Являются ли турбовинтовые двигатели более эффективными, чем поршневые двигатели (тяга на расход топлива)?

Нет, поршневые двигатели более экономичны.

Их мощность указывается в киловаттах или л.с., потому что она не сильно зависит от скорости, в отличие от тяги гребного винта. Запустив поршневой двигатель несколько раз на динамометрическом стенде, вы можете получить разумные значения, действительные во всем рабочем диапазоне. Если вы хотите охарактеризовать их по тяге, вам нужно будет посмотреть на комбинацию двигатель-гребной винт на одной конкретной скорости, что не очень полезно.

Теперь вы спрашиваете характеристики современных двигателей. Самое смешное, что КПД авиационных поршневых двигателей за последние десятилетия практически не изменился. Если вы предполагаете, что бензиновые двигатели потребляют 250 г топлива на кВтч при полной мощности, эта цифра уже верна для хороших двигателей времен Второй мировой войны, таких как Jumo 213 A , который работал на бензине с октановым числом 87. Низкое октановое число ограничивало сжатие до 6,93:1, в то время как более высокое октановое число современного AVGAS допускает степень сжатия 8,5:1 в таких двигателях, как Lycoming O-360 , который потребляет 280 г топлива на кВтч. Добавление впрыска топлива позволило Lycoming снизить расход топлива до 240 г на кВтч в IO-390 , первый запуск которого состоялся в 2002 году.

Дизельные двигатели еще более эффективны; обычно они потребляют 220 г на кВтч. Это низкое значение уже было возможно с почтенным Jumo 205 1930-х годов, который потреблял всего 213 г на кВтч на самой эффективной скорости. Современные аэродизели работают с такой же эффективностью: линейка двигателей Thielert , которые были переданы Continental, потребляют 220 г на кВтч .

Даже лучшие турбовинтовые двигатели редко достигают менее 300 г на кВтч. Самая современная версия почтенного Pratt&Whitney PT6 потребляет 308 г на кВтч, и только самые последние разработки могут сократить разрыв с поршневыми двигателями. У Progress D27 заявлен удельный расход топлива 231 г на кВтч, а у Europrop TP400 - 237 г на кВтч. Обратите внимание, что здесь оставшаяся тяга от выхлопа была преобразована в эквивалентную номинальную мощность для достижения таких хороших значений.

Не существует небольшого газотурбинного двигателя с удельным расходом топлива (фунты/л.с.ч или граммы/кВт/ч) бензинового или дизельного авиационного двигателя. Турбины легкие (фунты/л.с. или кг/кВт), но сжигают значительно больше топлива. Турбины также очень плавные, вибрации почти нет. Но что касается эффективности, то даже наши антикварные технологии малых авиационных поршневых двигателей, турбин просто не очень хороши.

Как правило, чем меньше турбина, тем хуже удельный расход топлива. Таким образом, Allison, теперь Rolls, семейство C250, ужасны, иногда получая 0,8 фунта / л.с. / час в низком крейсерском режиме. Большие турбины, такие как AE2100, могут разгоняться до 0,4, но эти двигатели рассчитаны на 5000 л.с., что слишком много для легких самолетов.

Одним особенно неприятным аспектом удельного расхода топлива турбины является то, что он хуже при более низких настройках мощности. Это одна из причин, по которой большинство газотурбинных самолетов стремятся летать как можно выше, потому что на большой высоте они работают намного ближе к максимальной мощности для достижения наилучшей аэродинамической эффективности. Поршневые двигатели, как правило, достигают наилучшего удельного расхода топлива при относительно низких настройках мощности, поэтому полет на низкой и медленной скорости не так сильно влияет на дальность полета, как на самолете с турбиной.

С вводом в эксплуатацию нескольких новых дизельных авиационных двигателей эффективность поршневых авиационных двигателей стала намного выше. Некоторые из этих дизелей имеют удельный расход топлива в диапазоне 0,35 фунта / л.с. / ч, что лучше, чем даже у самых эффективных больших авиационных турбин, и почти вдвое меньше, чем у небольшого турбовинтового двигателя на малом крейсерском режиме.

График выше взят из Torenbeek, Synthesis of Subsonic Airplane Design:

На рис. 4-1 показано количество топлива, израсходованного в час некоторыми репрезентативными примерами в упомянутых выше категориях, цифры относятся к крейсерскому полету при заданной тяге, равной лобовому сопротивлению.

На графике видно, что турбовинтовые двигатели имеют несколько более высокий расход топлива, чем поршневые двигатели, которые на момент публикации книги были исключительно двигателями на воздушном газе. На графике показано современное состояние 40-летней давности.

Турбины не так эффективны, как поршневые мельницы, но разница не так велика, как может показаться, если учесть улучшенную производительность. На оптимальной высоте Meridian [турбовинтовой] сжигает около 31 галлона в час по сравнению с 20 галлонами в час на Mirage [поршень], что примерно на 50% больше. Это связано с тем, что поршневые двигатели более эффективны и имеют более низкий удельный расход топлива (0,43 фунта/л.с./ч) по сравнению с турбинами (0,58 фунта/л.с./ч).

Источник: planeandpilotmag.com

Так что по критериям расхода топлива поршневой двигатель эффективнее. Но турбовинтовой двигатель может летать быстрее, т. е. добираться на меньшем количестве топлива.

Если вы хотите оценить двигатель по создаваемой им тяге, вы должны знать КПД гребного винта при заданных критериях вашего теста. Характеристики двигателя и характеристики тяги изменяются с высотой и скоростью. Только реактивный двигатель или ТРДД должен рассчитываться по тяге, да и то она меняется с высотой и скоростью. Не принимайте номера книг для эффективности реквизита, потому что они меняются по всей карте.

Я пошел и выяснил, сколько топлива сжигается для создания одной л.с. в Lycoming 720 по сравнению с pt6, и поршневой двигатель оказался на 7-8 процентов эффективнее турбовинтового.

Pt6 примерно 088-0,089 галлона на л.с. в час Lycoming 720 примерно. 081-0,082 галлона на л.с. в час