ประสิทธิภาพในเครื่องยนต์กังหันก๊าซหรือเครื่องบิน

เครื่องยนต์อากาศยานสมัยใหม่ส่วนใหญ่เช่นที่แสดงด้านล่างที่นำมาจากWikipediaประกอบด้วยขั้นตอนการอัดหลายอย่างซึ่งถูกขับเคลื่อนโดยกังหัน (หรือหลาย ๆ ) และห้องเผาไหม้ในระหว่างเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของการไหล

โดยทั่วไปผู้ผลิตและนักออกแบบจะเน้นที่การเพิ่มอัตราส่วนการอัดรวมถึงอุณหภูมิการเผาไหม้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ

คำถามของฉันคือภายใต้สมมติฐานที่ทำให้เข้าใจง่ายเช่นแก๊สที่สมบูรณ์แบบไม่มีการสูญเสียพลังงานหรือแรงเสียดทานและอุณหภูมิและความเร็วคงที่ขาเข้า: ประสิทธิภาพของวัฏจักรอุณหพลศาสตร์นี้ประเมินอย่างไร เราจะหาปริมาณที่ได้จากประสิทธิภาพจากแรงดันหรืออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นได้อย่างไร?

กังหันก๊าซเป็นแบบจำลองโดยใช้วงจร Brayton ซึ่งในกรณีที่ง่ายที่สุดของ:

1. การบีบอัด Isentropic (ในคอมเพรสเซอร์)
2. การเพิ่มความร้อนด้วยแรงดันคงที่ (ห้องเผาไหม้)
3. การขยายตัวแบบ Isentropic (ในกังหัน)
4. การปฏิเสธความร้อนความดันคงที่

และเนื่องจากประสิทธิภาพถูกกำหนดเป็นงานเอาท์พุทสุทธิ / อินพุตความร้อนประสิทธิภาพสามารถเชื่อมโยงได้อย่างง่ายดายกับอุณหภูมิของสถานะรอบดังนี้:

กระบวนการ 1-2 และ 3-4 คือไอเซนโทรปิกและ P2 = P3 และ P4 = P1 ดังนั้น:

และในที่สุดประสิทธิภาพก็สามารถสัมพันธ์กับอัตราส่วนการบีบอัดได้ดังนี้:

อย่างไรก็ตามกังหันก๊าซส่วนใหญ่ไม่ทำงานในสภาพอุดมคติทางทฤษฎีอย่างง่าย ๆ เช่นการบีบอัดและการขยายตัวแบบไอเซนโทรปิกการเพิ่มความร้อนด้วยแรงดันคงที่การบีบอัดแบบขั้นตอนเดียวและการขยายแบบขั้นตอนเดียว และในกรณีเช่นนี้การสร้างแบบจำลองและการวิเคราะห์ประสิทธิภาพนั้นซับซ้อนกว่าวงจรอุดมคติ

ตัวย่อ:

• $w_{net}$ : งานเครือข่ายเชิงกลกำลังกังหันลบด้วยกำลังคอมเพรสเซอร์
• $q$ : ความร้อนการเติมหรือการปฏิเสธ = การเพิ่มความร้อนและ = การปฏิเสธความร้อน$q_{in}$$q_{out}$
• $k$ : อัตราส่วนความร้อนจำเพาะ$Cp/Cv$

สิ่งหนึ่งที่เพิ่มขึ้นของอัตราส่วนการบีบอัดที่ดีขึ้นคือมันจะเพิ่มความเร็วในการเผาไหม้และการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ลดเปอร์เซ็นต์ของเชื้อเพลิง / อนุภาคที่ไม่เผาไหม้ที่เกิดจากไอเสีย

การบีบอัดที่เพิ่มขึ้นยังช่วยให้อัตราส่วนการขยายตัวที่สูงขึ้นสำหรับกังหันไอเสียซึ่งจะเพิ่มพลังงาน คล้ายกับอัตราส่วนการบีบอัดที่มีผลต่อเครื่องยนต์ลูกสูบมาตรฐาน