מנועי ה- IC היעילים ביותר הם דיזל גדול. בקצה הקיצוני נמצאים מנועי ספינות בעלי יעילות תרמית טובה מ- 50% וכתוצאה מכך צריכת דלק ספציפית של 0.260 ק"ג / כ"ס לשעה בלבד או 158 גרם / קוט"ש. אך גם דיזל משאיות מוגדשות משיג יעילות תרמית של מעל 40% בעומס גבוה ( מחקר NHTSA זה נותן 42%).

Aerodiesels השיגו 220 גרם / קילוואט-שעה כבר עם Jumo. 204 ו -205 של תחילת שנות השלושים. אפילו ה דיזל של Thielert המודרני (הנמכר כיום על ידי קונטיננטל) בקושי טובים יותר, טוענים 214 גרם / קילוואט-שעה. כמו כן, Napier Nomad, דיזל אירו סופר-טורבו עם יעילות מירבית, כאשר מטרת התכנון שלו הגיעה רק ל -219 גרם / קילוואט-שעה.

מנועי בנזין מתחילים בכ -240 גרם / קילוואט-שעה; ערך זה מושג על ידי Lycoming IO-390 עם הזרקת דלק. ללא הזרקת דלק, הצריכה הספציפית עולה ל -260-280 גרם / קילוואט-שעה, האופיינית ל- Lycoming O-360 בהספק של 65%. שימו לב ש Jumo 213, אחד מנועי הבוכנה היעילים יותר מתקופת מלחמת העולם השנייה, כבר השיג 260 גרם / קילוואט-שעה אפילו עם דלק 87 אוקטן ויחס דחיסה של 6.93: 1 בלבד לכל היותר. נקודת הפעלה נוחה. הנדסה חדשנית מתקדמת, שהשתלטה על מנוע נורטון-ונקל, טוענת 310-350 גרם / קילוואט-שעה עבור 650CS שלהם עם 120 נ"ס.

בהשוואה לזה עם טורבו-טיפים צריך קצת המרת דחף לכוח. זה תקף רק למהירות טיסה ספציפית. אם תעשה זאת במהירות שיוט, הטורבו-פרופרים הגדולים Progress D27 ו- Europrop TP400 טוענים לצריכה של סביב 240 גרם / קילוואט-שעה. טורבו-טיפים קטנים יותר לעתים רחוקות משיגים מתחת ל -300 גרם / קילוואט-שעה.

כדי לחסוך ממך את הבעיה לחפש ולהמיר את הנתונים בקישור האחרון, הנה רשימה שנבחרה:

• אליסון 250 $ \; \; \; \; \; \; \; $ : 370 גרם / קילוואט-שעה. זהו מנוע מסוק קטן טיפוסי.
• Garrett TPE331 $ \; \; $ : 310 גרם / קילוואט-שעה. זה משמש על טורבו-טיפים קטנים כמו Do-228 או Merlin III.
• PWC 126A $ \; \; \; \; \; \; \; $ : 280 גרם / קילוואט-שעה. הולך וגדל - BAe ATP.
• רולס רויס ​​טיין: 237 גרם / קילוואט-שעה. זה כבר זמן רב הטורבופופר הגדול ביותר במערב והשתמשו בו במטוסים כמו קנדייר 400 / CL-44.

שים לב שאותם טורבופופרים ניזונים מנפט בעוד שמנועי הבוכנה זקוקים לבנזין. אך על ידי ביסוס ההשוואה על בסיס מסה, היא תקפה מכיוון ש צפיפות האנרגיה של שניהם כמעט זהה. טורבופרופ גדול מאוד יעיל כמו מנועי בוכנות בנזין, אך לדייזלים עדיין יש יתרון קטן.

עכשיו לטורבו. כאן יש לנו דחף שיש להמיר תחילה לכוח על ידי הכפלתו במהירות הטיסה. זה יהיה שטותי להשוות את המקרה הסטטי - כאן בהגדרה טורובופנים לא מייצרים כוח. עבור הנקניקים: כן, אני צריך להסתכל על מהירויות הגז שמאחורי המנוע, אבל עדיין, זה גורם להשוואה גרועה: רוב הערכים הסטטיים הם מעמדות בדיקה עם כל האביזרים שהוסרו וללא הפסדים עבור תושבות מנוע ותאורה. במקום זאת אשתמש בנתונים בשיוט המופיעים ב תשובה זו, תוך שימוש בשריפת דלק של $ b_f $ = 18 גרם / ק"ג ומהירות של מאך 0.78, שמשווה למהירות טיסה של 262 מ / ש בגובה 11.000 מ '. הכפל ב- 3600 עבור ערך לשעה וחלק ב- 262 (ה- N הם במכנה!) ותגיע ל 247 גרם / קוט"ש. אז שוב, דומה מאוד למנועי בוכנות בנזין טובים אך לא טובים כמו דיזל.

אך שוב יש לבצע השוואה זו עם גרגר המלח הפתגם. עכשיו אנחנו צריכים להסתכל מקרוב על המהירות. צריכה ספציפית לדחף עולה במהירות ומכפילה בערך בין המקרה הסטטי למהירות השיוט עבור טורבופאן מודרני. ה- GE-90 משיג סטטי של 8 גרם / kN-s ו -15 גרם / kN-s ב Mach 0.8 - זה יהיה רק ​​209 גרם / kW-h ולהיות שווה עם הדיזל הטוב ביותר. לשם השוואה: הנתונים המותקנים עבור מנועים צבאיים מודרניים במטוסים על-קוליים הם 20 גרם / kN-s. ובנוגע לטורבו-ג'ט הרעב: ג'ומו 004 הישן השיג 39 גרם / קילו-שניים - כמות כפולה בלבד עם יחס דחיסה של 3.3: 1 בלבד. גוזלי דלק אמיתיים היו ארגוס 014 של ה- V-1 עם 107 גרם / kN-s בהפלגה.

בעוד מנועי טורבינות צוברים יעילות בגובה בגלל אוויר יניקה קר יותר, התרשים שלהלן משווה את Jumo 213 A עם גרסת J (מקור) מראה עלייה בצריכת הדלק הספציפית להספק עם הגובה. שימו לב שמהירות הטיסה תעלה גם עם הגובה ולא ניתנת, ולכן אני חושד שזה נובע יותר ממהירות גבוהה יותר מגובה גבוה יותר. שוב, מדובר בנתונים מהעולם האמיתי ממבחן טיסה כשהמנוע מותקן ב- FW-190D ( מקור). מעבר מגובה פני הים ל -10 ק"מ מה שמכפיל בערך את מהירות האוויר האמיתית מעלה את הצריכה הספציפית ב -20%.

תרשים השוואה בין Jumo 213 גובה הטיסה A ו- J. ניתן ב [ק"מ] לאורך ציר ה- x וצריכה ספציפית לאורך ציר ה- Y הימני. הכפל ב -1.34 ל- g / kW-h. קבוצת השורות התחתונה מיועדת להפעלת עומס חלקי בין 2100 ל- 2700 סל"ד (גרסה) rsp. 3000 סל"ד (גרסת J) בעוד שהקבוצה העליונה של קווי הצריכה מיועדת להפעלת הספק מרבי ב 3000 סל"ד (גרסת A) rsp. 3400 עד 3700 סל"ד (גרסת J), חלקית עם הזרקת מים-מתנול.

כיצד משתווה יעילות הטורבינה עם מנועי בעירה פנימית אם כל הספק הטורבינה מומר לאנרגיה מכנית?

כאשר מסתכלים על המרה מאנרגיה כימית לאנרגיה מכנית: בצורה טובה מאוד . לטורבו-מטוסים המוקדמים הייתה יעילות דחף נמוכה הם לא יכלו להמיר את כוח מחולל הגז שלהם לדחף בצורה יעילה. כאשר משווים יעילות אנרגטית אנו מתחילים עם האנרגיה הכימית בדלק, ולא נעבוד לאחור מדחף זמין.

אם כל הספקים של מחולל הגז מומרים לאנרגיה מכנית אנחנו מדברים על פירבו. הדרך הטובה ביותר להשוות את יעילות הדלק של המנוע בלבד ולא להתעסק בדיון על המרת דחף, היא רשימה של כוח סוס בלם מנוע, המודד ישירות את הפיר מומנט ¹ המופעל על מדחף, מאוורר, סט גלגלי משאית, מדחף ספינות וכו '.

• כפי שניתן לראות, מנוע טורבינת גז גדול כמו GE LM6000 ( מנוע טורבופאן ממוסס מטוס) הוא בין המנועים החסכניים ביותר בסביבה, עם צריכת דלק ספציפית לבלמים של 0.329 ק"ג / (כ"ס * שעה) = 200 גרם / קוט"ש = 42% יעילות.
• דיזל יכול להשיג יעילות של מעל 50%, בעיקר דיזל 2 פעימות סל"ד גדול ונמוך המייצר כמות מומנט עצומה. ה- Wärtsilä-Sulzer RTA96-C פועל במהירות 22-120 סל"ד, מה שיהיה בעייתי להנעת רכב וכלי טיס.
• היעילות הגבוהה מכולן היא המחזור המשולב עם 62.2%, טורבינת גז בשילוב עם טורבינת קיטור כדי לנצל את אנרגית הפליטה.

צריכת הדלק הספציפית הנמוכה היא עבור מנועי טורבינת גז גדולים, הם לא מתכווצים טוב בגלל השפעות שכבת הגבול: למנוע קטן יותר יש יחסית היקף גדול יותר. כמו כן, הם פועלים רק ביעילות בהספק מלא, למנועי בוכנה היתרון באחוזים סל"ד נמוכים יותר.

כך שככל שהמנוע קטן יותר, כך הנסיבות למנוע הבוכנה מועילות יותר: הן מצטמצמות בצורה הרבה יותר טובה מאשר טורבינות הגז. אך בהינתן נפח מספיק, טורבינות גז אינן בזבזנות מטבע הדברים כלל.

אם מטוס הרכיב את אותו המדחף בדיוק על מנוע בוכנה מוגדש וטורבינה, וטס בתנאים זהים ב אותה המפלגה והסל"ד, כמה יותר דלק הטורבינה תשתמש

אנו לוקחים בערך מנועי Aero ועלינו להשאיר דיזל סוללות דו-פעימות סל"ד נמוך מההשוואה. כמו כן, מכיוון שהמדחפים ותנאי הטיסה זהים, אנו יכולים להשאיר את כל מנגנון המרת הדחף מחוץ למשוואה. כאמור, הגודל חשוב כשמדברים על יעילות טורבינת גז. בואו ניקח שני גדלים:

1. הטורבופרופ הגדול ביותר.
   מנוע הטורבופרופ הגדול ביותר היה Kuznetsov NK-12, שפותח ממש לאחר מלחמת העולם השנייה. טורבופופר גדול ומודרני יותר הוא Europrop TP400, רק קטן יותר, המשמש ל- A400, ² עם הספק מרבי של 11,000 כ"ס = 8,203 קילוואט.

   

   • צריכת דלק ספציפית להספק פיר פיר: 0.167 ק"ג לקוט"ש (0.275 lb / hp / h) = 51.5% יעילות.
   • צריכת דלק ספציפית עם הנעת שיוט: 0.213 ק"ג / קוט"ש (0.350 ליברות / כ"ס)

אך ניתן לראות כי גז גדול מנועי טורבינות הם מאוד חסכוניים בדלק, ואינם נחותים מנועי בוכנה בחסכנות.

לא הצלחתי למצוא נתוני צריכת דלק על מנוע בוכנה דומה המספק 11,000 כ"ס. הכוונה היחידה היא ל מנוע מירוצי דראג, שאינו מתעסק במיוחד בחיסכון בדלק.

2. הגדול ביותר שמונע בבוכנה. אביזר

   מנוע הבוכנה הגדול ביותר שיוצר אי פעם היה Lycoming XR-7755, והפיק 5,000 כ"ס בחיסכון בדלק של .38-.41 ליש"ט / כ"ס, 231-249 גרם / קוט"ש או יעילות של 35.5-32.5%. וזה עם טכנולוגיית 1947.

   גם משנות ה -40: ה טורביופ אליסון T40 עם 5,100 כ"ס וצריכת דלק ספציפית ב 0.63 ליברות / יעילה = 383 גרם / קוט"ש = 22% יעילות. יחס דחיסה נמוך, ללא FADEC.

   ל- Q400 שני טורבו-טיפים של PW150A של 5,000 כ"ס כל אחד. לא הצלחנו למצוא את ה- SFC של מנוע טורבינת הגז המודרני הזה. הרולס רויס ​​טיין הוא משנות החמישים ואין לו את הטכנולוגיה העדכנית ביותר.

קשה למצוא מנועי בוכנה וטורבינות גז מקבילים להשוואה הוגנת:

• זמן ההתפתחות. בוכנות אבגז היו מפותחות מאוד לאחר מלחמת העולם השנייה, לאחר מכן הופסקה פיתוח מנועים גדולים, המשמשים כיום רק במטוסים קטנים יותר. לטורבופרופ יש כעת 3 צירים, יחס דחיסה גבוה מאוד וטמפרטורות כניסה, FADEC.
• כוחות סוס מדורגים במנוע. הטורבינות לא יורדות היטב, ולהשוואה של דירוג HP תהיה השפעה רבה על התוצאה.

¹ : הברוטו הכוח המועבר על ידי המנוע הוא מומנט Q בציר כפול המהירות הזוויתית $ \ Omega $ . זהו כוח המנוע הטהור, כוח הסוס (!) של מפרטי מנוע הבוכנה. כדי למדוד את הספק הברוטו הגולמי, חברו מנחת זרם אדי לפיר היציאה ומדדו את המגברים הנדרשים להפעלה בקביעות $ \ Omega $

² : מאת מתי בלומה - עבודה משלו, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid= 68573331

ממש רע מאוד. מה שחוסך את הטורבו-פרופ והטורבו-פיר הוא כוח למשקל, חלקות ואמינות. אם אתה רוצה MPG מקסימלי בלבד ואינך צריך לעבור טרנס-קולית, ה- recip מנצח את הידיים למטה.

צריכת דלק ספציפית של מנוע בוכנה היא בערך .45 ק"ג / כ"ס לשעה עבור מנוע קרבורטציה שאוב בדרך כלל (זה הנתון מגיע מתרשים הכוח של מנוע Lycoming שלי - אני לא מוצא מקור מקוון), יורד משם עם הזרקת דלק וטעינה טורבו / סופר. הדיזל נמצא ב- .3s נמוכים.

המתכונים היעילים ביותר היו רדיאלים של Wright Turbo Compound שהיו בהפקת כוח סוס ישירה יותר מהפליטה (כ -300 כ"ס הוחזרו מהפליטה של ​​R3350 על ידי שתי טורבינות התאוששות הכוח) שהיו למטה. ב- 0.3s הגבוהות ל- .4.

Turboprops? גרוע ממנועי בנזין דו פעימות. איפשהו סביב .6 lb / hp / hr או גרוע יותר (PT-6 הוא .67), אולי בשנות החמישיות הגבוהות בחלק מהאחרונים.

זו סיבה אחת מדוע אינך רואה כל כך הרבה המרות טורבינות במטוסים כמו DC-3. מלבד עלות ההמרה, זה פשוט חסכוני יותר להפעלת דלק על דלק.

טוב מאוד שהיעילות של קארנוט היא זו שמניעה את הגבול התיאורטי, והיא מונעת על ידי טמפרטורת הבעירה. 1 - T_h / T_c (בקלווין) בטורבינות יש תאי בעירה חמים מאוד (גם דיזל, פחות בנזין (בגלל דפיקות)).

אז לטורבינה הפועלת באוויר קר תהיה ביצועים נהדרים.

בטורבינות טורבינות גז טבעי המשולבות (CCGT) המופעלות יחד עם טורבינת קיטור משיגות יעילות של 60% +. לטורבינות בלבד (OCGT) יעילות נמוכה יותר (34%) אך זה גם משום שהן מותאמות למענה מהיר יותר למחירי הספק.