¿De qué manera se consideran eficientes los motores del Concorde?

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¿De qué manera se consideran eficientes los motores del Concorde?

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concordia
motor a reacción

itisa

El Concorde está propulsado por un grupo de motores turborreactores Rolls-Royce/Snecma Olympus 593. Mucho se ha dicho sobre cuán eficientes son a gran velocidad y el hecho de que permiten un crucero de largo alcance a Mach 2 debido a su eficiencia de combustible.

Si observo las especificaciones, una cosa inmediatamente obvia es la relación de compresión de 15,5, bastante alta para un turborreactor sin derivación. Sin embargo, no estoy seguro de cómo esto se traduce en eficiencia.

El consumo de combustible específico de empuje, por otro lado, parece pésimo. Wikipedia dice:

1,195 lb/(lbf·h) (33,8 g/(kN·s)) crucero / 1,39 lb/(lbf·h) (39 g/(kN·s)) sl

¿Esperar lo? El Tumansky R-25, que impulsó el MiG-21 y era famoso por consumir mucho combustible, tenía una relación de compresión de solo 9.5, pero tenía un TSFC de

98 kg/(h·kN) (0,96 lb/(h·lbf)) a la potencia militar máxima

El General Electric YJ93, que impulsó el XB-70 y también fue diseñado para una eficiencia supersónica de largo alcance, tenía un TSFC de

0,700 lb/(lbf·h) o 19,8 g/(kN·s)

Esto no parece tener sentido: ¿de qué manera son buenos los motores del Concorde? ¿Se me escapa algo?

Finalmente, he estado intentando modelar la Olympus 593 en un simulador de vuelo (Advanced Jet Engine en KSP). Sin embargo, con la relación de compresión dada, no pude lograr que la eficiencia de combustible fuera tan mala: era de alrededor de 0.9 SL y 0.85 de crucero, y tuve que hacer cosas ridículas como usar tomas de aire y boquillas extremadamente ineficientes.

jyendo

1) KSP es un juego, no es un simulador. 2) los motores se eligieron principalmente porque eran británicos/franceses, no porque fueran los mejores del mercado.

vasin1987

No soy ingeniero, no puedo comentar sobre matemáticas aquí. Sin embargo, el concorde puede viajar dos veces más rápido que otros aviones, por lo que tal vez de ahí provenga la eficiencia.

itisa

@ vasin1987 Estoy comparando con aviones militares que van igual de rápidos, no con motores subsónicos de alto desvío.

Jan Hudec

@user54609: Ningún luchador de la década de 1960 es capaz de mantener una velocidad supersónica sin postcombustión. Y no creo que ningún motor tuviera un TSFC tan bajo a Mach 2 y con postcombustión .

Peter Kämpf

Te falta la velocidad a la que se da el SFC. Comparar valores estáticos con datos a velocidad de vuelo es totalmente engañoso. No sé por qué @RedGrittyBrick eliminó su respuesta, pero es la mejor hasta ahora. Y es cierto, la Olympus 593 fue, de hecho, el motor más eficiente de su época y aún resiste bien a la mayoría de la competencia.

teoría de los cortos

Ram air en vuelo supersónico mejoró bastante la eficiencia, pero no tengo idea de estos números. La eficiencia del Concorde fue cómicamente pobre cuando estaba en tierra. IIRC, esos hermosos 593 bebieron 2 toneladas de combustible para rodar hasta la pista. Por cierto, ¿has podido calcular los números en los motores Tu-144 KN-321? Supongo que sería difícil por Rusia, pero creo que sería la mejor comparación.

Respuestas (6)

¿De qué manera se consideran eficientes los motores del Concorde?

1) KSP es un juego, no es un simulador. 2) los motores se eligieron principalmente porque eran británicos/franceses, no porque fueran los mejores del mercado.
No soy ingeniero, no puedo comentar sobre matemáticas aquí. Sin embargo, el concorde puede viajar dos veces más rápido que otros aviones, por lo que tal vez de ahí provenga la eficiencia.
@ vasin1987 Estoy comparando con aviones militares que van igual de rápidos, no con motores subsónicos de alto desvío.
@user54609: Ningún luchador de la década de 1960 es capaz de mantener una velocidad supersónica sin postcombustión. Y no creo que ningún motor tuviera un TSFC tan bajo a Mach 2 y con postcombustión .
Te falta la velocidad a la que se da el SFC. Comparar valores estáticos con datos a velocidad de vuelo es totalmente engañoso. No sé por qué @RedGrittyBrick eliminó su respuesta, pero es la mejor hasta ahora. Y es cierto, la Olympus 593 fue, de hecho, el motor más eficiente de su época y aún resiste bien a la mayoría de la competencia.
Ram air en vuelo supersónico mejoró bastante la eficiencia, pero no tengo idea de estos números. La eficiencia del Concorde fue cómicamente pobre cuando estaba en tierra. IIRC, esos hermosos 593 bebieron 2 toneladas de combustible para rodar hasta la pista. Por cierto, ¿has podido calcular los números en los motores Tu-144 KN-321? Supongo que sería difícil por Rusia, pero creo que sería la mejor comparación.

Peter Kämpf · Answer 1

Comparas SFC a diferentes velocidades. Eso es como comparar cargas útiles para aeronaves de diferentes tamaños. SFC aumenta con la velocidad y, por lo tanto, debe compararse a la misma velocidad. El trabajo realizado por un motor es empuje por distancia, y una mayor velocidad significa que el mismo empuje realizará más trabajo por unidad de tiempo cuando el motor se mueva más rápido. El motor en movimiento necesita reducir la velocidad del flujo de aire para que se produzca la combustión , y luego necesita acelerar el aire más de lo que se ha reducido para tener un empuje positivo. Por lo tanto, SFC sube en paralelo con la velocidad.

Para tener una comparación significativa, necesitamos definir la eficiencia. Hay varios, y dos son de gran importancia para los motores de aeronaves que respiran aire: la eficiencia térmica y la eficiencia de propulsión.

Eficiencia térmica

Esto describe cuán eficientemente la energía química en el combustible $Q$ se convierte en un cambio de impulso del aire que fluye a través del motor. Formulado utilizando el caudal másico por unidad de tiempo $\dot{m}$ , el impulso es $\dot{m}\cdot\dfrac{\Delta v^2}{2}$ . Usando $v_{\infty}$ para la velocidad del aire entrante y $v_{\infty} + \Delta v$ para la velocidad del flujo de salida, la eficiencia térmica es

η_{t h mi r metro} = \frac{\dot{metro} \cdot ((v_{\infty} + Δ v)^{2} - v_{\infty}^{2})}{2 \cdot q}

$\eta_{therm} = \frac{\dot{m}\cdot \left((v_{\infty} + \Delta v)^2 - v_{\infty}^2\right)}{2\cdot Q}$ Para lograr una buena eficiencia a alta velocidad, un alto

Δ v

$\Delta v$ es útil. Esto explica por qué la eficiencia cae más con la velocidad en los motores de alta relación de derivación y especialmente en las hélices. Dado que la energía térmica en el combustible es la misma para todos los motores en su pregunta, debido a que todos funcionan con queroseno, y podemos suponer una eficiencia de combustión similar, podemos ignorar

Q

$Q$ en la comparación.

eficiencia de propulsión

Esto describe qué tan bien se realiza la conversión. Usando las mismas variables que arriba, la eficiencia de propulsión es

η_{pag r o pag} = \frac{v_{\infty}}{v_{\infty} + \frac{Δ v}{2}}

$\eta_{prop} = \frac{v_{\infty}}{v_{\infty} + \frac{\Delta v}{2}}$

Esta ecuación explica la mejor eficiencia de los motores de alta relación de derivación y las hélices a la misma velocidad, porque la eficiencia de propulsión es proporcional a la inversa de $\Delta v$ .

Eficiencia general

Este es el producto de la eficiencia térmica y propulsiva, y la ecuación es

η_{t o t a yo} = \frac{T \cdot v_{\infty}}{q}

$\eta_{total} = \frac{T\cdot v_{\infty}}{Q}$ dónde

T = \dot{m} \cdot Δ v

$T = \dot{m}\cdot\Delta v$ denota el empuje. convenientemente,

Δ v

$\Delta v$ se elimina en el producto, lo que permite que los motores turborreactores como el Olympus 593 se vean mucho mejor en comparación con otros motores.

Eficiencia de admisión

Esta respuesta estaría incompleta sin una mirada a la admisión del Concorde. En crucero, elevaría la presión del aire en la cara del compresor por un factor de más de seis sobre el ambiente al desacelerar eficientemente el flujo. El compresor agregó una relación de compresión de 12, por lo que la presión en la cámara de combustión era 80 veces mayor que la ambiental. Esta alta presión hace que el motor sea tan eficiente, pero también es necesaria para mantener la combustión . Recuerde, la presión ambiental en 18 km es de solo 76 mbar, por lo que la presión absoluta en la cámara de combustión en crucero fue de solo 6 bar.

La respuesta completa sería así: la combinación de admisión y Olympus 593 a Mach 2.02 tuvo una eficiencia total muy buena, y las comparaciones con otros motores en condiciones estáticas son engañosas.

Sin embargo, la comparación de los resultados de un banco de pruebas en tierra arrojaría una imagen muy diferente.

Lo hace $\dot{m}$ incluir la masa de combustible que se inyecta en la cámara de combustión?
@DrZ214: Normalmente se descuida. Para ser más precisos, puede agregar el flujo másico de combustible y darle cero como su velocidad inicial. La diferencia de empuje, sin embargo, es pequeña.
Vengo de un fondo de cohetes, así que no me siento cómodo descuidando el flujo de combustible :-) También soy escéptico de que haya un pequeño cambio, porque el dodecano (C12H26) es pesado y el O2 y el N2 son livianos. Pero, de nuevo, no me sorprendería si la relación de FO es menor que la estequiométrica por razones de temperatura. Creo que voy a publicar una pregunta sobre eso.
@ DrZ214 de hecho, los motores a reacción funcionan muy poco estequiométricamente (incluso antes de incluir el aire de derivación) para evitar derretir las palas de la turbina y aprovechar la masa de reacción libre ilimitada (es decir, la atmósfera).

Ville Niemi · Answer 2

El artículo de Wikipedia sobre el consumo de combustible específico de empuje en realidad usa Concorde como ejemplo, probablemente porque era un caso tan extremo. Probablemente debería editar para hacer de esta una respuesta real, pero dado que usan su pregunta específica como ejemplo, solo citaré.

SFC varía con el ajuste del acelerador, la altitud y el clima. Para los motores a reacción, la velocidad de vuelo también tiene un efecto significativo sobre SFC; SFC es aproximadamente proporcional a la velocidad del aire (en realidad, la velocidad de escape), pero la velocidad a lo largo del suelo también es proporcional a la velocidad del aire. Dado que el trabajo realizado es fuerza por distancia, la potencia mecánica es fuerza por velocidad. Por lo tanto, aunque el SFC nominal es una medida útil de la eficiencia del combustible, debe dividirse por velocidad para poder comparar motores que vuelan a diferentes velocidades.

Por ejemplo, el Concorde navegaba a Mach 2,05 con sus motores dando un SFC de 1,195 lb/(lbf·h) (ver más abajo); esto es equivalente a un SFC de 0,51 lb/(lbf·h) para un avión que vuele a Mach 0,85, que sería incluso mejor que los motores modernos; era el motor a reacción más eficiente del mundo.[2][3] Sin embargo, el Concorde finalmente tiene un fuselaje más pesado y, debido a que es supersónico, es menos eficiente desde el punto de vista aerodinámico, es decir, la relación sustentación/resistencia es mucho menor. En general, el consumo total de combustible de un avión completo tiene mucha más importancia para el cliente.

Mi interpretación personal como un profano total de esto es que el objetivo de velocidad del aire original era más alto que la velocidad del aire del Concorde porque se subestimaron los problemas del vuelo supersónico. Debido a esos problemas, el Concorde real se construyó solo para Mach 2 más o menos. El diseño del motor todavía estaba influenciado por ese objetivo original de velocidad aerodinámica (sea lo que sea) y, como resultado, tenía una velocidad de escape más alta de lo que realmente era necesario. Esto resultó en un mayor consumo de combustible y ruido. El alcance reducido y el aumento del ruido, a su vez, limitaron las rutas en las que el Concorde podía volar y las áreas donde se podía utilizar el vuelo supersónico. Lo que convirtió al Concorde en un éxito comercial "limitado" e hizo que la actualización de los motores a unos optimizados para la velocidad real fuera comercialmente poco práctica.

Tenga en cuenta que lo anterior es mi especulación de los antecedentes. La parte importante es que la velocidad de escape de los motores es más rápida de lo necesario para el Concorde. Esto significa que a pesar de una buena eficiencia térmica y energética, la eficiencia de empuje es inferior a la necesaria

Entonces, sí, los motores no eran económicos y sufrían de ruido y consumo de combustible excesivos, pero eso se debía a que el fuselaje y el motor eran óptimos para diferentes velocidades. Los motores eran bastante eficientes, la mejor eficiencia térmica lograda en ese momento, solo estaban optimizados para la velocidad incorrecta que en la práctica no se logró.

Sin embargo, estaba comparando con otros motores Mach 2, no con motores de baja velocidad. Sin embargo, para ser justos, ninguno de los aviones que usaban esos motores pudo alcanzar Mach 2 sin poscombustión, lo que aumentaría significativamente el consumo de combustible.
@ user54609 Sí, lo hace. Creo que la gran parte aquí es que Concorde tenía una alta velocidad de escape y, una vez que se tiene en cuenta, era muy eficiente. Una actualización propuesta habría tenido una velocidad de escape más baja, lo que resultaría en menos ruido y consumo de combustible, pero dado que el viaje supersónico no fue un éxito comercial, no se construyó.
@user54609 Afterburner, aumenta significativamente el consumo de combustible. Seguimiento directo del comentario al que se respondió.
@ user54609 Editado en mi interpretación de lo que significan la cita y los datos para la respuesta debajo de la cita. No estoy seguro de si ayuda, ¡pero al menos parece más una respuesta adecuada ahora!
Los motores se diseñaron inicialmente para Mach 2.2 y se rediseñaron para Concorde, y se afirma que obtienen una eficiencia del 43% en crucero real. Concorde fue diseñado para ser un avión turborreactor Mach 2 desde el principio.
@foot Eso es discutible. Hay muchas cosas sobre los problemas de la resistencia supersónica que son peores de lo que la gente esperaba, por lo que creo que el proceso de diseño real fue más complejo de lo que eso representa. Aún así, tiene razón en que la forma en que lo redacté hace que parezca que el Concorde es un avión Mach 3 fallido, mientras que lo que en realidad quise decir fue que la relativa falta de experiencia con el vuelo supersónico complicó el proceso de desarrollo y dejó algunas partes mal optimizadas. Supongo que reformularé la respuesta para centrarme en eso en lugar de mi especulación sobre los objetivos originales del proyecto. Gracias.
@fooot O al menos agregue una nota de que no quiero decir que el Concorde real fue diseñado para velocidades más altas ...
La comparación entre diferentes velocidades se debe a que las cifras de SFC son por hora, no por kilómetro. Concorde @ Mach 2.2 simplemente voló 2.5 veces más por hora que un avión subsónico a Mach 0.85. Por lo tanto, la cifra SFC "equivalente" de 0,5 es simplemente dividir la SFC de 1,195 por la relación de velocidad. Esa es la causa raíz de la eficiencia del motor: el Concorde más rápido cubrió las mismas rutas en menos tiempo. El comentario de wikipedia señala correctamente que los motores son eficientes para producir empuje, pero el fuselaje pesado requiere mucha sustentación y las alas supersónicas tienen una mala relación sustentación/resistencia.

rojoarenosoladrillo · Answer 3

¿De qué manera se consideran eficientes los motores del Concorde?

TSFC/Velocidad

El artículo de Wikipedia, "Consumo de combustible específico de empuje" , al que se hace referencia en la pregunta, dice

aunque el SFC nominal es una medida útil de la eficiencia del combustible, debe dividirse por velocidad para poder comparar motores que vuelan a diferentes velocidades.

Por ejemplo, el Concorde navegaba a Mach 2,05 con sus motores dando un SFC de 1,195 lb/(lbf·h) (ver más abajo); esto es equivalente a un SFC de 0,51 lb/(lbf·h) para un avión que vuele a Mach 0,85, que sería incluso mejor que los motores modernos; era el motor a reacción más eficiente del mundo.[2][3]

Creo que lo que están diciendo es que quizás la cantidad de trabajo termodinámico producido por unidad de cantidad de combustible fue alta. Concorde navegaba a Mach 2 y tenía un alcance de 7000 km. Probablemente no haya muchos aviones que necesiten hacer eso. Sus motores producían mucho más trabajo que un típico turboventilador de derivación alta conectado a un avión de fuselaje ancho a Mach 0,85.

Eficiencia térmica

Se considera que tienen una alta "eficiencia térmica" a Mach 2 .

Se consideran ineficientes a velocidades más bajas.

El Rolls-Royce Olympus 593 Mk 610 instalado en Concorde STILL sigue siendo el motor a reacción más eficiente del mundo con Mach 2, en lo que respecta a la eficiencia térmica. Por supuesto, esto se debe al diseño del motor en sí, pero principalmente a la admisión y, en menor medida, a los diseños individuales de las boquillas. ... (A pesar de que el OLY 593 es eficiente a Mach 2 y más, a velocidades más lentas usa combustible como si estuviera pasando de moda, de ahí la necesidad de un mínimo de vuelo a baja velocidad con Concorde).

De un grupo de entusiastas del Concorde .

Impulso Específico

Otra forma de medir la eficiencia del motor es el impulso específico.

ingrese la descripción de la imagen aquí
^{Gráfico de Kashkhan}

XB-70 es Mach 3, la pregunta tiene un argumento adicional en realidad
@Trebia: No puedo encontrar fuentes para el YJ93 TSFC en un XB-70 en Mach 3. Wikipedia dice que el XB-70 tuvo fallas estructurales en Mach 3 y luego se limitó a Mach 2.5. También parece haber tenido problemas para alcanzar su rango previsto. es desconcertante Además, no puedo encontrar si el XB-70 necesitaba postquemadores en crucero como lo hizo el SR-71 (como era de esperar, YJ93 tiene 1.8 TSFC con postquemadores)
para que YJ93 tenga la misma eficiencia en comparación con Olympus 593, ese consumo de combustible debe establecerse en Mach 1,37 en XB-70. Es muy probable que sea más alto, pero sin la referencia adecuada real, todo es especulación.

arglevar · Answer 4

La eficiencia es una cuestión de energía.

La energía es fuerza por distancia.

Diferenciar, obtienes poder es fuerza multiplicada por velocidad. Resulta que ni siquiera necesita saber el empuje de crucero, puede calcular la eficiencia en el TSFC (que es más o menos por qué se usa).

Aunque el motor del Concorde generaba menos fuerza por unidad de flujo, el vehículo avanzaba 2,5 veces más por segundo. Si divide la potencia útil (empuje por velocidad) entre la potencia del combustible (flujo de combustible por energía por unidad de masa de combustible), puede calcular la eficiencia energética de los motores del Concorde.

Así que hagamos eso. Aquí están los números básicos que encontré en la web y los convierto en unidades base SI:

Velocidad de crucero = 2.124 km/h = 590 m/s TSFC @ crucero = 33,8 g/(kN·s) = 33,8e-6 kg/Ns Energía específica del combustible de aviación = 43,15 MJ/kg

Energía por N m/s = potencia por Newton = fuerza por velocidad por Newton = 590 m/s/Newton = 590 julios por segundo por Newton Energía de combustible utilizada por el motor por N s = 43,15e6 MJ/kg x 33e-6 kg/ Ns = 1458 julios por segundo por Newton

Dividiendo uno por el otro, los Newton se cancelan y obtenemos un 40% de eficiencia.

Teniendo en cuenta que está en un avión, que se hace lo más ligero posible, para cualquier avión, eso es increíblemente bueno; mejor que la mayoría de las plantas generadoras de energía eléctrica que están atornilladas al suelo, pero algunos motores diesel pueden alcanzar más del 50 % en barcos muy, muy grandes, y es posible que exceda eso en automóviles con motores de hierro fundido que serían demasiado pesados para ser volado.

Tomemos un 747-400 en crucero de largo alcance con un motor CF6:

Velocidad de crucero 907 km/h = 251 m/s TSFC 17,1 g/(kN·s) = 17e-6 kg/Ns Entonces genera 251 J/sN y quema 17e-6 x 43,15e6J/kg = 733 J/s

Hago que la eficiencia del motor sea del 34%.

Eso es lo que golpea un turboventilador de derivación alta que se usa para cruceros subsónicos de larga distancia. Entonces, no es solo que estos motores fueran buenos para la época; siguen siendo de clase mundial.

pie · Answer 5

Creo que está viendo una diferencia aquí en el lugar donde se informa el SFC. Los motores del Concorde están optimizados para cruceros supersónicos, y allí se informa SFC. El luchador no solo está optimizado para crucero supersónico, por lo que no puede asumir que el valor SFC es para crucero. El YJ93 nunca tuvo mucho uso, y el único valor que puedo encontrar para SFC es el que se incluye en la pregunta, pero probablemente no esté en el crucero .

Compare los 33,8 g/(kNs) de los motores Concorde con otros motores similares, usando solo valores para crucero supersónico. El J-58 (SR-71) a Mach 3,2 fue de 53,8 g/(kNs) (húmedo), y el RD-36 (Tu-144) en crucero fue de 35 g/(kNs).

Sin embargo, ¿el SFC no suele disminuir con la velocidad?
SFC disminuye con la velocidad de escape del motor porque la energía contenida por el combustible se mantiene igual pero la energía cinética del escape aumenta con el cuadrado de su velocidad. Si la velocidad de escape permanece igual, es decir. era más alta de lo necesario para la velocidad anterior, el aumento de la velocidad del aire mejora la SFC. Pero si obtener la mayor velocidad del aire requiere aumentar la velocidad de escape, el SFC se reduce. (Un poco complejo de explicar en el comentario, espero que la idea, el vínculo entre la velocidad de escape, la velocidad del aire alcanzable y SFC sea clara).
@ user54609 El consumo de combustible específico de empuje y potencia disminuye con la velocidad, pero eso no es lo mismo que SFC.
¿Qué es SFC sino una forma abreviada de TSFC? Lo siento, soy un verdadero novato en los aviones.
Wikipedia: "El consumo de combustible específico de empuje (TSFC) o, a veces, simplemente el consumo de combustible específico, SFC, es un término de ingeniería que se usa para describir la eficiencia de combustible de un diseño de motor con respecto a la salida de empuje".

Felipe Johnson · Answer 6

No creo que fueran solo los motores los que permitieran el supercrucero (crucero supersónico sin recalentamiento). En Concorde, los motores se recalentaron para acelerar en vuelo nivelado de subsónico a supersónico. Una de las razones principales por las que el Concorde tenía mucho más alcance que el TU144 (que tenía que permanecer en recalentamiento para mantenerse supersónico) es el diseño del ala. El ala del Concorde evolucionó hacia una forma más compleja durante su desarrollo (creo que entre el primer prototipo y los Concordes de producción) específicamente por esta razón. Si miras al Concorde desde el frente, las puntas de las alas se deslizan hacia abajo. Consulte http://www.concordesst.com/wing.html para obtener más información. Incluso el gran Kelly Johnson no lo hizo de esta manera para el SR-71, que permanece en recalentamiento todo el tiempo que es supersónico.

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