Wie ist der Wirkungsgrad von Gasturbinen im Vergleich zu aufgeladenen Kolbenmotoren?

Die effizientesten Verbrennungsmotoren sind große Diesel. Am äußersten Ende stehen Schiffsmotoren mit einem thermischen Wirkungsgrad von mehr als 50 %, was zu einem spezifischen Kraftstoffverbrauch von nur 0,260 lbs/PS/Stunde oder 158 g/kW-h führt. Aber selbst LKW-Dieselmotoren mit Kompressor erreichen bei hoher Last einen thermischen Wirkungsgrad von über 40 % ( diese NHTSA-Studie gibt 42 %).

Aerodiesel haben bereits mit dem Jumo 204 und 205 Anfang der 1930er Jahre 220 g/kW-h erreicht. Selbst die modernen Thielert-Diesel (jetzt von Continental vertrieben) sind mit 214 g/kW-h kaum besser . Auch der Napier Nomad , ein super- und turboaufgeladener Aerodiesel mit höchstem Wirkungsgrad als Konstruktionsziel, erreichte gerade 219 g/kW-h.

Benzinmotoren beginnen bei etwa 240 g/kW-h; diesen Wert erreicht der Lycoming IO-390 mit Kraftstoffeinspritzung. Ohne Kraftstoffeinspritzung steigt der spezifische Verbrauch auf 260 - 280 g/kW-h, was für einen Lycoming O-360 bei 65 % Leistung typisch ist. Beachten Sie, dass der Jumo 213 , einer der effizienteren Kolbenmotoren aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs, selbst mit 87-Oktan-Kraftstoff und einem Verdichtungsverhältnis von nur 6,93: 1 im günstigsten Betriebspunkt bereits 260 g / kWh erreichte. Advanced Innovative Engineering, die den Norton-Wankel-Motor übernommen haben, reklamieren für ihren 650CS mit 120 PS 310-350 g/kW-h.

Der Vergleich mit Turboprops erfordert eine gewisse Umwandlung von Schub in Leistung. Dies gilt nur für eine bestimmte Fluggeschwindigkeit. Macht man das bei Reisegeschwindigkeit, kommen die großen Turboprops Progress D27 und Europrop TP400 auf einen Verbrauch von rund 240 g/kW-h. Kleinere Turboprops erreichen selten weniger als 300 g/kW-h .

Um Ihnen das lästige Nachschlagen und Umrechnen der Daten im letzten Link zu ersparen, hier eine Auswahlliste:

• Allison 250$\;\;\;\;\;\;\;$: 370 g/kW-h. Dies ist ein typischer kleiner Hubschraubermotor.
• Garrett TPE331$\;\;$: 310 g/kW-h. Dies wird bei kleinen Turboprops wie der Do-228 oder der Merlin III verwendet.
• PWC126A$\;\;\;\;\;\;\;$: 280 g/kW-h. Größer werden - BAe ATP.
• Rolls-Royce Tyne: 237 g/kW-h. Dies ist seit langem der größte Turboprop im Westen und wird in Flugzeugen wie dem Canadair 400 / CL-44 eingesetzt.

Bitte beachten Sie, dass sich diese Turboprops mit Kerosin ernähren, während die Kolbenmotoren Benzin benötigen. Da der Vergleich jedoch auf Massebasis erfolgt, ist er gültig, da die Energiedichten beider nahezu identisch sind. Sehr große Turboprops sind genauso effizient wie Benzin-Kolbenmotoren, aber Diesel haben immer noch einen kleinen Vorteil.

Jetzt für Turbofans. Hier haben wir Schub, der erst in Leistung umgewandelt werden muss, indem er mit der Fluggeschwindigkeit multipliziert wird. Es wäre unsinnig, den statischen Fall zu vergleichen – hier erzeugen Turbofans definitionsgemäß keine Leistung. Für die Erbsenzähler: Ja, ich muss mir die Gasdrehzahlen vor und hinter dem Motor ansehen, aber das ist trotzdem ein schlechter Vergleich: Die meisten statischen Werte stammen von Prüfständen mit entferntem Zubehör und ohne Verluste für Motorlager und Verkleidungen. Ich werde stattdessen die in dieser Antwort angegebenen Zahlen in der Kreuzfahrt verwenden , wobei ein Kraftstoffverbrauch von verwendet wird$b_f$= 18 g/kNs und einer Geschwindigkeit von Mach 0,78, was einer Fluggeschwindigkeit von 262 m/s in 11.000 m Höhe entspricht. Für einen Stundenwert mit 3600 multiplizieren und durch 262 dividieren (die N stehen im Nenner!) und Sie erhalten 247 g/kW-h. Also wieder sehr ähnlich zu guten Benzin-Kolbenmotoren, aber nicht so gut wie Diesel.

Aber auch dieser Vergleich ist mit der sprichwörtlichen Vorsicht zu genießen. Jetzt müssen wir uns die Geschwindigkeit genauer ansehen. Der schubspezifische Verbrauch steigt mit der Geschwindigkeit und verdoppelt sich ungefähr zwischen dem statischen Fall und der Reisegeschwindigkeit für einen modernen Turbofan. Der GE-90 erreicht 8 g/kN-s statisch und 15 g/kN-s bei Mach 0,8 – das wären gerade mal 209 g/kW-h und auf Augenhöhe mit den besten Dieseln. Zum Vergleich: Die Einbauwerte moderner Militärtriebwerke in Überschallflugzeugen liegen bei 20 g/kN-s. Und was die treibstoffhungrigen Turbojets betrifft: Der alte Jumo 004 erreichte 39 g/kN-s – gerade mal doppelt so viel bei einem Verdichtungsverhältnis von nur 3,3:1. Echte Spritfresser waren die Argus 014 der V-1 mit 107 g/kN-s im Reiseflug.

Während Turbinentriebwerke aufgrund der kälteren Ansaugluft mit zunehmender Höhe an Effizienz gewinnen , zeigt das folgende Diagramm beim Vergleich des Jumo 213 A mit der J-Version ( Quelle ) einen Anstieg des leistungsspezifischen Kraftstoffverbrauchs mit zunehmender Höhe. Beachten Sie, dass die Fluggeschwindigkeit auch mit der Höhe zunimmt und nicht gegeben ist, daher vermute ich, dass dies eher auf eine höhere Geschwindigkeit als auf eine höhere Höhe zurückzuführen ist. Auch dies sind reale Daten aus Flugtests mit dem in einer FW-190D eingebauten Triebwerk ( Quelle ). Von Meereshöhe auf 10 km zu gehen, was ungefähr die doppelte wahre Luftgeschwindigkeit bedeutet, erhöht den spezifischen Verbrauch um 20 %.

Vergleichstabelle zwischen Jumo 213 A und J. Auf der x-Achse ist die Flughöhe in [km] angegeben, auf der rechten y-Achse der spezifische Verbrauch. Multiplizieren Sie mit 1,34 für g/kW-h. Die unteren Linien sind für den Teillastbetrieb zwischen 2100 und 2700 U/min (A-Version) bzw. 3000 U/min (J-Version), während die oberen Verbrauchsleitungen für den Betrieb mit maximaler Leistung bei 3000 U/min (A-Version) bzw. 3400 bis 3700 U/min (J-Version), teilweise mit Wasser-Methanol-Einspritzung.

Wie ist der Turbinenwirkungsgrad im Vergleich zu Verbrennungsmotoren, wenn die gesamte Turbinenleistung in mechanische Energie umgewandelt wird?

Bei der Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie: sehr günstig. Die frühen Turbojets hatten eine geringe Schubeffizienz, sie konnten ihre Gasgeneratorleistung nicht effizient in Schub umwandeln. Wenn wir die Energieeffizienz vergleichen, beginnen wir mit der chemischen Energie im Treibstoff und arbeiten nicht rückwärts vom verfügbaren Schub.

Wenn die gesamte Gasgeneratorleistung in mechanische Energie umgewandelt wird, sprechen wir von Turbowellen. Der beste Weg, nur die Kraftstoffeffizienz des Motors zu vergleichen und sich nicht auf eine Diskussion über die Schubumwandlung einzulassen, ist eine Auflistung der Motorbremsleistung, die direkt das Wellendrehmoment ¹ misst , das auf einen Propeller, Lüfter, einen Satz LKW-Räder, Schiffspropeller usw.

• Wie zu sehen ist, gehört ein großes Gasturbinentriebwerk wie das GE LM6000 (ein umgebautes Flugzeug-Turbofan-Triebwerk) mit einem bremsspezifischen Kraftstoffverbrauch von 0,329 lbs/(hp * h) = 200 g/kWh = zu den sparsamsten Triebwerken überhaupt 42 % Wirkungsgrad.
• Dieselmotoren können Wirkungsgrade von über 50 % erreichen, hauptsächlich die großen 2-Takt-Dieselmotoren mit niedriger Drehzahl, die ein enormes Drehmoment erzeugen. Der Wärtsilä-Sulzer RTA96-C läuft mit 22-120 U/min, was für den Antrieb von Autos und Flugzeugen problematisch wäre.
• Den höchsten Wirkungsgrad von allen hat das Combined Cycle mit 62,2 %, eine Gasturbine kombiniert mit einer Dampfturbine zur Nutzung der Abgasenergie.

Der niedrige spezifische Kraftstoffverbrauch ist für große Gasturbinentriebwerke, sie lassen sich aufgrund der Grenzschichteffekte nicht gut verkleinern: Ein kleineres Triebwerk hat einen relativ größeren Umfang. Außerdem arbeiten sie nur bei voller Leistung effizient, Kolbenmotoren sind bei niedrigeren Drehzahlprozenten im Vorteil.

Je kleiner also der Motor, desto günstiger sind die Verhältnisse für den Kolbenmotor: Sie skalieren wesentlich günstiger als die Gasturbinen. Aber bei ausreichendem Volumen sind Gasturbinen von Natur aus überhaupt nicht verschwenderisch mit Kraftstoff.

Wenn ein Flugzeug genau den gleichen Propeller auf einem aufgeladenen Kolbenmotor und einer Turbine montierte und unter identischen Bedingungen mit der gleichen Steigung und Drehzahl flog, wie viel mehr Kraftstoff würde die Turbine verbrauchen?

Wir beschäftigen uns jetzt mit Flugmotoren und sollten ungeeignete 2-Takt-Schiffsdiesel mit niedriger Drehzahl aus dem Vergleich lassen. Da die Propeller und Flugbedingungen identisch sind, können wir auch den gesamten Schubumwandlungsmechanismus aus der Gleichung herauslassen. Wie bereits erwähnt, spielt die Größe eine Rolle, wenn es um die Effizienz von Gasturbinen geht. Nehmen wir 2 Größen:

1. Größter Turboprop.
   Der absolut größte Turboprop-Motor war der Kuznetsov NK-12, der kurz nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelt wurde. Ein modernerer großer Turboprop ist der nur geringfügig kleinere Europrop TP400 , der für den A400, ² verwendet wird , mit einer maximalen Leistung von 11.000 PS = 8.203 kW.

   

• Spezifischer Kraftstoffverbrauch der Kreuzwellenleistung: 0,167 kg/kWh (0,275 lb/hp/h) = 51,5 % Wirkungsgrad.

• Reiseflugantriebsleistung, spezifischer Kraftstoffverbrauch: 0,213 kg/kWh (0,350 lb/hp/h)

  Aber es ist ersichtlich, dass große Gasturbinentriebwerke sehr kraftstoffeffizient sind und Kolbentriebwerken in Bezug auf Sparsamkeit nicht unterlegen sind.

  Verbrauchsdaten eines vergleichbaren Kolbenmotors mit 11.000 PS konnte ich nicht finden. Der einzige Hinweis bezieht sich auf einen Drag-Racing-Motor , der sich nicht sehr um den Kraftstoffverbrauch kümmert.

2. Größter kolbengetriebener Propeller

   Der größte jemals produzierte Kolbenmotor war der Lycoming XR-7755 mit 5.000 PS bei einem Kraftstoffverbrauch von 0,38-0,41 lb/PS-Stunde, 231-249 g/kWh oder 35,5-32,5 % Wirkungsgrad. Und das mit 1947er Technik.

   Ebenfalls aus den 1940er Jahren: der Allison T40 Turboprop mit 5.100 PS und einem spezifischen Kraftstoffverbrauch von 0,63 lb/(she*h) = 383 g/kWh = 22 % Wirkungsgrad. Niedriges Komprimierungsverhältnis, kein FADEC.

   Der Q400 verfügt über zwei PW150A-Turboprops mit jeweils 5.000 PS. Der SFC dieses modernen Gasturbinentriebwerks konnte nicht gefunden werden. Der Rolls Royce Tyne stammt aus den 1950er Jahren und verfügt nicht über die neuste Technik.

Es ist schwierig, gleichwertige Kolben- und Gasturbinenmotoren für einen fairen Vergleich zu finden:

• Zeit der Entwicklung. Avgas-Kolben wurden nach dem Zweiten Weltkrieg hochentwickelt, danach wurde die Entwicklung großer Motoren eingestellt, die jetzt nur noch in kleineren Flugzeugen verwendet werden. Turboprops haben jetzt 3 Achsen, ein sehr hohes Kompressionsverhältnis und Einlasstemperaturen, FADEC.
• Nennleistung des Motors. Turbinen lassen sich nicht gut verkleinern, und die Vergleichs-HP-Bewertung wird einen großen Einfluss auf das Ergebnis haben.

¹ : Die vom Motor abgegebene Bruttoleistung ist das Drehmoment Q an der Welle mal der Winkelgeschwindigkeit$\Omega$. Das ist die reine Motorleistung, die Shaft(!) Horse Power der Kolbenmotorspezifikationen. Um die Bruttowellenleistung zu messen, schließen Sie einen Wirbelstromdämpfer an die Ausgangswelle an und messen Sie die Ampere, die für einen konstanten Betrieb erforderlich sind$\Omega$

² : Von Matti Blume - Eigene Arbeit, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=68573331

Eigentlich sehr schlecht. Was Turboprops und Turbowellen spart, ist das Verhältnis von Leistung zu Gewicht, Laufruhe und Zuverlässigkeit. Wenn Sie nur maximale MPG wollen und nicht transsonic gehen müssen, gewinnt recip zweifellos.

Der spezifische Kraftstoffverbrauch eines Kolbenmotors beträgt ungefähr 0,45 lbs / PS / h für einen normal angesaugten Vergasermotor (diese Zahl stammt aus der Leistungstabelle meines eigenen Lycoming-Motors - ich kann keine Online-Quelle finden) und geht von dort mit Kraftstoff nach unten Einspritzung und Turbo-/Superaufladung. Diesel sind in den niedrigen .3s.

Die effizientesten Rezepte waren die Wright Turbo Compound-Radialmotoren, die sowohl Aufladung als auch direkte PS-Entnahme aus dem Auspuff hatten (etwa 300 PS wurden aus dem Auspuff des R3350 durch die beiden Leistungsrückgewinnungsturbinen zurückgewonnen), die in den hohen 0,3 Sekunden auf 0,3 Sekunden abgefallen waren . 4 .

Turboprops? Schlimmer als Zweitakt-Benzinmotoren. Irgendwo um 0,6 lb/hp/hr oder schlechter (der PT-6 ist 0,67), vielleicht in den hohen 5s bei einigen der neuesten.

Dies ist einer der Gründe, warum man bei Flugzeugen wie der DC-3 nicht so viele Turbinenumbauten sieht. Abgesehen von den Kosten für die Umrüstung ist es einfach viel sparsamer, mit Benzin zu fahren.

Sehr gut, da die Carnot-Effizienz die theoretische Grenze antreibt, und die von der Temperatur der Verbrennung bestimmt wird. 1 - T_h/T_c (in Kelvin) Turbinen haben sehr heiße Brennräume (auch Diesel, Benzin weniger (durch Klopfen)).

Eine Turbine, die in kalter Luft betrieben wird, hat also eine hervorragende Leistung.

Bei der Stromerzeugung erreichen Erdgasturbinen mit kombiniertem Zyklus (CCGT), die mit einer Dampfturbine gekoppelt sind, einen Wirkungsgrad von über 60 %. Reine Turbinen (OCGT) haben niedrigere Wirkungsgrade (34 %), aber das liegt auch daran, dass sie für eine schnellere Reaktion auf Strompreise optimiert sind.

Ein großer Bergen-Diesel verbraucht 175 g/kWh bei 85 % der Höchstlast. Bei 600 kW pro Zylinder hat ein V16 also 10 MW oder 13.000 PS. Es wird auch 150 Tonnen wiegen, im Vergleich zu einer TP400-Gasturbine, die 2 Tonnen wiegt und 11.000 PS bei 210 g/kWh erzeugt

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