Effizienz in einer Gasturbine oder einem Flugzeugtriebwerk

Die meisten modernen Flugzeugtriebwerke, wie das unten abgebildete aus Wikipedia , bestehen aus mehreren Kompressorstufen, die von einer Turbine (oder mehreren) angetrieben werden, und einer dazwischen liegenden Brennkammer, um die Temperatur der Strömung zu erhöhen.

Im Allgemeinen konzentrieren sich Hersteller und Konstrukteure auf die Erhöhung der Verdichtungsverhältnisse sowie der Verbrennungstemperaturen zur Effizienzsteigerung.

Meine Frage lautet unter vereinfachenden Annahmen wie perfektem Gas, keinen Energieverlusten oder Reibung sowie konstanter Einlasstemperatur und -geschwindigkeit: Wie wird der Wirkungsgrad dieses thermodynamischen Zyklus bewertet? Wie kann man den Wirkungsgradgewinn aus einem Druck- oder Temperaturanstieg quantifizieren?

Gasturbinen werden unter Verwendung des Brayton-Zyklus modelliert, der im einfachsten Fall Folgendes umfasst:

1. Isentropische Kompression (in einem Kompressor)
2. Wärmezufuhr bei konstantem Druck (Brennkammer)
3. Isentropische Expansion (in einer Turbine)
4. Wärmeabgabe bei konstantem Druck

Und da der Wirkungsgrad als Nettoleistung / Wärmeeintrag definiert ist, kann der Wirkungsgrad wie folgt leicht mit der Temperatur der Zykluszustände in Beziehung gesetzt werden:

Die Prozesse 1-2 und 3-4 sind isentrop und P2 = P3 und P4 = P1. Somit:

Und schließlich kann die Effizienz dann wie folgt mit dem Kompressionsverhältnis in Beziehung gesetzt werden:

Die meisten Gasturbinen arbeiten jedoch nicht unter diesen einfachen theoretischen Idealbedingungen wie isentropischer Kompression und Expansion, Wärmezugabe bei konstantem Druck, einstufiger Kompression und einstufiger Expansion. In solchen Fällen sind die Modellierung und Effizienzanalyse weitaus komplexer als der ideale Zyklus.

Abkürzungen:

• $w_{net}$ : mechanisches Netzwerk, Turbinenleistung minus Kompressorleistung
• q i n q o u $q$ : Hitze, Zugabe oder Zurückweisung. = Wärmezufuhr und = Wärmeabgabe$q_{in}$$q_{out}$
• C p / C $k$ : spezifisches Wärmeverhältnis$Cp/Cv$

Eine Sache, die durch verbesserte Kompressionsverhältnisse verbessert wird, ist, dass sie die Brenngeschwindigkeit und die Vollständigkeit der Verbrennung erhöhen und den Prozentsatz an unverbranntem Kraftstoff / Partikeln reduzieren, die aus dem Abgas austreten.

Die erhöhte Verdichtung ermöglicht auch höhere Expansionsverhältnisse für die Abgasturbine, wodurch die Leistung erhöht wird. Dies ähnelt der Auswirkung von Kompressionsverhältnissen auf Standardmotoren auf Kolbenbasis.