Como a eficiência da turbina se compara aos motores de combustão interna se toda a energia da turbina é convertida em energia mecânica?

Os motores IC mais eficientes são grandes motores diesel. No extremo são motores para navios com eficiência térmica superior a 50%, resultando em um consumo específico de combustível de apenas 0.260 lbs / hp / hora ou 158 g / kW-h. Mas mesmo os diesel de caminhões superalimentados alcançam acima de 40% de eficiência térmica em alta carga (este estudo NHTSA dá 42%).

Os Aerodiesels já alcançaram o 220 g / kW-h com o Jumo 204 e o 205 dos primeiros 1930s. Até o moderno Thielert dieseis (agora vendido pela Continental) dificilmente são melhores, reivindicando 214 g / kW-h. Também o Napier Nomad, um aero diesel super e turboalimentado com a máxima eficiência, pois seu objetivo de projeto alcançou o 219 g / kW-h.

Os motores a gasolina começam em torno do 240 g / kW-h; esse valor é alcançado pelo Lycoming IO-390 com injeção de combustível. Sem injeção de combustível, o consumo específico aumenta para 260 - 280 g / kW-h, o que é típico para um Lycoming O-360 com 65% de potência. Observe que o Jumo 213, um dos motores de pistão da era da Segunda Guerra Mundial mais eficientes, já alcançou o 260 g / kW-h, mesmo com combustível de octanagem 87 e uma taxa de compressão de apenas 6.93: 1 no seu ponto de operação mais favorável. Advanced Innovative Engineering, que assumiu o mecanismo Norton-Wankel, reivindicam 310-350 g / kW-h por seus 650CS com 120 PS.

Comparando isso com turboélices, é necessária alguma conversão de impulso em potência. Isso é válido apenas para uma velocidade de vôo específica. Se você fizer isso na velocidade de cruzeiro, os grandes turboélices Progress D27 e Europrop TP400 reivindicam um consumo de cerca de 240 g / kW-h. Turboprops menores raramente atingem abaixo de 300 g / kW-h.

Para poupar o trabalho de procurar e converter os dados no último link, aqui está uma lista selecionada:

• Allison 250 $ \; \; \; \; \; \; \; $: 370 g / kW-h. Este é um típico motor de helicóptero pequeno.
• Garrett TPE331$ \; \; $ : 310 g / kW-h. Isso é usado em turboélices pequenos como o Do-228 ou o Merlin III.
• PWC 126A $ \; \; \; \; \; \; \; $: 280 g / kW-h. Aumentando - BAe ATP.
• Rolls-Royce Tyne: 237 g / kW-h. Este tem sido o maior turboélice do Ocidente e usado em aeronaves como o Canadair 400 / CL-44.

Observe que esses turboélices se alimentam de querosene enquanto os motores de pistão precisam de gasolina. Mas, baseando a comparação em uma base por massa, é válida porque o densidades de energia de ambos são quase idênticos. Turboprops muito grandes são tão eficientes quanto os motores a pistão a gasolina, mas o diesel ainda tem uma pequena vantagem.

Agora para turbofans. Aqui temos o impulso que precisa ser convertido em potência primeiro multiplicando-o pela velocidade do vôo. Seria absurdo comparar o caso estático - aqui, por definição, os turbofans não produzem energia. Para os nitpickers: Sim, preciso observar a velocidade do gás à frente e atrás do motor, mas ainda assim faz uma comparação ruim: a maioria dos valores estáticos são de bancadas de teste com todos os acessórios removidos e sem perdas para montagens e carenagens do motor. Em vez disso, usarei os números em cruzeiro dados em esta resposta, usando uma queima de combustível de $ b_f $ = 18 g / kNs e uma velocidade do Mach 0.78, que equivale a uma velocidade de vôo de 262 m / s na altitude do 11.000 m. Multiplique por 3600 para um valor por hora e divida por 262 (os N estão no denominador!) E você chegará a 247 g / kW-h. Então, novamente, muito parecido com os bons motores a pistão a gasolina, mas não tão bom quanto os diesel.

Mas, novamente, essa comparação deve ser feita com o proverbial grão de sal. Agora precisamos dar uma olhada mais de perto na velocidade. Consumo específico de empuxo sobe com velocidade e praticamente dobra entre a caixa estática e a velocidade de cruzeiro para um turbofan moderno. A GE-90 alcança a 8 g / kN-s estática e a 15 g / kN-s na Mach 0.8 - isso seria apenas 209 g / kW-h e estaria em pé de igualdade com os melhores diesel. Para comparação: Os números instalados para os motores militares modernos em aeronaves supersônicas são 20 g / kN-s. E com relação aos turbojatos famintos por combustível: o velho Jumo 004 alcançou o 39 g / kN-s - apenas o dobro com uma taxa de compressão de apenas 3.3: 1. Bebedores de combustível reais foram os Argus 014 do V-1 com 107 g / kN-s em cruzeiro.

Enquanto motores de turbina ganho de eficiência com altitude devido ao ar de admissão mais frio, o diagrama abaixo, comparando o Jumo 213 A com a versão J (fonte), mostra um aumento no consumo de combustível específico da potência com a altitude. Observe que a velocidade do voo também aumentará com a altitude e não é fornecida, portanto, suspeito que isso se deva mais à velocidade do que à altitude. Novamente, esses são dados do mundo real do teste de voo com o mecanismo instalado em um FW-190D (fonte) Passar do nível do mar para o 10 km, que praticamente dobra a velocidade real do ar, aumenta o consumo específico em 20%.

A tabela de comparação entre Jumo 213 A e J. A altitude de vôo é dada em [km] ao longo do eixo xe consumo específico ao longo do eixo y direito. Multiplique por 1.34 para g / kW-h. O conjunto inferior de linhas é para operação de carregamento parcial entre 2100 e 2700 RPM (versão A) rsp. 3000 RPM (versão J), enquanto o conjunto superior de linhas de consumo é para operação máxima de energia em 3000 RPM (versão A) rsp. 3400 a 3700 RPM (versão J), parcialmente com injeção de água e metanol.

How does turbine efficiency compare with internal combustion engines if all the turbine power is converted to mechanical energy?

Ao analisar a conversão de energia química em energia mecânica: muito favorável. Os primeiros turbojatos tinham baixa eficiência de empuxo, eles não podiam converter a energia do gerador de gás em propulsão de maneira eficiente. Ao comparar as eficiências energéticas, começamos com a energia química do combustível e não trabalharemos para trás a partir da pressão disponível.

Se toda a energia do gerador de gás é convertida em energia mecânica, estamos falando de turbos-eixos. A melhor maneira de comparar a eficiência de combustível do motor apenas e não se envolver em uma discussão sobre conversão de impulso, é uma lista de cavalos-força do freio do motor, que mede diretamente o torque do eixo¹ aplicado a uma hélice, ventilador, conjunto de rodas de caminhão, hélice de navios etc.

• Como pode ser visto, um grande motor de turbina a gás como o GE LM6000 (um motor turbofan de avião convertido) está entre os motores mais econômicos do mercado, com um consumo específico de freio de 0.329 lbs / (hp * h) = 200 g / kWh = 42% de eficiência.
• Os motores diesel podem obter eficiência acima de 50%, principalmente os motores diesel grandes e com baixo RPM 2, gerando uma enorme quantidade de torque. O Wärtsilä-Sulzer RTA96-C funciona a 22-120 RPM, o que seria problemático para propulsão de automóveis e aeronaves.
• A maior eficiência de todas é o ciclo combinado com o 62.2%, uma turbina a gás combinada com uma turbina a vapor para utilizar a energia de exaustão.

O baixo consumo de combustível específico é para os grandes motores de turbina a gás, eles não diminuem muito devido aos efeitos da camada limite: um motor menor tem uma circunferência relativamente maior. Além disso, eles operam apenas eficientemente com potência máxima, os motores de pistão têm a vantagem de uma porcentagem de rpm mais baixa.

Portanto, quanto menor o motor, mais vantajosas são as circunstâncias do motor de pistão: elas diminuem muito mais do que as turbinas a gás. Mas, devido ao volume suficiente, as turbinas a gás não são inerentemente um desperdício de combustível.

If an aircraft mounted the exact same propeller on a supercharged piston engine and a turbine, and flew under identical conditions at the same pitch and rpm, how much more fuel would the turbine use

Estamos usando motores aero agora, e devemos deixar diesel de baixa rotação de baixa rotação inadequado a partir da comparação. Além disso, como as hélices e as condições de vôo são idênticas, podemos deixar todo o mecanismo de conversão de empuxo fora da equação. Como mencionado anteriormente, o tamanho importa quando se fala em eficiência de turbinas a gás. Vamos usar os tamanhos 2:

1. Maior turboélice.
   O maior motor turboélice absoluto foi o Kuznetsov NK-12, desenvolvido logo após a Segunda Guerra Mundial. Um turboélice grande mais moderno é o Europrop TP400, apenas um pouco menor, usado para o A400, ² com uma potência máxima de 11,000 hp = 8,203 kW.

   

   • Consumo de combustível específico da potência do eixo de cruzeiro: 0.167 kg / kWh (0.275 lb / hp / h) = 51.5% de eficiência.
   • Consumo de combustível específico da potência propulsora de cruzeiro: 0.213 kg / kWh (0.350 lb / hp / h)

Mas pode ser visto que grandes motores de turbinas a gás são muito economizam combustível e não são inferiores aos motores de pistão em frugalidade.

Não consegui encontrar dados de consumo de combustível em um motor de pistão comparável que oferece o 11,000 hp. A única referência é a um motor de corrida de arrancada, que não está muito preocupado com a economia de combustível.

2. Maior suporte a pistão

   O maior motor de pistão já produzido foi o Lycoming XR-7755, produzindo 5,000 hp com uma economia de combustível de .38-.41lb / hp-hora, 231-249 g / kWh ou 35.5-32.5% de eficiência. E isso com a tecnologia 1947.

   Também dos 1940s: o Allison T40 turboélice com 5,100 hp e consumo de combustível específico a 0.63 lb / (ela * h) = 383 g / kWh = 22% de eficiência. Baixa taxa de compressão, sem FADEC.

   O Q400 possui dois turboélices PW150A de 5,000 hp cada. Não foi possível encontrar o SFC deste moderno motor de turbina a gás. O Rolls Royce Tyne é do 1950s e não possui a tecnologia mais recente.

É difícil encontrar motores de pistão e turbina a gás equivalentes para uma comparação justa:

• Tempo de desenvolvimento. Os pistões de Avgas foram altamente desenvolvidos após a Segunda Guerra Mundial, depois o desenvolvimento de grandes motores parou, agora usado apenas em aviões menores. Os turboélices agora têm eixos 3, taxa de compressão muito alta e temperaturas de entrada, FADEC.
• Potência nominal do motor. As turbinas não diminuem bem e a comparação da classificação da HP terá uma grande influência no resultado.

¹: A potência bruta fornecida pelo motor é o torque Q no eixo multiplicado pela velocidade angular $ \ Omega $. Essa é a potência pura do motor, a potência do eixo (!) De potência do motor de pistão. Para medir a potência bruta do eixo, conecte um amortecedor de corrente de Foucault ao eixo de saída e meça os amplificadores necessários para operar em constante $ \ Omega $

²: Por Matti Blume - Trabalho próprio, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=68573331

Muito mal, na verdade. O que economiza turboélices e eixos de turbina é poder em peso, suavidade e confiabilidade. Se você deseja apenas o MPG máximo e não precisa ser transônico, o destinatário ganha as mãos.

O consumo de combustível específico do motor a pistão é aproximadamente .45 lbs / hp / h para um motor com carburador normalmente aspirado (esse valor vem do gráfico de potência do meu próprio motor Lycoming - não consigo encontrar uma fonte on-line), descendo de lá com combustível injeção e turbo / super carregamento. Os diesel estão nos baixos .3s.

As receitas mais eficientes foram os radiais do Wright Turbo Compound, que tinham superalimentação e extração direta de potência do escapamento (cerca de 300 hp foi recuperado do escapamento do R3350 pelas duas turbinas de recuperação de energia) que estavam no ponto alto .3s para .4.

Turboprops? Pior que motores a gasolina a dois tempos. Em algum lugar ao redor .6 lb / hp / hr ou pior (o PT-6 é .67), talvez nos mais altos 5s em algumas das mais recentes.

Essa é uma das razões pelas quais você não vê muitas conversões de turbinas em aviões como o DC-3. Além do custo da conversão, é muito mais econômico operar com combustível.

Muito bem como a eficiência de Carnot é o que impulsiona o limite teórico, e isso é impulsionado pela temperatura da combustão. 1 - T_h / T_c (em Kelvin) As turbinas têm câmaras de combustão muito quentes (diesel também, gasolina menos (devido a batidas)).

Portanto, uma turbina operando em ar frio terá um ótimo desempenho.

Na geração de eletricidade, os GTs de ciclo combinado (CCGT) de turbinas a gás natural que são acoplados a uma turbina a vapor atingem a eficiência 60% +. Somente as turbinas (OCGT) têm eficiências mais baixas (34%), mas isso também ocorre porque elas são otimizadas para uma resposta mais rápida aos preços da energia.