Sie vergleichen SFCs mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Das ist wie der Vergleich der Nutzlasten für Flugzeuge unterschiedlicher Größe. SFC steigt mit der Geschwindigkeit und muss daher mit der gleichen Geschwindigkeit verglichen werden. Die von einem Motor geleistete Arbeit ist Schub mal Entfernung, und eine höhere Geschwindigkeit bedeutet, dass der gleiche Schub mehr Arbeit pro Zeiteinheit leistet, wenn sich der Motor schneller bewegt. Der sich bewegende Motor muss den Luftstrom verlangsamen, damit die Verbrennung stattfinden kann, und muss dann die Luft um mehr beschleunigen, als sie verlangsamt wurde, um einen positiven Schub zu haben. Daher steigt SFC parallel zur Geschwindigkeit.

Um einen aussagekräftigen Vergleich zu haben, müssen wir die Effizienz definieren. Es gibt mehrere, und zwei sind für luftatmende Flugzeugtriebwerke von großer Bedeutung: Thermischer Wirkungsgrad und Vortriebswirkungsgrad.

Thermischen Wirkungsgrad

Diese beschreibt, wie effizient die chemische Energie im Kraftstoff ist$Q$wird in eine Impulsänderung der durch den Motor strömenden Luft umgewandelt. Formuliert über den Massenstrom pro Zeiteinheit$\dot{m}$, ist der Impuls$\dot{m}\cdot\dfrac{\Delta v^2}{2}$. Verwenden$v_{\infty}$für die einströmende Luftgeschwindigkeit und$v_{\infty} + \Delta v$für die Austrittsgeschwindigkeit ist der thermische Wirkungsgrad

Antriebseffizienz

Diese beschreibt, wie gut die Konvertierung durchgeführt wird. Unter Verwendung der gleichen Variablen wie oben ist die Antriebseffizienz

Diese Gleichung erklärt den besseren Wirkungsgrad von Motoren und Propellern mit hohem Bypass-Verhältnis bei gleicher Drehzahl, da der Vortriebswirkungsgrad proportional zum Kehrwert von ist$\Delta v$.

Gesamteffizienz

Dies ist das Produkt aus thermischer und treibender Effizienz, und die Gleichung lautet

Ansaugeffizienz

Diese Antwort wäre ohne einen Blick auf den Einlass der Concorde unvollständig. Im Reiseflug würde es den Luftdruck an der Kompressorfläche um einen Faktor von mehr als sechs über den Umgebungsdruck anheben, indem es die Strömung effizient verlangsamt. Der Kompressor fügte ein Verdichtungsverhältnis von 12 hinzu, sodass der Druck in der Brennkammer 80-mal höher war als der Umgebungsdruck. Dieser hohe Druck macht den Motor so effizient, wird aber auch benötigt, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten . Denken Sie daran, dass der Umgebungsdruck auf 18 km nur 76 mbar beträgt, sodass der absolute Druck im Brennraum im Reiseflug nur 6 bar betrug.

Die vollständige Antwort wäre wie folgt: Die Kombination aus Einlass und Olympus 593 bei Mach 2,02 hatte einen sehr guten Gesamtwirkungsgrad, und Vergleiche mit anderen Motoren unter statischen Bedingungen sind irreführend.

Der Vergleich von Ergebnissen auf einem Prüfstand am Boden würde jedoch ein ganz anderes Bild ergeben.

Der Wikipedia-Artikel zum schubspezifischen Kraftstoffverbrauch verwendet tatsächlich Concorde als Beispiel, wahrscheinlich weil es sich um einen so extremen Fall handelte. Ich sollte wahrscheinlich bearbeiten, um dies zu einer echten Antwort zu machen, aber da sie Ihre spezifische Frage als Beispiel verwenden, werde ich nur zitieren.

SFC variiert je nach Gaseinstellung, Höhe und Klima. Bei Strahltriebwerken hat die Fluggeschwindigkeit auch einen erheblichen Einfluss auf den SFC; SFC ist ungefähr proportional zur Luftgeschwindigkeit (eigentlich Abgasgeschwindigkeit), aber die Geschwindigkeit entlang des Bodens ist auch proportional zur Luftgeschwindigkeit. Da verrichtete Arbeit Kraft mal Weg ist, ist mechanische Leistung Kraft mal Geschwindigkeit. Obwohl der nominelle SFC ein nützliches Maß für die Kraftstoffeffizienz ist, sollte er daher durch die Geschwindigkeit dividiert werden, um Motoren vergleichen zu können, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fliegen.

Zum Beispiel fuhr die Concorde mit Mach 2,05, wobei ihre Motoren einen SFC von 1,195 lb / (lbf·h) ergaben (siehe unten); dies entspricht einem SFC von 0,51 lb/(lbf·h) für ein Flugzeug, das mit Mach 0,85 fliegt, was sogar besser wäre als moderne Triebwerke; es war das effizienteste Düsentriebwerk der Welt.[2][3] Die Concorde hat jedoch letztendlich eine schwerere Flugzeugzelle und ist aufgrund ihrer Überschallgeschwindigkeit aerodynamisch weniger effizient, dh das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand ist weitaus geringer. Im Allgemeinen ist der gesamte Treibstoffverbrauch eines kompletten Flugzeugs für den Kunden von weitaus wichtigerer Bedeutung.

Meine persönliche Interpretation als absoluter Laie ist, dass das ursprüngliche Fluggeschwindigkeitsziel höher war als die Fluggeschwindigkeit der Concorde, weil die Probleme des Überschallflugs unterschätzt wurden. Aufgrund dieser Probleme wurde die eigentliche Concorde nur für Mach 2 oder so gebaut. Das Motordesign wurde immer noch von diesem ursprünglichen Fluggeschwindigkeitsziel (was auch immer das war) beeinflusst und hatte infolgedessen eine höhere Abgasgeschwindigkeit als tatsächlich erforderlich war. Dies führte zu höherem Kraftstoffverbrauch und Lärm. Die verringerte Reichweite und der erhöhte Lärm wiederum begrenzten die Strecken, die Concorde fliegen konnte, und die Bereiche, in denen der Überschallflug eingesetzt werden konnte. Was Concorde kommerziell zu einem "begrenzten" Erfolg machte und die Aufrüstung der Motoren auf solche, die für die tatsächliche Geschwindigkeit optimiert waren, kommerziell unpraktisch machte.

Beachten Sie, dass das Obige meine Spekulation des Hintergrunds ist. Der wichtige Teil ist, dass die Abgasgeschwindigkeit der Motoren schneller ist als für die Concorde erforderlich. Das bedeutet, dass trotz guter thermischer und energetischer Effizienz die Schubeffizienz geringer als nötig ist

Also ja, die Motoren waren unwirtschaftlich und litten unter übermäßigem Lärm und Kraftstoffverbrauch, aber das lag daran, dass Flugzeugzelle und Motor für unterschiedliche Geschwindigkeiten optimal waren. Die Motoren waren recht effizient, der damals beste thermische Wirkungsgrad wurde erreicht, sie wurden nur für die falsche Geschwindigkeit optimiert, die in der Praxis nicht erreicht wurde.

Inwiefern gelten die Motoren der Concorde als effizient?

TSFC/Geschwindigkeit

Der Wikipedia-Artikel "Schubspezifischer Kraftstoffverbrauch" , auf den in der Frage Bezug genommen wird, sagt

Obwohl der nominelle SFC ein nützliches Maß für die Kraftstoffeffizienz ist, sollte er durch die Geschwindigkeit dividiert werden, um Motoren vergleichen zu können, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fliegen.

Zum Beispiel fuhr die Concorde mit Mach 2,05, wobei ihre Motoren einen SFC von 1,195 lb / (lbf·h) ergaben (siehe unten); dies entspricht einem SFC von 0,51 lb/(lbf·h) für ein Flugzeug, das mit Mach 0,85 fliegt, was sogar besser wäre als moderne Triebwerke; es war das effizienteste Düsentriebwerk der Welt.[2][3]

Ich denke, was sie sagen, ist vielleicht, dass die Menge an thermodynamischer Arbeit , die pro Mengeneinheit Kraftstoff erzeugt wird, hoch war. Die Concorde fuhr mit Mach 2 und hatte eine Reichweite von 7000 km. Es gibt wahrscheinlich nicht viele Flugzeuge, die das tun müssen. Seine Triebwerke leisteten viel mehr Arbeit als ein typischer High-Bypass-Turbofan, der mit Mach 0,85 an einem Großraumjet angebracht ist.

Thermischen Wirkungsgrad

Es wird angenommen, dass sie einen hohen "thermischen Wirkungsgrad" bei Mach 2 haben .

Sie gelten bei niedrigeren Geschwindigkeiten als ineffizient.

Das in der Concorde STILL installierte Rolls-Royce Olympus 593 Mk 610 bleibt bei Mach 2 das effizienteste Strahltriebwerk der Welt, was den thermischen Wirkungsgrad betrifft. Dies liegt natürlich an der Konstruktion des Motors selbst, aber hauptsächlich am Einlass und in geringerem Maße an den einzelnen Düsendesigns. ... (So effizient wie der OLY 593 bei Mach 2 und ungefähr ist, verbraucht er bei langsameren Geschwindigkeiten Kraftstoff, als würde er aus der Mode kommen, daher die Notwendigkeit für ein Minimum an Niedriggeschwindigkeitsflügen mit Concorde).

Von einem Haufen Concorde-Enthusiasten .

Spezifischer Impuls

Eine andere Möglichkeit, die Motoreffizienz zu messen, ist der spezifische Impuls

^{Grafik von Kashkhan}

Effizienz ist eine Energiesache.

Energie ist Kraft mal Weg.

Unterscheiden Sie, Sie erhalten Leistung ist Kraft mal Geschwindigkeit. Es stellt sich heraus, dass Sie den Reiseschub nicht einmal kennen müssen, Sie können die Effizienz auf dem TSFC berechnen (weshalb es so ziemlich verwendet wird).

Obwohl der Motor von Concorde weniger Kraft pro Stromeinheit erzeugte, fuhr das Fahrzeug jede Sekunde 2,5-mal weiter. Wenn Sie die Nutzleistung (Schub mal Geschwindigkeit) durch die Leistung im Kraftstoff (Kraftstoffdurchfluss mal Energie pro Masseneinheit Kraftstoff) teilen, können Sie die Energieeffizienz der Concorde-Motoren berechnen.

Also lass uns das tun. Hier sind die grundlegenden Zahlen, die ich im Internet gefunden habe, und ich konvertiere sie in SI-Basiseinheiten:

Reisegeschwindigkeit = 2.124 km/h = 590 m/s TSFC @ Reiseflug = 33,8 g/(kN·s) = 33,8e-6 kg/Ns Spezifische Energie von Flugbenzin = 43,15 MJ/kg

Energie pro N·m/s = Leistung pro Newton = Kraft mal Geschwindigkeit pro Newton = 590 m/s/Newton = 590 Joule pro Sekunde pro Newton Vom Motor verbrauchte Kraftstoffenergie pro N·s = 43,15e6 MJ/kg x 33e-6 kg/ Ns = 1458 Joule pro Sekunde pro Newton

Wenn wir also eines durch das andere teilen, heben sich Newton auf und wir erhalten eine Effizienz von 40%.

Wenn man bedenkt, dass in einem Flugzeug, das so leicht wie möglich ist, für jedes Flugzeug erstaunlich gut ist; besser als die meisten Stromerzeugungskraftwerke, die am Boden verschraubt sind, aber einige Dieselmotoren können in sehr, sehr großen Schiffen über 50 % erreichen, und Sie könnten diese in Autos mit Gusseisenmotoren überschreiten, die viel zu schwer wären geflogen.

Nehmen wir eine 747-400 auf Langstreckenfahrt mit einem CF6-Motor:

Reisegeschwindigkeit 907 km/h = 251 m/s TSFC 17,1 g/(kN·s) = 17e-6 kg/Ns Es erzeugt also 251 J/sN und verbrennt 17e-6 x 43,15e6J/kg = 733 J/s

Ich mache das 34% Motorwirkungsgrad.

Das ist es, was einen Turbofan mit hohem Bypass schlägt, der für Langstrecken-Unterschallkreuzfahrten verwendet wird. Es ist also nicht nur so, dass diese Motoren für die damalige Zeit gut waren; Sie sind immer noch Weltklasse.

Ich denke, Sie sehen hier einen Unterschied darin, wo der SFC gemeldet wird. Die Motoren der Concorde sind für Überschallfahrten optimiert, und SFC wird dort berichtet. Der Jäger ist nicht nur für den Überschallflug optimiert, daher können Sie nicht davon ausgehen, dass der SFC-Wert für den Reiseflug gilt. Der YJ93 wurde nie viel verwendet, und der einzige Wert, den ich für SFC finden kann, ist der in der Frage enthaltene, aber das ist wahrscheinlich nicht bei der Kreuzfahrt .

Vergleichen Sie die 33,8 g/(kNs) für die Concorde-Motoren mit anderen ähnlichen Motoren, wobei Sie nur Werte für Überschallfahrt verwenden. Die J-58 (SR-71) bei Mach 3,2 hatte 53,8 g/(kNs) (nass) und die RD-36 (Tu-144) im Reiseflug 35 g/(kNs).

Ich glaube nicht, dass es die Motoren allein waren, die Supercruise (Überschallkreuzfahrt ohne Wiedererwärmung) ermöglichten. Bei der Concorde schalteten die Triebwerke die Nachheizung ein, um im Horizontalflug von Unterschall auf Überschall zu beschleunigen. Einer der Hauptgründe, warum die Concorde so viel mehr Reichweite hatte als die TU144 (die im Nachheizbetrieb bleiben musste, um Überschall zu halten), ist das Design des Flügels. Der Concorde-Flügel hat sich während seiner Entwicklung (ich glaube zwischen dem ersten Prototyp und den Serien-Concordes) speziell aus diesem Grund zu einer komplexeren Form entwickelt. Wenn man sich die Concorde von vorne ansieht, schwingen die Flügelspitzen nach unten. Weitere Informationen finden Sie unter http://www.concordesst.com/wing.html . Nicht einmal der große Kelly Johnson hat es so für den SR-71 gemacht, der die ganze Zeit über im Überschallmodus bleibt.