Как эффективность газовой турбины сравнивается с поршневыми двигателями с наддувом?

Наиболее эффективными двигателями внутреннего сгорания являются большие дизели. В крайнем случае находятся судовые двигатели с тепловым КПД выше 50%, в результате чего удельный расход топлива составляет всего 0,260 фунта/л.с./час или 158 г/кВт-ч. Но даже дизельные двигатели грузовиков с наддувом достигают термического КПД выше 40% при высокой нагрузке ( это исследование NHTSA дает 42%).

Аэродизели достигли 220 г/кВт-ч уже с Jumo 204 и 205 начала 1930-х годов. Даже современные дизели Thielert (теперь продаваемые Continental) едва ли лучше, заявляя о 214 г/кВт-ч . Также Napier Nomad , супер- и турбированный авиадизель с максимальной эффективностью, поскольку его проектная цель только что достигла 219 г/кВт-ч.

Бензиновые двигатели начинаются примерно с 240 г/кВт-ч; это значение достигается Lycoming IO-390 с впрыском топлива. Без впрыска топлива удельный расход возрастает до 260-280 г/кВт-ч, что характерно для Lycoming O-360 при 65% мощности. Обратите внимание, что Jumo 213 , один из наиболее эффективных поршневых двигателей времен Второй мировой войны, уже достиг 260 г/кВт-ч даже на топливе с октановым числом 87 и степени сжатия всего 6,93:1 в наиболее благоприятной рабочей точке. Advanced Innovative Engineering, перенявшие двигатель Norton-Wankel, заявляют, что их двигатель 650CS мощностью 120 л.с. потребляет 310-350 г/кВт-ч.

Для сравнения с турбовинтовыми двигателями требуется некоторое преобразование тяги в мощность. Это справедливо только для определенной скорости полета. Если вы сделаете это на крейсерской скорости, большие турбовинтовые двигатели Progress D27 и Europrop TP400 заявят о потреблении около 240 г/кВт-ч. Меньшие турбовинтовые двигатели редко достигают мощности ниже 300 г/кВт-ч .

Чтобы избавить вас от необходимости искать и преобразовывать данные в последней ссылке, вот выбранный список:

• Эллисон 250$\;\;\;\;\;\;\;$: 370 г/кВт-ч. Это типичный двигатель небольшого вертолета.
• Гаррет TPE331$\;\;$: 310 г/кВт-ч. Это используется на небольших турбовинтовых самолетах, таких как Do-228 или Merlin III.
• ПВК 126А$\;\;\;\;\;\;\;$: 280 г/кВт-ч. Становится больше - BAe ATP.
• Rolls-Royce Tyne: 237 г/кВт-ч. Это долгое время был самым большим турбовинтовым двигателем на Западе и использовался на таких самолетах, как Canadair 400/CL-44.

Обратите внимание, что эти турбовинтовые двигатели питаются керосином, а поршневые двигатели нуждаются в бензине. Но, если сравнивать на основе массы, это справедливо, потому что плотность энергии обоих почти одинакова. Очень большие турбовинтовые двигатели столь же эффективны, как и бензиновые поршневые двигатели, но у дизелей все же есть небольшое преимущество.

Теперь о турбовентиляторах. Здесь у нас есть тяга, которую нужно сначала преобразовать в мощность, умножив ее на скорость полета. Было бы бессмысленно сравнивать статический случай — здесь ТРДД по определению не производят энергию. Для придирчивых: Да, мне нужно посмотреть на скорость газа впереди и позади двигателя, но все же это плохое сравнение: большинство статических значений получены на испытательных стендах со снятыми аксессуарами и без потерь для опор двигателя и обтекателей. Вместо этого я буду использовать цифры в крейсерском режиме, приведенные в этом ответе , используя расход топлива$b_f$= 18 г/кНс и скорость 0,78 Маха, что соответствует скорости полета 262 м/с на высоте 11 000 м. Умножьте на 3600 значение в час и разделите на 262 (N в знаменателе!), и вы получите 247 г/кВт-ч. Итак, опять же, очень похоже на хорошие бензиновые поршневые двигатели, но не так хорошо, как дизели.

Но опять же, к этому сравнению следует относиться с недоверием. Теперь нам нужно поближе взглянуть на скорость. Удельное потребление тяги увеличивается со скоростью и примерно удваивается между статической скоростью и крейсерской скоростью для современного ТРДД. GE-90 развивает 8 г/кН-с в статике и 15 г/кН-с при скорости 0,8 Маха, что составляет всего 209 г/кВт-ч и находится на одном уровне с лучшими дизелями. Для сравнения: Установленные показатели для современных военных двигателей на сверхзвуковых самолетах составляют 20 г/кН-с. Что касается прожорливых турбореактивных двигателей: старый Jumo 004 достигал 39 г/кН-с — всего в два раза больше при степени сжатия всего 3,3:1. Настоящими пожирателями топлива был Argus 014 V-1 с тягой 107 г/кН-с в крейсерском режиме.

В то время как газотурбинные двигатели повышают эффективность с высотой из-за более холодного всасываемого воздуха, диаграмма ниже, сравнивающая Jumo 213 A с версией J ( источник ), показывает увеличение удельного расхода топлива по мощности с высотой. Обратите внимание, что скорость полета также будет расти с высотой и не указана, поэтому я подозреваю, что это больше связано с более высокой скоростью, чем с большей высотой. Опять же, это реальные данные летных испытаний с двигателем, установленным на FW-190D ( источник ). Переход от уровня моря к 10 км, что примерно вдвое увеличивает истинную скорость воздуха, увеличивает удельный расход на 20%.

Сравнительная таблица Jumo 213 A и J. Высота полета указана в [км] по оси абсцисс, а удельный расход топлива — по правой оси ординат. Умножьте на 1,34 для г/кВт-ч. Нижний набор линий предназначен для работы с частичной нагрузкой в ​​диапазоне от 2100 до 2700 об/мин (версия A). 3000 об/мин (версия J), в то время как верхний набор линий потребления предназначен для работы с максимальной мощностью при 3000 об/мин (версия A). от 3400 до 3700 об/мин (версия J), частично с впрыском водометанола.

Чем отличается КПД турбины от двигателей внутреннего сгорания, если вся мощность турбины преобразуется в механическую энергию?

Что касается преобразования химической энергии в механическую: очень благоприятно. Ранние турбореактивные двигатели имели низкую эффективность тяги, они не могли эффективно преобразовывать мощность своего газогенератора в тягу. При сравнении энергоэффективности мы начинаем с химической энергии топлива и не будем работать в обратном направлении от доступной тяги.

Если вся мощность газогенератора преобразуется в механическую энергию, мы говорим о турбовальных двигателях. Лучший способ сравнить топливную экономичность только двигателя и не вдаваться в дискуссию о преобразовании тяги — это перечислить мощность тормоза двигателя, которая напрямую измеряет крутящий момент на валу ¹ , приложенный к гребному винту, вентилятору, колесной паре грузовика и т. корабельный гребной винт и т. д.

• Как видно, большой газотурбинный двигатель, такой как GE LM6000 (преобразованный авиационный турбовентиляторный двигатель), является одним из самых экономичных двигателей с удельным расходом топлива при торможении 0,329 фунта/(л.с. * ч) = 200 г/кВтч = КПД 42%.
• Дизели могут иметь КПД более 50%, в основном большие двухтактные дизели с низким числом оборотов в минуту, генерирующие огромный крутящий момент. Wärtsilä-Sulzer RTA96-C работает со скоростью 22-120 об/мин, что было бы проблематично для двигателей автомобилей и самолетов.
• Самый высокий КПД - это комбинированный цикл с 62,2%, газовая турбина в сочетании с паровой турбиной для использования энергии выхлопных газов.

Низкий удельный расход топлива характерен для больших газотурбинных двигателей, они плохо масштабируются из-за эффектов пограничного слоя: двигатель меньшего размера имеет относительно большую окружность. Кроме того, они эффективно работают только на полной мощности, поршневые двигатели имеют преимущество при более низком проценте оборотов.

Так что чем меньше двигатель, тем более выгодны обстоятельства для поршневого двигателя: они масштабируются гораздо выгоднее, чем газовые турбины. Но при достаточном объеме газовые турбины по своей природе совсем не расточительны с топливом.

Если бы самолет установил один и тот же воздушный винт на поршневой двигатель с наддувом и турбину и летел бы в идентичных условиях с тем же шагом и оборотами, насколько больше топлива использовала бы турбина?

Сейчас мы говорим об авиационных двигателях и должны исключить из сравнения непригодные 2-тактные корабельные дизели с низким числом оборотов в минуту. Кроме того, поскольку пропеллеры и условия полета идентичны, мы можем исключить весь механизм преобразования тяги из уравнения. Как упоминалось ранее, размер имеет значение, когда речь идет об эффективности газовой турбины. Возьмем 2 размера:

1. Самый большой турбовинтовой.
   Самым большим турбовинтовым двигателем был НК-12 Кузнецова, разработанный сразу после Второй мировой войны. Более современным большим турбовинтовым двигателем является Europrop TP400 , только немного меньшего размера, используемый для A400, ² с максимальной выходной мощностью 11 000 л.с. = 8 203 кВт.

   

• Удельный расход топлива на маршевом валу: 0,167 кг/кВтч (0,275 фунта/л.с./ч) = КПД 51,5%.

• Удельный расход топлива при крейсерской тяге: 0,213 кг/кВтч (0,350 фунта/л.с./ч)

  Но видно, что большие газотурбинные двигатели очень экономичны и не уступают по экономичности поршневым двигателям.

  Мне не удалось найти данные о расходе топлива на сопоставимом поршневом двигателе мощностью 11 000 л.с. Единственная ссылка на двигатель для дрэг-рейсинга , который не очень заботится об экономии топлива.

2. Самый большой поршневой винт

   Самым большим из когда-либо произведенных поршневых двигателей был Lycoming XR-7755 мощностью 5000 л.с. при экономии топлива 0,38–0,41 фунта/л.с.-час, 231–249 г/кВтч или КПД 35,5–32,5%. И это при технике 1947 года.

   Также из 1940-х: турбовинтовой Allison T40 мощностью 5100 л.с. и удельным расходом топлива 0,63 фунта/(ше*ч) = 383 г/кВтч = КПД 22%. Низкая степень сжатия, без FADEC.

   Q400 имеет два турбовинтовых двигателя PW150A мощностью по 5000 л.с. каждый. Не удалось найти SFC этого современного ГТД. Rolls Royce Tyne 1950-х годов, в нем нет новейших технологий.

Трудно найти эквивалентные поршневые и газотурбинные двигатели для справедливого сравнения:

• Время разработки. Поршни Avgas были сильно усовершенствованы после Второй мировой войны, после чего разработка больших двигателей прекратилась, и теперь они используются только в небольших самолетах. Турбовинтовые двигатели теперь имеют 3 оси, очень высокую степень сжатия и температуру на входе, FADEC.
• Номинальная мощность двигателя. Турбины плохо масштабируются, и сравнительный рейтинг HP будет иметь большое влияние на результат.

¹ : Полная мощность, развиваемая двигателем, равна крутящему моменту Q на валу, умноженному на угловую скорость.$\Omega$. Это чистая мощность двигателя, мощность на валу (!) по характеристикам поршневого двигателя. Чтобы измерить полную мощность на валу, подключите вихретоковый демпфер к выходному валу и измерьте ток, необходимый для работы при постоянной$\Omega$

² : Матти Блюм — собственная работа, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=68573331

На самом деле очень плохо. Что спасает турбовинтовые и турбовальные двигатели, так это соотношение мощности к весу, плавности хода и надежности. Если вам нужен только максимальный MPG и вам не нужно переходить на трансзвук, Recip побеждает безоговорочно.

Поршневой двигатель Удельный расход топлива составляет примерно 0,45 фунта/л.с./ч для карбюраторного двигателя без наддува (эта цифра взята из диаграммы мощности моего собственного двигателя Lycoming - я не могу найти источник в сети), спускаясь оттуда с топливом. впрыск и турбо/суперзарядка. Дизели находятся в низкой .3s.

Наиболее эффективными были радиальные двигатели Wright Turbo Compound, которые имели как наддув, так и прямое извлечение мощности из выхлопа (около 300 л.с. было извлечено из выхлопа R3350 двумя турбинами рекуперации мощности), которые снизились на высоких 0,3 с до . 4 .

Турбовинтовые? Хуже двухтактных бензиновых двигателей. Где-то около 0,6 фунта/л.с./ч или хуже (у ПТ-6 0,67), может быть, в высоких 5 на некоторых из последних.

Это одна из причин, почему вы не видите так много переоборудованных турбин на самолетах, подобных DC-3. Если не считать затрат на переоборудование, с точки зрения расхода топлива просто намного экономичнее работать на газе.

Очень хорошо, что КПД Карно определяет теоретический предел, и он определяется температурой сгорания. 1 - T_h/T_c (в Кельвинах) Турбины имеют очень горячие камеры сгорания (дизели тоже, бензин меньше (из-за детонации)).

Так что турбина, работающая на холодном воздухе, будет иметь большую производительность.

При выработке электроэнергии газовые турбины комбинированного цикла (ПГУ) ГТ, соединенные с паровой турбиной, достигают КПД 60%+. Только турбины (OCGT) имеют более низкую эффективность (34%), но это также потому, что они оптимизированы для более быстрого реагирования на цены на электроэнергию.

Большой бергенский дизель потребляет 175 г/кВтч при 85% максимальной нагрузки. При 600 кВт на цилиндр, поэтому мощность v16 составляет 10 МВт или 13 000 л.с. Он также будет весить 150 тонн по сравнению с газовой турбиной TP400, которая весит 2 тонны и вырабатывает 11 000 л.с. при 210 г/кВтч.

https://www.rolls-royce.com/~/media/Files/R/Rolls-Royce/documents/marine-product-finder/diesel-and-gas-engines-brochure-1216.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Europrop_TP400