Aby szybko wyjaśnić, musisz wiedzieć, że

• Ciąg to różnica między impulsem wejściowym powietrza wchodzącego do silnika a impulsem wyjściowym podgrzanej mieszanki paliwowo-powietrznej opuszczającej silnik. Impuls to masa razy prędkość wyrażona przez przepływ masowy $ \ dot m $ , ciąg T wynosi $$ T = \ dot m \ cdot (v_ {exit} - v_ {entry}) $$
• Impuls wyjściowy jest zwiększany przez przyspieszenie przepływu powietrza przez silnik, a przyspieszenie uzyskuje się przez podgrzanie powietrza .
• Każdy gram paliwa podgrzewa określoną masę powietrza o określoną liczbę stopni. Definicja zawartości energetycznej paliw jest podana jako zdolność do podgrzania jednego funta wody o jeden stopień Fahrenheita. Definicja jednej kalorii jest podobna, ale w jednostkach metrycznych. Ponieważ pojemność cieplna wody i powietrza jest prawie stała w umiarkowanych temperaturach, temperatura początkowa ma niewielki wpływ na bezwzględny wzrost temperatury po dodaniu określonej ilości energii.

Sprawność cieplna

Sprawność cieplna to stosunek między pracą mechaniczną pobraną w postaci ciągu a energią cieplną zużytą na ogrzewanie powietrza, na którą wpływa pośrednio wysokość lotu. Zobacz artykuł w Wikipedii dotyczący cyklu Carnota. Ten i podobne cykle opisują działanie wszystkich silników spalinowych w kategoriach termodynamicznych. Zasadniczo mówi się, że wydajność silnika spalinowego nie może być większa niż stosunek temperatur między wzrostem temperatury od otoczenia ( $ t_ {amb} $ ) do temperatury maksymalnej $ t_ {max} $ procesu podzielone przez maksymalną temperaturę. Wszystkie temperatury należy wyrazić jako temperatury całkowite, gdzie 0 ° oznacza 0 K lub -273,15 ° C. Praca w chłodniejszym powietrzu zwiększa współczynnik i poprawia wydajność. $$ \ eta_t = \ frac {t_ {max} - t_ {amb}} {t_ {max}} $$

Jeśli $ t_ {amb} $ wynosi 290 K (16,85 ° C lub 62 ° F), a paliwo podgrzewa powietrze do 1400 K (2060 ° F), sprawność cieplna zgodnie z powyższym wzorem wynosi 79,3%.

Na wysokości rejsu $ t_ {amb} $ wynosi tylko 220 K (-53,15 ° C lub -63,7 ° F), a ten sam przepływ paliwa w stosunku do przepływu powietrza podniesie maksymalną temperaturę tylko do 1320 K (w rzeczywistości nawet mniej; dokładniejsze rozumowanie patrz poniżej). Teraz sprawność cieplna wynosi 83,33%! Jeśli utrzymana zostanie maksymalna temperatura, wzrośnie zarówno siła ciągu, jak i sprawność cieplna; ta ostatnia do 84,3%.

W rzeczywistości całkowita sprawność będzie niższa, ponieważ nie uwzględniliśmy sprawności napędu, efektów tarcia ani poboru mocy przez upuszczane powietrze, pompy i generatory. Sprawność napędu opisuje , jak dobrze następuje przyspieszenie powietrza.

Ogrzewanie mieszanki paliwowo-powietrznej

Spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej doda energii cieplnej do to około 43 MJ na każdy kilogram nafty (zakładając całkowite spalanie). Izobaryczna pojemność cieplna lub ciepło właściwe powietrza (wystarczająco blisko, mieszanka ma bardzo mało paliwa, ale dużo powietrza w niej) wynosi 29 J na mol na K, więc te 43 MJ ogrzeją 1000 moli powietrza o 1483 K. Pojemność cieplna zmienia się nieznacznie wraz z wilgotnością i temperaturą, ale na tyle mało, że możemy ją w tym celu uznać za stałą. Jeśli powietrze zaczyna się od 220 K, to wstępne sprężanie na wlocie podgrzeje je do ok. 232 K, dalsza kompresja w silniku podgrzeje go do ok. 600 K, jeśli przyjmiemy stopień sprężania 25, a jest to temperatura na wejściu do komory spalania.

Te 1000 moli powietrza ważą około 29 kg, a dodanie pełnego kilograma paliwa i spalenie mieszanki podgrzeje ją do 2083 K. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o parametrach typowego odrzutowca silnik, zobacz diagram w tej odpowiedzi. Ponieważ mieszanka nabiera prędkości podczas spalania, masa paliwa jest również podgrzewana, a spalanie nigdy nie jest zakończone, maksymalna podana tutaj temperatura nie zostanie w rzeczywistości osiągnięta.

Jeśli zaczniemy na ziemi z powietrzem 290 K, temperatura na wlocie by nieznacznie spadła, ponieważ nie będziemy lecieć na tyle szybko, aby na wlocie wystąpił jakikolwiek wstępny kompres. Teraz kompresor podgrzeje powietrze do 730 K i ponownie dodanie i spalenie tego kilograma nafty podgrzeje 1000 moli powietrza do 2213 K. Idealnie.

W rzeczywistości układ sterowania silnika zobaczy, że limit temperatury nie są przekraczane, ale tutaj możemy bawić się liczbami, jak nam się podoba. Dokładne wartości z pewnością będą nieco inne (większe nagrzewanie tarciowe w sprężarce, utrata ciepła na zewnątrz, niewielkie odchylenie ciepła właściwego z temperaturą), ale istota wyjaśnienia jest poprawna.

Wyjaśnienie w języku laika warunki

Spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej podgrzewa ją i powoduje rozszerzanie się gazu. Dzieje się to przy prawie stałym ciśnieniu i przy ograniczonej objętości, więc jedynym sposobem na zrobienie miejsca na to rozszerzenie jest szybszy przepływ gazu. Niemal stałe ciśnienie oznacza, że ​​gęstość gazu musi się zmniejszyć. Stosunek gęstości pomiędzy ogrzanym i niespalonym gazem jest proporcjonalny do jego stosunku temperatury , mierzonego w temperaturze absolutnej.

Jednak ilość spalonego paliwa determinuje bezwzględny wzrost temperatury, czyli różnicę w stopniach pomiędzy spalonym gazem w komorze spalania a niespalonym gazem na wlocie. Dla danej ilości paliwa, stosunek temperatur , który można osiągnąć przy bezwzględnym wzroście temperatury, maleje im wyższa jest temperatura niespalonego gazu. Zatem wydajność spada wraz ze wzrostem temperatury powietrza dolotowego.

W przypadku silnika odrzutowego liczy się różnica ciśnień i temperatur między spalinami a atmosferą otoczenia. To rozszerzanie się i wysoka energia kinetyczna spalin wydostających się z silnika zapewnia ciąg (i hałas) strumienia (zauważ, że nie uwzględnia to części obejściowej turbofan).

Ciśnienie otoczenia to ciśnienie atmosferyczne, które na przykład na powierzchni wynosi około 1000 hPa, a podczas przelotu może wynosić 200 hPa lub mniej więcej jedną piątą ciśnienia na powierzchni. Temperatura na tej wysokości również zwykle wynosi około -50 ° C.

Ciśnienie spalin i temperatura są kontrolowane przez kilka rzeczy:

• Kompresja na stopniach sprężarki N2 - Zwiększa temperaturę i ciśnienie
• Gorąca sekcja - Znacznie podnosi temperaturę i ciśnienie
• Stopnie turbiny N1 / N2 - niewielki spadek temperatury / ciśnienia (praca wykonana przy przesuwaniu turbiny).

Ponieważ ciśnienie zewnętrzne spada w miarę wznoszenia się, aby utrzymać tę samą różnicę ciśnień w silniku, potrzebujemy mniej temperatury i ciśnienia w silniku, a jeden ze sposobów na to ma na celu zmniejszenie dopływu powietrza do silnika i dolewania do niego paliwa. Atmosfera dba o zmniejszenie przepływu powietrza (podczas rejsu jest go po prostu mniej, choć zależy to również od prędkości), a FADEC dba o regulację przepływu paliwa. Efektem netto jest mniej paliwa potrzebnego do wytworzenia takiej samej różnicy ciśnień, gdy powietrze na zewnątrz ma niższe ciśnienie, np. rejs wycieczkowy.

EDYCJA:

Niektóre inne odpowiedzi / komentarze odnoszą się do przepływu masowego przez strumień, a zwłaszcza przepływu masowego przez dyszę wydechową. Zgadzam się z tym, ale nie wspomniałem o tym bezpośrednio, ponieważ ten przepływ masowy jest ustawiany przez gradient ciśnienia w silniku. Powinienem również wyjaśnić, że ciśnienie na dyszy będzie równe lub bardzo zbliżone do ciśnienia atmosferycznego otoczenia i to gradient ciśnień między tym ciśnieniem otoczenia a tym w sekcji gorącej określa masowe natężenie przepływu z silnika.

Na koniec, aby odnieść się do komentarza dotyczącego współczynnika obejścia, zobacz komentarz Lnafziger. Silniki turbowentylatorowe w EMB-145 są podobne, ponieważ obejście zapewnia większy ciąg na poziomie morza niż rejs. Być może ma to związek ze zwiększoną oszczędnością paliwa podczas rejsu, ponieważ wentylator N1 wykonuje mniej pracy, a zatem turbina N1 pobiera mniej energii z silnika.

Działają lepiej na dużych wysokościach, po pierwsze dlatego, że powietrze jest chłodniejsze. Chłodne powietrze rozszerza się bardziej po ogrzaniu niż ciepłe. To ekspansja powietrza napędza silniki spalinowe.

Drugim powodem jest mała gęstość powietrza. Niska gęstość powoduje niski opór, dlatego samolot leci znacznie szybciej na dużej wysokości niż na małej wysokości, gdy ma taki sam ciąg. Przy tak dużej prędkości przepływ masowy przez silnik jest porównywalny z przepływem masowym przy małej prędkości w powietrzu o dużej gęstości (na małej wysokości). Ilość potrzebnej energii do podgrzania powietrza do temperatury spalin jest porównywalna na dużych i niskich wysokościach. Ale ponieważ samolot na dużej wysokości leci znacznie szybciej, ilość generowanej mocy jest większa $ (Moc = Ciąg \ times {Prędkość}) $ na wysokości.

Różnica w porównaniu z samolotami śmigłowymi polega na tym, że przy dużych prędkościach śmigło traci wydajność, a zatem dostępna moc zmniejsza się wraz z wysokością.

Podejście niezwiązane z matematyką:

Zastanówmy się, jak działa silnik odrzutowy i porównajmy loty na małej wysokości z lotami na dużej wysokości. Silnik pobiera powietrze z wlotu znajdującego się z przodu. Podczas wspinaczki powietrze staje się mniej gęste (w objętości jest mniej masy powietrza), więc musisz jechać trochę szybciej, aby masa powietrza wchodzącego przez wlot była taka sama w ciągu danej sekundy. W rzeczywistości uzyskasz taki sam masowy przepływ powietrza na dużych wysokościach, jak na małych wysokościach, ale w rzeczywistości podróżujesz szybciej.

Następnie sprężasz to powietrze, pamiętając, że gdy podróżujesz teraz szybciej wyżej, efekt taranowania pomoże ci wydostać się i skompresować część tego powietrza, po prostu „wbijając” w nie silniki wysoka prędkość. Kiedy go ściskasz, przekazujesz go do komory spalania, gdzie spala się. Ten etap spalania jest taki sam zarówno na dużych, jak i na niskich wysokościach, chociaż fakt, że na większych wysokościach powietrze jest zimniejsze, w rzeczywistości trochę pomaga, ponieważ możemy spalić więcej paliwa bez osiągania niebezpiecznych temperatur, więc to miło.

Po spaleniu powietrze przepływa przez turbinę, a następnie jest wyrzucane z tyłu. Teraz sprawa trochę się komplikuje: widzisz, bardziej wydajne jest przyspieszenie dużej ilości powietrza (masy) trochę (małe dv), niż przyspieszenie odrobiny powietrza (mała masa) do bardzo dużej prędkości ( dv). To z kolei oznacza, że ​​im szybciej porusza się samolot, tym lepsza jest wydajność napędu odrzutowego. Więc kiedy się wspinasz, idziesz szybciej, a przepływ uzyskuje lepszą wydajność, a niższe ciśnienie powietrza za tobą oznacza, że ​​jest mniejsza siła przeciwdziałająca odpływowi.

Więc co mamy w przypadku niskiego i wysokiego lot:

Taka sama ilość wlotu powietrza, taka sama ilość spalania, taka sama ilość paliwa, lepszy napęd odrzutowy na większych wysokościach i lepsza prędkość na większych wysokościach. Po prostu dostajesz więcej grzywny za swoje pieniądze na większej wysokości.

Aby uzyskać podejście matematyczne:

Wydajność silnika odrzutowego (turbiny gazowej)

Dzieje się tak, ponieważ powietrze jest chłodniejsze i mniej gęste, co oznacza, że ​​na większych wysokościach jest mniej mieszanki paliwowo-powietrznej, co zapewnia lepszą oszczędność paliwa

Im wyższa wysokość, tym cieńsza atmosfera oznacza mniejszy opór powietrza lub opór powietrza na samolocie, więc do pchania samolotu potrzeba mniejszego ciągu silnika. To szczęście, ponieważ silnik traci ciąg wraz z wysokością prawie w tym samym tempie, ponieważ ponieważ do silnika dociera mniej powietrza, układ paliwowy musi zmniejszyć ilość paliwa, aby utrzymać prawidłowy stosunek powietrza do paliwa, aby wspierać spalanie i utrzymywać silnik w stanie włączonym. To sytuacja, w której można wygrać.

Silnik samolotu pasażerskiego zaprojektowano tak, aby był jak najbardziej wydajny podczas podróży obejmującej start, wznoszenie i przez większość czasu na wysokości od 35000 do 40000 stóp, gdzie ciśnienie powietrza wynosi około 1/4 do 1/5 z poziomu gruntu. Silnik ma kilka dodatkowych stopni sprężania, aby pracować wydajnie podczas normalnego lotu kosztem przegrzania, jeśli leci przez długi czas z pełną mocą w pobliżu poziomu gruntu z powodu zbyt dużego kompresji na wlocie. Poszukaj wtrysku wody, aby znaleźć ciekawy sposób na przyspieszenie startu w silniku 707 na średniej wysokości.

Myślę, że większość myśli po prostu za dużo. Najłatwiejszą i prawdopodobnie najpełniejszą odpowiedzią jest opór (lub tarcie). Powietrze na dużych wysokościach jest mniej gęste, co ułatwia przejście. Zawartość tlenu na dużych wysokościach jest dokładnie taka sama jak na poziomie morza. Podczas gdy powietrze na górze jest tym samym powietrzem, którym oddychamy, jest go mniej w pojemniku o tej samej objętości. Pojazdy kosmiczne nie mają silników odrzutowych. Aby obrócić się lub wykonać jakikolwiek ruch, w rzeczywistości mają „dysze” w różnych miejscach wokół promu. „Jets” w tym przypadku nie są silnikami odrzutowymi, są to po prostu małe dysze, przez które wydostają się sprężone gazy. Pamiętaj, że przy zerowym powietrzu nie ma oporu dla ruchu, pamiętaj o prawach Newtona: każda akcja ma równą odwrotną reakcję.

Jak wiesz, wraz ze wzrostem wysokości ciśnienie i temperatura, oba spadają do stratosfery, po czym temperatura pozostaje stała, spadek ciśnienia utrzymuje się, więc zmniejsza się gęstość powietrza, więc powoduje to mniejszy opór podczas lotu samolotu z dużą prędkością, ta strata ciśnienia jest przezwyciężana przez wzrost ciśnienia tłoka na wlocie do silnika i samolotu wymagało mniejszej mocy, aby poruszać się szybciej na wysokości 36000 stóp do 40000 stóp powyżej większej mocy; pełny silnik wymagany do szybszej pracy, aby końcówka łopaty nie blokowała się.

Nie jestem nawet blisko eksperta. Ale oto jest.

Powietrze jak woda jest gęste. Łodzie podwodne są wolniejsze niż łodzie. Odrzutowce są szybsze niż łodzie. Samochody są szybsze niż łodzie.

Przestrzeń nie ma tarcia, ponieważ nie ma znaczenia. Ale myślę, że odrzutowce nadal działają w kosmosie. Oczywiście, że potrzebują tlenu. Podobnie jak Superman nie potrzebuje tarcia o ziemię, aby biegać szybko, podczas gdy inni superbohaterowie tak robią. Dlatego uważam za nierealne, jak superbohaterowie, którzy potrzebują tarcia o podłoże, są w stanie biegać tak szybko i wykonywać ostre zakręty, nie powodując poważnych uszkodzeń podłóg.

Zgaduję, że ponieważ powietrze jest mniej gęsty wyżej, tym łatwiej jest przez nie przejść. Odrzutowce nie zależą od tarcia, jak robią to śmigła. Superman nie potrzebuje tarcia jak Flash Gordon czy Wonder Woman. Więc w kosmosie Wonder Woman byłaby bezradna, ponieważ jej śmigła nie działają, podczas gdy odrzutowce Supermana będą działały dobrze.

Oczywiście odrzutowiec potrzebuje tlenu. Więc nie jestem pewien, jak to wszystko działa.

I coś, o czym nie pomyślałem, było wspomniane w innym poście. Dźwięk potrzebuje powietrza. Więc tak. Dźwięk może zwiększyć tarcie.