КПД в газотурбинном или авиационном двигателе

Большинство современных авиационных двигателей, таких как изображенный ниже, взятый из Википедии , состоят из нескольких ступеней компрессора, которые приводятся в действие турбиной (или несколькими) и промежуточной камерой сгорания, чтобы повысить температуру потока.

В целом, производители и дизайнеры фокусируются на повышении коэффициента сжатия, а также температуры сгорания для повышения эффективности.

Мой вопрос заключается в том, что при упрощенных допущениях, таких как идеальный газ, отсутствие потерь энергии или трения, а также постоянная температура и скорость на входе: как оценивается эффективность этого термодинамического цикла? Как можно количественно оценить выигрыш в эффективности от повышения давления или температуры?

Газовые турбины моделируются с использованием цикла Брайтона, который в простейшем случае состоит из:

1. Изоэнтропическое сжатие (в компрессоре)
2. Добавление тепла при постоянном давлении (камера сгорания)
3. Изентропное расширение (в турбине)
4. Отвод тепла при постоянном давлении

А поскольку эффективность определяется как Чистая выходная работа / Потребление тепла, Эффективность может быть легко связана с температурой состояний цикла следующим образом:

Процессы 1-2 и 3-4 являются изоэнтропическими, и P2 = P3 и P4 = P1. Таким образом:

И, наконец, эффективность может быть связана с степенью сжатия следующим образом:

Однако большинство газовых турбин не работают в таких простых теоретических идеальных условиях, как изэнтропическое сжатие и расширение, добавление тепла при постоянном давлении, одноступенчатое сжатие и одноступенчатое расширение. И в таких случаях моделирование и анализ эффективности гораздо сложнее, чем идеальный цикл.

Сокращения:

• $w_{net}$: механическая чистая работа, мощность турбины минус мощность компрессора
• $q$: тепло, добавление или отклонение. $q_{in}$ = добавление тепла и $q_{out}$ = отвод тепла
• $k$: удельная теплоемкость $Cp/Cv$

Усовершенствованные коэффициенты сжатия улучшаются тем, что они увеличивают скорость и полноту сгорания, уменьшая процент несгоревшего топлива / частиц, выходящих из выхлопных газов.

Повышенное сжатие также обеспечивает более высокие коэффициенты расширения для выхлопной турбины, что увеличивает мощность. Это похоже на то, как коэффициенты сжатия влияют на стандартные поршневые двигатели.