Wydajność turbiny gazowej lub silnika lotniczego

8

Większość współczesnych silników lotniczych, takich jak ten przedstawiony poniżej z Wikipedii , składa się z kilku stopni sprężarki, które są napędzane przez turbinę (lub kilka) oraz pomiędzy nimi komorę spalania, aby zwiększyć temperaturę przepływu.

Nowoczesny szkic Turbofan

Zasadniczo producenci i projektanci koncentrują się na zwiększaniu współczynników sprężania, a także temperatur spalania w celu zwiększenia wydajności.

Moje pytanie brzmi, przy uproszczeniu założeń, takich jak doskonały gaz, brak strat energii lub tarcia oraz stała temperatura i prędkość na wlocie: Jak ocenia się wydajność tego cyklu termodynamicznego? Jak można obliczyć przyrost wydajności ze wzrostu ciśnienia lub temperatury?

Nicolas
źródło
+1 Świetne pytanie. Nieco powiązane: jak wydajne są urządzenia do zmiany ciągu silnika odrzutowego?
Chris Mueller

Odpowiedzi:

5

Turbiny gazowe modeluje się w cyklu Braytona, który w najprostszym przypadku składa się z:

  1. Kompresja isentropowa (w kompresorze)
  2. Stałe ciśnienie dodawania ciepła (komora spalania)
  3. Ekspansja isentropowa (w turbinie)
  4. Odrzucanie ciepła przy stałym ciśnieniu wprowadź opis zdjęcia tutaj

A ponieważ wydajność jest definiowana jako praca wyjściowa netto / wkład ciepła, wydajność można łatwo powiązać z temperaturą stanów cyklu w następujący sposób:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Procesy 1-2 i 3-4 są izsentropowe, a P2 = P3 i P4 = P1. A zatem:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

I wreszcie wydajność można następnie powiązać ze współczynnikiem kompresji w następujący sposób:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Jednak większość turbin gazowych nie działa w tych prostych teoretycznych idealnych warunkach, takich jak kompresja i ekspansja isentropowa, dodawanie ciepła pod stałym ciśnieniem, kompresja jednostopniowa i ekspansja jednostopniowa. W takich przypadkach modelowanie i analiza wydajności są znacznie bardziej złożone niż cykl idealny.

Skróty:

  • wnmit: praca mechaniczna netto, moc turbiny minus moc sprężarki
  • q: ciepło, dodanie lub odrzucenie. qjan = dodatek ciepła i qout = odrzucenie ciepła
  • k: współczynnik ciepła właściwego dop/dov
Algo
źródło
czy mógłbyś szczegółowo opisać, co tak naprawdę oznaczają twoje notacje matematyczne? Na przykład, co oznacza k w ostatnim wyrażeniu? co to jest w lub q ?
Nicolas
@Nicolas zaktualizowany
Algo
1
@Nicolas Chciałbym polecić książkę Yunusa Cengela: Thermodynamics - An Engineering Approach, w której można znaleźć wiele wspaniałych szczegółów na temat cyklu brayton.
Algo
2

Jedną rzeczą, którą poprawiają zwiększone współczynniki sprężania, jest to, że zwiększy prędkość spalania i jego kompletność, zmniejszając procent niespalonego paliwa / cząstek wychodzących z układu wydechowego.

Zwiększone sprężanie pozwala również na wyższe współczynniki rozszerzalności turbiny wydechowej, co zwiększy moc. Jest to podobne do wpływu sprężania na standardowe silniki tłokowe.

Netduke
źródło
Dziękuję za fizyczny wgląd w to pytanie. Zastanawiałem się, czy istnieje „prosty” sposób kwantyfikacji tych korzyści.
Nicolas