Удельный расход топлива двигателей и тяга.

Введение

Топливная эффективность конструкции двигателя относительно тяги. Удельный расход топлива (TSFC) – это показатель топливной эффективности конструкции двигателя в отношении создаваемой тяги. TSFC можно рассматривать как расход топлива (граммы/секунду) на единицу тяги (ньютоны или N), отсюда и термин "удельный". Этот показатель обратно пропорционален удельному импульсу, который характеризует величину тяги, создаваемой при расходе единицы топлива. TSFC или SFC для двигателей, работающих на принципе реактивной тяги (например, турбореактивных, турбовентиляторных, прямоточных воздушно-реактивных двигателей, ракет и т.д.), представляет собой массу топлива, необходимую для обеспечения чистой тяги в течение определенного периода времени, например, фунты/(час·фунт силы) (lb/(h·lbf)) или граммы/(секунда·килоньютон) (g/(s·kN)). Для измерения расхода топлива используется масса, а не объем (галлоны или литры), поскольку масса не зависит от температуры. Удельный расход топлива воздушно-реактивных двигателей при их максимальной эффективности в большей или меньшей степени пропорционален скорости истечения газов. Расход топлива на милю или километр является более подходящим показателем для сравнения самолетов, летающих с существенно различающимися скоростями. Существует также удельный расход топлива на мощность, который равен удельному расходу топлива, деленному на скорость. Его единицы измерения могут быть фунты в час на лошадиную силу.

Значение SFC

SFC зависит от конструкции двигателя, но различия в SFC между различными двигателями, использующими одну и ту же базовую технологию, как правило, невелики. Повышение общей степени сжатия в газотурбинных двигателях обычно приводит к снижению SFC. В практических применениях другие факторы, как правило, оказывают большее влияние на определение топливной эффективности конкретной конструкции двигателя в конкретном применении. Например, в авиации турбинные (реактивные и турбовинтовые) двигатели обычно значительно меньше и легче, чем поршневые двигатели той же мощности, что снижает сопротивление воздуха и уменьшает требуемую мощность для движения самолета. Поэтому турбины более эффективны для авиационного применения, чем может показаться при простом взгляде на приведенную ниже таблицу. SFC изменяется в зависимости от положения дроссельной заслонки, высоты и климатических условий. Для реактивных двигателей важным фактором также является скорость полета. Скорость полета компенсирует скорость истечения реактивной струи. (В искусственном и крайнем случае, когда самолет летит точно со скоростью истечения, легко понять, почему суммарная тяга реактивного двигателя должна быть близка к нулю.) Более того, поскольку работа равна силе (то есть тяге), умноженной на расстояние, механическая мощность равна силе, умноженной на скорость. Таким образом, хотя номинальный SFC является полезным показателем топливной эффективности, при сравнении двигателей, работающих на разных скоростях, его следует разделить на скорость. Например, Concorde совершал крейсерский полет со скоростью 1354 мили в час, или 7,15 миллиона футов в час, при этом его двигатели обеспечивали SFC 1,195 фунта/(фунт силы·час) (см. ниже); это означает, что двигатели передавали 5,98 миллиона фунт-футов на фунт топлива (17,9 МДж/кг), что эквивалентно SFC 0,50 фунта/(фунт силы·час) для дозвукового самолета, летящего со скоростью 570 миль в час, что было бы лучше, чем у современных двигателей; Olympus 593, использовавшийся в Concorde, был самым эффективным реактивным двигателем в мире. Однако Concorde в конечном итоге имел более тяжелый фюзеляж и, из-за своей сверхзвуковой скорости, был менее аэродинамически эффективен, то есть отношение подъемной силы к сопротивлению было значительно ниже. В целом, для заказчика гораздо важнее общее потребление топлива самолетом в целом.

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.

Единицы

Специфический импульс (по весу) Специфический импульс (по массе) Эффективная скорость истечения газов Удельное расходование топлива 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}Имперские единицы=X секунд=X фунт-секунд/фунт=32.16 X фут/с=3,600 (1/X) фунт/(фунт-час)

Типичные значения SFC для двигателей тяги

Гражданские двигатели Модель Тяга BPR (Степень двухконтурности) OPR (Общая степень сжатия) SL SFC Круизный SFC Вес Расположение стоимость ($M) Ввод в эксплуатацию 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

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%

В следующей таблице приведена эффективность нескольких двигателей при работе на 80% тяги, что примерно соответствует крейсерскому режиму, обеспечивающему минимальное значение SFC. Эффективность - это количество мощности, приводящей в движение самолет, деленное на скорость потребления энергии. Поскольку мощность равна тяге, умноженной на скорость, эффективность определяется где V - скорость, а h - содержание энергии на единицу массы топлива (здесь используется высшая теплотворная способность, а при более высоких скоростях кинетическая энергия топлива или пропеллента становится существенной и должна быть учтена). + типичный субзвуковой крейсерский режим, 80% дроссель, минимум SFC Эффективность турбовентиляторного двигателя 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%