¿Cuántos kilovatios hay que hacer volar un 747-8 eléctrico?

Question

¿Cuántos kilovatios hay que hacer volar un 747-8 eléctrico?

Aviación
boeing-747
motor eléctrico

mike c

Leer sobre el Airbus E-Fan y sus ventiladores de empuje duales de 30 kW me hizo preguntarme: asumiendo la necesidad de cuatro ventiladores eléctricos, ¿cuántos kilovatios se requerirían para alimentar cada ventilador con suficiente empuje para hacer volar un Boeing 747-8?

mike c

¿Cómo puedo convertir esto en una pregunta de la comunidad? Me siento completamente descalificado para marcar cualquier respuesta como aceptada, ya que no tengo los antecedentes en electricidad y física para saber si alguna respuesta es precisa o la mejor. Pregunté la respuesta con la esperanza de ser ilustrado, pero no me considero un juez adecuado para calificar las respuestas.

pie

El objetivo de permitir que los usuarios voten las respuestas es mostrar un consenso sobre cuál es la mejor respuesta. Si no se siente calificado para aceptar una respuesta, entonces no tiene que hacerlo. Cambiarlo a una pregunta de la comunidad no cambiará nada de eso, y también evitará que los usuarios que respondan ganen reputación.

usuario3528438

Otra forma de calcularlo es hacerlo a partir del combustible: digamos que usamos los datos del 747: 8 mg/n*s de SFC, con un empuje de despegue de 1100 kn, con JP-A de 40 MJ/kg y una eficiencia térmica de alrededor del 40 %, llegamos alrededor de 140MW. Si maneja el ventilador con un motor eléctrico, también está sujeto a la ineficiencia del ventilador. 90MW calculado a continuación es la potencia de salida del ventilador, pero en la práctica, la potencia del eje que impulsa el ventilador debe ser mayor.

kumar swamy

En lugar de eso, puede usar un pequeño reactor nuclear para alimentar el turboventilador. Ese reactor se salva ya que es agua a presión

Respuestas (7)

¿Cuántos kilovatios hay que hacer volar un 747-8 eléctrico?

¿Cómo puedo convertir esto en una pregunta de la comunidad? Me siento completamente descalificado para marcar cualquier respuesta como aceptada, ya que no tengo los antecedentes en electricidad y física para saber si alguna respuesta es precisa o la mejor. Pregunté la respuesta con la esperanza de ser ilustrado, pero no me considero un juez adecuado para calificar las respuestas.
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Otra forma de calcularlo es hacerlo a partir del combustible: digamos que usamos los datos del 747: 8 mg/n*s de SFC, con un empuje de despegue de 1100 kn, con JP-A de 40 MJ/kg y una eficiencia térmica de alrededor del 40 %, llegamos alrededor de 140MW. Si maneja el ventilador con un motor eléctrico, también está sujeto a la ineficiencia del ventilador. 90MW calculado a continuación es la potencia de salida del ventilador, pero en la práctica, la potencia del eje que impulsa el ventilador debe ser mayor.
En lugar de eso, puede usar un pequeño reactor nuclear para alimentar el turboventilador. Ese reactor se salva ya que es agua a presión

kevin · Answer 1

Primero, averigüemos cuánta potencia necesita un 747 para despegar:

Asumir:

Empuje del motor = 284 kN
Velocidad de despegue = 170 nudos
Potencia de despegue = 90% de potencia máxima

Usando $P=Fv$ , al convertir las variables a unidades del SI, obtenemos

PAG o w mi r = 88, 948, 800 W

$Power=88,948,800 W$

O, en otras palabras, alrededor $90MW$ .

_{EDITAR: este cálculo solo es correcto si la eficiencia del motor es del 100%, porque se basa en el trabajo realizado. Para una estimación realista, vea la respuesta de Jan Hudec . Dejaré el resto de esta respuesta basada en 90MW ya que soy demasiado perezoso para actualizar los números.}

Pero, ¿exactamente cuánto son 90 megavatios ?

Una computadora portátil promedio consume 20 W en el uso diario. Puede alimentar 4,44 millones de portátiles con esta potencia.

Una computadora de escritorio de alta gama consume 300 W bajo una carga pesada. Puede alimentar 300,000 computadoras de escritorio . Si apila 20 de ellos en una torre de servidores y coloca 100 torres en cada piso, necesita un centro de datos con 150 pisos para acomodar esas máquinas.

Vayamos un paso más allá y evaluemos la energía total necesaria para un vuelo. Suponga que toda la energía requerida proviene del almacenamiento de energía a bordo (es decir, no hay paneles solares ni molinos de viento). Supongamos también un ascenso a máxima potencia a la altitud de crucero de 15 minutos, un 50 % de potencia de crucero durante 4 horas y un descenso completamente inactivo que no consume energía en absoluto.

Usando $E=\int P dt$ , obtenemos que la energía total necesaria para un vuelo es

720, 485, 280, 000 j

$720,485,280,000 J$

Con esa cantidad de energía, puedes tirar de un objeto de 735 kilotones 100 m. Si todos esos pesos son agua, eso es cerca de 300 piscinas olímpicas .

Si alimenta todo el avión con baterías, necesitaría 47 millones de baterías AA .

Eso sí, si consigues juntar 14 de estos 747 eléctricos, podrás generar 1,21 gigavatios y conseguir Regreso al futuro .

Sin el uso de la superconductividad, actualmente no hay tecnología de motor eléctrico disponible que sea lo suficientemente liviana como para ser un candidato viable para hacer girar el ventilador y lograr tal potencia. Los motores a reacción solo tienen densidades de potencia extremas
Eso supondría unas 720 toneladas de baterías de iones de litio para el vuelo (suponiendo una energía específica de 1 MJ/kg ). Y probablemente más debido a la corriente máxima requerida para el despegue. También sería necesario disponer de 300 m² (2,43 MJ/l)
Gracias por poner esos 90 MW en perspectiva. Todo esto puede verse como un argumento en contra del vuelo eléctrico, pero yo solo lo veo como una oda a la cantidad de energía que se almacena en un combustible fósil.
No veo una solución para las baterías, pero la tecnología actual para motores eléctricos no está tan lejos. ¿Cuál es el peso de los motores del 747? 4x4 = 16 toneladas? Busque propulsión de barco HTS (superconductora de alta temperatura), por ejemplo, electric-vehiclenews.com/2009/06/… . Este ejemplo (120 rpm, 36 MW, 75 toneladas) es demasiado pesado, pero está diseñado para barcos y para la marina. Estoy convencido de que es posible diseñar un jet eléctrico desde cero para la aviación y lograr 16 toneladas o menos para 90 MW de potencia nominal.
@bogl no existe tal cosa como un "avión eléctrico"... un motor a reacción es, por definición, no eléctrico.
@kevin ¿es así? Echa un vistazo a en.wikipedia.org/wiki/Arcjet_rocket . Pero siéntase libre de reemplazar 'chorro' en mi comentario con 'turbina'.
@kevin ... así como en.wikipedia.org/wiki/Jet_propulsion . Cualquier máquina que lanza una corriente de materia por el bien de la propulsión podría llamarse 'motor a reacción'.
A modo de comparación, los trenes Eurostar son solo 12MW: en.wikipedia.org/wiki/British_Rail_Class_373
@kevin: No confunda el uso del laico de la palabra "jet" con el término técnico "jet". Los calamares y los pulpos usan propulsión a chorro. El término técnico para los motores a reacción son turbinas (a menos, por supuesto, que sea un estatorreactor). Quizás se pregunte por qué también llamamos turbinas a los molinos de viento, porque los motores turborreactores son básicamente molinos de viento (solo a temperaturas y presiones realmente altas).
Otra forma de poner los 90 MW en perspectiva sería compararlos con la producción de una planta de energía nuclear , que está en el rango de 500 a 1000 MW por reactor (nota: reactor, no planta). Esto significa que necesita entre 1/5 y 1/10 de un reactor nuclear de red eléctrica común para impulsar ese avión durante el despegue, dependiendo del tamaño del reactor que esté dispuesto a llevar.
90 megavatios? ¡Eres de un condado eficiente ! ¡90 MW no conseguirán un 747-8 en ninguna parte! El problema es que solo cuentas el trabajo realizado en el plano. Eso es suficiente cuando se habla de vehículos impulsados por ruedas, que utilizan una gran masa de reacción (la Tierra) que puede absorber cualquier cantidad de impulso con prácticamente cero trabajo. Pero los aviones no tienen ese lujo. Su única masa de reacción disponible es el aire y eso requiere mucha energía con el impulso.
OK; He hecho el presupuesto (ver la respuesta). ¡No son 90 MW, son 200!
@JanHudec es absolutamente correcto. No tiene sentido utilizar la velocidad de la aeronave para calcular la potencia del motor. A una velocidad de aeronave cero, aún necesita potencia en el eje para producir empuje.
@JanHudec Es una estimación razonable. Un Rolls Royce RB211G-DLE aeroderivado, de memoria, genera alrededor de 30MW de trabajo de eje en aplicaciones estacionarias. Como motor de un avión, este mismo motor produce alrededor de 250 kN de empuje. El 747-8 usa cuatro motores GE GEnx a 300kN, probablemente con una mayor eficiencia, pero digamos 36MW escalando con empuje. Cuatro motores producen 144 MW, por lo que la estimación de esta respuesta es al menos razonablemente aproximada.
@J..., la cifra para el turboeje derivado es potencia continua, mientras que la pregunta es para la potencia TO/GA de 5 minutos como máximo. Mi estimación de 183 MW (4 × 45,7 MW) a continuación coincide bastante bien con 144 MW continuos (sí, esta respuesta está en el estadio de béisbol, pero podemos obtener más precisión que el estadio de béisbol).
@JanHudec De hecho, pero supongo que cuando se trata de ponerle alas a algo de este tamaño , un factor de dos, más o menos, realmente no hace mucha diferencia.

Jan Hudec · Answer 2

No puedo encontrar rápidamente los números necesarios para el 747-8, así que voy a ir con los números para Rolls-Royce RB.211-524G-T, una de las opciones en 747-400, tomado de aquí .

El motor puede producir empuje estático

T_{s} = 58, 000 {yo b}_{F} = 258 k norte

$T_s = 58,000\ \mathrm{lb}_\mathrm{f} = 258\ \mathrm{kN}$

utilizando el caudal másico de

\dot{metro} = 1, 604 yo b / s = 727.5 k gramo / s

$\dot m = 1,604\ \mathrm{lb/s} = 727.5\ \mathrm{kg/s}$

Ahora bien, por principio de acción y reacción, el motor debe aplicar el empuje al aire que lo atraviesa. Lo sabemos $F = ma = m\frac{\Delta v}{t}$ y usando $m = \dot m t$ obtenemos $F = T_s = \dot m \Delta v = \dot m v_e$ , donde $\Delta v$ es el cambio de velocidad del aire dentro del motor, que es igual a la velocidad de escape $v_e$ , ya que estamos comenzando con aire quieto. Podemos resolver para la velocidad de escape:

v_{mi} = \frac{T_{s}}{\dot{metro}} \approx 355 metro / s

$v_e = \frac{T_s}{\dot m} \approx 355\ \mathrm{m/s}$

Eso es bastante rápido. De hecho, es levemente supersónico, aunque en la práctica es el promedio del flujo de derivación subsónico y el flujo de núcleo caliente más rápido (en el que la velocidad del sonido es mayor).

También sabemos que la energía cinética es $E = \frac12 m v_e^2$ y, derivado del tiempo, la potencia es $P = \dot E = \frac12 \dot m v_e^2$ .

Entonces podemos sustituir:

PAG = \frac{1}{2} \dot{metro} \frac{T_{s}^{2}}{{\dot{metro}}^{2}} = \frac{T_{s}^{2}}{2 \dot{metro}} = 45.7 METRO W

$P = \frac12 \dot m \frac{T_s^2}{\dot m^2} = \frac{T_s^2}{2\dot m} = 45.7\ \mathrm{MW}$

Ese es un motor.

La potencia total es de 183 MW.

Para 747-400 con este tipo particular de motores. Las diferentes opciones de motor tendrán potencias ligeramente diferentes, porque usan tasas de flujo de masa algo diferentes para el mismo empuje. Y por supuesto, el 747-8 tendrá un poco más.

Lo anterior también usó caso estático. A velocidades más altas, la recuperación de presión permite que los motores de turbina produzcan aún más potencia, pero al final de la carrera de despegue, la recuperación de presión aún no es significativa y, en altitud, la presión general más baja limita la salida, por lo que esto corresponde a la potencia máxima que desarrolla el motor.

Con algunas pérdidas, estamos viendo una entrada de energía de al menos 200 MW. Todos los números en la respuesta de Kevin deben multiplicarse por 2 y un bit.

Observo que el Industrial RB211 tiene una potencia nominal de 32 MW. Infiero que esto tendría una calificación inferior a la versión de motor aeronáutico para admitir una operación continua prolongada, por lo que tomo esto como respaldo para su respuesta.
@Crosbie, de hecho, los 32 MW son probablemente la máxima potencia continua, mientras que aquí estimo el empuje de despegue, que está limitado a 5 minutos. Además, aquí se incluye la parte de energía proporcionada por la corriente caliente, pero no para la versión industrial.
La velocidad final de 355 m/s se obtendría si el escape convierte toda la energía del gas en energía cinética. Un escape convergente no puede producir corrientes de gas supersónicas, y parte del empuje se entregará como una mayor presión estática multiplicada por el área de escape.
@Koyovis: El escape del núcleo es aún más rápido pero aún subsónico. ¡Por favor considere cuál es la velocidad del sonido en el aire a 600°C!

Jonny · Answer 3

Bueno, los motores GEnx-2B67 con los que está equipado el 747-8 producen cada uno un máximo de $284 \mathrm{kN}$ empuje (según su página de Wikipedia ). Esto se traduce en un total de $1136\mathrm{kN}$ , ya que tiene 4 motores.

La potencia, que tiene las unidades Watt, es el producto de la fuerza (empuje) y la velocidad.

El 747 tiene una velocidad de despegue de aproximadamente $290 \mathrm{km/h}$ , según esta página.

Suponiendo que el 747 requiere todo su empuje disponible para el despegue, la potencia que requiere se puede encontrar multiplicando su velocidad por la fuerza que lo empuja hacia adelante (en el caso de un avión, su empuje).

Primero conviértalos a unidades SI:

1136 k norte = 1136000 norte

$1136 kN = 1136000 N$

290 k metro / h = 80.55 metro / s

$290 km/h = 80.55 m/s$

Ahora multiplicamos estos para obtener la potencia:

PAG = 1136000 \cdot 80.55 = 91504800 W = 91.5 METRO W

$P = 1136000 \cdot 80.55 = 91504800 W = 91.5 MW$

Entonces, para el despegue, el 747-8 requerirá aproximadamente $91.5 \mathrm{MW}$ de poder.

Esta es una estimación muy cruda. En primer lugar, el empuje máximo que figura en la página de Wikipedia del motor es probablemente su empuje estático máximo, cuando está parado. Cuando avanza en $290 \mathrm{km/h}$ en el despegue, este empuje será ligeramente menor.

Además, si desea proporcionar esta energía con motores eléctricos y ventiladores, existen ineficiencias asociadas tanto con los motores eléctricos como con los ventiladores, lo que significará que los motores reales utilizados necesitarán en total poder producir un poco más de $91.5 \mathrm{MW}$ .

El peso de tales motores será monumental. Y estos motores necesitarán ser alimentados por una fuente de energía, me vienen a la mente baterías o celdas de combustible de hidrógeno, y el peso de estas será igual de grande.

Los motores eléctricos son bastante eficientes en la conversión de energía, pero los dispositivos de almacenamiento de energía que los alimentarán tienen densidades de energía muy bajas (léase energía por peso).

Los motores de combustión interna son bastante ineficientes en la conversión de energía, pero los combustibles fósiles que utilizan tienen una densidad de energía extremadamente alta.

Tenga en cuenta que los motores no siempre funcionan con el empuje nominal máximo para un despegue, por lo que los números del mundo real pueden ser (ligeramente) más favorables; aún así, la respuesta es "Probablemente muchos más vatios que el espacio que tenemos para las baterías a bordo".
Así que, ¡mucho! La tecnología de batería actual es algo adecuada para mover un automóvil por la carretera, pero no para hacer despegar un avión comercialmente viable.
Dudo que las baterías alguna vez puedan alimentar un 747, incluso solo para rodar. La parte no escrita de esta pregunta es "suponiendo que tuviera toda la electricidad que necesitaba sin exceder los requisitos de peso de la aeronave..."
También me preocupa bastante el peso de los motores. Un motor de 100 MW es ENORME. Como en pensar en la escala industrial / minera del siguiente nivel.
También está el peso del cobre necesario para cambiar todos esos amperios.
Este es el tipo de situación que hace pensar en lo subestimadas que son las densidades de energía extremadamente altas de los combustibles de hidrocarburos. Tal vez porque son tan omnipresentes que la gente no los aprecia tanto.
Algo que no se me ocurrió hasta que leí las respuestas es que un ventilador eléctrico no solo estaría transfiriendo una fuerza de empuje hacia adelante a su pilón de montaje, sino también un par radial en la dirección opuesta a medida que los motores giran el ventilador. Tener que lidiar con las fuerzas de torque requeriría puntos de montaje más pesados / más fuertes, lo que resultaría en un empuje aún mayor para despegar y volar. Incluso con un pequeño reactor de fusión ligero (por el bien del argumento), el peso de los motores y el par que producen podrían hacer que esta idea no sea viable.
@MikeC. Un conjunto de puntales contrarrotativos equilibraría el par. Sin embargo, una falla de uno en el conjunto sería desastroso.
Un motor turboventilador también genera un par, solo creo que su inicio es más gradual ya que el motor no puede acelerar tan rápido como un propulsor/ventilador. Eso es solo especulación, en realidad no tengo idea. Pero físicamente, cualquier máquina giratoria, ya sea un turboventilador, una turbina de gas, un pistón, un turbohélice, etc., generará un par que deberá limitarse.
¡Eres de un condado eficiente ! El valor que calcula es el trabajo que hace el motor en el avión. Pero dado que los aviones no tienen el lujo de una gran masa de reacción (la Tierra) que puede absorber todo el impulso necesario con un trabajo insignificante, también existe el trabajo que realizan los motores en el aire. Y si calcula la energía de esa manera (que requiere encontrar una tasa de flujo másico a través del motor), ¡obtendrá el doble!

sofito · Answer 4

En realidad, esta es una muy buena pregunta para entender por qué los aviones eléctricos tienen muchas hélices en las alas.

¿Cuántos kilovatios se necesitarían para alimentar cada ventilador?

Sustituyendo los 4 turboventiladores por cuatro ventiladores/hélices, la potencia necesaria se puede calcular, como de costumbre, con la teoría del impulso simple :

$P=\sqrt{\frac{T^3}{2 \rho A}}$

El motor GEnx-2B67 de cada 747-8 tiene un ventilador de unos 2,8 m de diámetro y proporciona algo de $T=290kN$ . Esto da una potencia total necesaria de:

$P=4\cdot \sqrt{\frac{(290'000)^3}{2 \cdot 1.125 \cdot \pi 1.4^2}}=168MW$

Eso es mucho... pero se puede reducir: si suponemos que cada hélice se puede colgar a la misma altura del ala, entonces su radio puede ser tan grande como el diámetro del turboventilador original, es decir, unos 3m, respetando de todos modos la distancia al suelo necesaria. La potencia total necesaria se convierte en:

$P=4\cdot \sqrt{\frac{(290'000)^3}{2 \cdot 1.125 \cdot \pi 3^2}}=78.3MW$

Mucho mejor... pero se puede reducir aún más: de raíz a punta, el ala del 747 tiene unos 30 m de largo. Eso significa que en realidad cinco de esas hélices podrían acomodarse a cada lado del ala, para un total de diez. Ahora cada hélice debe producir ⅒ del empuje total, es decir $T=\frac{4 \cdot 290'000}{10} = 116'000N$ , requiriendo esta vez una potencia total de:

$P=10\cdot \sqrt{\frac{(116'000)^3}{2 \cdot 1.125 \cdot \pi 3^2}}=50MW$

¿Y si usamos hélices contrarrotantes? Entonces podríamos agrupar veinte de ellos en el ala, cada uno produciendo un empuje de $T=\frac{4 \cdot 290'000}{20} = 58'000N$ para una potencia total necesaria de:

$P=20\cdot \sqrt{\frac{(58'000)^3}{2 \cdot 1.125 \cdot \pi 3^2}}=35MW$

¿Y si canalizamos cada hélice contrarrotante? Entonces se puede esperar un aumento del empuje del 30%, reduciendo la potencia total a:

$P=20\cdot \sqrt{\frac{(0.7 \cdot 58'000)^3}{2 \cdot 1.125 \cdot \pi 3^2}}=20.5MW$

Entonces, aumentando el número de hélices, la potencia requerida puede reducirse en un factor 8, ¡genial! Y aún más agradable es que se podrían usar veinte de estos motores eléctricos , para un peso total de $20\cdot 100=2'000kg$ en lugar de $4 \cdot 6'150=24'600kg$ !

Obviamente, estos son cálculos simples, rápidos y sucios que no tienen en cuenta, por ejemplo, ninguna interferencia aerodinámica entre rotores, ningún problema estructural o la viabilidad del concepto. De todos modos, muestra cuál es básicamente la idea detrás de todos los elegantes aviones eléctricos que el brillante futuro traerá con seguridad en nuestros cielos...

bola de ernie · Answer 5

Un solo motor 777 desarrolla 108 megavatios de potencia, con 2 motores, son 216 megavatios... vas a necesitar más de 90 megavatios despegando en un 747 si quieres vivir.

Bienvenido a aviación.SE. Estamos buscando respuestas fácticas. ¿Le pasaría a tener una fuente para sus declaraciones?
También tenga en cuenta que la pregunta se refiere a un 747-8, no a un 777.

Arrendajo · Answer 6

Sé que esta no es la respuesta exacta a su pregunta, pero tal vez esto le dé una perspectiva que otras respuestas no tienen.

Los motores eléctricos Airbust E-Fan producen 30 kilovatios de potencia. Eso equivale a unos 40 caballos de fuerza. Hay dos de estos, para un total de unos 80 caballos de fuerza.

El primer avión en el que viajé solo fue un Cessna 150. Estaba equipado con un motor de combustión interna de cuatro cilindros y 200 pulgadas cúbicas y apenas podía transportar a dos personas.

Además, el Wright Flyer estaba propulsado por un motor de combustión interna de cuatro cilindros que producía 12 caballos de fuerza.

Como han demostrado otros, la potencia total de despegue del 747 es de unos 90 megavatios, lo que equivale a unos 120 000 caballos de fuerza. En otras palabras, necesitaría alrededor de 1200 motores Cesnna 150, o 3000 motores Airbus E-Fan, o 10 000 motores Wright para producir la misma cantidad de energía.

JanMan · Answer 7

Es completamente inviable. Sin todos los cálculos (por precisos que sean), un Boeing muy grande (737 o 747) no puede volar solo con electricidad/baterías. Tal vez la hidroelectricidad podría.

Un Tesla Mark 3 tiene unas 6200 'baterías de portátil'. Pesan alrededor de 1000 kilos. La electricidad regenerada por batería no es tan grande: sobre el requisito de una computadora portátil. El peso sería significativo frente al peso del avión, o el peso del avión más el peso del queroseno.

Para que esté disponible para un motor a reacción muy grande (!), se deben lograr enormes logros técnicos.

¿Se puede convertir un motor eléctrico en uno a reacción? No con la tecnología actual, creo.

John

¿Puede proporcionar algunas fuentes para sus reclamos, por favor?

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La potencia total es de 183 MW.

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