¿Por qué los aviones pequeños no usan motores de turbina (turbohélice)?

En primer lugar, los motores de pistón son más eficientes que los turbopropulsores , por lo que su coste operativo es menor. Esto también significa que la masa del sistema (motor más combustible) para un viaje es menor una vez que va más allá de los rangos pequeños. En un helicóptero, la masa del motor es más importante, porque los tiempos medios de vuelo son mucho más cortos, por lo que encontrarás muchos helicópteros con motores turbo y pocos con pistones.

Luego, existe una infraestructura bien desarrollada para el mantenimiento de esos pistones, y los nuevos turbohélices necesitarían una infraestructura nueva y costosa (personas capacitadas, herramientas, repuestos...)

Y luego simplemente no hay incentivo para desarrollar un nuevo motor GA. El gasto para obtener la certificación es demasiado grande para el mercado bastante pequeño. Esto es lo mismo que para los motores Diesel.

Esto probablemente se deba a la inercia de la certificación, al menos en parte:
un Piper Archer está certificado con un tipo de motor específico (si se desplaza hacia abajo hasta la página 21 del TCDS , verá que es un "Lycoming O-360-A4M") . Piper esencialmente puede hacer tantos arqueros como quiera bajo su certificado de producción, siempre que cumplan con el certificado de tipo.

Cambiar el motor es un cambio importante en el certificado de tipo y requeriría más vuelos de prueba de certificación, papeleo y, en última instancia, dinero del fabricante, y las ventas serían inciertas (porque sería diferente : una escuela de vuelo que vuela 50 aviones que son todo propulsado por Lycoming O-360s no va a querer tomar un avión propulsado por turbina, sería un dolor de cabeza de mantenimiento).

Vale la pena señalar que para una parte de la flota de GA que quema avgas, se pueden lograr ganancias de eficiencia similares a (o mejores que) los turbopropulsores al convertir los motores Lycoming y Continental de estilo antiguo (que son efectivamente tecnología de motor de la década de 1960 en el mejor de los casos) a motores como el Rotax 912 con modernos sistemas electrónicos de encendido y gestión del motor. Un Rotax de 80 HP arrastraría a un Piper Cub tan bien como a un Continental de 80 HP: la barrera está nuevamente en la certificación (y el costo de modificar el avión existente).

Desde el punto de vista técnico, un motor de turbina es excesivo para la mayoría de los aviones GA pequeños. Estamos hablando de aeronaves que normalmente requieren de 100 a 300 caballos de fuerza (y si estamos considerando aeronaves ligeras de entrenamiento GA, por lo general estás por debajo de los 200 caballos de fuerza). El popular motor turbohélice PT6 comienza con alrededor de 500 caballos de fuerza en el eje y sube desde allí.

Además, mientras que un motor de turbina es un dispositivo relativamente simple, un turbohélice se vuelve bastante complejo: la sección de la turbina todavía gira a la velocidad de la turbina, y aunque esto no es un problema para un motor a reacción en un turbohélice, fácilmente podría hacer que la hélice Las puntas alcanzan velocidades supersónicas (el rango operativo "ruidoso e ineficiente"). Esto requiere una caja de cambios reductora para producir una velocidad de eje adecuada, lo que a su vez requiere el mantenimiento de la caja de cambios.

En primer lugar, para una potencia nominal determinada, un motor de turbina será mucho más ligero que un motor de pistón. Piense en lo que eso le hace al equilibrio de la aeronave: la nariz se vuelve MUCHO más larga, no para acomodar el hardware puesto para poner el peso donde debe estar. Por supuesto, esto solo se aplica a las conversiones.

En segundo lugar, un motor de turbina costará mucho más que un motor de pistón. Las turbinas más pequeñas cuestan más por unidad de potencia que las grandes, por lo que, en general, pagará más por el mismo resultado. El motor puede usar menos combustible durante su vida útil, pero aún debe pagarlo por adelantado.

En tercer lugar, mientras que las turbinas en general requieren menos mantenimiento, cuando algo tiene un problema, la factura no es para los pusilánimes. Y puedes cocinar una turbina con bastante facilidad.

Entonces, en total, todo se reduce a dinero. Si realmente quiere uno, Soloy vende un kit de conversión para un Cessna 206 que pondrá una turbina Rolls-Royce de 450 hp en la nariz y lo convertirá en la envidia de todos los propietarios de aviones ligeros de la región. El kit comienza en $ 275,000. Más motor. Así que estás buscando más de medio millón para modificar un fuselaje que cueste un poco menos que eso. Si tiene tanto dinero extra, elija una MTT Superbike a juego con una turbina solo un poco más pequeña. Como dijo Jay Leno, es "la mejor motocicleta para hacer callar a los chicos de Harley".

Bueno, algunos lo hacen. Conozca el Marchetti SF.260TP:

Este es un single ligero muy popular para acrobacias aéreas, que también se ha utilizado militarmente en CAS y funciones de observación. Si eres fanático de Bond, sabrás sobre este; apareció en Quantum of Solace. Otros turbopropulsores en la clase de monomotores pequeños incluyen:

• gaitero meridiano
• Un cernícalo de aviación
• Pilatus PC-9, PC-12, PC-21
• Cessna 208 Caravan/Super Cargomaster
• Épica EW1000, LT
• Socata TBM850, TBM900
• Grob G-120TP

En cuanto a por qué no todos los singles pequeños son turbopropulsores, las otras respuestas lo tienen; los turbopropulsores son menos eficientes en combustible en las bajas altitudes en las que normalmente vuelan los pequeños (son excelentes para altitudes más altas) y son una bestia diferente para mantener. También son más caros; el Marchetti es un avión de aproximadamente $ 1.6 millones de dólares, 3 veces el costo de un Piper Archer 235, aunque no todo eso es el motor.

Afortunadamente, este estereotipo está cambiando, aunque lentamente. El desarrollo de motores GA pequeños se ha quedado en un segundo plano durante generaciones y es genial ver una serie de empresas nuevas que se están impulsando hacia el cambio. El TP100 Turboprop de PBS es una vez ese producto. Realmente espero que alcancen su potencial y lleven el producto al mercado, aunque solo sea a fiestas experimentales. Continental está desarrollando agresivamente sus nuevos motores diesel y lanzará una nueva unidad de 230 hp el próximo año. Ya está en pruebas en China. Si lo hacen bien, será un asesino Lycoming. Ya comenzaron las conversiones con la versión de 155 hp en Cessnas.

Una de las razones por las que las turbinas de menor potencia (150-250 hp) no se han desarrollado más rápidamente es que los pilotos de GA no las han presionado. Saben que consumen más combustible, incluso si la relación potencia/peso es muy superior. Los costos operativos los hacen esconderse en la esquina.

RR/Allison hizo un esfuerzo por actualizar el 250 envejecido con una turbina moderna que atraería a la multitud de Cirrus, pero se retiró cuando golpeó la crisis financiera de 2008. El problema con empresas como Allison es que sus costos de desarrollo están por las nubes.

El cambio en este espacio requerirá agallas de los patitos del mundo. Muchos de los cuales ya empiezan a aparecer en escena. Hay una escasez bien conocida de 100LL en todo el mundo y pronto aquí en los EE. UU. Eso y el alto precio de acarrear este combustible boutique (no enviado en oleoductos) impulsarán el mercado de estos nuevos productos.

No hay ciencia espacial en el trabajo aquí. Es tecnología antigua (aunque con un poco de intervención electrónica) que solo necesita un mercado para crecer. Hoy nos estamos moviendo hacia ese mercado. Acostúmbrate y considera tirar ese viejo Lyc.

Otra cosa a recordar sobre el consumo específico de combustible de un motor de turbina es que depende ALTAMENTE del tamaño del motor. Las turbinas de gas pequeñas (del tipo que se pueden usar en aviones privados pequeños) son intrínsecamente ineficientes porque no pueden ejecutar los tipos de relaciones de presión requeridas para una alta eficiencia. Por ejemplo, un 2180HP PW119B tiene una relación de presión de 13,2:1 y un SFC de 0,49. Suba eso a un Europrop TP400-D6 de 11000HP, y la relación de presión sube a 25:1. SFC cae a .39. Y el GE LM6000 de 56300HP (un turboeje marino y de generación de energía basado en el turboventilador CF6) tiene una relación de presión de alrededor de 32:1 y un SFC de 0,32. Debido a esto, los motores de pistón tienen una ventaja de eficiencia de combustible a bajas potencias, pero una DESVENTAJA de eficiencia de combustible a altas potencias. Los motores de pistón, por lo tanto, se prefieren en aviones pequeños por esta razón y costo inicial. Pero las turbinas tienen MUCHO más sentido en aeronaves más grandes debido tanto a su mayor eficiencia que los motores de pistón grandes como a los costos de mantenimiento reducidos.

Alguien mencionó helicópteros aquí. Y los helicópteros son un animal completamente diferente. Una característica básica de los helicópteros es el hecho de que requieren MUCHA potencia de forma continua. Esto afectaría ENORMEMENTE a los motores de pistón en términos de confiabilidad (piense en cuánto duraría el motor de un automóvil si lo condujera constantemente a toda velocidad), pero no es un problema para una turbina. Las turbinas también son más pequeñas y livianas (¿alguna vez has visto un Sikorsky Mojave con sus motores de pistón ridículamente grandes)? Todos estos factores hacen que las turbinas sean MUCHO más prácticas que los motores de pistón en los helicópteros.

Yo diría que la elección entre un turbohélice o un motor alternativo puede depender de sus necesidades de energía y del tipo de 'misión' que soportará el motor/avión.

Las turbinas y los turbohélices, incluso con su ventaja de relación peso/potencia, no son tan buenos con respecto a SFC, si comprueba esto en www-jet-engine.net, las especificaciones de turboeje civil-turbohélice, la mayoría tiene un SFC en el rango de 600 lb/shp/hr, o más.

Los motores de aeronaves de distribución de válvula de manga simple de Harry Ricardo y Roy Fedden proporcionaron el mejor SFC en un motor de aeronave de gasolina: 0.42 lb/BHP/hr en un Hercules Centaurus, 3272 cu. in., con un peso de 2695 lb, para una potencia de 3150 HP. Se obtuvieron resultados aún más impresionantes con un Open-Sleeve, que actúa como un pistón anular con un 10 % del área del pistón y transmite un 3 % de potencia, en un motor experimental de encendido por compresión de 2 tiempos de Harry Ricardo. No se produce ningún motor de válvula de manga hoy en día, pero todavía se fabrican nuevas mangas de repuesto para motores viejos, dijeron esto en AEHS, pero no pude ubicar al vendedor de mangas para motores SSV viejos.

El mejor SFC parece haberse obtenido en un motor de ignición por compresión, de dos tiempos y válvula de camisa abierta, por Harry Ricardo, a 0.34 lb/HP/hr ("El motor de combustión interna de alta velocidad", edición de 1968)

Un motor de válvula poppet de los tiempos de Bristol Hercules, el Wright R-3350, de 2907 lb de peso, también refrigerado por aire, con igual número de 18 cilindros; 3348 pies cúbicos. en.; 2800 HP, usó 0.72 lb/HP/hr, pero esto mejoró mucho en las unidades Turbo-Compound, que agregaron 500 lb de peso más.

Los motores de válvula de manga eran conocidos por su confiabilidad y bajo desgaste, las zonas sin lubricación de TDC y BDC se eliminan por el movimiento continuo de la manga, el Bristol Hercules tenía un TBO de 3000 h o más, para 2000 h TBO en el Wright citado (datos en AEHS y otras fuentes). Los motores de válvula de manguito, que no tienen puntos calientes en la cámara de combustión, pueden funcionar con combustible de bajo octanaje a relaciones de compresión más altas que los motores de válvula de asiento.

Se informó que la unidad experimental de gasolina de válvula de manguito de 500 cc de un solo cilindro construida por Mike Hewland para uso en automóviles tenía un SFC de 0,45 lb/HP/hr en la versión de carreras y 0,39 lb/HP/hr en la versión económica ( Car&Driver, julio de 1974), trabajando incluso con creosota.

Un Turbohélice Rolls-Royce, la serie Dart RDa 10.1, con 2915 HP y un peso de 1207 lb, consumía 0.550 lb/HP/hr.

No se pueden encontrar hoy en día motores alternativos en rangos de potencia por encima de un cierto límite.

El motor de combustión rotatorio Wankel, que fue desarrollado extensamente para la aviación y otros usos por Curtiss-Wright, John Deere, NASA, NSU-Citroën, Sachs, Aixro, Rolls-Royce, Mazda, tenía un SFC de 0.46 lb/HP/hr con un peso de alrededor de 210 lb para una potencia de salida de unos 120 HP, versión de automóvil de calle, como se informó en uno de los primeros Mazda NA Wankel Engine, 2 Rotor, refrigerado por líquido, un Wankel funcionará sin esfuerzo con gasolina sin plomo alrededor de 80-90 ON , también con 10% de Gasohol, que proporciona un SFC más bajo y temperaturas de operación y carga térmica reducidas, en Wankels siempre se usa algo de aceite lubricante agregado al combustible y las cámaras de trabajo, sin necesidad de cambiar el aceite lubricante.

Recientemente se logró un gran avance en la Universidad de Florida, donde se demostró que agregar: 'Heat Pipes', para enfriar la carcasa y las placas laterales de un motor UAV UEL de rotor refrigerado por carga de carcasa anteriormente refrigerado por aire, reducía la temperatura máxima a solo 129 ºC. , y la diferencia de temperatura máxima entre las partes del motor a 18 ºC, el uso de: 'Heat Pipes' para enfriar Wankel RCE, como se usaba en los satélites, puede ser un gran paso adelante en los motores de combustión rotativa, ya que elimina la mayoría, si no todos diferencias de dilatación térmica entre las partes del motor, lo que facilita mucho el diseño y la construcción, y también mejora la confiabilidad, a partir de un menor desgaste, mejora la potencia, reduce las emisiones y aumenta la economía de combustible. ¿Quién podría pedir algo más?

Los estándares para los motores de aviación alternativos eran de alrededor de 1 kg/HP de relación peso/potencia y 250 gr/HP/h SFC.

Ningún motor de combustión rotativa de Wankel parece haber obtenido aún una certificación de la FAA para uso regular en la aviación general, incluso cuando se considera más seguro que los motores alternativos, las fallas de los RCE de Wankel tienden a no ser totales e instantáneas como en los motores alternativos, un trabajo residual temporal de menor potencia permitiría Para oportunidades de aterrizaje más seguras, Axteraerospace.com abordó esta preocupación de seguridad con algo cercano a los conceptos básicos en un automóvil híbrido.

Este es un ejemplo de Turbina para Aviación General construida en Argentina, el arreglo básico recuerda a la primera Turbina de Hans Joachim Pabst von Ohain

El impacto en el costo de un turbopropulsor se ha subestimado en muchas de las respuestas anteriores.

Los rotores de turbina están sujetos a temperaturas muy altas mientras giran a muy altas rpm; la fuerza G en un álabe de turbina es suficiente para hacer que tus ojos se llenen de lágrimas. Debido a una pequeña falla de fabricación o error operativo o fatiga del metal, una hoja se suelta; luego atravesará la carcasa de acero del motor, a través de cualquier tubería de aceite o combustible desafortunada, y luego a través de la cubierta de aluminio. El fabricante gastará cientos de miles de dólares para evitar que esto suceda y debe recuperar ese costo de las ventas del motor.

Y eso es solo por una cuchilla rota, que pesa quizás unas pocas onzas.

Si un disco de rotor mucho más pesado se rompe por la fatiga, podría partir el avión en dos.

Entonces, sí, una turbina quema combustible más barato, pero más galones que un recip. ¡Puedes ver que hay pros y contras!

En realidad, tienen una serie de aviones de turbina más pequeños en estos días. Y los kits de conversión STC de turbina para aviones GA existentes son populares: el P210 Riley Rocket viene rápidamente a la mente al igual que el PA-46 JetProp más aviones experimentales de alta gama como Lancair Evolution y IV-P Turbine. Estas conversiones de turbina brindan todas las ventajas enumeradas anteriormente, pero con un mayor consumo de combustible.

La disuasión principal contra todo un mercado de turbinas GA son los costos operativos más altos y el rendimiento excesivo para un neófito o un viajero casual.

Matt acertó mucho.

Los compresores dinámicos y las turbinas tienden a volverse menos eficientes a medida que disminuyen sus tamaños, debido a los efectos del número de Reynolds ya los límites de materiales y fabricación. Para obtener una buena relación de presión de etapa en un compresor, se requiere una velocidad punta de al menos 300 m/s; superar los 500 m/s no es inaudito. Dado que la aceleración centrípeta es inversamente proporcional al radio a una velocidad punta constante, las cargas centrípetas pueden ser demasiado altas para la mayoría de los materiales. Las holguras de las puntas deben ser pequeñas (alrededor del 1% de la cuerda de la punta) para obtener la mejor eficiencia, las altas temperaturas exigen álabes y álabes enfriados en el extremo caliente, y eso significa que los álabes y los álabes deben tener conductos de enfriamiento dentro del álabe. Esto es más fácil en una PW4084 que en una Allison 250, ya que las aspas de la PW son mucho más grandes.

Es mucho más caro construir un motor de turbina que un motor de pistón. Se pueden construir motores de turbina que tengan un TBO más largo que un motor de pistón, compensando parcialmente ese costo, pero eso es más importante para los usuarios que tienen una alta utilización de aeronaves por año. Uno tiende a ver motores de turbina utilizados en operaciones comerciales, miles de horas al año, y pistones en operaciones privadas, cientos de horas al año. A medida que los motores se vuelven más grandes y potentes, los motores de pistón se vuelven más caros y complejos porque están limitados por el golpeteo del motor. Por lo tanto, las turbinas dominan en tamaños más grandes para todos los usuarios. Todo está impulsado por dólares. Sin dólares, sin Buck Rodgers.

Acerca de las cuestiones de golpe que limitan el tamaño de los motores de pistón y los motores diesel marinos de 107000HP, el golpe no es un problema. Más bien, la limitación en el tamaño de los motores de pistón es el TAMAÑO FÍSICO. La confiabilidad también es un problema, ya que la cantidad de piezas móviles recíprocas se dispara. Pero el tamaño es lo que REALMENTE mata el trato cuando se trata de motores de pistón. En mi otra publicación, mencioné el Sikorsky Mojave. Ese helicóptero se ve francamente extraño debido a las grandes cápsulas que sobresalen de cada lado del fuselaje. Cada uno de esos módulos contiene un Pratt and Whitney R-2800 de 2100HP. En comparación, los Honeywell T-55 de 5000 HP en un Chinook parecen casi juguetes. Si quisiera propulsar un Boeing 747 con motores de pistón, cada motor probablemente tendría que ser del tamaño de un avión de tamaño decente para producir los ~55000-60000HP que produce cada CF-6 (considere qué tan grande era el R-4360, el motor de pistón de avión de producción más grande, y superó alrededor de 4000HP). El motor marino de 107000HP es un ejemplo extremo de esto. Estos motores se denominan literalmente "motores de catedral" y hacen honor a ese nombre con orificios de 38 pulgadas. Sí, puede producir tanta potencia como dos CF-6. Pero estos motores son tan grandes como suenan, y no son exactamente material aeronáutico. Por otro lado, el tamaño no es tanto un problema en un barco de alta mar. Y la confiabilidad no es tan mala para estos motores, ya que el gran tamaño significa que se puede usar una cantidad menor de componentes súper grandes. El motor marino de 107000HP es un ejemplo extremo de esto. Estos motores se denominan literalmente "motores de catedral" y hacen honor a ese nombre con orificios de 38 pulgadas. Sí, puede producir tanta potencia como dos CF-6. Pero estos motores son tan grandes como suenan, y no son exactamente material aeronáutico. Por otro lado, el tamaño no es tanto un problema en un barco de alta mar. Y la confiabilidad no es tan mala para estos motores, ya que el gran tamaño significa que se puede usar una cantidad menor de componentes súper grandes. El motor marino de 107000HP es un ejemplo extremo de esto. Estos motores se denominan literalmente "motores de catedral" y hacen honor a ese nombre con orificios de 38 pulgadas. Sí, puede producir tanta potencia como dos CF-6. Pero estos motores son tan grandes como suenan, y no son exactamente material aeronáutico. Por otro lado, el tamaño no es tanto un problema en un barco de alta mar. Y la confiabilidad no es tan mala para estos motores, ya que el gran tamaño significa que se puede usar una cantidad menor de componentes súper grandes. el tamaño no es tanto un problema en un barco oceánico. Y la confiabilidad no es tan mala para estos motores, ya que el gran tamaño significa que se puede usar una cantidad menor de componentes súper grandes. el tamaño no es tanto un problema en un barco oceánico. Y la confiabilidad no es tan mala para estos motores, ya que el gran tamaño significa que se puede usar una cantidad menor de componentes súper grandes.

Los aviones pequeños no necesitan la única ventaja que permite el turbohélice: una mayor relación potencia/peso. Un turbohélice es más engorroso que un motor de pistón por su menor relación potencia/peso. No ahorrará tanto peso en comparación con un motor de pistón de pequeña cilindrada, ya que gran parte del peso comprende otras partes del sistema de propulsión además del motor (engranajes, sistemas de combustible). , refrigeración, sistema de carga, hélice, etc), y una turbina siempre consume más combustible.

Para mí, la respuesta es el dinero. Un motor de turbina P&W PT-6 le costará entre $ 500,000 USD y $ 750,000 USD para ser reacondicionado. Un motor de pistón turboalimentado, incluso uno muy caro, no va a costar más de $ 50,000 USD para reacondicionarlo. Aparte de eso, para ciertas misiones, como operaciones sobre el agua/montaña, tomaría el consumo de combustible por confiabilidad y compensación de ahorro de peso en un avión pequeño, aunque puede esperar quemar de 2 a 3 veces más combustible en un avión pequeño. turbina vs un pistón grande. Tenga en cuenta que hay muchos tipos de pistones que tienen STC disponibles para reemplazar el motor de pistón estándar con un pistón del mercado de accesorios, pero como mencioné, los costos son relativamente astronómicos para hacerlo. Por ejemplo, el Silver Eagle Cessna 210.http://www.onaircraft.com/the-planes/the-silver-eagle-ii/