Қозғалтқыш қуаты мен жанармай шығынының арақатынасы

Кіріспе

Қозғалтқыш конструкциясының итермелеу қуатына қатысты отын тиімділігі. Итермелеуге қатысты отынның жұмсалуы (TSFC) – бұл қозғалтқыш конструкциясының итермелеу қуатына қатысты отын тиімділігі. TSFC сондай-ақ, итермелеу бірлігіне (Н) шаққандағы отын жұмсалуы (грамм/секунд) ретінде қарастырылуы мүмкін, сондықтан "итермелеуге қатысты". Бұл көрсеткіш нақты импульске кері пропорционал, яғни жұмсалған отын бірлігіне тудырылған итермелеу мөлшері. TSFC немесе қозғалтқыштар үшін SFC (мысалы, турбожетектер, турбовентиляторлар, рамалық қозғалтқыштар, зымырандар және т.б.) – белгілі бір уақыт ішінде таза итермелеуді қамтамасыз ету үшін қажетті отын массасы, мысалы, фунт/сағат·фунт-күш (lb/(h·lbf)) немесе грамм/секунд·килоньютон (g/(s·kN)). Отынды өлшеу үшін көлемді емес (галон немесе литр) отын массасы қолданылады, себебі ол температураға тәуелсіз. Ауамен тыныс алатын реактивтік қозғалтқыштардың ең жоғары тиімділіктегі нақты отын жұмсалуы шығарылатын газдардың жылдамдығына шамамен пропорционал. Бір мильге немесе километрге жұмсалатын отын мөлшері, әртүрлі жылдамдықпен ұшатын ұшақтарды салыстыру үшін қолайлырақ. Сонымен қатар, жылдамдыққа бөлінген итермелеуге қатысты отын жұмсалуымен тең болатын қуатқа қатысты отын жұмсалуы бар. Оның өлшем бірліктері фунт/сағат·ат күші болуы мүмкін.

SFC-нің маңызы

SFC қозғалтқыштың конструкциясына байланысты, бірақ бірдей негізгі технологияны қолданатын әртүрлі қозғалтқыштар арасындағы SFC айырмашылықтары көбінесе өте шағын болады. Реактивті қозғалтқыштардың жалпы қысым коэффициентін арттыру SFC-ді төмендетуге бейім. Нақты қолданыста, қозғалтқыштың нақты конструкциясының отын тиімділігін анықтауда басқа факторлар көбінесе маңызды рөл атқарады. Мысалы, ұшақтарда турбиналық (реактивтік және турбовинттік) қозғалтқыштар, бірдей қуатты поршеньді қозғалтқыштарға қарағанда әдетте әлдеқайда кішкентай және жеңіл болады. Бұл екі қасиет те ұшақтағы қарсылық күшін азайтады және ұшақты қозғалысқа келтіруге қажетті қуатты төмендетуге мүмкіндік береді. Сондықтан, турбиналар ұшақтарды жылжыту үшін, қарапайым салыстыруға қарағанда тиімдірек. SFC газды реттеуге, биіктікке және климатқа байланысты өзгереді. Реактивті қозғалтқыштар үшін, әуе жылдамдығы да маңызды фактор болып табылады. Әуе жылдамдығы, реактивті қозғалтқыштың шығарылатын газының жылдамдығына қарсы әрекет етеді. (Егер ұшақ шығарылатын газының жылдамдығымен дәлме-дәл ұшса, реактивті қозғалтқыштың жалғыз итермелеу күші нөлге жуық болатынын оңай көзге елестете аласыз.) Сонымен қатар, жұмыс – күш (яғни, итермелеу күші) көбейтілген қашықтық, ал механикалық қуат – күш көбейтілген жылдамдық. Осылайша, номиналды SFC отын тиімділігін бағалау үшін пайдалы өлшем болғанымен, әртүрлі жылдамдықтардағы қозғалтқыштарды салыстырғанда оны жылдамдыққа бөлу қажет. Мысалы, Concorde сағатына 1354 миль (немесе сағатына 7.15 миллион фут) жылдамдықпен круиздік режимде ұшқанда, оның қозғалтқыштары 1.195 фунт/(фунт-күш·сағ) SFC көрсеткен (төменде қараңыз); бұл қозғалтқыштардың отынның әр фунтына 5.98 миллион фут-фунт энергияны (17.9 МДж/кг) бергенін білдіреді, бұл сағатына 570 миль жылдамдықпен ұшатын субсоникалық ұшақ үшін 0.50 фунт/(фунт-күш·сағ) SFC-ге тең, бұл тіпті қазіргі заманғы қозғалтқыштардан да жақсы нәтиже. Concorde ұшағында қолданылған Olympus 593 әлемдегі ең тиімді реактивті қозғалтқыш болып саналды. Алайда, Concorde ұшағының ауыр конструкциясы бар және, сонымен қатар, оның жоғары дыбыстық жылдамдығы аэродинамикалық тиімділігін төмендетеді, яғни, көтерілуге қарсы қарсылық күшінің арақатынасы айтарлықтай төмен. Жалпы алғанда, толық ұшақтың отын шығыны клиент үшін әлдеқайда маңыздырақ.

SFC is dependent on engine design, but differences in the SFC between different engines using the same underlying technology tend to be quite small. Increasing overall pressure ratio on jet engines tends to decrease SFC. In practical applications, other factors are usually highly significant in determining the fuel efficiency of a particular engine design in that particular application. For instance, in aircraft, turbine (jet and turboprop) engines are typically much smaller and lighter than equivalently powerful piston engine designs, both properties reducing the levels of drag on the plane and reducing the amount of power needed to move the aircraft. Therefore, turbines are more efficient for aircraft propulsion than might be indicated by a simplistic look at the table below. SFC varies with throttle setting, altitude, climate. For jet engines, air flight speed is an important factor too. Air flight speed counteracts the jet's exhaust speed. (In an artificial and extreme case with the aircraft flying exactly at the exhaust speed, one can easily imagine why the jet's net thrust should be near zero.) Moreover, since work is force (i. e., thrust) times distance, mechanical power is force times speed. Thus, although the nominal SFC is a useful measure of fuel efficiency, it should be divided by speed when comparing engines at different speeds. For example, Concorde cruised at 1354 mph, or 7.15 million feet per hour, with its engines giving an SFC of 1.195 lb/(lbf·h) (see below); this means the engines transferred 5.98 million foot pounds per pound of fuel (17.9 MJ/kg), equivalent to an SFC of 0.50 lb/(lbf·h) for a subsonic aircraft flying at 570 mph, which would be better than even modern engines; the Olympus 593 used in the Concorde was the world's most efficient jet engine. However, Concorde ultimately has a heavier airframe and, due to being supersonic, is less aerodynamically efficient, i. e., the lift to drag ratio is far lower. In general, the total fuel burn of a complete aircraft is of far more importance to the customer.

Бірліктер

Арнайы импульс (салмақ бойынша) Арнайы импульс (масса бойынша) Тиімді эскезіш газдар жылдамдығы Арнайы отынның қажеттілігі SI=X секунд=9.8066 X Н·с/кг=9.8066 X м/с=101,972 (1/X) г/(кН·с) / {г/(кН·с) =с/м}Империялық бірліктер=X секунд=X фунт-секунд/фунт=32.16 X фут/секунд=3,600 (1/X) фунт/(фунт-сағат)

КГК-ның типтік мәні

Тұрғылықты қозғалтқыштар Модельі SL итерісі BPR (Айналмалы қатынас) OPR (Жалпы қысым қатынасы) SL тұтынуы cruise тұтынуы Салмағы Жобалау құны ($M) Ұсынылған GE GE90 8.4 39.3 1+3ТҚ 10ЖҚ2ЖҚ 6ТҚ 11 1995 RR Trent 4.89 5.74 36.84 42.7 1ТҚ 8ОҚ6ЖҚ1ЖҚ 1ОҚ 4/5ТҚ 11 11.7 1995 PW4000 4.85 6.41 27.5 34.2 1+4 6ТҚ 11ЖҚ2ЖҚ 4 7ТҚ 6.15 9.44 1986 1994 RB211 4.30 25.8 33 1ТҚ 6/7ОҚ 6ЖҚ1ЖҚ 1ОҚ 3ТҚ 5.3 6.8 1984 1989 GE CF6 4.66 5.31 27.1 32.4 1+3/4ТҚ 14ЖҚ2ЖҚ 4/5ТҚ 5.9 7 1981 1987 D 18 5.60 25.0 1ТҚ 7ОҚ 7ЖҚ1ЖҚ 1ОҚ 4ТҚ 1982 PW2000 6 31.8 1+4ТҚ 11ЖҚ2ЖҚ 5ТҚ 4 1983 PS 90 4.60 35.5 1+2ТҚ 13ЖҚ2 ЖҚ 4ТҚ 1992 IAE V2500 4.60 5.40 24.9 33.40 1+4ТҚ 10ЖҚ2ЖҚ 5ТҚ 1989 1994 CFM56 4.80 6.40 25.70 31.50 1+3/4ТҚ 9ЖҚ1ЖҚ 4/5ТҚ 3.20 4.55 1986 1997 D 30 2.42 1+3ТҚ 11ЖҚ2ЖҚ 4ТҚ 1982 JT8D 1.77 19.2 1+6ТҚ 7ЖҚ1ЖҚ 3ТҚ 2.99 1986 BR700 4.00 4.70 25.7 32.1 1+1/2ТҚ 10ЖҚ2ЖҚ 2/3ТҚ 1996 D 436 4.95 25.2 1+1ТҚ 6ОҚ 7ЖҚ1ЖҚ 1ОҚ 3ТҚ 1996 RR Tay 3.04 3.07 15.8 16.6 1+3ТҚ 12ЖҚ2ЖҚ 3ТҚ 2.6 1988 1992 RR Spey 0.64 0.71 15.5 18.4 4/5ТҚ 12ЖҚ2ЖҚ 2ТҚ 1968 1969 GE CF34 21 1Қ 14ЖҚ2ЖҚ 4ТҚ 1996 AE3007 24.0 ALF502/LF507 5.60 5.70 12.2 13.8 1+2ТҚ 7+1ЖҚ2ЖҚ 2ТҚ 1.66 1982 1991 CFE738 5.30 23.0 1+5ТҚ+1ҚФ2ЖҚ 3ТҚ 1992 PW300 4.50 23.0 1+4ТҚ+1ЖҚ2ЖҚ 3ТҚ 1990 JT15D 3.30 13.1 1+1ТҚ+1ҚФ1ЖҚ 2ТҚ 1983 WI FJ44 4A 3.28 12.80 1+1ТҚ 1Қ 1ЖҚ1ЖҚ 2ТҚ 1992WI FJ33 5A2016

Civil engines Model SL thrust BPR (Bypass ratio) OPR (Overall Pressure ratio) SL SFC cruise SFC Weight Layout cost ($M) Introduction GE GE90 8.4 39.3 1+3LP 10HP2HP 6LP 11 1995 RR Trent 4.89 5.74 36.84 42.7 1LP 8IP 6HP1HP 1IP 4/5LP 11 11.7 1995 PW4000 4.85 6.41 27.5 34.2 1+4 6LP 11HP2HP 4 7LP 6.15 9.44 1986 1994 RB211 4.30 25.8 33 1LP 6/7IP 6HP1HP 1IP 3LP 5.3 6.8 1984 1989 GE CF6 4.66 5.31 27.1 32.4 1+3/4LP 14HP2HP 4/5LP 5.9 7 1981 1987 D 18 5.60 25.0 1LP 7IP 7HP1HP 1IP 4LP 1982 PW2000 6 31.8 1+4LP 11HP2HP 5LP 4 1983 PS 90 4.60 35.5 1+2LP 13HP2 HP 4LP 1992 IAE V2500 4.60 5.40 24.9 33.40 1+4LP 10HP2HP 5LP 1989 1994 CFM56 4.80 6.40 25.70 31.50 1+3/4LP 9HP1HP 4/5LP 3.20 4.55 1986 1997 D 30 2.42 1+3LP 11HP2HP 4LP 1982 JT8D 1.77 19.2 1+6LP 7HP1HP 3LP 2.99 1986 BR700 4.00 4.70 25.7 32.1 1+1/2LP 10HP2HP 2/3LP 1996 D 436 4.95 25.2 1+1L 6I 7HP1HP 1IP 3LP 1996 RR Tay 3.04 3.07 15.8 16.6 1+3LP 12HP2HP 3LP 2.6 1988 1992 RR Spey 0.64 0.71 15.5 18.4 4/5LP 12HP2HP 2LP 1968 1969 GE CF34 21 1F 14HP2HP 4LP 1996 AE3007 24.0 ALF502/LF507 5.60 5.70 12.2 13.8 1+2L 7+1HP2HP 2LP 1.66 1982 1991 CFE738 5.30 23.0 1+5LP+1CF2HP 3LP 1992 PW300 4.50 23.0 1+4LP+1HP2HP 3LP 1990 JT15D 3.30 13.1 1+1LP+1CF1HP 2LP 1983 WI FJ44 4A 3.28 12.80 1+1L 1C 1H1HP 2LP 1992WI FJ33 5A2016

The following table gives the efficiency for several engines when running at 80% throttle, which is approximately what is used in cruising, giving a minimum SFC. The efficiency is the amount of power propelling the plane divided by the rate of energy consumption. Since the power equals thrust times speed, the efficiency is given by

where V is speed and h is the energy content per unit mass of fuel (the higher heating value is used here, and at higher speeds the kinetic energy of the fuel or propellant becomes substantial and must be included). + typical subsonic cruise, 80% throttle, min SFC Turbofan efficiency GE90 36.1% PW4000 34.8% PW2037 35.1% (M.87 40K) PW2037 33.5% (M.80 35K) CFM56 2 30.5% TFE731 2 23.4%

Келесі кесте 80% қуатпен жұмыс істегендегі бірнеше қозғалтқыштардың тиімділігін көрсетеді, бұл круизде қолданылатын шамамен, ең аз тұтынуды қамтамасыз етеді. Тиімділік - ұшақты қозғалтқан қуаттың мөлшері энергияны тұтыну мөлшеріне бөлінген. Қуат үдеуді жылдамдыққа көбейткенге тең болғандықтан, тиімділік V жылдамдық және h отын массасының бірлігіне энергия мөлшері (осы жерде жоғары жылулық мәні қолданылады, ал жоғары жылдамдықтарда отынның немесе қозғалтқыштың кинетикалық энергиясы айтарлықтай болады және оны қосу керек) арқылы беріледі. + типтік субсоникалық круиз, 80% газ, ең аз тұтыну. Түрбовентилятор тиімділігі GE90 36.1% PW4000 34.8% PW2037 35.1% (M.87 40K) PW2037 33.5% (M.80 35K) CFM56 2 30.5% TFE731 2 23.4%