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PS: Turbo vs Non-Turbo


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TheAviator

Hallo zusammen,

 

Ich habe ein Verständnis-Problem im Leistungs-Vergleich von Motoren mit Turbo und solchen ohne. Oft gibts ja fast baugleiche Motor einmal mit und einemal ohne. Die PS-Zahlen sind gleich (z.B. bei Arrow und Turbo-Arrow). Trotzdem ist der Turbo deutlich performanter (ich meine auch in niedrigen Höhen, mir geht es nicht um die Leistungsverbesserung in der Höhe).

 

Wie kann man das verstehen: Beide haben die gleich PS-Zahl, trotzdem hat der Turbo viel mehr Leistung (und auch mehr Verbrauch).

 

Danke, wenn das jemand erklären kann

 

Gruss

Urs

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bleuair

Sali Urs,

 

ich will keinesfalls dem Profi vorgreifen.

 

Mit dem Turbo (=Luftverdichter) kriegst Du die Brennkammern satter gefüllt mit Sauerstoff. Fürs Gemisch muss dann auch mehr Treibstoff rein (--> Mehrverbrauch). Die Kolben geben mehr Kraft auf die Kurbelwelle, welche den Propeller antreibt. In der Höhe ist der Fall dann klar, dem Sauger geht da ja förmlich die Luft aus. Die 200PS sind nur ein Papierwert auf MSL.

 

Und nun kommt wohl das Kapitel für den Profi - der Unterschied liegt dann wohl beim Propeller (Übertragung der Kraft ans "fixe" Medium), wo mehr Durchmesser und/oder andere Steigungen geflogen werden, und damit mehr Leistung in tieferen Lagen anliegt. Ist das so?

 

Interessant ist ferner die Frage (wenn ich diese Themenerweiterung anbringen darf), wie die PS beim Flugmotor gemessen werden. Beim Auto kann ich den Widerstand am Rad und die Verluste bis dorthin nehmen. Aber beim Flugmotor?

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MarkusP210
Beide haben die gleich PS-Zahl, trotzdem hat der Turbo viel mehr Leistung

 

Aus meiner Sicht als Elektriker ist die Leistung eine Funktion der Menge brennbaren Gemisches in den Brennräumen. Dabei spielt die Menge der zugeführten Verbrennungsluft die Hauptrolle. Je mehr Verbrennungsluft zur Verfügung steht, umso mehr Brennstoff kann beigemischt werden und umso mehr Leistung steht zur Verfügung (natürlich spielt dann die Geometrie und Befüllung der Brennräume eine Rolle usw.).

 

In diesem Sinne leisten beide Motoren (turbo und non-turbo) exakt dasselbe solange der Ladedruck (und damit die Menge der zur Verfügung stehenden Verbrennungsluft) derselbe ist. Das ist allerdings beim non-turbo nur in Meereshöhe so. Darüber geht die Schere langsam aber sicher auf.

 

Markus

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Die PS-Zahlen sind gleich (z.B. bei Arrow und Turbo-Arrow). Trotzdem ist der Turbo deutlich performanter (ich meine auch in niedrigen Höhen, mir geht es nicht um die Leistungsverbesserung in der Höhe)

 

Nach meinen bescheidenen physikalischen Kenntnissen müsste 1 PS=1 PS sein, ob geladen oder nicht spielt dabei keine Rolle.

 

Bei ISA-/DIN- oder was auch immer an Referenz-Bedingungen gültig ist, dürfte zwischen dem Turbo- und dem Sauger-PS kein Unterschied feststellbar sein, beide erreichen dann ihre Nennleistung.

 

1000ft und 10°C über den Referenzbedingungen dürfte der Leistungsabfall des Saugers aber bereits deutlich zu spüren sein. Bei -10°C im Winter rennt ein Archerli deutlich spürbar sportlicher über den Acker von LSZI als bei 30°C - der Lader gleicht diese Unterschiede weitgehend aus, in den allermeisten Fällen zu seinen Gunsten.

 

Und dies nicht erst ab zig-tausend ft.

 

Gruss

Niggi

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Volume

Bei 15°C in Meereshöhe haben beide die gleiche Leistung, können somit auch mit dem selben Propeller ausgerüstet werden. Bei 25° in den Alpen hat der Turbomotor immer noch die selbe Leistung, der arme Schlucker aber nur noch 65%. Solche Motoren nennt man "Turbo Normalized", d.h. sie haben unter allen Umweltbedingungen die Leistung des Saugmotors unter ISA Bedingungen.

"Turbo Charged" heißt dann mehr Power, folglich auch anderer Propeller und festere Kurbelwelle, höhere thermische Belastung etc.

 

Gruß

Ralf

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Urs Wildermuth

Urs,

 

der non turbo hat als maximalen Ladedruck den Aussendruck. Das heisst, er saugt die Luft von aussen so an, wie sie gerade ist. Konsequenz, der Ladedruck fällt mit der Höhe ziemlich rasant ab, konsequenterweise auch die Leistung und der Fuel Flow.

 

Der Turbo generiert einen Druck, mit dem die Luft in den Motor geblasen wird. Dieser ist auf Meereshöhe je nach Turbo ziemlich heftig höher als der Aussendruck. Daher ist auch der Ladedruck massiv höher, etwa 39 " bei einer Seneca III als Startleistung ("Normaldruck" 29.92"), bei hochgezüchteten Turbos bis über 50". Mit der Höhe nimmt zwar auch beim Turbo der Druck ab, aber viel langsamer. Entsprechend ist die Dienstgipfelhöhe der Turbo Motoren viel grösser als bei den nicht aufgeladenen Dingern.

 

Ein Zwischending sind Turbo Normalizers, etwa von Rajai. Was die machen, einige mit automatischen, die meisten aber mit manuellen Wastegates, sind den Druck zu erhöhen, ohne aber über den "Normaldruck" hinauszugehen. Ich flog mal ne Seneca I die das hatte. Man musste mit einer Vernier Schraube die Wastegates manuell zumachen bis maximal auf 29 Inches. Diese Dinger sind meist nachgerüstet und halten den Sea Level Druck bis auf einige Höhe konstant.

 

Die Turbos verbrauchen mehr, weil sie ja auch mehr Leistung produzieren, vor allem im Reiseflug. Ausserdem sind sie in der Bedienung anspruchsvoller, erstens weil man sie (echte Turbos) "Overboosten" kann, d.h. den maximal zulässigen Ladedruck überschreiten kann, wenn man beim Leistungssetzen nicht aufpasst. Des Weiteren brauchen sie eine Nachlaufzeit nach der Landung, um runterzukühlen, bevor man den Motor abstellt. Sonst kann es ganz schnell sehr teuer werden.

 

Alles aus dem Gedächtnis und ohne Anspruch auf "letzte Weisheit". Mein letzter Turbo Flug liegt einige Jahre zurück ;)

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TheAviator

Danke mal für die bisherigen Antworten.

 

Wo ich mich schwertue:

Wenn nun der Turbo mehr Ladedruck (= Leistung) generiert wie ein baugleicher Motor ohne Turbo hat er dann nicht mehr PS?

 

Gruss

Urs

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Wenn nun der Turbo mehr Ladedruck (= Leistung) generiert wie ein baugleicher Motor ohne Turbo hat er dann nicht mehr PS?

 

Wenn er mehr (Nenn-) Leistung hat, hat er auch mehr PS (PS ist ein Leistungsmass). Die normalized Turbos laden nicht über Standard-Druck (29.92) und leisten auf dieser Höhe deshalb nicht mehr als ein Sauger.

 

Falls ein Turbo dieselbe Nennleistung wie ein gleich "grosser" Sauger hat, ist er plus minus normalized, sprich mehr als Druck auf Meereshöhe lädt er nicht, hält diesen aber in zunehmender Höhe aufrecht.

 

In LSZI bin ich aber schon mit 27inch Ladedruck glücklich, in Zweisimmen waren es kürzlich noch 25inch - der normalized Turbo hätte da noch (fast) die 29.92 geladen, was ein frappanter Unterschied ist.

 

Was Dir vermutlicherweise nicht ganz klar ist: Der Turbo kompensiert schon viel früher (tiefer) als Du meinst, der spürbare Performance-Unterschied ist gleich dem Leistungsabfall des Saugers und der setzt schon 1 MüM ein.

 

Falls der Turbo über 29.92 lädt (wie oben beschrieben in "bürgerlichen" Anwendungen bis ca. gegen 40inch, hast Du dank mehr Luftmasse bei gleichem Verdichtungsvolumen auch mehr Dampf.

 

Je mehr Sauerstoff-Moleküle beim Ansaugen in einen Zylinder reinkommen, desto mehr Leistung ist möglich. Dies wird entweder durch Hubraum (Ansaugvolumen) oder Druck (Dichte, natürlich oder Turbo) erreicht.

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..Wenn nun der Turbo mehr Ladedruck (= Leistung) generiert wie ein baugleicher Motor ohne Turbo hat er dann nicht mehr PS?...
Die Motoren sind mitnichten baugleich. z.B.

Arrow III: Lycoming IO-360C1C6, 4 Zylinder, Nennleistung 200 HP bei 2700 RPM bei ISA sea level, Verdichtungsverhältnis 8.7:1

Turbo Arrow IV: Teledyne Continental TSIO-360-FB, 6 Zylinder, Nennleistung 200 HP bei 2575 RPM von sea level bis 12'000 ft density altitude, Verdichtungsverhältnis 7.5:1

 

Die Saugmotoren verlieren Leistung sobald die Dichte der Angesaugluft nicht mehr dem ISA SL Zustand entspricht, denn dann verringert sich ganz einfach der Massendurchsatz und damit die freigesetzte Energie pro Arbeitsspiel. Ein wenig wird das kompensiert durch den abnehmenden Gegendruck am Abgasrohr, dadurch verringert sich nämlich die Verlustarbeit beim Gasausschub. In der Summe nimmt aber die Nutzleistung ab.

Negativ zu Buche schlägt auch die wegen dem abnehmenden Verdichtungsdruck absinkende Flammenfrontgeschwindigkeit. Dies verringert die Geschwindigkeit und mit welcher der Druck im Zylinder aufgebaut wird, wodurch weitere Nutzarbeit verloren geht. Mit einer Zündverstellung würde sich dies teilweise kompensieren lassen (früherer Zündzeitpunkt), aber damit sind die üblichen Flugmotoren nicht ausgerüstet.

Auf der Höhe der Flugplätze im Schweizerischen Mittelland ist der Leistungsverlust bereits merklich, auf z.B. 1500 ft können nur noch um 93% der Nennleistung abgerufen werden.

 

Beim aufgeladenen Motor sieht das anders aus, der Ladedruck kann bis zu einer bestimmten Grenzhöhe (Volldruckhöhe, critical altitude) auf dem nominalen Wert gehalten werden und somit bleibt der Durchsatz praktisch konstant. Die Leistung nimmt sogar anfänglich noch zu weil auch der aufgeladene Motor vom absinkenden Abgasgegendruck profitiert.

 

Deshalb leisten aufgeladene Motoren üblicherweise deutlich mehr als Saugmotoren mit gleicher Nennleistung und man hat den Eindruck, da werde mit unterschiedlich grossen Pferden gemessen. Einzig bei einem Start auf Meereshöhe (bei 15°C) steht theoretisch gleichviel Leistung zur Verfügung , sobald man jedoch steigt öffnet sich die Schere und wer fliegt schon auf Meereshöhe?

 

Gruss

 

Philipp

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So langsam fange ich an die Frage zu verstehen.

 

Ich möchte eine Antwort am Beispiel von zwei ähnlichen aber nicht gleichen Continental Motoren versuchen. Continental stellt die Motoren IO 520 BB und TSIO 520 BB her. Beide Motoren haben den gleichen Hubraum und leisten beide maximal 285 PS bei 2700 RPM. (Im Rahmen der Angaben des TCDS Type Certificate Data Sheet’s)

 

Diese Leistung wird beim dem IO 520 BB bei einem Ladedruck von 29.92“ erreicht und beim TSIO 520 BB bei 32“. Hieraus lässt sich die Frage ableiten, wieso „schafft“ der IO 520 BB schon mit 29.92“ 285 PS und der TSIO 520 BB dieselben 285 PS erst bei 32“. Insbesondere weil sich die beiden Motoren doch „nur“ durch das „TS“ vor dem IO unterscheiden und im Rest der Bezeichnung doch gleich sind.

 

Obwohl sich die Motoren „nur“ durch das „TS“ in der Bezeichnung unterscheiden, ist es nicht nur der Turbo-Lader der die Motoren unterschiedlich macht. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Motoren ist die durch die unterschiedliche Verdichtung gegeben. Der TSIO 520 hat eine Verdichtung von 7,5:1 wohingegen der IO 520 eine Verdichtung von 8,5:1 hat. Ein weitere Unterschiede liegen im Zündzeitpunkt TSIO 520 20° BTC und IO 520 22° BTC. Auch die Einspritzanlagen sind unterschiedlich.

Bezüglich der Unterschiede in der Nockenwelle und dem Querschnitt des Ansaugrohres kenne ich mich nicht wirklich aus, ich vermute aber das es auch hier deutliche Unterschiede gibt.

 

Alle diese Parameter machen die Motoren trotz ähnlicher Bezeichnung ziemlich unterschiedlich.

 

Dennoch sollten zwei Flugzeuge die mit diesen Motoren ausgestattet sind z.B. eine Cessna T310 und eine Cessna 310 in Meereshöhe bei „Vollgas“ = 285 PS gleich schnell sein. (vorausgesetzt die Zelle ist identisch.)

Anders verhält es sich eventuell bei der „gefühlten“ Performance wenn man im Reiseflug die typischen Leistungseinstellungen verwendet.

 

Ich bin mit meiner T310 eigentlich immer mit 65% (50Lit/h per Engine LOP) unterwegs und damit ziemlich flott... Inwieweit 65% bei einer C310 eine typische Leistungseinstellung ist kann ich nicht sagen.

 

Thomas

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TheAviator

Danke für die sehr guten Antworten.

 

Ich glaube, ich hab es jetzt langsam verstanden. Das Knowhow hier im FF ist wirklich genial

 

Gruss

Urs

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bleuair
Das Knowhow hier im FF ist wirklich genial

 

+1

 

Wie siehts mit den Zusatzfragen aus: :o :)

 

- Fliegt ein Turbo auf 12000ft schneller als ein Sauger, wenn beide einen identischen Propeller haben und mit 2500RPM drehen?

 

- welche Rolle spielt der Propeller (als Leistungsüberträger)? Muss ein Turbomotor grössere Schaufeln haben, damit er in der Höhe mehr Leistung abgeben kann?

 

- wie werden die PS gemessen bei Flugmotoren?

 

Thanks...!

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- Fliegt ein Turbo auf 12000ft schneller als ein Sauger, wenn beide einen identischen Propeller haben und mit 2500RPM drehen?

 

wenn ein fixed pitch in der der höhe ohne turbo noch so schnell dreht, dann dürfest du nichts merken :005:

 

beim verstellpropeller kannst du mit mehr leistung aber einen deutlich höheren pitch geben, und somit mehr vortrieb erzeugen. ohne turbo muss der pitch dann folglich reduziert werden, um den wiederstand zu verringern und die drehzahl zu halten ;) resultierend natürlich in weniger vortrieb.

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Heinz Richner

Hallo

 

gerade beim Verstellprop kommt der Turbo so richtig zur Geltung. Ein Sauger hat auf 10'000ft bereits dermassen einen Leistungsverlust, dass eine sinnvolle Crusespeed gar nicht mehr umgesetzt werden kann. Anders mit dem Turbo, der da oben noch immer einen Ladedruck hat um den Prop bequem mal von Steigen auf Reisen zu legen.

 

Ich frage mich deshalb jeweils, was ein Verstellprop ohne Turbo wirklich bringt?

 

Gruss

Heinz,

ex PQE-Turbo

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MarkusP210
Wenn nun der Turbo mehr Ladedruck (= Leistung) generiert wie ein baugleicher Motor ohne Turbo hat er dann nicht mehr PS?

 

Habe ich mich früher auch immer schwergetan. Der Punkt ist wohl, der Turbomotor (nicht Normalizer) könnte in Meereshöhe (und wohl auch noch etwas darüber) mehr als die nominelle Leistung abgeben wenn der Gashebel ganz hineingeschoben wird (und der Motor über ein mit Feder betriebenes Waste-Gate verfügt welches erst weit über dem maximal zugelassenen Ladedruck öffnet). In diesem Fall würde der Ladedruck über das erlaubte Maximum hinaufsteigen und der Motor sicher mehr Leistung abgeben (analog wie beim Automotor).

 

Das ist aber einerseits für den Motor potentiell tödlich und andererseits im Flugzeug gar nicht das Ziel. Ziel ist es, die nominelle Leistung bis in grosse Höhen durch Konstanthaltung des Ladedrucks via Turbolader abrufen zu können und damit von guten Stei- und Cruiseleistungen sowie vermindertem Verbrauch profitieren zu können. Das Zur verfügung stehende Leistungs(über)potential wird so schrittweise genutzt.

 

Markus

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Volume
Die Turbos verbrauchen mehr, weil sie ja auch mehr Leistung produzieren
Die Turbos (Turbocharged, also Ladedruck > 29 in)verbrauchen auch dann mehr, wenn sie die gleiche Leistung bringen. Da der Sprit die gleiche Oktanzahl hat, klopft der Motor auch bei dem gleichen Zylinderdruck. Will man also einen Motor mit Ladedruck > 29inHg fliegen, dann muß er von vorneherein mit einer geringeren Verdichtung konstruiert sein. Das geht auf den Wirkungsgrad. Solche Motoren machen daher nur Sinn, wenn es um "Leistung um jeden Preis" geht. Aber ein gewisser Markt für solche Motoren ist vorhanden.

 

Wie siehts mit den Zusatzfragen aus:

 

- Fliegt ein Turbo auf 12000ft schneller als ein Sauger, wenn beide einen identischen Propeller haben und mit 2500RPM drehen?

Identischer Starrprop ? Nein, denn dann müste man den Turbomotor drosseln um ihn am Überdrehen zu hindern.

Identischer Constant Speed Prop ? Ja, wenn er entsprechen abgestimmt ist. Dann würde er beim Turbomotor auf mehr Steigung geregelt.

Meist wird man allerdings einen anderen Propeller wählen, bzw. einen physikalisch identischen auf andere Steigungsanschläge justieren.

Man kann nicht beliebig viel Leistungsunterschied durch Steigungserhöhung ausgleichen, ohne zu viel Wirkungsgrad einzubüßen. Die Propellerblattschränkung ist halt zwangsweise konstant, und irgendwann überzieht auch eine Blattwurzel bzw. der Auftriebsbeiwert im Aussenbereich verursacht Überschallströmung auf der Blattvorderseite. Wie immer gibt es nicht "besser" oder "schlechter", sondern schlicht nur "besser an bestimmte Betriebsbedingungen angepasst", was dann oft schlechter ausserhalb des typischen Betriebsbereichs bedeutet.

 

- welche Rolle spielt der Propeller (als Leistungsüberträger)? Muss ein Turbomotor grössere Schaufeln haben, damit er in der Höhe mehr Leistung abgeben kann?
Größere Schaufeln oder eine größere Steigung. Ein identischer Constant Speed Prop wird einfach nur vom Gouvernor auf eine höhere Steigung eingeregelt.

 

- wie werden die PS gemessen bei Flugmotoren?
Auf einem Prüfstand mit Bremspropeller. Der Motorträger ist drehbar gelagert und mit einer Drehmomentstütze versehen, die die Drehmomentmessung erlaubt. Bei "Traditionellen" Herstellern ist dies bisweilen nur eine enfache Mechanische Waage, die vorher beim Tüv Autos gewogen hat...

Aus Drehzahl (meist optisch berührungslos am Propeller gemessen, damit man am Motor nicht groß rumfummeln muß) und Drehmoment wird die Leistung dann berechnet.

 

Gruß

Ralf

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Urs Wildermuth

da ich noch nie das Vergnügen hatte: Ich nehme mal an, dass TC Motoren auch deutlich weniger Mühe mit der Density Altitude etwa in Samedan haben?

 

Heinz, der Verstellprop hat schon auch seine Vorteile bei einem non Turbo Motor. Mit Fix Pitch wäre wohl eine Mooney nicht fähig derartige Speeds zu erreichen ;) . Es kommt wohl immer drauf an, wie hoch man fliegen will. Ich persönlich bin kein Fan der Sauerstoffmaske e.t.c. und bleibe gern unterhalb 10k ft. Die meisten Saugermotoren haben so ideale Höhen (Performance / Fuel Flow) um die 7-8k ft, wo meine zum Beispiel mit ca 35 lph/140 kt fliegt. Der selbe Motor in einer Archer macht vielleicht 120 kt bei 40 lph.

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MarkusP210
Ich nehme mal an, dass TC Motoren auch deutlich weniger Mühe mit der Density Altitude etwa in Samedan haben?

 

Für den Turbomotor spielt die Höhe solange keine Rolle wie die Startleistung (sprich MP) erreicht werden kann, sprich solange der Lader genügend Ladedruck produziert. In Samedan äussert sich das bei meiner TR182 so, dass der Gashebel beim Start etwas weiter vorn ist als z.B. in Grenchen. In Beiden Fällen liegen aber 31 Inches MP und damit dieselbe Leistung am Prop an.

 

Die maximale Cruise-Power von 25 Inches erreicht der Lader auch in 19000 Fuss noch immer problemlos.

 

Markus

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Volume
Mit Fix Pitch wäre wohl eine Mooney nicht fähig derartige Speeds zu erreichen
Mit einem entsprechend optimierten Reisepropeller könnte sie sogar noch geringfügig hören Speed erreichen (Gewichtsersparnis, kleinerer Spinner und schlankere Cowling möglich etc.). Dann braucht man nur leider 2000m Piste Minimum, und keine Berge weit und breit.

 

Gruß

Ralf

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gerade beim Verstellprop kommt der Turbo so richtig zur Geltung. Ein Sauger hat auf 10'000ft bereits dermassen einen Leistungsverlust, dass eine sinnvolle Crusespeed gar nicht mehr umgesetzt werden kann. Anders mit dem Turbo, der da oben noch immer einen Ladedruck hat um den Prop bequem mal von Steigen auf Reisen zu legen.

 

Ich frage mich deshalb jeweils, was ein Verstellprop ohne Turbo wirklich bringt?

Der Propellerwirkungsgrad wird üblicherweise über dem Fortschrittsgrad dargestellt. Der Fortsschrittsgrad ist eine Verhältniszahl welche aus der Vorwärtsgeschwindigkeit (Fluggeschwindigkeit TAS) und der Umfangsgeschwindigkeit des Propellerblatts bei 75% des Radius (proportional zur Drehzahl) gebildet wird. Bei Fortschrittsgrad 0 (Standlauf) beträgt der Wirkungsgrad Null, bei zunehmendem Fortschrittsgrad steigt er an bis auf ein Maximum von so um die 90% (bei einem guten Metallpropeller) und sinkt dann wieder ab. Je nach Steigungswinkel des Propellerblatts liegt der Bestpunkt bei einem kleineren oder grösseren Fortschrittsgrad. Der Vorteil des Verstellpropellers liegt darin, dass er an ein breites Band von Fortschrittsgraden (=Fluggeschwindigkeiten) optimal angepasst werden kann. Dadurch kann die vorhandene Motorleistung (wieviel oder wiewenig dies auch sein mag) in allen Flugzuständen (Start, Steigflug, Reiseflug, Stechflug Stuka-Angriff ) optimal in Schub(leistung) umgesetzt werden. Ausserdem kann dabei auch bei kleiner Vorwärtsgeschwindigkeit (Startlauf) die Motordrehzahl hoch gehalten werden wodurch der Motor überhaupt erst seine maximale Leistung abgeben kann.

Ein Festpropeller jedoch ist nur auf einen Betriebspunkt ausgelegt und nicht auf eine ganze Bandbreite und in diesem Punkt wird er sogar einen Verstellpropeller geringfügig übertreffen. Siehe z.B. gewisse Flugzeugrennklassen (F1, gell Vito).

Beim Betrieb weitab vom Auslegungspunkt bringt ein Festpropeller dann einfach einen schlechten Wirkungsgrad und erlaubt z.B. auch nicht die volle Leistungsentwicklung des Motors.

 

Gruss

Philipp

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  • 3 weeks later...

Hallo - meine Meinung zu diesem Thema:

 

Der Festpropeller kann nur auf einen relativ schmalen Betriebsbereich für die jeweilige Flugzeugzelle/Motor Kombination optimiert sein - z.B. mit Reisesteigung oder für eine Schlepp Robin mit geringerer Steigung.

Der Reiseprop dürfte beim Start etwas schwächeln - wegen hoher Steigung erreicht der Motor am Boden wohl nur mühsam seine Nenndrehzahl. Der Schlepp-Propeller treibt wegen seiner geringeren Steigung im Reiseflug den Motor - insbesondere in größeren Höhen (geringere Luftdichte + höher TAS: Der Prop benötigt eigentlich eine höhere Steigung...) - mit Sicherheit an dessen Drehzahlgrenze.

Oder: wer fährt schon gerne ein Auto, welches nur einen 2. oder 5. Gang hat?

Der Verstellpropeller verhält sich dann so wie ein stufenloser Vollautomat - immer die richtige Steigung - der Motor kann bei seiner Nenndrehzahl betrieben werden - als Leistungsänderung wirkt lediglich eine Änderung des Motordrehmomentes (auf den Prop). Und daher kann bei einem Verstellpropmotor die Leistung nur über den Ladedruck eingestellt werden.

 

Turbomotor - Saugmotor:

Am Boden nehmen sich gleichstarke Turbo- oder Saugtriebwerke praktisch nichts - Ausnahme eventuell bei sehr hoher OAT.

Grob gesagt - halbiert sich der Luftdruck alle 18.000ft und damit dürfte in FL 180 bei ISA ein Saugmotor theoretisch maximal 50% seiner Leistung in Meereshöhe bringen - praktisch ist das noch viel weniger. Es stehen nur noch 50% der Sauerstoffmoleküle - verglichen zur Meereshöhe - für den Verbrennungsprozess zur Verfügung. Daher findet sich kaum einen Flieger mit Saugmotor, welcher sinnvoll über FL 110 betreibbar ist - und schon garnicht mit einem Fixprop. Ausnahme bis zu einem gewissen Grad dürfte die Mooney Ovation sein (IO550 Saugmotor, Verstellprop). Zusätzlich: Es muss geleant werden.

Mein ehemaliger Fluglehrer bezeichnet damals die Saugmotorflugzeuge aus diesem grund auch als "Wolkensucher"......

 

Um in Mitteleuropa einigermassen fexibel fliegen zu können, sollte im Falle schlechteren Wetters FL180 machbar sein. Und das schafft nur ein Turboflieger mit Verstellpropeller. Somit müssen die 15InHg Umgebungedruck in diesem Level für Reiseleistung (abhängig vom Fulggerät) ungefähr verdoppelt werden. Und das leistet der Turbo. Allerdings: Die Ladeluft wird mit zunehmendem Verdichtungsgrad immer wärmer - unsere Malibu (TSIO520BE Motor, 310 PS) produziert bei ISA in FL230 und Vollgas (Testflug, noch 31-32InHg in dieser Höhe) eine Erwärmung der Ladeluft direkt nach dem Turboverdichter von über 100C!! Dieses bedeutet in jedem Falle, dass ein Ladeluftkühler nachgeschaltet werden muss, um die Ansauglufttemperatur relativ kühl zu halten. Insofern sind praktisch alle Turbomotoren - trotz relativ kalter Luft - in grosser Höhe mit einem thermischen Problem konfrontiert. Und genau aus diesem Grund verrecken solche Motoren bei unkundigem Gebrauch - und zwar nicht beim Vollgasstart an hohem Ladedruck - sondern in grosser Höhe an einem Hitzeproblem.

 

Wer also unter 10.000ft gemütlich VFR (und gelegentlich auch IFR) fliegt - der wende sich einem Saugmotorflieger zu. Will man etwas wetterunabhängiger sein, führt an einem Turbomotor nichts vorbei.

 

Zu diesem Thema finden sich z.B. bei http://avweb.com interessante Artikel wie z.B.

Pelican's Perch #36:

Those Fire-Breathing Turbos

von John Deakin

 

Gruss

Emil

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MarkusP210
Insofern sind praktisch alle Turbomotoren - trotz relativ kalter Luft - in grosser Höhe mit einem thermischen Problem konfrontiert

 

Das thermische Problem resultiert aber weniger aus der Erwärmung durch Kompression der Ladeluft als vielmehr durch die abnehmende Kühlleistung der weniger dichten umgebenden Luft. Mit diesem Problem sehen sich auch Turbinen jeglicher Bauart mit zunehmender Höhe konfrontiert. Als limitierender Parameter gilt dann die Öltemperatur.

 

Markus

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Brufi

Ich denke, beide Effekte haben einen wichtigen Anteil.

 

Ich habe mal kurz das Beispiel nachgerechnet:

FL230, ISA

p_ambient = 41'000 Pa

OAT = -30.56°C

 

p_manifold = 32 "HG = 108364 Pa

 

Das Druckverhältnis des Laders beträgt somit 2.64 (Wow, das ist wohl etwa am Maximum des Möglichen für einen einstufigen Radialkompressor)

Die Austrittstemperatur der Luft aus dem Lader hängt von weiteren Druckverlusten (Ansaugsystem, Luftfilter, etc.) und allfälliger Wärmeab- oder Zufuhr ab.

Rechnet man ohne all dies einfach adiabat dann resultiert eine Lufttemperatur von 47°C am Austritt aus dem Turbolader. Also Verhältnisse wie bei einem Saugmotor in der Sahara am Mittag im Sommer.

Das dadurch die thermische Belastung des Zylinderkopfs nicht unerheblich ansteigt würde ich mal erwarten.

 

Unbestreitbar nimmt auch die Kühlleistung ab wenn die Luftdichte stark absinkt. Nehmen wir an ein solches Flugzeug fliegt bei ISA Bedingungen einmal auf FL100 mit ca 190 KT TAS und einmal auf FL230 mit 200 KT TAS, dann ergeben sich folgende Zahlen:

 

FL100: CAS 164, TAS 190, p_total = 74104 Pa, Rho = 0.905 kg/m^3, OAT = -4.8°C

FL230: CAS 140, TAS 200, p_total = 44210 Pa, Rho = 0.589 kg/m^3, OAT = -30.6°C

 

Man sieht, dass auf FL230 der Totaldruck stark absinkt auf 60% des Wertes auf FL100. Die 25° tiefere Temperatur vermag den abnehmenden Wärmeübergang nicht zu kompensieren wodurch die Temperatur des Metalls (Zylinderkopf) zwangsläufig ansteigt, insbesondere weil ja auch noch die Wärmelast grösser wird. Es muss deshalb bei luftgekühlten Kolbenmotoren welche in grosser Höhe (FL180+) operiert werden auf die Zylinderkopftemperatur geachtet werden. Bei manchen Flugzeugen können cowl flaps geöffnet werden und sonst bleibt nur noch die Leistung zu reduzieren.

 

Gruss

Philipp

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Hallo,

@Markus:

Das mit der minderen Kühlleistung der Umgebungsluft bei steigender Höhe wegen geringerem Massendurchsatz hab ich ja als Allgemeinwissen vorausgesetzt.

 

@Brufi:

Ich krame mal die Execltabelle des betreffenden Testfluges hervor und stelle die Daten hier im Forum ein. Wenn meine grauen Zellen nicht irren, war die Temperaturerhöhung hinter dem Lader noch etwas höher als Du berechnet hattest. Die knapp 32InHG kommen aber nur bei wirklich dichtem Ansaugsystem zustande. Ich checke das bei unserem Flieger alle 50 Stunden. Man glaubt garnicht, wo es überall rausdrücken kann.

Der Thielert V8 muss bei 50 InHg in FL 180 vom Ladersystem über Faktor 3 bringen - das geht schon mit einstufigem Lader. Die PA 46 hat davon 2 Stück.

 

 

Wir fliegen wegen der thermischen Problematik unsere Malibu nach Manual bei Leistungen zwischen 65-75% immer ziemlich LOP TIT - so um ca. 50F und mehr. Dadurch sinkt die Zylinderkopftemperatur merklich. Das geht aber nur mit diesem 520er Motor.

 

Gruss

Emil

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.

.

Turbinen ...nur als kleines Detail.

 

...vielmehr durch die abnehmende Kühlleistung der weniger dichten umgebenden Luft. Mit diesem Problem sehen sich auch Turbinen jeglicher Bauart mit zunehmender Höhe konfrontiert. Als limitierender Parameter gilt dann die Öltemperatur.

Markus

Bei den Turbinen ist nicht unbedingt als Erstes die Öltemperatur der limitierende Parameter, sondern durch die massive schlechtere Kühlung erhöhte TOT [Turbine Outlet Temperature] - wobei es sicher noch Unterschiede der verschiedenen Turbinen (-Hersteller), bzw. dessen Konstruktionen gibt.

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