Efisiensi dalam turbin gas atau mesin pesawat terbang

Sebagian besar mesin pesawat modern, seperti yang digambarkan di bawah ini diambil dari Wikipedia , terdiri dari beberapa tahap kompresor yang digerakkan oleh turbin (atau beberapa), dan ruang pembakaran di antaranya, untuk meningkatkan suhu aliran.

Secara umum, pabrikan dan perancang fokus pada peningkatan rasio kompresi serta suhu pembakaran untuk peningkatan efisiensi.

Pertanyaan saya adalah, dengan asumsi yang disederhanakan seperti gas sempurna, tidak ada kehilangan atau gesekan energi, dan suhu dan kecepatan inlet yang konstan: Bagaimana efisiensi siklus termodinamika ini dievaluasi? Bagaimana seseorang dapat mengukur perolehan efisiensi dari peningkatan tekanan atau suhu?

Turbin gas dimodelkan menggunakan siklus Brayton yang dalam kasus paling sederhana terdiri dari:

1. Kompresi isentropik (dalam kompresor)
2. Penambahan panas tekanan konstan (ruang bakar)
3. Ekspansi isentropik (dalam turbin)
4. Penolakan panas tekanan konstan

Dan karena efisiensi didefinisikan sebagai kerja keluaran bersih / input panas, efisiensi dapat dengan mudah terkait dengan suhu keadaan siklus sebagai berikut:

Proses 1-2 dan 3-4 bersifat isentropik, dan P2 = P3 dan P4 = P1. Jadi:

Dan akhirnya efisiensi dapat dikaitkan dengan rasio kompresi sebagai berikut:

Namun kebanyakan turbin gas tidak beroperasi pada kondisi ideal teoritis sederhana ini seperti kompresi & ekspansi isentropik, penambahan panas tekanan konstan, kompresi satu tahap dan ekspansi satu tahap. Dan dalam kasus seperti itu, pemodelan dan analisis efisiensi jauh lebih kompleks daripada siklus ideal.

Singkatan:

• $w_{net}$: kerja jaring mekanik, daya Turbin dikurangi daya kompresor
• $q$: panas, penambahan atau penolakan. $q_{in}$ = penambahan panas dan $q_{out}$ = penolakan panas
• $k$: rasio panas spesifik $Cp/Cv$

Satu hal yang meningkatkan rasio kompresi adalah bahwa hal itu akan meningkatkan kecepatan pembakaran dan kelengkapan pembakaran, mengurangi persen bahan bakar / partikel yang tidak terbakar yang keluar dari knalpot.

Peningkatan kompresi juga memungkinkan rasio ekspansi yang lebih tinggi untuk turbin gas buang, yang akan meningkatkan daya. Ini mirip dengan bagaimana rasio kompresi memengaruhi mesin berbasis piston standar.