¿Son los turbohélices más eficientes que los motores de pistón (empuje por consumo de combustible)?

No, los motores de pistón son más eficientes.

Su salida se da en kilovatios o HP porque esto no cambia mucho con la velocidad, a diferencia del empuje de una hélice. Al hacer funcionar un motor de pistón varias veces en un soporte de dinamómetro, puede obtener números razonables que son válidos en todo el rango operativo. Si desea caracterizarlos por su empuje, deberá observar una combinación de motor y hélice a una velocidad particular, lo que no es muy útil.

Ahora pides especificaciones de motores contemporáneos. Lo curioso es que la eficiencia de los motores de pistón de aviación no ha cambiado mucho en las últimas décadas. Si asume 250 g de combustible por kWh a plena potencia para motores de gasolina, esta cifra ya es válida para buenos motores de la era de la Segunda Guerra Mundial como el Jumo 213 A que funcionaba con gasolina de 87 octanos. El bajo índice de octanaje restringió la compresión a 6,93:1, mientras que el mayor octanaje de los AVGAS contemporáneos permite una relación de compresión de 8,5:1 en motores como el Lycoming O-360 , que consume 280 g de combustible por kWh. Agregar inyección de combustible permitió a Lycoming reducir el consumo de combustible a 240 g por kWh en el IO-390 , que se utilizó por primera vez en 2002.

Los motores diésel son aún más eficientes; normalmente consumen 220 g por kWh. Este bajo valor ya era posible con el venerable Jumo 205 de la década de 1930 que consumía solo 213 g por kWh a su velocidad más eficiente. Los aerodiésel modernos funcionan con una eficiencia similar: la gama de motores Thielert que ha adquirido Continental consume 220 g por kWh .

Incluso los mejores turbohélices rara vez alcanzan menos de 300 g por kWh. La versión más moderna del venerable Pratt&Whitney PT6 consume 308 g por kWh, y solo los desarrollos más recientes pueden cerrar la brecha con los motores de pistón. El Progress D27 reclama un consumo específico de combustible de 231 g por kWh mientras que el Europrop TP400 uno de 237 g por kWh. Tenga en cuenta que aquí el empuje restante del escape se ha convertido en una potencia nominal equivalente para lograr valores tan buenos.

No existe un motor de turbina pequeño que tenga el consumo específico de combustible (Lbs/Hp?Hr o Gramos/Kw/Hr) de un motor de avión de gasolina o diésel. Las turbinas son livianas (lbs/Hp o KG/Kw) pero queman considerablemente más combustible. Las turbinas también son extremadamente suaves, casi sin vibraciones. Pero en cuanto a la eficiencia, incluso nuestros pequeños motores de pistón de aviación de tecnología antigua, las turbinas simplemente no son muy buenas.

Normalmente, cuanto más pequeña es la turbina, peor es el consumo específico de combustible. Entonces, la familia Allison, ahora Rolls, C250, es terrible, a veces obtiene 0.8 lbs/Hp/Hr en configuración de crucero bajo. Las grandes turbinas, como la AE2100, pueden bajar a 0,4, pero estos motores tienen una potencia nominal de 5.000 hp, demasiado grandes para aviones ligeros.

Un aspecto particularmente problemático del consumo de combustible específico de la turbina es que es peor en configuraciones de potencia más bajas. Esta es una de las razones por las que la mayoría de los aviones de turbina tienden a volar lo más alto posible, porque a gran altura están mucho más cerca de la potencia máxima para lograr la mejor eficiencia aerodinámica. Los motores de pistón tienden a lograr su mejor consumo de combustible específico en configuraciones de potencia relativamente bajas, por lo que volar bajo y lento no daña el alcance tanto como en un avión de turbina.

Con la entrada en uso de varios motores diesel nuevos para aeronaves, la eficiencia de los motores aeronáuticos de pistón ha mejorado mucho. Algunos de estos motores diesel tienen un consumo de combustible específico en el rango de 0,35 lb/Hp/Hr, mejor incluso que las turbinas de aviones grandes más eficientes, y cerca de la mitad de un turbohélice pequeño en crucero bajo.

El gráfico anterior es de Torenbeek, Synthesis of Subsonic Airplane Design:

La Fig. 4-1 muestra la cantidad de combustible utilizado por hora por algunos ejemplos representativos en las categorías mencionadas anteriormente, las cifras son para vuelo de crucero a un empuje dado que es igual a la resistencia.

El gráfico muestra que los motores turbohélice tienen un consumo de combustible ligeramente mayor que los motores de pistón, que en el momento de la publicación del libro eran exclusivamente motores avgas. El gráfico muestra el estado del arte de hace 40 años.

Las turbinas no son tan eficientes como los molinos de pistón, pero la diferencia no es tanta como podría pensarse si considera el rendimiento mejorado. A una altitud óptima, el Meridian [turbohélice] quema alrededor de 31 gph en comparación con los 20 gph del Mirage [pistón], aproximadamente un 50 % más. Esto se debe a que los motores de pistón son más eficientes y ofrecen un menor consumo específico de combustible (0,43 lb/hp/hr) en comparación con las turbinas (0,58 lb/shp/hr).

Fuente: planeandpilotmag.com

Entonces, para los criterios de consumo de combustible, un motor de pistón es más eficiente. Pero un turbopropulsor puede volar más rápido, es decir, llegar allí con menos combustible.

Si desea calificar un motor por el empuje que produce, debe conocer la eficiencia de la hélice en los criterios dados para su prueba. Tanto el rendimiento del motor como el rendimiento del empuje cambian con la altitud y la velocidad. Solo un motor a reacción o un motor turboventilador debe clasificarse por empuje, e incluso entonces, cambia con la altitud y la velocidad. No acepte números de libros por eficiencia de utilería, porque cambia en todo el mapa.

Fui y analicé cuánto combustible se quema para crear un hp en el Lycoming 720 frente al pt6 y el motor de pistón resultó ser entre un 7 y un 8 por ciento más eficiente que el turbohélice.

Pt6 aproximadamente 088-.089 galones por HP por hora Lycoming 720 aproximadamente. 081-.082 galones por HP por hora