сравнить кпд дизельного двигателя и турбореактивного двигателя

Когда говорят о сравнении КПД дизельного двигателя и турбореактивного, часто сразу лезут в теорию, цитируют учебники — мол, у дизеля на номинале до 50%, у реактивного в полёте под 40%, и на этом всё. Но в реальной эксплуатации цифры живут своей жизнью. Мне, например, приходилось сталкиваться с ситуациями, где турбореактивный двигатель на земле показывал такой провал в эффективности, что простая дизельная электростанция выглядела гением. И наоборот. Попробую изложить, как это выглядит не на графиках, а в железе и в отчётах по топливу.

Откуда вообще берутся эти проценты КПД

В теории всё чинно. КПД дизельного двигателя — это отношение полезной работы на валу к энергии сгоревшего топлива. Высокая степень сжатия, длительное горение — КПД хороший, особенно у низкооборотистых судовых или стационарных агрегатов. Но вот начинаешь смотреть на реальные данные с испытаний, которые мы, бывало, собирали для клиентов на стендах — и картина мутнеет. Зависимость от температуры всасываемого воздуха, от качества солярки (особенно нашей, отечественной, с её сезонными ?сюрпризами?), от состояния форсунок. Видел, как из-за одной неидеальной распылителя КПД проседал на 3-4 пункта. И это в идеальных стендовых условиях! А в жизни — ещё хуже.

С реактивными двигателями своя головная боль. Там КПД считается часто для крейсерского режима полёта. Красивые цифры — 35-40% и выше. Но это полётный КПД, который учитывает и скорость, и высоту. А попробуйте взять тот же двигатель в наземном режиме, для привода генератора или насоса — эффективность рухнет в разы. Тяга-то огромная, а полезной работы на валу — мизер, большая часть энергии уходит в выхлопную струю. Мы как-то рассматривали проект с приводом от списанного авиационного двигателя для энергоустановки — экономически абсолютно невыгодно получилось, хотя идея казалась блестящей.

И вот здесь важно понимать разницу в самом подходе. Дизель проектируется для работы в относительно узком диапазоне оборотов и нагрузок, где его КПД максимален. Реактивный двигатель — это аппарат для создания тяги в широком диапазоне скоростей и высот. Сравнивать их КПД ?в лоб? — всё равно что сравнивать скорость лодки и грузовика. Нужен контекст, нужна конкретная задача.

Практические сценарии и грабли, на которые наступали

Один из самых показательных кейсов из моей практики связан как раз с гибридными решениями. Был проект резервного энергоснабжения для удалённого объекта. Рассматривали два варианта: классическая дизельная электростанция и мобильная установка на базе турбовального двигателя (по сути, тот же турбореактивный двигатель, но с валом от свободной турбины). На бумаге у газотурбинного варианта были преимущества в удельной мощности и времени выхода на режим.

Но когда начали считать полный жизненный цикл, всё перевернулось. Для газовой турбины нужен был или магистральный газ (чего не было), или лёгкое топливо типа керосина. Его доставка в ту местность удорожала киловатт-час в разы. Дизель же спокойно работал на более дешёвой солярке. И главное — ремонтопригодность. Заменить ТНВД или вкладыши в полевых условиях — задача сложная, но решаемая. А вот с балансировкой ротора газовой турбины или заменой лопаток… Это уже история про заводской ремонт и месяцы простоя.

Ещё один момент, который часто упускают — работа на частичных нагрузках. Современный судовой дизель на 70% нагрузке может сохранять приличный КПД. А вот газотурбинная установка при той же частичной нагрузке начинает ?жрать? топливо несоразмерно больше. Видел графики потребления одной установки на базе Rolls-Royce Allison 250 — падение нагрузки с 100% до 50% увеличивало удельный расход на 30-40%. Для объекта с переменным графиком это убийственно.

Роль среды и назначения: почему авиация — это особый мир

Здесь нужно сделать отступление и признать очевидное: турбореактивные двигатели царят в небе не потому, что у них запредельный КПД в земном понимании, а потому, что они дают необходимую тягу при минимальном весе. Сравнение КПД в отрыве от весо-габаритных характеристик бессмысленно. Можно сделать дизель мощностью как реактивный двигатель, но его масса будет в десятки раз больше. Самолёт с таким агрегатом просто не взлетит.

Поэтому, когда я слышу разговоры о том, чтобы ?применить реактивные технологии в энергетике?, я всегда мысленно добавляю: ?только там, где критична компактность, а не топливная экономичность?. Например, в мобильных энергокомплексах для быстрого развёртывания или в качестве вспомогательных силовых установок (ВСУ) на самих летательных аппаратах. Там их недостаток в виде низкого КПД дизельного двигателя (вернее, его отсутствия в наземном понимании) компенсируется абсолютно другими требованиями.

Кстати, о ВСУ. Это отличный пример их узкой, но жизненно важной эффективности. На земле они обеспечивают самолёт энергией без запуска основных двигателей. Их КПД как тепловой машины — весьма посредственный, но их задача — не экономить топливо, а обеспечить автономность и безопасность. И с этой задачей они справляются блестяще, хотя с точки зрения теплотехника-энергетика их конструкция кажется расточительной.

Опыт коллег и нишевые решения

В этом контексте интересен опыт некоторых производителей, которые пытаются найти баланс. Я следил за деятельностью компании ООО Сиань Синьханъи Силовые Установки Технологии. На их сайте https://www.xhydl.ru можно увидеть, что они, имея собственную производственную базу площадью 10 000 квадратных метров в Сисяне, работают в сфере силовых установок. Из описания их деятельности видно, что они не зациклены на одной технологии. Такие компании часто идут по пути гибридизации или создания специализированных решений, где элементы разных циклов комбинируются для конкретной цели.

Например, есть разработки утилизации тепла выхлопных газов газовой турбины в паровой цикл (парогазовая установка). Такой комбинированный цикл уже может дать КПД на уровне 60% и выше, что недостижимо ни для одного дизеля. Но это стационарная, сложная и дорогая энергоустановка. Это уже не двигатель, а целая электростанция. И сравнение здесь смещается в другую плоскость.

Поэтому, возвращаясь к нашему сравнению КПД, стоит говорить не о том, какой двигатель ?лучше?, а о том, для какой цели мы его выбираем. Для буровой установки в Сибири, где нужна надёжность, ремонтопригодность и всеядность по топливу, дизель — король. Для привода нагнетателя на магистральном газопроводе, где есть бесплатный топливный газ и нужна непрерывная работа, — газовая турбина. Для полёта на скорости 900 км/ч — только реактивный двигатель.

Итоговые соображения: эффективность vs. пригодность

В заключение хочу сказать, что за годы работы я окончательно перестал воспринимать КПД как единственную священную цифру. Это важный, но не абсолютный показатель. Гораздо важнее полная стоимость владения, включающая стоимость топлива, ресурс, ремонтопригодность, инфраструктуру.

Был у нас случай, когда для нового логистического центра выбирали источник тепла и электроэнергии. Сравнивали когенерационную установку на газовой турбине и отдельно дизель-генератор и котёл. По КПД газотурбинная когенерация была вне конкуренции. Но когда посчитали стоимость подключения к газовой магистрали (она проходила в трёх километрах), необходимость в квалифицированном персонале и долгий срок окупаемости, выбор пал на дизельное решение. Его КПД дизельного двигателя был ниже, но общая экономика проекта — healthier.

Так что, отвечая на изначальный вопрос: сравнивать КПД этих двигателей можно, но только с жёсткой привязкой к условиям применения. В вакууме, на кончике пера, такое сравнение порождает больше мифов, чем даёт полезных ответов. Нужно смотреть на конкретную задачу, доступное топливо, требования к массе и габаритам, режим работы. Только тогда цифры из учебников обретают реальный смысл и помогают принять верное инженерное решение.