Effizienz in einer Gasturbine oder einem Flugzeugtriebwerk

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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.

Moderne Turbofan-Skizze

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?

Nicolas
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+1 Gute Frage. Etwas verwandt: Wie effizient sind Schubumkehrer von Strahltriebwerken?
Chris Mueller

Antworten:

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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 Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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:

  • wnet : mechanisches Netzwerk, Turbinenleistung minus Kompressorleistung
  • q i n q o u tq : Hitze, Zugabe oder Zurückweisung. = Wärmezufuhr und = Wärmeabgabeqinqout
  • C p / C vk : spezifisches WärmeverhältnisCp/Cv
Algo
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Können Sie genau beschreiben, was Ihre mathematischen Notationen tatsächlich bedeuten? Was ist zum Beispiel k im letzten Ausdruck? was ist w oder q ?
Nicolas
@Nicolas aktualisiert
Algo
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@Nicolas Ich möchte Yunus Cengels Buch empfehlen: Thermodynamik - Ein technischer Ansatz, in dem Sie viele Details über den Bradyton-Zyklus finden.
Algo
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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.

Netduke
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Vielen Dank für den physischen Einblick in die Frage. Ich habe mich gefragt, ob es einen "einfachen" Weg gibt, diese Gewinne zu quantifizieren.
Nicolas