Consumo de combustible de las aeronaves: más de 10 conceptos y hechos importantes

Consumo de combustible de la aeronave

Fuente de imagen: Eric SalardBombardier, BD-500 CSeries CS300, C-FFDK - SIAE 2015 (18887460245)CC BY-SA 2.0

El tema de discusión: Consumo de combustible de las aeronaves, sus conceptos y hechos relacionados

Consumo de combustible de la aeronave

En general, el combustible es un material que se quema para producir energía o calor. Combustible es un término que se utiliza en la aviación para referirse al queroseno, que se utiliza para impulsar los motores de los aviones. La cantidad de combustible quemado durante un vuelo se conoce como consumo de combustible de la aeronave, aunque los procesos de reservas no se incluyen en el consumo de combustible de este proyecto. La diferencia de masa entre los pesos de despegue y aterrizaje de la aeronave es igual al peso del combustible de la aeronave.

Primero, aprendamos brevemente sobre el combustible para aviones.

Combustible para aviones | Combustible de aviación

Hay algunos tipos diferentes de combustible para aviones que se emplean. Jet A y Jet A-1 son combustibles a base de queroseno que son incoloros y fácilmente inflamables y se utilizan en aviones con motor de turbina. Otra forma de combustible es la gasolina de aviación (AVGAS), que solo se utiliza en pequeños aviones con motor de pistón. Los aviones grandes utilizan combustibles a base de queroseno porque el queroseno tiene un punto de inflamación más alto que la gasolina. La gasolina es ineficiente y no proporciona la misma cantidad de electricidad que el queroseno. El precio nacional promedio del combustible Jet-A es de $ 4.42 por galón en mayo de 2021, aunque los precios fluctúan con frecuencia dependiendo de varios factores.

Este artículo se centra en el cálculo del uso de combustible de las aeronaves para exponer el secreto mejor escondido de la aviación comercial actual. El uso de combustible de la aeronave por pasajero y los 100 kilómetros volados disminuye rápidamente a medida que aumenta el rango hasta que alcanza un nivel casi constante alrededor del rango promedio. El consumo de combustible aumenta drásticamente a mayores rangos cuando se requiere reducción de carga.

Influencia del alcance y la carga útil en el consumo de combustible de la aeronave por milla náutica

Consumo de combustible específico de la aeronave

El consumo de combustible se muestra en la tabla de rendimiento del motor como un caudal de combustible / hora y el consumo de combustible se indica como consumo de combustible específico en el proceso de ingeniería (SFC). Su definición es la siguiente:

SFC = \ frac {Combustible \, flujo \, tasa \, en \, Newton \, por \, hora} {BHP \, en \, kW}.

La salida de un motor de pistón o turbohélice se puede obtener como potencia en la posición del eje del motor. Cuando se utiliza el sistema FPS, se denomina BHP y se mide en HP, para la medida de la unidad SI se utiliza kW. El empuje producido por un turborreactor o turborreactor, por otro lado, se mide en 'libras'. en el sistema FPS y Newton en unidades SI.

El consumo de combustible específico de un motor a reacción se define de la siguiente manera:

SFC = \ frac {Combustible \, flujo \, velocidad \, en \, Newton \, por \, hora} {Empuje \, en \, Newton}

Recordemos qué es el empuje y comprendamos qué papel juega en la eficiencia del consumo de combustible de los aviones.

La fuerza que impulsa el avión a través del aire se conoce como empuje, es la fuerza que permite que el avión vuele superando la resistencia. Debido a que el empuje es igual a la resistencia en vuelo de crucero, la aeronave no acelera. El empuje se genera al acelerar las masas de gas en los motores que respiran aire. Según Newton 3rdSegún la ley, la fuerza se genera en la dirección inversa de las direcciones de aceleración. Se quema combustible en la cámara de combustión y se agrega calor al gas. El gas se expande y acelera a medida que sale por la parte trasera del motor, impulsando el avión hacia adelante.

¿Cómo calcular el consumo de combustible de una aeronave?

Aeronaves de hélice de consumo específico de combustible

La hélice transforma la potencia del motor en empuje. Puede tener de 2 a 4 hojas, según la potencia del motor y las condiciones de funcionamiento. Cuando es necesario, también se utiliza una hélice especializada con palas de 5/6 para algunas aplicaciones.

El consumo específico de combustible de un motor a reacción se conoce como BSFC y se indica de la siguiente manera para distinguir el consumo particular de combustible de un motor de pistón o turbohélice del de un motor a reacción.

BSFC = \ frac {Combustible \, flujo \, tasa \, en \, Newton \, por \, hora} {BHP \, en \, kW} ; con unidad de N / kW-h.

BSFC a menudo se expresa en términos métricos como mg / Ws.

Consumo de combustible específico del freno (BSFC) | Consumo de combustible específico de energía (PSFC)

La eficiencia de combustible de cualquier motor primario que quema combustible y proporciona potencia de rotación o de eje se mide mediante BSFC, que se utiliza para analizar la eficiencia de un motor IC con ejes o / p. Esto se calcula dividiendo la tasa de consumo de combustible por la cantidad de energía producida. Por esta razón, también se conoce como consumo de combustible de potencia específica. El consumo de combustible específico del freno se puede emplear para el análisis directo o estudios comparativos de la eficiencia del combustible de varios motores en las industrias.

Consumo de combustible de aviones a reacción

Los sistemas de propulsión por respiración de aire, conocidos como motores a reacción, se utilizan para impulsar y propulsar aviones. Un compresor comprime el aire y se suministra calor a la cámara de combustión antes de que el aire salga a través de una turbina que impulsa el compresor. El exceso de energía se convierte en empuje. El ciclo de Brayton es el principio termodinámico.

La turbina también impulsa las aspas del ventilador en los motores turbofan, acelerando las masas de aire circundantes que evitan el motor. La relación de derivación es la relación de masas de aire que pasan por el motor en comparación con la masa de aire que pasa a través de él, dado que los motores de relación de derivación alta resultan ser más eficientes en combustible, serán cada vez más populares en el futuro.

El consumo de combustible específico de empuje se refiere al consumo de combustible específico de un motor turborreactor o turborreactor.

BSFC = \ frac {Combustible \, flujo \, velocidad \, en \, Newton \, por \, hora} {Empuje \, en \, Newton}.

Tener unidad en hr-1 .

Consumo de combustible específico de empuje (TSFC)

La economía de combustible de un diseño de motor en términos de potencia de empuje se conoce como consumo de combustible específico de empuje (TSFC).

Debido a que la masa de combustible no se ve afectada por la temperatura, se utiliza en lugar del volumen (galones o litros) para la medición del combustible. Con la máxima eficiencia, el SFC de los motores a reacción de aire es aproximadamente proporcional a la velocidad de agotamiento.

Características TSFC de los motores de avión típicos (Mattingly 1996, p.29)

Efecto de la altitud en TSFC

La temperatura del aire disminuye con la altitud hasta llegar a la capa de tropo-pausa y la diferencia de temperatura entre las temperaturas internas máximas (limitadas por el material del motor) y la temperatura del aire exterior beneficia a los motores a reacción. Como resultado, la eficiencia del motor a reacción aumentará con la altitud hasta que alcance la capa de tropo-pausa y, como resultado, se predice una disminución en la TSFC aumentando la altitud. La evaluación de la literatura, sin embargo, no reflejó esto.

Además, debido a que los aviones de transporte a reacción a menudo vuelan en la estratosfera, donde la temperatura permanece constante con la altitud, se esperan fluctuaciones menores en la TSFC con la altura en la estratosfera donde vuelan estos aviones.

Efecto de la velocidad en TSFC

La velocidad de vuelo también es un factor importante para los motores a reacción. La velocidad de escape del avión se ve contrarrestada por la velocidad de vuelo del aire. Además, la potencia mecánica es fuerza multiplicada por velocidad porque el trabajo es fuerza (es decir, empuje) multiplicado por la distancia.

Aunque el SFC nominal es una de las métricas útiles de la eficiencia del combustible, esto debe dividirse por la velocidad si se comparan varios motores de velocidad y la velocidad de rango máxima se logra con una eficiencia de propulsión constante cuando la relación entre la velocidad y la resistencia es baja, mientras que se logra la resistencia máxima. con la mejor relación elevación-arrastre.

Consumo de combustible de las aeronaves por hora | Tasa de consumo de combustible de la aeronave

El consumo de combustible es de aproximadamente 3 a 4 litros por pasajero cada 100 kilómetros, lo que lo convierte en el gasto más caro de la aerolínea (representa alrededor del 30 por ciento de los costos totales). Como resultado, uno de los desafíos más críticos en la gestión de las aerolíneas es la cantidad de combustible por pasajero que consume un avión. Para empezar, los muchos indicadores que se utilizan para cuantificar la eficiencia del combustible para el transporte a menudo se comparan con las métricas de "producción" de la industria. Al comparar la producción de una aerolínea con la cantidad de combustible quemado, se puede determinar la eficiencia del combustible.

Indicador de la industria

El negocio convencional de las aerolíneas es transportar personas del punto A al punto B. El número de asientos (o pasajeros) transportados multiplicado por la distancia es una indicación tradicional de productividad. Echemos un vistazo a algunos ejemplos de estos indicadores con más profundidad.

Fórmula de consumo de combustible de la aeronave

  1. Ingresos Pasajeros km (RPK). / Pasajero Kilómetro realizado. (PKP): El pasajero de ingresos gana una compensación de la aerolínea y 1- RPK representa el transporte de una persona en una distancia de 1 km.
  2. Kilómetro de asiento disponible (ASK): Un ASK equivale a un asiento volado por kilómetro.
  3. Factor de carga de pasajeros (PLF): PLF equivale a la fracción de RPK y ASK.
  4. Tonelada de pasajeros por kilómetros: Entendamos esto usando la referencia a continuación.
  5. Flete toneladas kilómetros: Entendamos esto usando la referencia a continuación.

De 1968 a 2014, el consumo promedio de combustible de los aviones nuevos disminuyó en un 45 por ciento, una caída anual compuesta del 1.3 por ciento con una tasa de reducción variada. En 2018, las emisiones de CO2 del transporte de pasajeros fueron de 747 millones de toneladas, lo que equivale a 8.5 billones de kilómetros por pasajero (RPK), o un promedio de 88 gramos de CO2 por RPK. Un CO2 / km de 88 g corresponde a 28 g de gasolina por kilómetro o un consumo de combustible de 3.5 L / 100 km (67 mpg-EE. UU.).

Cada segundo, un Boeing 747 consume alrededor de 1 galón de combustible (unos 4 litros). Puede consumir 36,000 galones de combustible durante el transcurso de un viaje de 10 horas (150,000 litros). Según el sitio web de Boeing, el 747 consume alrededor de 5 galones de combustible por milla (12 litros por kilómetro).

Considere que un 747 puede transportar hasta 568 pasajeros. Llamémoslo 500 personas para dar cuenta del hecho de que la mayoría de los aviones no tienen todos sus asientos ocupados. Un 747 usa 5 galones de combustible para transportar 500 personas por 1 milla. Dado que el 747 vuela a 550 millas por hora (900 km / h), el avión usa 0.01 galones por persona cada milla. Como resultado, el Boeing 747 suele consumir alrededor de 4 lt / seg, o 240 lt / min y 14,400 lt / hr y, por ejemplo, esto podría consumir 187,200 lt / 13 h para viajar desde Tokio a la ciudad de Nueva York.

Tabla de consumo de combustible de las aeronaves | Comparación del consumo de combustible de las aeronaves

Tipo de aerolíneaLitros por cada 100 pasajeros-kilómetro
Aeronaves de bajo costo3.18
Aviones Regionales3.469
Aviones charter4.47
Aeronave portadora de bandera3.405
Tabla de consumo de combustible de aeronaves

Las aerolíneas de bajo costo tienen el mejor desempeño en términos de litros por cada 100 kilómetros por pasajero. Por lo general, debido a que el vehículo de bajo costo es uno de los mejores en términos de tasa de llenado, utilizan la menor cantidad de combustible por pasajero.

Por ejemplo, suponga que suponemos una aerolínea que realiza un vuelo de media distancia de 2 horas con un avión de fuselaje estrecho de 200 asientos. En ese caso, la eficiencia es de aproximadamente 3.5 litros cada 100 kilómetros con una relación de carga del 80%, pero 3.15 litros cada 100 kilómetros con un factor de carga del 90%. La medida de litros por cada 100 km por pasajero no es la más adecuada para medir la eficiencia del combustible ya que, como se dijo anteriormente, la fig. se ve afectado por el factor de carga.

La cantidad de millas que puede recorrer un avión con un galón de combustible se conoce como economía de combustible. Esto se menciona con frecuencia en los debates sobre el calentamiento global y los objetivos a largo plazo de mantener el calentamiento promedio por debajo de 2 ° C. Para cumplir con este objetivo, las emisiones de todos los sectores deben reducirse drásticamente y el número de asientos disponibles en los aviones ha aumentado en más del 25% en los últimos 20 años, y se espera que la demanda aumente a una tasa de aproximadamente un 5% cada año. .

Tabla de consumo de combustible de la aeronave

consumo de combustible de aviones
Cuadro de consumo de combustible de aeronaves; Fuente de imagen: IEA

¿Qué cambios hacen los aviones modernos para reducir el consumo de combustible?

Se prevé que la flota mundial aumente en 20,930 aviones para 2032, con lo que el número total de aviones llegará a casi 40,000. Según las estimaciones, la demanda de combustible de aviación se espera que el consumo de combustible de la aviación aumente entre un 1.9% y un 2.6% cada año hasta el 2025. La ausencia de un sistema de mitigación adicional, el desarrollo planificado de la industria de la aviación podría llevar su proporción de emisiones globales al 22%. para el 2050. El mundo de la aviación actual está buscando tecnologías, diseños y materiales innovadores que puedan aumentar la eficiencia del combustible a largo plazo. Mediante la mejora del motor, el aumento de las características aerodinámicas y el uso de materiales más ligeros, los aviones emiten menos dióxido de carbono.

Aletas:

Winglets es un pequeño dispositivo que, conectado a las puntas de las alas, se utiliza para mejorar la eficiencia aerodinámica de un ala creando un empuje adicional a través del flujo alrededor de la punta del ala. Tienen el potencial de mejorar el rendimiento de los aviones entre un 10% y un 15%. Un ala-ala colocada en un ángulo modesto con el viento que viene y rodeada por una corriente arremolinada crea "sustentación" en el ala-ala, que se coordina internamente a lo largo del ala y hacia adelante. Finalmente, pueden reducir las emisiones en un 6% al reducir la resistencia.

¿Por qué los aviones de alas mixtas consumen menos combustible?

El tablero de alas mixtas de Boeing (BWB) con un fuselaje ancho combinado con alas de alta relación de aspecto es aerodinámicamente más eficiente porque todo el avión contribuye a la generación de sustentación y tiene menos área de superficie. Induce menor resistencia y reduce el peso debido a la menor carga del ala.

Fuente de la imagen: NASA / The Boeing Company, Concepto de cuerpo de ala combinada avanzada de Boeing 2011 (recortado), marcado como dominio público, más detalles sobre Wikimedia Commons

Para la posición suprarregional 110-130, Dzyne Technologies reduce el grosor del cuerpo del ala mezclado, generalmente demasiado grueso para una sustitución de cuerpo delgado y más adecuado para aviones grandes, colocando el avión en las raíces del ala, lo que permite que el avión se alimente. el consumo se reducirá en un 20%.

Sistema de navegación flexible

Sustituyendo el actual sistema de navegación del avión con una mejora en tiempo real, la aeronave podría enfrentar circunstancias climáticas desfavorables como tormentas, vientos fuertes y otras situaciones peligrosas mientras mejora el desempeño de condiciones climáticas favorables y, según diferentes estudios, empleando un sistema de navegación flexible. may ahorra alrededor de 1.4 toneladas de CO2 por vuelo.

Operación de ascenso continuo | Operación de descenso continuo

Las tácticas de trabajo incluyen la operación continua de ascenso y descenso (CCO y CDO), permiten que los aviones sigan una ruta de vuelo flexible y óptima que proporciona importantes beneficios ambientales y de costos. Estos incluyen la reducción del consumo de combustible de los aviones, las emisiones de gases de efecto invernadero, el ruido y los gastos de combustible, todos los cuales influyen negativamente en el bienestar humano.

¿Qué es Double D8?

Doble D8

En 2008, Aurora Flight Science, MIT y Pratt & Whitney han declarado que están trabajando en una conceptualización de diseño para aviones comerciales titulada DoubleD8 (no tienen un motor debajo de las alas) en un proyecto de NASA-N + 3. En este concepto, los diseñadores han optado por colocar el motor hacia la cola en la parte superior del cuerpo del avión.

Fuente de la imagen: NASA / MIT / Aurora Flight Sciences, MIT y Aurora D8 concepto de avión de pasajeros de fuselaje ancho 2010, marcado como dominio público, más detalles sobre Wikimedia Commons

Esta modificación minimiza la resistencia y mejora la eficiencia del combustible al reducir las emisiones hasta en un 66% durante 20 años. También utilizará un 37% menos de combustible que los aviones de pasajeros, reducirá el ruido de la comunidad en un 50% y reducirá las emisiones de óxido de nitrógeno en un 87% durante el ciclo de aterrizaje y despegue.

Obtenga más información sobre los sistemas de almacenamiento de combustible de aeronaves en artículos anteriores aquí.

Sobre Esha Chakraborty

Tengo experiencia en Ingeniería Aeroespacial, actualmente trabajando en la aplicación de la Robótica en la Defensa y la Industria de las Ciencias Espaciales. Soy un aprendiz continuo y mi pasión por las artes creativas me mantiene inclinado hacia el diseño de conceptos novedosos de ingeniería.
Con los robots sustituyendo casi todas las acciones humanas en el futuro, me gusta llevar a mis lectores los aspectos fundamentales del tema de una manera fácil pero informativa. También me gusta mantenerme actualizado con los avances en la industria aeroespacial simultáneamente.

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