Вы сравниваете SFC на разных скоростях. Это все равно, что сравнивать полезную нагрузку самолетов разного размера. SFC увеличивается со скоростью и, следовательно, должен сравниваться с той же скоростью. Работа, выполняемая двигателем, равна тяге, умноженной на расстояние, а более высокая скорость означает, что та же тяга будет выполнять больше работы в единицу времени, когда двигатель движется быстрее. Движущийся двигатель должен замедлить воздушный поток , чтобы произошло сгорание, а затем должен ускорить воздух больше, чем он был замедлен, чтобы иметь положительную тягу. Следовательно, SFC растет параллельно скорости.

Чтобы иметь значимое сравнение, нам нужно определить эффективность. Их несколько, и два из них имеют большое значение для воздушно-реактивных авиационных двигателей: тепловой КПД и КПД тяги.

Тепловая эффективность

Это описывает, насколько эффективно химическая энергия в топливе$Q$преобразуется в импульсное изменение потока воздуха, проходящего через двигатель. Формулируется с использованием массового расхода в единицу времени$\dot{m}$, импульс есть$\dot{m}\cdot\dfrac{\Delta v^2}{2}$. С использованием$v_{\infty}$для скорости входящего воздуха и$v_{\infty} + \Delta v$для скорости потока на выходе тепловой КПД равен

Пропульсивная эффективность

Это описывает, насколько хорошо выполняется преобразование. Используя те же переменные, что и выше, тяговая эффективность равна

Это уравнение объясняет лучший КПД двигателей с большой степенью двухконтурности и винтов при одинаковой скорости, потому что КПД тяги пропорционален обратному коэффициенту$\Delta v$.

Общая эффективность

Это произведение теплового и тягового КПД, и уравнение

Эффективность потребления

Этот ответ был бы неполным без рассмотрения воздухозаборника Concorde. В крейсерском режиме он поднимет давление воздуха на поверхности компрессора более чем в шесть раз по сравнению с окружающим за счет эффективного замедления потока. Компрессор добавил степень сжатия 12, поэтому давление в камере сгорания стало в 80 раз выше атмосферного. Это высокое давление делает двигатель таким эффективным, но также необходимо для поддержания сгорания . Помните, давление окружающего воздуха в 18 км составляет всего 76 мбар, поэтому абсолютное давление в камере сгорания на крейсерском режиме было всего 6 бар.

Полный ответ будет таким: Комбинация впуска и Olympus 593 при скорости 2,02 Маха имела очень хороший общий КПД, и сравнения с другими двигателями в статических условиях вводят в заблуждение.

Однако сравнение результатов испытательного стенда на земле дало бы совсем другую картину.

Статья в Википедии об удельном расходе топлива на самом деле использует Конкорд в качестве примера, вероятно, потому, что это был такой крайний случай. Я, вероятно, должен отредактировать, чтобы сделать это реальным ответом, но, поскольку они используют ваш конкретный вопрос в качестве примера, я просто процитирую.

SFC зависит от настройки дроссельной заслонки, высоты над уровнем моря и климата. Для реактивных двигателей скорость полета также оказывает значительное влияние на SFC; SFC примерно пропорционален скорости воздуха (на самом деле скорости выхлопа), но скорость вдоль земли также пропорциональна скорости воздуха. Поскольку выполненная работа равна силе, умноженной на расстояние, механическая мощность равна силе, умноженной на скорость. Таким образом, хотя номинальный SFC является полезной мерой эффективности использования топлива, его следует разделить на скорость, чтобы получить возможность сравнивать двигатели, которые летают с разными скоростями.

Например, Concorde двигался со скоростью 2,05 Маха, а его двигатели давали SFC 1,195 фунта / (фунт-сила · ч) (см. Ниже); это эквивалентно SFC 0,51 фунта/(фунт-сила·ч) для самолета, летящего со скоростью 0,85 Маха, что было бы лучше, чем даже у современных двигателей; это был самый эффективный реактивный двигатель в мире.[2][3] Однако Concorde в конечном итоге имеет более тяжелый планер, и из-за того, что он сверхзвуковой, он менее аэродинамически эффективен, т. Е. Подъемная сила и лобовое сопротивление намного ниже. В общем, общий расход топлива всего самолета имеет гораздо большее значение для заказчика.

Моя личная интерпретация этого как полного неспециалиста заключается в том, что первоначальная воздушная скорость была выше, чем воздушная скорость Конкорда, потому что вопросы сверхзвукового полета были недооценены. Из-за этих проблем настоящий Конкорд был построен только для скорости 2 Маха или около того. На конструкцию двигателя по-прежнему влияла эта первоначальная целевая скорость полета (какой бы она ни была) и в результате скорость выхлопа была выше, чем это было необходимо. Это привело к увеличению расхода топлива и шума. Уменьшенная дальность полета и повышенный шум, в свою очередь, ограничивали маршруты, по которым Конкорд мог летать, и области, где можно было использовать сверхзвуковой полет. Это сделало Concorde коммерчески «ограниченным» успехом и сделало модернизацию двигателей до двигателей, оптимизированных для реальной скорости, коммерчески нецелесообразным.

Обратите внимание, что вышеизложенное является моим предположением о предыстории. Важно то, что скорость выхлопа двигателей выше, чем это необходимо для Concorde. Это означает, что, несмотря на хорошую тепловую и энергетическую эффективность, тяговая эффективность ниже необходимой.

Так что да, двигатели были неэкономичны и страдали чрезмерным шумом и расходом топлива, но это было связано с тем, что планер и двигатель были оптимальны для разных скоростей. Двигатели были достаточно эффективными, лучшими тепловыми КПД, достигнутыми в то время, просто они были оптимизированы для неправильной скорости, которая на практике не была достигнута.

В каком смысле двигатели Concorde считаются эффективными?

TSFC/Скорость

В статье Википедии "Удельный расход топлива по тяге" , на которую ссылается вопрос, говорится

хотя номинальный SFC является полезной мерой эффективности использования топлива, его следует разделить на скорость, чтобы получить возможность сравнивать двигатели, которые летают с разными скоростями.

Например, Concorde двигался со скоростью 2,05 Маха, а его двигатели давали SFC 1,195 фунта / (фунт-сила · ч) (см. Ниже); это эквивалентно SFC 0,51 фунта/(фунт-сила·ч) для самолета, летящего со скоростью 0,85 Маха, что было бы лучше, чем даже у современных двигателей; это был самый эффективный реактивный двигатель в мире.[2][3]

Я думаю, что они, возможно, говорят о том, что количество термодинамической работы , производимой на единицу количества топлива, было высоким. Конкорд двигался со скоростью 2 Маха и имел запас хода 7000 км. Наверное, не так много самолетов, которым это нужно. Его двигатели производили гораздо больше работы, чем типичный ТРДД с большим байпасом, прикрепленный к широкофюзеляжному реактивному самолету со скоростью 0,85 Маха.

Тепловая эффективность

Считается, что они обладают высокой «тепловой эффективностью» на скорости 2 Маха .

Они считаются неэффективными на более низких скоростях.

Rolls-Royce Olympus 593 Mk 610, установленный на Concorde, ПО-ПРЕЖНЕМУ остается самым эффективным реактивным двигателем в мире со скоростью 2 Маха с точки зрения теплового КПД. Это, конечно, связано с конструкцией самого двигателя, но в основном с впуском и, в меньшей степени, с конструкцией отдельных форсунок. ... (Сколько бы OLY 593 ни был эффективен на скорости 2 Маха и около того, на более медленных скоростях он использует топливо так, как будто оно выходит из моды, отсюда и необходимость летать с Concorde как минимум на низкой скорости).

От кучки энтузиастов Concorde .

Удельный импульс

Другой способ измерения КПД двигателя – удельный импульс.

^{График Кашхана}

Эффективность — это энергетическая вещь.

Энергия равна силе, умноженной на расстояние.

Дифференцируйте, вы получаете силу, умноженную на скорость. Оказывается, даже не нужно знать крейсерскую тягу, можно рассчитать КПД на TSFC (вот почему он и используется).

Хотя двигатель Concorde создавал меньше силы на единицу потока, автомобиль каждую секунду двигался в 2,5 раза дальше. Если вы разделите полезную мощность (тяга, умноженная на скорость) на мощность топлива (расход топлива, умноженный на энергию на единицу массы топлива), вы сможете рассчитать энергоэффективность двигателей Concorde.

Итак, давайте сделаем это. Вот основные числа, которые я нашел в Интернете, и я конвертирую их в базовые единицы СИ:

Крейсерская скорость = 2124 км/ч = 590 м/с TSFC при крейсерском режиме = 33,8 г/(кН·с) = 33,8e-6 кг/Нс Удельная энергия авиационного топлива = 43,15 МДж/кг

Энергия на Н·м/с = мощность на ньютон = сила, умноженная на скорость на ньютон = 590 м/с/ньютон = 590 джоулей в секунду на ньютон Энергия топлива, потребляемая двигателем на Н·с = 43,15e6 МДж/кг x 33e-6 кг/ Ns = 1458 джоулей в секунду на ньютон

Итак, разделив одно на другое, ньютоны сократятся, и мы получим 40% эффективности.

Принимая во внимание, что в самолете, который сделан максимально легким, для любого самолета это удивительно хорошо; лучше, чем большинство электростанций, которые привинчены к земле, но некоторые дизельные двигатели могут достигать более 50% на очень, очень больших кораблях, и вы можете превысить этот показатель в автомобилях с чугунными двигателями, которые были бы слишком тяжелыми, чтобы их можно было использовать. прилетел.

Возьмем дальнемагистральный 747-400 с двигателем CF6:

Крейсерская скорость 907 км/ч = 251 м/с TSFC 17,1 г/(кН·с) = 17e-6 кг/Нс Таким образом, он вырабатывает 251 Дж/сН и сжигает 17e-6 x 43,15e6 Дж/кг = 733 Дж/с

Я делаю это с КПД двигателя 34%.

Это лучше, чем турбовентиляторный двигатель с высокой степенью двухконтурности, который используется для дальних дозвуковых круизов. Так что дело не только в том, что эти двигатели были хороши для своего времени; они все еще мирового класса.

Я думаю, вы видите здесь разницу в том, где сообщается о SFC. Двигатели на Concorde оптимизированы для сверхзвукового крейсерского полета, и там сообщается SFC. Истребитель оптимизирован не только для сверхзвукового крейсерского полета, поэтому вы не можете предположить, что значение SFC предназначено для крейсерского полета. YJ93 никогда не видел большого применения, и единственное значение, которое я могу найти для SFC, - это то, что включено в вопрос, но, вероятно, это не круиз .

Сравните 33,8 г/(кН·с) двигателей Concorde с другими аналогичными двигателями, используя только значения для крейсерского сверхзвукового режима. У J-58 (SR-71) на скорости 3,2 Маха было 53,8 г/(кНс) (мокрое), а у РД-36 (Ту-144) на марше 35 г/(кНс).

Я не думаю, что только двигатели позволяли совершать суперкрейсерский полет (сверхзвуковой крейсерский режим без повторного прогрева). На «Конкорде» двигатели включали прогрев для ускорения в горизонтальном полете от дозвукового до сверхзвукового. Одной из основных причин, по которой Concorde имел гораздо большую дальность полета, чем TU144 (который должен был оставаться в режиме повторного нагрева, чтобы оставаться сверхзвуковым), является конструкция крыла. Крыло Конкорда эволюционировало в более сложную форму во время его разработки (я думаю, между первым прототипом и серийным Конкордом) именно по этой причине. Если вы посмотрите на Concorde спереди, то концы крыльев как бы загнуты вниз. См. http://www.concordesst.com/wing.html для получения дополнительной информации. Даже великий Келли Джонсон не делал этого для SR-71, который остается в режиме повторного нагрева все время, пока находится на сверхзвуке.