Por que os motores de hélice são incomuns em aviões comerciais?

Bem, primeiro vamos esclarecer alguns termos.
Quando você diz "rotary" engine estou assumindo que você está se referindo a motores radiais , um tipo de motor de pistão que usou para ser bastante comum em aeronaves. (Estes motores de pistão opostos são o que você normalmente encontra em aeronaves movidas a pistão, motores rotativos são outro design, mas seu uso desapareceu no final da Primeira Guerra Mundial.

O TU-95 não é realmente um avião movido a pistão - é um turboélice - basicamente um motor de turbina semelhante para o que você encontraria em um jato, apenas equipado para girar uma hélice ao invés de produzir "jato de propulsão" diretamente.

Do ponto de vista da eficiência, os motores de turbina são geralmente mais eficientes em termos de combustível do que os seus homólogos de pistão, e o combustível de aviação é produzido em maior volume que a gasolina de aviação e, consequentemente, mais barato para os operadores. Os motores de turbina também oferecem mais confiabilidade do que os motores de pistão, e a manutenção em um motor turboélice também é muito semelhante a um motor a jato com alguns componentes extras, o que é uma vantagem para uma empresa que opera uma frota de jatos e hélices. p>

As diferenças em eficiência operacional e confiabilidade são a principal razão pela qual os motores a pistão movidos a gasolina basicamente desapareceram do serviço aéreo regular.

Então, por que não vemos mais turboélices? Na verdade, vemos muitos deles, se você procurar nos lugares certos.

Jatos e Turboprops são bons em coisas diferentes - simplificando amplamente, um turboélice é mais eficiente em baixas altitudes e velocidades de vôo, enquanto um motor a jato é mais eficiente em altitudes e velocidades mais altas.

Como resultado, vemos aeronaves com turbopropulsores como ATR 72s em uso para o serviço de transporte de curta distância, mas para vôos trans-continentais ou transoceânicos, onde passam muito tempo em jatos de alta altitude, dominam o céu.
Como a maioria das pessoas está voando para percorrer distâncias relativamente longas, há comparativamente mais jatos no serviço aéreo regular do que nos turboélices.

O ruído provavelmente também é um fator - turbopropulsores rápidos como o Bear são LOUD não devido ao motor, mas devido à hélice. As pontas da hélice giratória em um TU-95 podem se aproximar de velocidades supersônicas, o que causa um pouco de ruído. As hélices contra-rotatórias do TU-95 (que ajudam a produzir empuxo mais eficientemente) também contribuem para uma pegada de ruído mais alta.
No caso do TU-95, isso não importa - é um avião militar, e a Força Aérea Russa não se importa se as pessoas reclamam, já que a aeronave tem a missão de completar e isso é mais importante do que algumas queixas de ruído. Se a United Airlines operasse um TU-95 fora do Kennedy, partindo sobre as casas das pessoas, eu suspeito que eles iriam rapidamente reconsiderar a escolha do equipamento quando as queixas de barulho começaram a chegar ...

    

Ler as respostas aqui diz-me para colocar alguns factos na discussão:

1. Os motores de pistão são os motores de aviação mais eficientes em termos de combustível. Sua desvantagem é uma saída de energia constante em relação à velocidade, de modo que o impulso é inverso à velocidade. Isso ajuda na aceleração na decolagem, mas limita a velocidade máxima. Um moderno motor a pistão utiliza 240 g de combustível para fornecer 1 kW de potência durante uma hora: 240 g / kW-h. Os motores diesel usam apenas 220 g / kW-h. Esse número já é válido para o antigo Jumo 205 , entre os primeiros motores a diesel de aviação em operação há 80 anos.
2. Os motores turboélice são os próximos, e sua potência aumenta um pouco acima da velocidade devido à pressão do aríete (que aumentará a pressão interna no motor em aproximadamente 30% em Mach 0,8). Seu consumo específico de energia é cerca de 300 g / kW-h .
3. Os motores a jato são menos eficientes que os dois, mas são melhores para voar rápido e alto. Seu impulso diminui ainda mais com a velocidade, de modo que a melhor base para expressar o consumo é o impulso, não a energia. O consumo típico de combustível de um moderno motor a jato ( GE-90 ) é de 30 gramas de combustível por Newton de empuxo em uma hora (30 g / Nh) quando estiver parado, e o dobro em cruzeiro a Mach 0.8. Motores militares jet modernos atingem 80 g / Nh na decolagem e têm empuxo e consumo específico aproximadamente constantes.

Em todos os casos, o empuxo é criado pela aceleração de uma massa de ar para trás. A equação geral para eficiência propulsiva $ \ eta $ is $$ \ eta = \ frac {v _ {\ infty}} {v _ {\ infty} + \ frac {\ Delta v} {2}}, $$ onde $ \ Delta v $ é o aumento de velocidade da massa de ar devido a essa aceleração. Esta fórmula mostra que é melhor acelerar uma grande massa de ar apenas um pouco mais que uma massa menor. As hélices fazem isso e, por esse motivo, oferecem a melhor eficiência. Os turbopropulsores usam turbinas a gás menos eficientes, porém mais leves, para a geração de energia, mas retêm a hélice eficiente. Os turbofans civis tentam aumentar a massa de ar aumentando sua taxa de desvio , e somente os militares estão usando os tipos menos eficientes com taxas de bypass abaixo de 1, porque elas são a melhor escolha em velocidade supersônica.

Abaixo, você vê uma plotagem do consumo de combustível específico de impulso na condição de cruzeiro de diferentes tipos de motor sobre sua relação de desvio. A relação inversa é facilmente visível.

Gráfico do consumo específico de combustível de empuxo em lb de combustível por lb de empuxo por hora de diferentes motores sobre o logaritmo de sua relação de desvio (figura source ).

Para fazer uma comparação entre os motores a pistão e turbofan, vamos comparar o consumo de combustível na decolagem. A fórmula para o impulso estático de uma hélice é $$ T_0 = \ sqrt [\ Large {3} \;] {P ^ 2 \ cdot \ eta_ {Prop} ^ 2 \ cdot \ pi \ cdot d_P ^ 2 \ cdot \ rho}, $$ em que $ P $ é a potência do eixo, $ d_p $ o diâmetro da hélice e $ \ rho $ a densidade do ar. Para o nosso exemplo, usamos um adereço de quatro pás de 3,4 m de diâmetro e um motor com 1111 kW de potência. Seu empuxo estático é de 10.727 kN quando assumimos condições atmosféricas padrão e uma eficiência de propulsão de 85%. O fluxo de combustível será de 266,6 kg por hora e, em relação ao empuxo, é de 24,8 g / N ou apenas 80% do fluxo de um turbofan moderno.

Gostaria de saber se até mesmo os entusiastas poderiam adivinhar qual avião eu usei , porque ofusquei usando aqueles desconhecidos unidades métricas. Eu acho que ninguém vai argumentar que não é otimizado para o vôo rápido, então essa comparação também deve valer para o Tu-95, para o qual tenho menos dados disponíveis.

No entanto, uma hélice forçará qualquer aeronave a voar mais devagar que os jatos. Seus tanques de eficiência, uma vez que as pontas da hélice girem em velocidade supersônica, portanto, é melhor manter o cruzeiro Mach abaixo de 0,6. Mas o tráfego comercial quer voar tão rápido quanto economicamente possível, e com turbofans esse limite é atingido apenas em torno de Mach 0,85. O avião mais rápido voará mais pernas ao mesmo tempo, transportando mais pessoas e gerando mais receita. Além disso, ao oferecer a conexão mais rápida, ele aparecerá nos sistemas de reservas na página 1 e será o favorito com viajantes de negócios, que representam quase todos os lucros das companhias aéreas. Esse é o motivo pelo qual não vemos mais muitos turboélices no tráfego civil.

    

O ruído não deve ser o problema. As aeronaves modernas movidas a propulsão turbo são ainda mais silenciosas em comparação com aeronaves similares movidas por motores a jato. É - como sempre - tudo sobre economia.

Vamos falar sobre os tipos de mecanismo disponíveis. (Tudo o que você experimentou aviadores, eu vou mantê-lo muito simples e, portanto, em alguns pontos, mesmo não 100% correto. Se você não gosta disso, por favor pule este parágrafo, se você gostaria de ter moe detalhes sobre um tipo de motor, por favor sinta-se à vontade para fazer suas perguntas) Os motores de pistão são os motores mais antigos e os aviões ainda mais comuns ou leves. Você pode compará-los com o motor do seu carro, mas em vez de dirigir a caixa de câmbio que aciona suas rodas, eles acionam uma hélice (às vezes também por meio de uma caixa de câmbio). Motores de pistão strongs o bastante para alimentar um avião comercial, como faziam no passado, consomem muito combustível e óleo para serem eficientes o suficiente para competir com motores a jato. Existem diferentes tipos de motores a jato . O clássico motor a jato suga no ar com sua ventoinha, espreme em um compressor, faz com que ele atinja estrondo em uma câmara de combustão e sopra, enquanto uma turbina à frente do bocal usa um pouco dessa energia para acionar o ventilador e o compressor - lembre-se dessas quatro palavras e você sempre saberá como funciona;) Esse tipo simples de motor a jato era usado para os primeiros aviões de passageiros a jato, mas hoje em dia você só vai encontrá-lo em jatos militares. Aeronaves modernas de passageiros usam o mesmo princípio, mas seus motores têm um ventilador muito maior turbo fan engines . A maior parte do ar é contornada em torno do "núcleo" do motor. Este ar fornece mais da metade do empuxo. Há também motores turbo prop : basta substituir o ventilador por uma hélice. E finalmente motores de eixo turbo onde toda a potência dos motores a jato é usada para acionar uma hélice e o escapamento não fornece energia direta.

De onde vem todo esse barulho? Para simplificar, podemos dizer que as diferenças de velocidade produzem ruído. Motores a jato são barulhentos por causa da alta diferença de velocidade do ar que passa pelo motor e pelo fluxo de ar livre. O fluxo de ar frio de um motor turbo-ventilador é mais lento, portanto, há menos diferença de velocidade no escape e menos ruído. O ruído dos motores a hélice depende principalmente da velocidade da hélice. As pontas das pás da hélice são obviamente as partes móveis em jejum. O projeto deles exige que eles permaneçam subsônicos para entregar empuxo, mas a velocidade da hélice, assim como a velocidade do ventilador nos motores turbo-ventilador, é cada vez mais reduzida para reduzir as emissões de ruído.

Um motor econômico não deve ser apenas poderoso, mas também eficiente em termos de combustível. Você está certo motores de propulsão turbo são geralmente os motores mais eficientes de combustível, mas você como passageiro gostaria de sentar-se dez horas em um avião para ir de Londres para Nova York? Eu não e a maioria dos aviões não vai gostar de um avião assim, porque o tempo de vôo custa dinheiro. As aeronaves turboélice são mais eficientes em distâncias curtas, nas quais a diferença de velocidade não faz uma diferença tão grande no tempo de voo.

Outro problema com os motores turbo-hélice são os passageiros. Há muitas pessoas que vêem uma hélice e pensam que estão sentadas em um dos aviões mais antigos de todos os tempos. Eles confiam em motores a jato, design de asas baixas e tudo o que você encontraria em um avião de passageiros "moderno" desenhado por uma criança de sete anos de idade.

Espero que você encontre sua resposta, considerando todo esse conhecimento básico e simplificado.