Eficiencia en una turbina de gas o motor de avión

La mayoría de los motores de aviones modernos, como el que se muestra a continuación tomado de Wikipedia , se componen de varias etapas del compresor que son impulsadas por una turbina (o varias) y una cámara de combustión intermedia, para aumentar la temperatura del flujo.

En general, los fabricantes y diseñadores se centran en aumentar las relaciones de compresión y las temperaturas de combustión para mejorar la eficiencia.

Mi pregunta es, bajo supuestos simplificadores tales como gas perfecto, sin pérdidas de energía o fricción, y temperatura y velocidad de entrada constantes: ¿Cómo se evalúa la eficiencia de este ciclo termodinámico? ¿Cómo se puede cuantificar la ganancia de eficiencia de un aumento de presión o temperatura?

Las turbinas de gas se modelan utilizando el ciclo Brayton, que en el caso más simple consiste en:

1. Compresión isentrópica (en un compresor)
2. Adición de calor a presión constante (cámara de combustión)
3. Expansión isentrópica (en una turbina)
4. Rechazo de calor a presión constante

Y dado que la eficiencia se define como trabajo de salida neta / entrada de calor, la eficiencia se puede relacionar fácilmente con los estados de temperatura de ciclo de la siguiente manera:

Los procesos 1-2 y 3-4 son isentrópicos, y P2 = P3 y P4 = P1. Así:

Y finalmente, la eficiencia puede relacionarse con la relación de compresión de la siguiente manera:

Sin embargo, la mayoría de las turbinas de gas no funcionan en estas simples condiciones teóricas ideales como compresión isentrópica y expansión, adición de calor a presión constante, compresión de una etapa y expansión de una sola etapa. Y en tales casos, el análisis de modelado y eficiencia es mucho más complejo que el ciclo ideal.

Abreviaturas

• $w_{net}$ : trabajo mecánico neto, potencia de la turbina menos potencia del compresor
• $q$ : calor, adición o rechazo. = adición de calor y = rechazo de calor$q_{in}$$q_{out}$
• $k$ : relación de calor específica$Cp/Cv$

Una cosa que mejora las relaciones de compresión mejoradas es que aumentará la velocidad de combustión y la integridad de la combustión, reduciendo el porcentaje de combustible / partículas no quemadas que salen del escape.

La mayor compresión también permite mayores relaciones de expansión para la turbina de escape, lo que aumentará la potencia. Esto es similar a cómo las relaciones de compresión afectan a los motores estándar basados ​​en pistones.