Du jämför SFC-enheter med olika hastigheter. Det är som att jämföra nyttolast för flygplan med olika storlek. SFC går upp med hastighet och måste därför jämföras med samma hastighet. Arbetet som utförs av en motor är trycktider avstånd, och högre hastighet innebär att samma dragkraft kommer att utföra mer arbete per tidsenhet när motorn rör sig snabbare. Den rörliga motorn behöver sänka luftflödet för förbränning att ske, och sedan behöva accelerera luften med mer än det har sänkts för att ha positiv dragkraft. Därför går SFC parallellt med hastigheten.

För att få en meningsfull jämförelse måste vi definiera effektivitet. Det finns flera, och två är av stor betydelse för luftmotorer: Luftvärmeffektivitet och drivkraft.

Värmeffektivitet

Här beskrivs hur effektivt den kemiska energin i bränslet $ Q $ omvandlas till en impulsförändring av luften som strömmar genom motorn. Formuleras med massflödet per tidsenhet $ \ punkt {m} $, är impulsen $ \ dot {m} \ cdot \ dfrac {\ Delta v ^ 2} {2} $. Genom att använda $ v _ {\ infty} $ för inkommande flyghastighet och $ v _ {\ infty} + \ Delta v $ för utgångsflödeshastigheten är termisk effektivitet $$ \ eta_ {term} = \ frac {\ dot {m } \ cdot \ left ({v _ {\ infty} + \ Delta v) ^ 2 - v _ {\ infty} ^ 2 \ höger)} {2 \ cdot Q} $$ För att uppnå bra effektivitet vid hög hastighet är en hög $ \ Delta v $ till hjälp. Detta förklarar varför effektiviteten sjunker mer över hastighet för motorer med hög bypass och speciellt propellrar. Eftersom värmeenergin i bränsle är densamma för alla motorer i din fråga, eftersom alla går på fotogen, och vi kan anta en liknande förbränningsförmåga, kan vi försumma $ Q $ i jämförelsen.

Propulsiv effektivitet

Detta beskriver hur bra konverteringen utförs. Med samma variabler som ovan är propulsiv effektivitet $$ \ eta_ {prop} = \ frac {v _ {\ infty}} {v _ {\ infty} + \ frac {\ Delta v} {2}} $$

Denna ekvation förklarar bättre effektivitet av hög-bypass-förhållande motorer och propellrar med samma hastighet, eftersom propulsiv effektivitet är proportionell mot den inverse av $ \ Delta v $.

Total effektivitet

Detta är produkten av termisk och framdrivande effektivitet, och ekvationen är $$ \ eta_ {total} = \ frac {T \ cdot v _ {\ infty}} {Q} $$ där $ T = \ dot {m} \ cdot \ Delta v $ anger stötkraften. Bekvämt är $ \ Delta v $ eliminerad i produkten, vilket gör det möjligt för turbojetmotorer som Olympus 593 att se mycket bättre ut jämfört med andra motorer.

Intagseffektivitet

Detta svar skulle vara ofullständigt utan att titta på Concorde intag. Vid kryssning skulle det lyfta lufttrycket vid kompressorns ansikte med en faktor på mer än sex över omgivningen genom att effektivt sänka flödet. Kompressorn satte ett kompressionsförhållande på 12, så trycket i förbränningskammaren var 80 gånger högre än omgivningen. Detta höga tryck gör motorn så effektiv, men är också behövs för att upprätthålla förbränning . Kom ihåg att omgivande tryck på 18 km är bara 76 mbar, så det absoluta trycket i förbränningskammaren vid kryssningen var bara 6 bar.

Det fulla svaret skulle vara så här: Kombinationen av intag och Olympus 593 vid Mach 2.02 hade en mycket bra total effektivitet, och jämförelser med andra motorer vid statiska förhållanden är vilseledande.

Jämförelsen av resultaten från ett provstånd på marken skulle dock ge en mycket annorlunda bild.

Wikipedia-artikeln på drivkraftbränsleförbrukningen använder faktiskt Concorde som exempel, förmodligen för att det var ett så extremt fall. Jag borde noga redigera för att göra detta till ett riktigt svar, men eftersom de använder din specifika fråga som exempel kommer jag bara att citera.

SFC varies with throttle setting, altitude and climate. For jet engines, flight speed also has a significant effect upon SFC; SFC is roughly proportional to air speed (actually exhaust velocity), but speed along the ground is also proportional to air speed. Since work done is force 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 to get a way to compare engines that fly at different speeds.

For example, Concorde cruised at Mach 2.05 with its engines giving an SFC of 1.195 lb/(lbf·h) (see below); this is equivalent to an SFC of 0.51 lb/(lbf·h) for an aircraft flying at Mach 0.85, which would be better than even modern engines; it was the world's most efficient jet engine.[2][3] 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.

Min personliga tolkning som en total lekman av detta är att det ursprungliga lufthastighetsmålet var högre än Concorde flyghastighet eftersom problemen med supersonisk flygning underskattades. På grund av dessa problem byggdes själva Concorde för bara Mach 2 eller så. Motordesignen var fortfarande påverkad av det ursprungliga flyghastighetsmålet (vad det än var) och som ett resultat hade högre avgashastighet än vad som faktiskt var nödvändigt. Detta resulterade i högre bränsleförbrukning och buller. Det minskade intervallet och ökat ljud begränsade i sin tur de linjer som Concorde kunde flyga och de områden där supersonisk flygning kunde användas. Som gjorde Concorde kommersiellt en "begränsad" framgång och gjort uppgradering av motorerna till de optimerade för den faktiska hastigheten kommersiellt opraktisk.

Observera att ovanstående är min spekulation om bakgrunden. Den viktiga delen är att motorns avgashastighet är snabbare än vad som behövs för Concorde. Detta innebär att trots effektiv värme och energieffektivitet är tryckkraftsnivån lägre än nödvändigt

Så ja, motorerna var oekonomiska och led av överdriven buller och bränsleförbrukning, men det berodde på att flygplanet och motorn var optimala för olika hastigheter. Motorerna var ganska effektiva, bästa värmeffektiva uppnådda då, de var bara optimerade för fel hastighet som i praktiken inte uppnåddes.

In what way are the Concorde's engines considered efficient?

TSFC / Speed

Wikipedia-artikeln, "Stödspecifik bränsleförbrukning" , som avses i frågan, säger

although the nominal SFC is a useful measure of fuel efficiency, it should be divided by speed to get a way to compare engines that fly at different speeds.

For example, Concorde cruised at Mach 2.05 with its engines giving an SFC of 1.195 lb/(lbf·h) (see below); this is equivalent to an SFC of 0.51 lb/(lbf·h) for an aircraft flying at Mach 0.85, which would be better than even modern engines; it was the world's most efficient jet engine.[2][3]

Jag tror att vad de säger är kanske att mängden av termodynamiskt arbete produceras per enhet kvantitet av bränslet var högt. Concorde gick på Mach 2 och hade en räckvidd på 7000 km. Det finns förmodligen inte många flygplan runt det som behöver göra det. Motorerna producerade ett parti mer arbete än en typisk high-bypass turbofan kopplad till en widebody jet på Mach 0.85 gör.

Termisk effektivitet

De anses ha hög "värmeffektivitet" vid Mach 2 .

De anses vara ineffektiva vid lägre hastigheter.

The Rolls-Royce Olympus 593 Mk 610 installed in Concorde STILL remains the most efficient jet engine in the world at Mach 2, as far as thermal efficiency is concerned. This is due to the design of the engine itself of course, but mainly down to the intake, and to a lesser extent the individual nozzle designs. ... (As efficient as the OLY 593 is at Mach 2 and about, at slower speeds it uses fuel like it’s going out of fashion, hence the need for a minimum of low speed flying with Concorde).

Från en massa Concorde entusiaster .

Specifik impuls

Ett annat sätt att mäta motorens effektivitet är specifik impuls

GrafikavKashkhan

Effektivitet är en energi sak.

Energi är krafttider avstånd.

Differentiera, du får makt är kraft gånger hastighet. Det visar sig att du inte ens behöver känna kryssningsskottet, du kan beräkna effektiviteten på TSFC (vilket är ganska mycket varför det används).

Även om Concordes motor genererade mindre kraft per flöde, gick fordonet 2,5 gånger längre per sekund. Om du delar upp den användbara kraften (drivhastighetstiden) i kraften i bränslet (bränsleflöde gånger energi per bränslemängd) kan du beräkna energieffektiviteten hos Concordes motorer.

Så låt oss göra det. Här är de grundläggande siffrorna jag hittade på webben, och jag konverterar dem till SI-basenheter:

Kryssningshastighet = 2.124 km / h = 590m / s TSFC @ kryssning = 33,8 g / (kN · s) = 33,8e-6 kg / Ns Särskild energi för flygbränsle = 43,15 MJ / kg

Energi per N m / s = Effekt per Newton = Turtider per Newton = 590 m / s / Newton = 590 Joules per sekund per Newton Bränsleenergi som används av motor per N s = 43,156 MJ / kg x 33e-6 kg / N = 1458 joules per sekund per Newton

Så dela upp varandra, avbryter Newtons och vi får 40% effektivitet.

Med tanke på att det finns ett flygplan som är så lätt som möjligt, för alla flygplan, det är otroligt bra. bättre än de flesta elproducerande kraftverk som är bultade på marken, men vissa dieselmotorer kan nå över 50% i mycket stora fartyg och du kan överstiga det i bilar med gjutjärnsmotorer som skulle vara alltför tunga för att vara flygs.

Låt oss ta en 747-400 vid långvägt kryssning med en CF6-motor:

Kryssningshastighet 907km / h = 251 m / s TSFC 17,1 g / (kN · s) = 17e-6 kg / Ns Så det genererar 251 J / s. N och bränning 17e-6 x 43.15e6J / kg = 733 J / s

Jag gör det 34% motor effektivitet.

Det är det att slå en hög bypass turbofan som används för långdistans subsonisk kryssning. Så det är inte bara att dessa motorer var bra för tiden; de är fortfarande världsklass.

Jag tror att du ser en skillnad här där SFC rapporteras. Motorerna på Concorde är optimerade för supersonisk kryssning, och SFC rapporteras där. Fighteren är inte bara optimerad för supersonisk kryssning, så du kan inte anta att SFC-värdet är för kryssning. YJ93 såg aldrig mycket, och det enda värdet jag kan hitta för SFC är det som ingår i frågan, men det här är Förmodligen inte vid kryssning .

Jämför 33.8 g / (kNs) för Concordmotorer till andra liknande motorer, med endast värden för supersonisk kryssning. J-58 (SR-71) vid Mach 3.2 var 53.8 g / (kNs) (våt) och RD-36 (Tu-144) vid kryssningen var 35 g / (kNs).

Jag tror inte att det bara var motorerna som gjorde superkors (supersonisk kryssning utan återuppvärmning). På Concorde kopplas motorerna uppvärmda för att accelerera i nivåflyg från subsonic till supersonic. En av de främsta anledningarna till att Concorde hade så mycket mer intervall än TU144 (som var tvungen att stanna i uppvärmning för att vara supersonisk) är vingens design. Concorde-vingen utvecklades till en mer komplex form under dess utveckling (jag tror mellan den första prototypen och produktionskonverterna) av denna anledning. Om du tittar på Concorde från framsidan vinklar tipset sorts nedåt. Se länk för mer information. Även den stora Kelly Johnson gjorde det inte så här för SR-71, som stannar i uppvärmning hela tiden det är supersoniskt.