Por que os motores de pistão não são tão confiáveis em aviões de passageiros?

Esta resposta não precisa ser complexa. Os motores de pistão têm muito mais peças e são partes recíprocas. São máquinas muito mais complexas que os turbofans. Essa é a resposta.

Turbofans são máquinas bastante simples. Sim, há muitas partes, mas muitas das partes são estáticas ou movem-se muito pouco. Seu desenvolvimento e construção são complexos, mas sua operação é relativamente simples e, portanto, mais confiável.

Por exemplo; um motor radial de 18 cilindros requer aproximadamente 54.000 eventos de ignição por minuto de vôo. Um turbofan requer apenas um evento de ignição para todo o voo e acontece no solo.

Similarmente, essa mesma radial requer duas operações de válvula por evento de ignição. São 108.000 operações de válvulas por minuto, ou cerca de 19,4 milhões de operações de válvulas por motor em um vôo de 3 horas.

Isso significa que um Douglas DC-7 teria 78 milhões de operações de válvula em um vôo de 3 horas e 39 milhões de eventos de ignição . Os sistemas de ignição costumavam ser em grande parte mecânicos, com muitas partes móveis. (A ignição eletrônica e a ignição sem distribuidor mudaram muito isso nos motores de pistão modernos.)

Combine com isso, o fato de que eles tinham dispositivos como o turbo-composto, que você poderia imaginar como um acionador de eixo turbo que ajuda a dirigir o virabrequim. Cada motor de um DC-7 tinha três deles. Incidentalmente, eles causaram problemas de confiabilidade porque aumentaram a temperatura do escapamento e foram conhecidos por causar falhas na válvula de exaustão.

Exemplo de voo de 3 horas DC-7 a 350 mph: Denver a São Francisco

Referência: matemática e conhecimento do motor

O Wright R-3350 no DC-7 é ajustado para 16: 7, ou cerca de 2,29: 1. Use 2.600 RPMs de hélice para obter 6.000 RPMs de motor.

Esta afirmação não é inteiramente verdadeira. O motor R2800 foi considerado na época bastante confiável em comparação com o R3350 e o R4360. Esses motores representavam o beco sem saída evolucionário do grande poder de pistão, no qual empurrar para mais potência começou a tornar os motores menos confiáveis do que seus antecessores de baixa potência.

Parte dessa estatística foi simples, onde a probabilidade de falha de uma máquina aumenta com o número de peças que ela contém. Em termos brutos, isso significa que dobrar o número de pistões dobra a oportunidade de algo dar errado com um deles no motor. Observe também que esses pistões extras não fornecem redundância, no sentido de que um pistão defeituoso encherá o sistema de óleo com metal quebrado, fazendo com que os outros pistões falhem não muito tempo depois, ou inicie o motor em chamas.

As usinas geradoras de turbinas fornecem mais tempo de operação e mais TBOs do que os motores de pistão que eles substituíram, além de mais potência para menos peso do motor. Esses atributos compensam os maiores custos de substituição e o maior consumo de combustível em aplicativos em que o tempo de atividade e a energia foram necessários para permitir um modelo de negócios viável.

Aplicações de baixo consumo de energia e custo baixo ainda fazem uso de pistões, com o ponto de interrupção em torno de ~ 300HP. Isso se deve, pelo menos em parte, ao fato de que, à medida que as turbinas são reduzidas na produção de energia, sua eficiência geralmente sofre, e seus custos de fabricação não caem rápido o suficiente para competir com pistões na arena de 250HP.

Você, em parte, responde a sua própria pergunta

piston-engined airliners in the 1940

comparado com

in-flight failures of modern turbofan engines

Simplificando, aprendemos muito nos últimos 75 anos sobre fabricação e construção, bem como testar, identificar e prevenir a fadiga. Esse conhecimento ajudou os motores a pistão tanto quanto os jatos. Como outros notaram, há também muito mais partes móveis em um motor a pistão que todos precisam operar em sincronia para tudo que é executado.

Já que os motores de pistão não são mais usados na grande aeronave, o melhor analógico são aqueles que ainda estão voando em aviões GA. Análise FAA dos vinte anos entre '84 e '04 mostram que apenas 26% dos acidentes eram mecânicos e que apenas 11% eram falhas de motor alternativo. Em outras palavras, os motores de pistão de aviação são realmente confiáveis quando usados adequadamente. Outros relatórios de tendências observam que a falha está freqüentemente relacionada ao uso indevido do sistema de controle do motor . Na década de 40, não havia FADEC, talvez não houvesse sequer rev-limiters, os parâmetros operacionais foram baseados em décadas de dados, não quase um século.

...so unreliable on large aircraft, yet extremely reliable on small aircraft?

Os motores de pistão em pequenas aeronaves não são de forma alguma novos Lycoming no arqueiro que eu vôo é bonito muito parecido com o que foi quando saiu em 1955. É confiável porque nossas funções de usinagem, fundição, manufatura e relacionadas são melhores do que eram em 1955. Muitas pessoas estão voando com monitores de motor completos , que é muito mais do que o único medidor de temperatura que a estrutura original tinha. Um caso poderia ser feito que um extra de 50 anos de desenvolvimento em motores de pistão de grande porte os teria feito tão confiáveis quanto suas contrapartes GA.

Turbinas não são isentas de problemas

Outra coisa a considerar é que muito do hanger talk (ou o que foi deixado daquela época) de um grande multi-pistão voando tem raízes militares pesadas. A manutenção do motor no campo foi boa, mas não ótima, e quando o uso diário pesado, incêndio ao vivo e nem sempre as operações "no livro" são contabilizadas, a operação confiável nunca deve ser esperada. Isso levou a muitas lojas de motores fracassados, deslizando para casa (ou em um campo) etc. Isso ajudou a abastecer o mercado gêmeo por um longo tempo e ajudou a criar a noção de que os motores de pistão grandes não eram confiáveis.

Além disso, não está estritamente relacionado à confiabilidade:

Hughes HK-1 'Spruce Goose'. Oito R-4360s perfazendo um total de 448 velas de ignição para uma aeronave.

Avro Lancaster (4 motores de 12 cilindros, duas velas de ignição por cilindro). ... e é muito divertido mudá-los. Lembre-se que não é tão ruim quanto verificar e redefinir as liberações das válvulas, e quantas, 48 X 4 = 192 das coisas sangrentas ....