Что на самом деле означает рейтинг «л.с.» по отношению к авиационному двигателю?

Что такое лошадиная сила? Это мера работы, которую лошадь может выполнить за час, изобретенная во времена паровых машин, чтобы понять, на что они способны, во времена, когда вся работа выполнялась людьми и лошадьми. Как обычно, до СИ было много определений лошадиных сил. Вот один из вики, о том, что может сделать метрическая лошадь:

Обратите внимание, что на картинке есть элемент времени: если лошадь целый день поднимает груз на один метр в высоту, она не очень мощная.

В настоящее время единицей мощности является ватт, в честь Джеймса Уатта, который придумал единицу лошадиных сил для продажи своих паровых двигателей. Она определяется как сила в ньютонах, необходимая для перемещения 1 килограмма на один метр за одну секунду:

В этих единицах вы можете увидеть произведение силы на скорость, и это один из способов взглянуть на то, что такое мощность: вам нужно больше мощности, чтобы быстрее ехать в гору. Но это линейные объекты, и большая часть энергии производится роторными двигателями. Роторные единицы - это крутящий момент (Н*м) и скорость вращения двигателя (рад/с).

Для двигателей важно, где измеряется мощность. Всегда есть потери, вызванные трением и преобразованием энергии, и чем ближе вы измеряете выходной вал двигателя, тем выше показание. Именно так и поступают производители транспортных средств: мощность двигателя автомобиля измеряется на коленчатом валу, а не на колесах, которые фактически двигают вас по дорогам, потому что между двигателем и колесами возникают трансмиссионные потери.

Интересен вопрос, почему для оценки двигателя используется мощность, а не сила или крутящий момент. Это сила, которая ускоряет нас:$F = m \cdot a$. Мы можем передавать мощность двигателя или выходной крутящий момент по мере необходимости - если бы передача не имела потерь, мощность до и после передачи была бы одинаковой. Таким образом, мощность в лошадиных силах полезна для сравнения возможностей двигателей, независимо от передачи. Однако они всегда будут максимальными возможностями.

В самолете мощность двигателя должна приводить в движение самолет через пропеллер. Пропеллер обеспечивает тягу T и может вести самолет со скоростью V, максимальная скорость при которой сопротивление равно тяге. Мощность двигателя равна тяге, умноженной на воздушную скорость, плюс мощность, необходимая для преодоления потерь: механических потерь из-за трения и аэродинамических потерь из-за эффективности воздушного винта.

Ваш вопрос о наличии самолета в четверть веса и аналогичных размеров. Тяга необходима для преодоления аэродинамического сопротивления, как сопротивления трения, так и сопротивления подъемной силы. Сопротивление трения останется равным, сопротивление, вызванное подъемной силой, составит 1/4 от полновесной версии. Вам потребуется более 45 л.с., чтобы заставить самолет четверть веса двигаться с той же крейсерской скоростью.

Картинка взята из этого наиболее информативного источника : паразитная мощность остается прежней, индуцированная мощность уменьшается в 4 раза. Обратите внимание, что на низких скоростях доминирует индуктивная мощность, а на высоких скоростях преобладает паразитная мощность. Так что с двигателем в 45 л.с. вы оторветесь от земли, если вес уменьшится в 4 раза, но максимальная скорость будет намного меньше.

Прошу прощения, если я слишком упрощаю, но мощность поршневых двигателей обычно можно измерить на колесах или кривошипе. Поскольку у самолетов нет приводных колес, мы измеряем исключительно мощность, которую двигатель может передать на коленчатый вал / выходной вал, к которому мы можем напрямую прикрепить наш воздушный винт.

Когда производители указывают мощность, они на самом деле имеют в виду «максимальную мощность». Это напрямую рассчитывается из крутящего момента, который двигатель может развивать при определенных оборотах. Двигатель будет выдавать разную (то есть меньшую) мощность на разных скоростях. Таким образом, вы можете думать о лошадиных силах как о вычислении крутящего момента, умноженного на число оборотов в минуту. (На самом деле затем оно делится на произвольное значение, чтобы превратить его в «лошади»), при этом значение списка представляет собой наивысшую комбинацию крутящего момента x оборотов в минуту, которую может обеспечить двигатель.

Крутящий момент — это мера фактической силы, которую может создать вращение двигателя. Таким образом, поскольку количество оборотов в минуту является множителем, очень-очень быстрый двигатель с низким крутящим моментом может иметь больше л.с., чем медленный, но крутящий двигатель. Подумайте о разнице между грузовиком и легким спортивным автомобилем - грузовику требуется гораздо больше силы для движения, поэтому двигатель спортивного автомобиля высокой мощности будет бесполезен, если он не сможет обеспечить требуемый крутящий момент.

Само по себе это также ничего не говорит об эффективности или, например, о количестве времени, в течение которого компоненты могут поддерживать это. Он также не определяет, как эта мощность используется — например, от 100 л.

Как должно быть ясно, одно значение мощности в лошадиных силах не дает полного представления о двигателе.

Для любого непоршневого двигателя нам понадобится это значение для некоторой формы выходного вала, чтобы сравнить его с подобным. Вам потребуется более подробная информация об измерении любого конкретного двигателя, чтобы определить, где было проведено измерение.

Наконец, даже если сравнение «справедливо», поскольку мощность является произведением крутящего момента и числа оборотов в минуту, мы не можем сказать, что два 100-сильных двигателя равны. Нам нужно было бы точно знать, когда на «кривой мощности» эта мощность доставляется. Это нелинейно, отсюда и требование к двигателям на динографе.

Однако если бы вы могли найти два двигателя, которые развивают одинаковую мощность при одинаковых оборотах (т. е. они были бы одинаковыми на графике), то производительность должна быть одинаковой. Но затем, к сожалению, нам приходится обсуждать такие вещи, как время отклика, когда, например, реактивному двигателю может потребоваться много времени, чтобы раскрутиться, а электрическому двигателю — почти мгновенно.

TL;DR Сравнивать силовые установки действительно очень сложно, даже с полными цифрами. Сравнение на основе одного числа в лучшем случае неопределенно показательно.

В дополнение к другим ответам: для двигателей внутреннего сгорания номинальная мощность - это максимальная мощность, которую двигатель может производить, то есть при полностью открытой дроссельной заслонке и в оптимальной точке диапазона оборотов. Более полный способ указать мощность двигателя — это кривая мощность/крутящий момент, как в этом случайном примере :

Это показывает, как выходная мощность зависит от оборотов. Пик этой кривой соответствует номинальной мощности.

С другой стороны, для электродвигателей входная мощность часто указывается, особенно для типа электродвигателя, который есть у вас дома. Для электродвигателей это важная цифра, потому что вам нужно подобрать соответствующий источник питания: вы не уедете далеко, если подключите двигатель мощностью 10 кВт к аккумуляторной батарее Penlite.

Теперь электродвигатели очень эффективны: около 95% входной мощности преобразуется в движение выходного вала. Ваш водяной насос преобразует 950 Вт в движение и только 50 Вт в тепло.

Двигатели внутреннего сгорания гораздо менее эффективны. Действительно хороший бензиновый двигатель преобразует около 30% энергии своего топлива в движение (дизели могут доходить до 40%). Остальное теряется в виде тепла и шума через систему охлаждения и выхлоп.