Para un avión eléctrico, ¿son las hélices la única opción de propulsión?

Esto es para un avión eléctrico (por lo que no hay combustibles para la combustión):

  1. ¿Son las hélices la única opción?
  2. ¿Es posible un chorro de turbina con solo entrada de aire, comprimir eléctricamente, una turbina y una boquilla y obtener un empuje igual o mayor que una hélice como un chorro de agua pero luego con aire?
Es posible que desee indicar en qué tipo de altitud y rendimiento está pensando. Un avión lento destinado a usarse hasta 3-5000 pies probablemente será más eficiente con una hélice, una altitud muy alta como por encima de 30000 pies podría ser más eficiente con una mayor velocidad de escape/boquilla, como su opción "2".
Las hélices no son la única opción. Estoy pensando en un ventilador con conductos.
Si necesita un súper vuelo, necesitaría usar un chorro, por ejemplo, usar la admisión para reducir el flujo a subsónico, comprimirlo aún más y expulsarlo como un flujo supersónico. No podría hacerlo con hélice o incluso con hélice canalizada porque no funcionan bien con flujo rápido (incluso subsónico alto) y a alta velocidad.

Respuestas (6)

  1. Las hélices de alguna forma son realmente la única opción. Actualmente es la única forma eficiente de generar empuje con aire como medio. Incluso los motores a reacción son, en cierto sentido, solo un sistema muy elaborado de hélices.

  2. La razón de la turbina es crear un entorno para quemar combustible de manera eficiente ( succionar, exprimir, golpear, soplar ) para generar tanto empuje como sea posible. Por lo tanto, en un avión eléctrico esto es irrelevante. Quizás le interese el E-Fan de Airbus , que utiliza hélices con conductos para aumentar la eficiencia. Sin embargo, sigue siendo 'solo' una hélice con un motor eléctrico en el medio.

No se trata de quemar combustible de manera eficiente, se trata de convertir el calor en trabajo de manera eficiente. Para obtener más información, consulte el artículo de Wikipedia sobre el ciclo Brayton.

Puede elegir la propulsión que prefiera, pero debe aceptar las consecuencias. Una turbina eléctrica es fácil de construir, pero necesitará mucha energía para calentar el flujo del núcleo. En lugar de quemadores, deberá instalar elementos calentadores, lo que requerirá una ruta de flujo más larga y más volumen entre el compresor y la turbina, pero en general, el motor de turbina eléctrica se parecerá mucho a uno que quema combustible.

También puede eliminar toda la maquinaria turbo y solo accionar el ventilador con un gran motor eléctrico. Pero eso tendría una eficiencia menor que girar una hélice, por lo que solo cuando la velocidad de su vuelo provoque puntas de hélice supersónicas, un ventilador eléctrico podría ser una mejor alternativa.

Por lo tanto, a velocidades por debajo de Mach 0,7, las hélices le darán más empuje por kW de potencia, y su eficiencia es mejor a bajas velocidades . La densidad de energía mucho más baja del almacenamiento eléctrico requerirá un vuelo a baja velocidad, o su tiempo de vuelo será muy corto. Por lo tanto, las hélices son la mejor, pero de ninguna manera la única solución.

Un método potencialmente incluso más eficiente podría ser el de los propulsores iónicos en los que se utiliza un alto voltaje para ionizar y acelerar el aire con el fin de producir empuje. Los diseños que utilizan propulsores iónicos utilizarían toda la estructura del avión para la creación de empuje y tendrían que ejecutarse a decenas de miles de voltios, pero su eficiencia potencial supera incluso la de las hélices de baja velocidad, en teoría. El artículo vinculado, sin embargo, es una vergüenza para el MIT. Un motor a reacción de 1 kW que produce sólo 2 N de empuje tiene que volar muy rápido (500 m/s, para ser precisos) mientras que los 110 N citados para el propulsor iónico a la misma potencia significan que no podría haber movido más de 9 m /s.

Espera, ¿realmente estás sugiriendo usar elementos calefactores para hacer una turbina eléctrica? Entiendo que solo hablar de una "turbina eléctrica" ​​es un gran salto, pero convertir la electricidad en calor es probablemente lo peor que puedes hacer con eso.
@VladimirCravero: No dijo que sería una buena idea.
@FredLarson Sí, pero eso es como decir que el gas es ineficiente para propulsar barcos porque si lo tiras por la popa, el barco apenas se mueve.
@VladimirCravero: Una turbina extrae energía del flujo de fluido. Se utilizan otros tipos de dispositivos, como impulsores y ventiladores, para convertir la energía en flujo de fluido. Usar calor eléctrico para impulsar un chorro de turbina sería una tontería, pero fundamentalmente el propósito de un chorro de turbina es convertir la expansión de los gases en empuje, y no hay muchas maneras de hacer que la mayoría de los tipos de gas se expandan eléctricamente más que por calefacción.
Sé que actualmente la densidad eléctrica es un problema, sin embargo, a medida que pase el tiempo, la nueva tecnología superará este problema. Una de las ideas es despegar eléctricamente por razones de área/sonido y luego cambiar a un motor de combustión que impulsará sistemas eléctricos/hélice/jet.
En cuanto a los barcos, tiene hélice y chorro de agua. Un chorro de agua básicamente succiona el agua que se impulsa hacia el interior y la empuja a través de una boquilla más pequeña. Mi pregunta era si esto también funcionaría para el aire; por lo tanto, succione la propulsión de aire hacia adentro y empújela a través de una boquilla más pequeña para obtener más velocidad a medida que las hélices alcanzan un máximo de alrededor de 350 mph. Lo principal es que funciona eléctricamente.
@Arturo Water es diferente: es un líquido y (casi) incomprensible. ¿Quieres un avión eléctrico que supere las 350 mph?
La idea es un avión híbrido con combustión + batería. Que despega con la batería para un sonido bajo y luego cambia a un motor de combustión que se convertirá en electricidad para impulsar las hélices eléctricas / chorro de agua / ruedas de automóviles o usar la energía eléctrica en tierra como generador en caso de emergencia. Para velocidades de vuelo de 350 mph a 550 mph (si es posible) sería ideal.
Esto no se haría solo con la batería, sino que se cambiaría al motor normal. Durante el vuelo, las baterías se recargarían para el procedimiento de aterrizaje de la batería (sonido bajo).
Conozco el estado de las baterías actuales, sin embargo, los nuevos inventos de baterías se densificarán 4 veces con un tiempo de recarga de 5 minutos y estarán disponibles en los próximos 3 a 10 años. (ej. un Tesla con 2.008 km de autonomía teórica y recarga en 5 min)
Creo que esta respuesta es esencialmente correcta, pero debo mencionar que los "elementos calefactores" probablemente no sean la mejor opción. Creo que los jets nucleares probados usaban intercambiadores de calor para llevar el calor del reactor al aire. Esto probablemente también sería mejor para la electricidad. Puede provocar una descarga eléctrica sobre el espacio de aire para que se genere calor en el aire. O microondas a frecuencia absorbida por nitrógeno. O calentar eléctricamente un fluido inerte y utilizarlo para impulsar la turbina. Pero estoy totalmente de acuerdo en que las hélices son el camino a seguir aquí. Simplemente agregue una turbina de gas con generador para convertirlo en un híbrido.
¡Propulsores iónicos! ¡Ahora hay una frase comercializable!
@Koyovis: Sí, me enteré de ellos ayer y pensé que deberían mencionarse aquí. Pero cuanto más los investigo, más suenan a charlatanería. La comparación del empuje con los chorros es una completa tontería, y la ionización también es un desperdicio, ya que produce ozono y óxidos de nitrógeno.
@PeterKämpf Es ~ 900 km / h teóricamente posible w. un motor eléctrico, dejando de lado las consideraciones de producción de energía? ¿Se lograría esto usando un ventilador con conductos a pesar de las puntas de las alas de la hélice probablemente supersónicas?
@Stanislasdrg: Sí, si tiene suficiente capacidad de batería para acelerar tan rápido. Además, debe hacerlo a alta temperatura y gran altitud, por lo que la densidad y el Mach son bajos. Preferiría hélices grandes y de movimiento lento . Ver aquí para más.

No tiene gases de combustión calientes en un motor eléctrico. El único gas disponible para usted es el aire que lo rodea, y algún tipo de hélice es la forma más lógica de acelerar ese aire.

La boquilla que está imaginando se puede usar para convertir una corriente de aire grande y lenta en una corriente de aire más rápida pero más pequeña. Esto no puede proporcionar empuje por sí mismo, ya que no es una parte del motor accionado.

El compresor accionado eléctricamente es la "parte del motor accionado" en el segundo esquema de la pregunta.
@DavidRicherby: Efectivamente. Pero el esquema presentado allí (con una turbina) realmente no tiene sentido. El compresor ya está alimentado eléctricamente y no necesita ser alimentado por la turbina. La turbina tampoco podría extraer energía de los gases de combustión.

Los ventiladores canalizados en lugar de las hélices externas aumentan el rendimiento a altas velocidades, por lo que solucionan la mayoría de los problemas.

Realmente no querrá llevar combustible Y baterías, por lo que algún tipo de ventilador con conductos es la mejor solución para un avión de alta velocidad.

Si bien se parecen un poco a los motores a reacción, básicamente son solo motores de hélice en un tubo, por lo que pueden controlar mejor el flujo de aire, que a altas velocidades puede causar problemas para las hélices expuestas.

Eso plantea una pregunta interesante: ¿puede usar un ventilador con conductos clasificado para potencia de crucero e inyectar y quemar combustible en el flujo de aire comprimido (como recalentamiento o poscombustión) para potencia de despegue? Sí, la relación de compresión es probablemente demasiado baja...
No, no se parecen en nada a los motores a reacción.
@Drenzul: No dijo que fueran como motores a reacción, solo que, desde el exterior, se ven como motores a reacción (debido al gran conducto de cubierta redondo).
Sugerir que pueden usar un sistema de poscombustión similar al de los motores a reacción implicaría que pensó que había más similitudes entre ellos de las que hay, probablemente porque desde el exterior se ven similares.

Para su requerimiento de usar una batería para despegues y aterrizajes silenciosos, las hélices accionadas eléctricamente (o ventiladores con conductos) ciertamente serían lo suficientemente buenos.

El requisito que mencionó para 350 mph a 550 mph es realmente solo para crucero, que presumiblemente usaría un turboventilador (o posiblemente un turbohélice), y recargaría la batería al mismo tiempo.

Entonces, supongo que lo que desea es un ventilador con conductos de rendimiento bastante alto que puede ser impulsado por un motor eléctrico para el silencio o por una turbina convencional en el crucero, un poco como un turbohélice. Entonces, la pregunta es cómo se organiza un intercambio entre las dos fuentes de energía. (Supongo que dos juegos de motores no serían posibles, aunque ¿quizás podrían serlo?)

(Editado para agregar... sus motores eléctricos aún necesitan toda la potencia para despegar. Entonces, ¿por qué no hacer funcionar el motor todo el tiempo y usar un motor de turbina auxiliar para proporcionar la energía eléctrica en el crucero? No muy diferente de un automóvil híbrido).

Sí, dos juegos de motor. 1. Batería para despegue silencioso. 2. Motor de combustión que transfiere a la electricidad que luego impulsa la hélice electrónica.
En otras palabras, algo así como una versión más potente del E-Fan (al que MikeFoxtrot se vinculó) con una turbina auxiliar para generar electricidad en crucero. (Siempre que se puedan encontrar motores adecuados y un diseño de ventilador con conductos que pueda proporcionar el rendimiento necesario tanto en ascenso como en crucero).
Tenga en cuenta que gran parte del ruido de las aeronaves propulsadas por hélices es la propia hélice. Algo así como un ventilador eléctrico hace mucho ruido, a pesar de que es eléctrico.

La principal diferencia entre el aire y el agua es que el segundo no se puede comprimir, mientras que el primero sí y cuando lo haces lo calientas perdiendo una cantidad ostentosa de energía. Cuanto más lo comprima y más tiempo espere antes de liberarlo, más energía perderá.

Una hélice también comprime el aire: esto es necesario para acelerarlo, pero permite alcanzar altas velocidades de aire con la mínima cantidad de compresión. También es un diseño muy simple y liviano, además, una de las motivaciones para tener un compresor de agua interno es la posibilidad de filtrarlo, lo cual no se requiere con aire.

Para un avión eléctrico, ¿son las hélices la única opción de propulsión?
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