektivitet och större effekt.
Fuktighet
Fuktighet påverkar syremassan i varje volymenhet luft i atmosfären, vilket minskar förbränningshastigheten och ökar förbränningstiden för bränslet i en förbränningsmotor, vilket kommer att minska den termiska effektiviteten. Minimala effektförluster uppstår när energin från motorns förbränning värmer upp fukten i motorn. För elektriska komponenter som finns i elmotorer kan överskott av fukt skada kretsar och elektriska system. I verkligheten är luften aldrig helt torr, eller utan fukt i atmosfären . Även när luft anses vara torr behåller den en fukthalt på cirka 5 %.
Väder
Vädret har betydande inverkan på en motors prestanda, och även benägenheten att orsaka motorfel eller fel. Vindar är både fördelaktiga och ogynnsamma beroende på vindens riktning och flygplanets kurs. En betydande svaghet hos många flygplan är deras användning av propellrar eller turbiner i sina motorer. Detta beror på att andra partiklar som kommer in i motorn än luft kan orsaka skada. Ett exempel på detta är hagel , när nederbörden fryser. Om hageln är tillräckligt kraftig kan motorinloppsledskovlar eller kompressorblad böjas eller gå sönder vid stötar. Vulkanaska som kastas ut i atmosfären på grund av ett vulkanutbrott är ett annat exempel på minskad motorprestanda på grund av väder. Partiklar av vulkanisk aska är nötande vid hög hastighet, vilket leder till nötning på kompressorns fläktblad. Den glasliknande silikatföreningen som finns i vulkanaska har en lägre smältpunkt än förbränningstemperaturen för bränsle och luft i en jetmotor. När det förs in i motorn smälter materialet och avlagringar i svalare områden av motorn, vilket leder till att kompressorn stannar och tryckförlusten.