Dienstgipfelhöhe Kerosinverbrauch Verkehrsflugzeug

[lisa]

Hallo,

 

ich hoffe, dass ich den Thread in die richtige Kategorie des Forums gestellt habe und bitte um laienverständliche Beantwortung meiner Frage:

 

Wieso erhöht man nicht die die Dienstgipfelhöhe und somit auch die Reiseflughöhe von großen Verkehrsmaschinen, um mit geringerem Luftwiderstand und somit geringeren Kerosinverbrauch fliegen zu können?

 

Es wäre doch bei Unterschallflugzeugen lediglich der Auftrieb zu erhöhen, die Druckkabine zu verstärken und die Druckklimatisierung anzupassen, um wesentlich höher und somit auch sparsamer zu fliegen. Die Concorde konnte doch selbst schon über 18.000 m hoch fliegen.

 

Würde sich das coffin-corner nicht einfach bei geänderter Auftriebsgestaltung durch veränderte Tragflächen nach oben verschieben?

 

Beste Grüße

 

Lisa

[Kay Richter]

Guten Abend Lisa,

 

deine Idee ist in der Theorie nicht schlecht, nur neben den Faktoren, die wEasy genannt hat (in der TU144 (?) mussten die Piloten den ganzen Flug über Sauerstoffmasken tragen), reagiert der Organismus noch mit einigen weiteren Komplikationen in dieser Höhe.

Auch müsste man einiges an der Performance der Maschine verändern, da es evtl. Flüge gibt, in denen man nicht den Genuß dieser Höhe auskosten könnte.

 

Ob es sich dann noch lohnt?

Wäre interessant zu wissen!

 

Liebe Grüße

Kay

[fischli]

Es wäre doch bei Unterschallflugzeugen lediglich der Auftrieb zu erhöhen, die Druckkabine zu verstärken und die Druckklimatisierung anzupassen, um wesentlich höher und somit auch sparsamer zu fliegen.

 

 

Hallo Lisa,

 

wenn es so einfach waere und mann damit Sprit sparen wuerde, dann wuerden wir alle deutlich hoeher fliegen :005:

 

Wenn du hoeher fliegen willst, hast du mit vielen Problemen zu kaempfen, welche sich negativ auf den Spritverbrauch auswirken, so dass du am Ende bei einem Kompromiss landest, der bei den meisten Jets eine Reiseflughoehe zwischen ca. Fl 340 und FL 400 als Optimum ergibt :005:

 

Wie du ja schon erkannt hast, muesste man Druckkabine verstaerken, um hoeher fliegen zu koennen. Dies bedeutet jedoch mehr Gewicht und/oder weniger Cycles fuer die Kabine - d.h. man benoetigt staerkere Triebwerke und das Flugzeug ist frueher eine Fall fuer die Schrottpresse, da die Belastung fuer die Kabine hoeher ist.

Um mehr Auftrieb zu realisieren steigt wiederum der Wiederstand, was sich negativ auf den Spritverbrauch auswirkt.

 

Wenn du diese (und viele weitere) Faktoren zusammen nimmst, kannst du fuer jedes Flugzeug ein optimales Hoehenband ermitteln.

 

Da das Anforderungsprofil sich zwischen der General Aviation und den Airlines doch recht stark unterscheidet (so haben z.B. business Jets im allgemeinen deutlich weniger Cycles in ihrem Leben zu absolvieren, als eine Kurzstreckenmaschine bei einer Airline), gibt es auch nicht unerhebliche Unterschiede bei der optimalen Reiseflughoehe.

 

LG

Jochen

[TooLowFlap]

Gut, die Entwicklung, gerade im Werkstoffbereich, bleibt nun auch nicht stehen. Mit immer neuen Verarbeitungsverfahren sowie neuen Werkstoffen selbst werden doch Lebensdauer und Festigkeit immer weiter erhöht. Was vor Jahren mit vertretbarem Aufwand noch undenkbar schien - nämlich das Cruisen auf FL 400 - macht heute doch jede NG.

 

Insofern würde ich niemals nie sagen sondern mit Spannung in die Zukunft schauen.

[Flusirainer]

Die CONCORDE kann (konnte) ja nur deshalb so hoch fliegen,weil sie schnell genug war.

Bei nur 850km/h in 18.000m Höhe müsste man wahrscheinlich die Nase des Fliegers 45° nach oben recken,um in dieser dünnen Luft noch genügend Auftrieb zu erzeugen.Das würde aber auch wieder reichlich Luftwiderstand produzieren,wenn man die Unterseite so extrem dem Fahrtwind entgegenstellt.

Mal davon abgesehen,das es wohl keinen Verkehrsflieger gibt,der solch einen hohen Anstellwinkel absturzfrei erreichen kann.Und selbst wenn es möglich wäre,dürfte dann wohl der Luftwiderstand das Leistungsvermögen des Triebwerkes übersteigen.

 

Die Treibwerke der CONCORDE entsprachen in ihrer Arbeitweise auch mehr jenen überschallschneller Kampfjets,wo die einströmende Luft zu 100% (oder fast) durch der Brennkammer gejagt wird und somit bei entsprendem Speed noch genügend Leistung erzielt werden kann.Sparsamm sind solche Triebwerke aber überhaupt nicht.

 

Die Triebwerke heutiger Verkehrsflieger sind eigendlich schon Propellertriebwerke,nur das der "Propeller" ummantelt ist.Bis zu 90% der einströmenden Luft wird stark verdichtet an die Brennkammer vorbei nach hinten ausgestoßen,wodurch sich der größte Teil der Schubkraft ergibt.

Diese Triebwerke sind nicht dafür geeignet,in extremen Höhen noch genügend Leistung zu bringen,oder bei Geschwindigkeiten im Schallbereich (und darüber) zu agieren.Ich befürchte gar,das bei letzterem,Überschall,womöglich erhebliche Schäden auftreten dürften.

Dafür arbeiten sie aber extrem Sparsam.

[TooLowFlap]

Natürlich spielen da eine Menge Faktoren hinein. Allerdings klappt das Fliegen in großen Höhen vortrefflich - Cruise in 51.000ft mit .81 ist in einer Citation III kein Problem.

[Hunter58]

Ja, die macht aber keine 100'000 Flugstunden oder 35'000 Zyklen. Ausserdem steht sie nicht wirklich voll im Wettbewerb bezueglich Wirtschaftlichkeit mit anderen Fliegern. Da geht es mehr darum dass meiner auch kann was Deiner...

[Gast PW4000]

Lieber Rainer.

 

In den Grundfunktionen spielt es absolut keine Rolle, ob ein Turbinentriebwerk auf einen Helicopter, Turboprop, Businessjet, Airliner oder Fighter fliegt.

 

Deine erstes Äusserung: wo die einströmende Luft zu 100% (oder fast) durch der Brennkammer gejagt wird

 

Leider ist Deine erste Äusserung nicht korrekt...

 

Die "einströmende" Luft (100%) wird in Primary Air (20%) und Secondary Air (80%) geteilt. Somit werden nur 20% der Luft für die Verbrennung und 80% werden für Cooling und Dilution und Stabilisation verwendet, dadurch wird natürlich die Turbine Inlet Temperature (TIT) positive beeinflusst.

 

Deine zweite Äusserung: Die Triebwerke heutiger Verkehrsflieger sind eigendlich schon Propellertriebwerke,nur das der "Propeller" ummantelt ist.Bis zu 90% der einströmenden Luft wird stark verdichtet an die Brennkammer vorbei nach hinten ausgestoßen,wodurch sich der größte Teil der Schubkraft ergibt.

 

Leider ist Deine zweite Äusserung auch nicht korrekt...

 

Der von Dir bezeichnete "Propeller" ist als Impeller zu betrachten und hat dem gegenüber, eine weit höhere Efficiency.

 

Die einfachste Schubformel lautet wie folgt: Schub ist Masse mal Beschleunigung. Die Luft wird demzufolge nicht stark verdichted, vielmehr stark beschleunigt.

 

PW4168 / Take Off Power Setting: Engine Station 2: PT 14.7 PSIA TT 15°C Engine Station 14: PT 25.4 PSIA TT 73°C

 

Das (Fan) Pressure Ratio ist demzufolge < 2:1. Das Compressor Pressure Ratio ist > 36:1. Somit kann hier bestimmt nicht, von einer starken Verdichtung gesprochen werden.

 

Bitte äussere Dich in Zukunft, in solch komlexen Fachgebieten, etwas fundierter. Google, Wikipedia und Youtube sind in diesen Zusammenhängen oft nur beschränkt zu gebrauchen. Entsprechende Fachliteratur hilft Dir viel mehr, Deine ...... Triebwerkkenntnisse zu ergänzen und vorallem zu verbessern.

 

Freundliche Grüsse, Werner.

[Volume]

Die CONCORDE kann (konnte) ja nur deshalb so hoch fliegen,weil sie schnell genug war.

Um noch exakter zu sein: Sie konnte nur deshalb so hoch fliegen,weil sie hohe Machzahlen verkraften konnte.

 

Unterhalb der Tropopause (an der grob die Luftdichte etwa 30% der Bodenluftdichte beträgt) sinkt die Temperatur mit der Höhe, darüber bleibt sie gleich. Damit steigt ab dort mit zunehmender Höhe und abnehmender Dichte die Machzahl bei Mindestgeschwindigkeit rapide an. Damit steigen die Verluste durch Machzahleffekte dort stark an.

Es ist praktisch unmöglich höher als ungefähr 15 km zu fliegen, ohne das Flugzeug komplett auf Transsonik (=Machzahl nahe an 1) auszulegen, und das widerspricht so ziemlich allen Forderungen an ein ansonsten widerstandsarmes Flugzeug.

Selbst ein Höhenforschungsflugzeug mit Laminarprofil wie die Grob Strato 2C erreicht bei 24 km Flughöhe die Flugmachzahl 0.52 und bei Ca = 1.4 (also "Langsamflug") die Flügeloberseite Überschallgeschwindigkeit (entsprechend einem Cp von ungefähr -2.3).

 

Bei einem optimierten Passagierflugzeug kann man derartige Flughöhen glatt vergessen, die können schon heute nicht so hoch fliegen wie einige der sehr viel kleineren, schnellen Businessjets.

 

Du kannst es drehen wie du willst, am Ende hält dich auf der Oberseite der Tragelflügel eine gegenüber der Anströmung beschleunigte Luftströmung in der Luft, und die erreicht irgendwann Schallgeschwindigkeit. Je höher du fliegst desto höher muß dein Auftriebsbeiwert oder deine Geschwindigkeit sein (um bei der geringen Dichte noch Auftrieb erzeugen zu können), beides bedeutet hohe Geschwindigkeit und damit schlußendlich Überschallgeschwindigkeit auf der Flügeloberseite. Von daher ist die maximale Flughöhe jedes Unterschallflugzeugs klar aerodynamisch beschränkt.

Erst wenn du ohnehin ein Überschallflugzeug hast, werden Druckkabine, Triebwerke etc. limitierende Faktoren.

 

Und dann darf man natürlich nie vergessen, das geringer Luftwiderstand durch geringe Luftdichte natürlich eine Milchmädchenrechnung ist, denn geringe Luftdichte bedeutet nicht mehr und nicht weniger als hohe Auftriebsbeiwerte, und die verursachen zwangsweise hohen Widerstand. Am Ende ist immer das Verhältnis Auftrieb zu Widerstand entscheidend, beide werden in erster Näherung gleich von der Luftdichte beeinflusst. In dem Maße wie du dank geringer Luftdichte Widerstand sparst, musst du schneller fliegen. Und damit wiederum steigt dann dein Widerstand exakt wieder auf den alten Wert an.

 

Wenn du also Widerstand sparen willst, musst du die Spannweite erhöhen (Verhältnis Auftrieb zu Widerstand durch geringeren induzierten Widerstand erhöhen), aber das macht dein Flugzeug wieder schwerer, von all den aeroelastischen Problemen ganz zu schweigen.

 

So richtig viel lässt sich da nicht mehr rausholen, wenn Triebwerks Technologen glauben, dass sich die Flugzeugzelle in den nächsten 40 Jahren noch um 50% in ihrer Effizienz steigern lassen, dann ist das mit "optimistisch" noch wohlwollend beschrieben. Solange wir an unseren Geschwindigkeiten und Flughöhen festhalten, halte ich diesen Wert für extrem unwahrscheinlich, und er setzt natürlich voraus, das wir einen ähnlich effezienten Energieträger wie Mineralöl benutzen.

Das langsamer und tiefer fliegende Propellerflugzeuge noch 50% sparsamer werden ist hingegen kein Problem, aber das wäre genau die umgekehrte Korrekturrichtung.

 

Gruß

Ralf

[Lubeja]

....

Deine zweite Äusserung: Die Triebwerke heutiger Verkehrsflieger sind eigendlich schon Propellertriebwerke,nur das der "Propeller" ummantelt ist.Bis zu 90% der einströmenden Luft wird stark verdichtet an die Brennkammer vorbei nach hinten ausgestoßen,wodurch sich der größte Teil der Schubkraft ergibt.

 

Leider ist Deine zweite Äusserung auch nicht korrekt...

 

Der von Dir bezeichnete "Propeller" ist als Impeller zu betrachten und hat dem gegenüber, eine weit höhere Efficiency.

...

 

Falsch: Alles was mehr kalte als warme Luft hinten raus bläst, ist per meiner (zugegebenermassen etwas populistischen) Definition ein Propeller:D.

 

Ich denke, man muss das auf verschiedenen Ebenen sehen. Natürlich sind die Wirkungsweisen eines Turbofans und jene eines Props zwei komplett verschiedene Paar Schuhe. Vom konstruktiven Aufbau hingegen (Komponenten und deren Anordnung), ist z.B. ein moderner Getriebefan wie das PW1000 wesentlich näher an einem Turboprop, als an einem Ur-Einwellen-Turbojet der Marke BMW 003. Ich sehe das auch so, dass wir in mittlere Zukunft noch weitere "Mischformen" zu Gesicht bekommen werden.

[Gast PW4000]

Werter Lukas.

 

Damit Du die technischen Zusammenhänge der Triebwerkstechnologie, vestehen und auch wiedergeben könntest, solltest Du Dir einige Sachbücher anschaffen und/oder Dich zu einem Studuim der entsprechenden Fachrichtung anmelden, bevor Du das Wort "FALSCH" verwendest. Nun, wenn ich Dein Profil lese, ist mir alles klar.

 

Grüsse von Werner.

[Volume]

Hallo Werner,

 

Deinem Spitznamen zufolge verstehst du vermutlich deutlich mehr von Triebwerken als andere, und trotzdem sind die Aussagen von Lubeja nicht grundsätzlich falsch.

Die Comet musste deshalb so hoch fliegen (und die ganzen Druckkabinenprobleme haben...) weil beim Einkreistriebwerk zu jeder Schub erzeugenden durchgesetzten Luftmenge auch eine notwendige Mindesteinspritzmenge von Kerosin gehört. Deshalb brauchte man die geringe Luftdichte (die hohe Ausstoßgeschwindigkeiten bei geringfem Massendurchsatz ermöglicht) in großen Höhen um erträgliche Verbräuche hinzubekommen. Erst durch die Zweikreistriebwerke wurde das entkoppelt.

Insofern kann man Schuberzeugung ausserhalb des Kerntriebwerks schon als Propeller (Impeller) verstehen.

 

Natürlich sind die Zusammenhänge sehr viel komplizierter als Wikipedia sie wiedergeben kann...

 

Gruß

Ralf

[Andreas S]

Hallo,

 

ich hoffe, dass ich den Thread in die richtige Kategorie des Forums gestellt habe und bitte um laienverständliche Beantwortung meiner Frage:.....

 

Beste Grüße

 

Lisa

 

Díe letzten Antworten mögen ja fachlich richtig sein, aber obenstehender Bitte entsprechen sie meines Erachtens nicht. Für mich ist das eher ein "Ich weiß man was, was du nicht weißt!!

Sorry, ist nur mein Eindruck!

[Lubeja]

Werter Lukas.

 

Damit Du die technischen Zusammenhänge der Triebwerkstechnologie, vestehen und auch wiedergeben könntest, solltest Du Dir einige Sachbücher anschaffen und/oder Dich zu einem Studuim der entsprechenden Fachrichtung anmelden, bevor Du das Wort "FALSCH" verwendest. Nun, wenn ich Dein Profil lese, ist mir alles klar.

 

Grüsse von Werner.

 

Lieber Werner, ich hoffe, dir (und auch dem OP) ist die Bedeutung diese Kollegen hier -->:D, welcher am Ende des ersten Absatzes meines obigen Posts steht, bekannt. Meiner humoristisch gemeinten Darstellung zufolge, müsste ja alles was nach der CV990 konstruiert wurde, als Turboprop durchgehen und der Spruch sich daher selbst als Groteske entlarven.

 

Ich muss in dem Zusammenhang aber auch Andreas S recht geben, dass besagter Witz im Kontext des Threads unpassend war und den interessierten Laien eher verwirrt. Entschuldigt dies bitte.

 

Im übrigen hat meine Darstellung, wonach ein Turbofan rein mechanisch einem (ummantelten) Turboprop nicht unähnlich ist, schon bei manchem Laien falsche Vorstellungen und Vorurteile gegenüber dem Prop abbauen können. Wie gesagt, mir ist der Unterschied schon klar. Dieses Buch ersetzt sicher kein Studium, es hat aber vielen verregneten Sonntagen meiner Jugend einen Inhalt gegeben.

[Volume]

Meiner humoristisch gemeinten Darstellung zufolge, müsste ja alles was nach der CV990 konstruiert wurde, als Turboprop durchgehen

Die CV990 war bereits ein Turboprop, nur eben ein Pusher wie die Avanti oder die Starship.

 

bitte um laienverständliche Beantwortung meiner Frage

Ich denke, das habe ich geliefert.

Ein Flugzeug fliegt, weil Luft auf der Flügeloberseite schneller als die Anströmung strömt. Je dünner die Luft, desto schneller muss sie strömen um den selben Auftrieb zu erzeugen. Irgendwann muss sie deshalb Überschall strömen, damit wird mehr Widerstand erzeugt, als an Widerstand in der dünnen Luft gespart wird. Somit gibt es für jedes Flugzeug, im wesentlichen Abhängig vom Flügel (Profil, Dicke, Pfeilung), eine optimale Flughöhe.

 

Strahltriebwerke erzeugen Schub indem sie Luft ansaugen und schneller wieder ausstoßen. Je dünner die Luft und je geringer die Luftmenge, desto stärker muss man sie beschleunigen um den selben Schub zu erzeugen. (Stichwort: Impulssatz) Der Impulssatz ist linear, also doppelte Geschwindigkeitserhöhung = doppelter Schub.

Die Energie der Strömung hingegen hängt quadratisch von der Geschwindigkeit ab, also doppelte Geschwindigkeit = vierfache Energie.

Deshalb ist es wirtschaftlicher Schub durch moderates Beschleunigen von viel Luft(masse) zu erzeugen, als durch starke Beschleunigung von wenig Luft.

Es ist reine Ansichtssache (bzw. eine Frage der Wahl der Bilanzhülle) ob der Schub eines Propellers nun daher kommt, dass auf den Blattvorderseiten ein geringerer Druck herrscht, als auf den Blattrückseiten, oder ob die Geschwindigkeit der Luft im Propellerstahl höher ist als die der anströmenden Luft. Nur weil ein Propeller im Rohr eingebaut ist, wird sein globales Wirkprinzip nicht ein anderes. Wenn das Rohr genau die Kontur der freien Propellerströmung hätte, wäre die Funktion identisch.

 

Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine steigt, je höher der Spitzendruck und/oder die Spitzentemperatur ist. Deshalb kann eine Brennkammer nicht beliebig mager betrieben werden, wenn ich nur einen Teil der Luft in der Brennkammer zur Verbrennung nutze, und den Rest um die Flammen leite und dann mische, wird die Turbineneintrittstemperatur zu gering. Deshalb darf ich nicht zu viel Luft durch die Brennkammern pusten, ohne auch entsprechend viel Sprit einzuspritzen. Dadurch geraten Einkreistriebwerke an Grenzen, da dort ja 100% der Schub erzeugenden Luft(masse) durch die Brennkammern strömt. Daher ist es wirtschaftlicher, nur einen Teil der zu beschleunigenden Luft durch die Brennkammern zu leiten, und den anderen Teil (heute drchaus 90%) mit einem Fan oder Propeller zu beschleunigen, den ich mit einer Turbine antreibe, in der die schnelle Strömung des inneren Triebwerkskreises auf den Wert abgebremst wird, auf den die Luft im äußeren Kreis beschleunigt wird.

 

Wenn ich ein Triebwerk so auslegen muss, dass es seinen Schub am Boden bei nahezu null Anströmungsgeschwindigkeit und in der Höhe bei nur noch 30% Dichte und einer Anströmgeschwindigkeit von 85% der Schallgeschwindigkeit erzeugen kann, dann sieht man schon wie schwierig das wird. Je geringer die Luftdichte, desto mehr Luft muss ich durchsetzen, und/oder umso stärker muss ich sie beschleunigen. Wenn ich nun schon 85% Schallgeschwindigkeit ansauge, kann ich nicht mehr sehr viel mehr beschleunigen ohne dass ich(verlustbelasted) die Luft mit Überschall ausstoßen muß. Je höher ich nun fliege, desto größer wird die Bandbreite die ich abdecken muss.

 

Ich hoffe, das zeigt laienverständlich dass die optimale Flughöhe nicht beliebig hoch liegen kann.

 

Gruß

Ralf

[Lubeja]

Die CV990 war bereits ein Turboprop, nur eben ein Pusher wie die Avanti oder die Starship.

 

Nun, bei der hätte ich das Thema Mantelstrom jetzt noch als eigenventilierte Düsenkühlung interpretiert...Stichwort Nebenstromverhältnis <1:1:p

 

Es ist reine Ansichtssache (bzw. eine Frage der Wahl der Bilanzhülle) ob der Schub eines Propellers nun daher kommt, dass auf den Blattvorderseiten ein geringerer Druck herrscht, als auf den Blattrückseiten, oder ob die Geschwindigkeit der Luft im Propellerstahl höher ist als die der anströmenden Luft. Nur weil ein Propeller im Rohr eingebaut ist, wird sein globales Wirkprinzip nicht ein anderes. Wenn das Rohr genau die Kontur der freien Propellerströmung hätte, wäre die Funktion identisch.

 

Eben gerade hier liegt der Hase im Pfeffer: Es ist nicht Ansichtssache, sondern der elementare Unterschied in der Wirkungsweise. Natürlich, der Fan macht erstmal nichts anderes als ein Propeller, er produziert einen Druckunterschied zwischen Vorder- und Hinterseite. Aber während der Propeller sich direkt durch die Druckdifferenz vorwärts saugt, produziert ein Fan, vereinfacht gesagt, erstmals bloss Druckluft. Der Vortrieb bezieht der Jet immer aus dem Impuls des Masseauswurfs dieser Luft aus der Schubdüse. Er würde (auch als Turbofan) sogar im Vakuum des Weltraums funktionieren, sofern die benötigte Luft in einem Behälter mitgeführt wird. Der Prop hingegen benötigt zwingend eines "externen" Arbeitsmediums, um Vortrieb zu erzeugen.

 

Werner, habe ich das soweit korrekt interpretiert?

[sheckley666]

Hallo,

 

auch ein Propeller würde im Vakuum funktionieren, wenn man eine mitgeführte Stützmasse in die Propellerebene träufeln würde.

 

Grüsse, Frank

[Volume]

Der Vortrieb bezieht der Jet immer aus dem Impuls des Masseauswurfs dieser Luft aus der Schubdüse.

OK, einfache Frage an den echten Triebwerksexperten (Werner/PW4000 ;) ):

Ensteht der Schub eines modernen Triebwerks am Fan (und wird über ein massives Axiallager via Gehäuse und Motoraufhängung getragen), oder entsteht der Schub in der Düse der Triebwerksgondel, wird also von der Nebenstrom-Schubdüse via T/R und Fangehäuse an die Zelle übertragen ?

 

Gruß

Ralf