Der thermische Wirkungsgrad ist ein Hauptfaktor für die Leistung von Gasturbinen. Es ist das Verhältnis der vom Motor erzeugten Nettoarbeit zur zugeführten chemischen Energie in Form von Kraftstoff. Die drei wichtigsten Faktoren, die den thermischen Wirkungsgrad beeinflussen, sind die Turbineneinlasstemperatur, das Verdichtungsverhältnis und die Komponentenwirkungsgrade des Kompressors und der Turbine. Andere Faktoren, die den thermischen Wirkungsgrad beeinflussen, sind die Verdichtereinlasstemperatur und der Verbrennungswirkungsgrad.
Die Abbildung zeigt die Auswirkung, die eine Änderung des Kompressionsverhältnisses (Kompressordruckverhältnis) auf den thermischen Wirkungsgrad hat, wenn die Kompressoreinlasstemperatur und die Komponentenwirkungsgrade des Kompressors und der Turbine konstant bleiben. Die Auswirkungen, die die Wirkungsgrade von Kompressor- und Turbinenkomponenten auf den thermischen Wirkungsgrad haben, wenn die Einlasstemperaturen von Turbine und Kompressor konstant bleiben, sind in Abbildung dargestellt.
Rpm ist ein direktes Maß für das Kompressionsverhältnis; Daher kann bei konstanter Drehzahl ein maximaler thermischer Wirkungsgrad erreicht werden, indem die höchstmögliche Abgastemperatur aufrechterhalten wird. Da die Motorlebensdauer bei hohen Turbineneintrittstemperaturen stark verkürzt wird, sollte der Betreiber die für den Dauerbetrieb angegebenen Abgastemperaturen nicht überschreiten. Die Abbildung veranschaulicht die Auswirkung der Turbineneinlasstemperatur auf die Lebensdauer der Turbinenschaufel. In der vorangegangenen Diskussion wurde davon ausgegangen, dass der Zustand der Luft am Einlass des Kompressors konstant bleibt. Da dies eine praktische Anwendung eines Turbinentriebwerks ist, wird es notwendig, die Auswirkung variierender Einlassbedingungen auf den erzeugten Schub oder die erzeugte Leistung zu analysieren. Die drei Hauptvariablen, die die Einlassbedingungen beeinflussen, sind die Geschwindigkeit des Flugzeugs, die Höhe des Flugzeugs, und die Umgebungstemperatur. Um die Analyse zu vereinfachen, kann die Kombination dieser drei Variablen durch eine einzige Variable namens Stagnationsdichte dargestellt werden.
Die von einem Turbinentriebwerk erzeugte Leistung ist proportional zur Stagnationsdichte am Einlass. Die nächsten drei Abbildungen zeigen, wie sich die Änderung der Dichte durch unterschiedliche Höhe, Fluggeschwindigkeit und Außenlufttemperatur auf die Leistungsstufe des Motors auswirkt. Die Abbildung zeigt, dass sich die Schubleistung mit einer Verringerung der Außenlufttemperatur (OAT) bei konstanter Höhe, Drehzahl und Fluggeschwindigkeit schnell verbessert. Dieser Anstieg tritt teilweise auf, weil die Energie, die pro Pfund Luftstrom erforderlich ist, um den Kompressor anzutreiben, direkt mit der Temperatur variiert, wodurch mehr Energie übrig bleibt, um Schub zu entwickeln. Außerdem steigt die Schubleistung, da die Luft bei reduzierter Temperatur eine erhöhte Dichte hat. Die Zunahme der Dichte bewirkt, dass der Massenstrom durch den Motor zunimmt. Der Höheneffekt auf den Schub, wie in Abbildung gezeigt, kann auch als Dichte- und Temperatureffekt diskutiert werden. In diesem Fall führt eine Zunahme der Höhe zu einer Abnahme von Druck und Temperatur.
Da die Temperaturabfallrate niedriger als die Druckabfallrate ist, wenn die Höhe zunimmt, nimmt die Dichte ab. Obwohl die verringerte Temperatur den Schub erhöht, gleicht die Wirkung der verringerten Dichte die Wirkung der kälteren Temperatur mehr als aus. Das Nettoergebnis der erhöhten Höhe ist eine Verringerung der Schubleistung.
Die Auswirkung der Fluggeschwindigkeit auf den Schub eines Gasturbinentriebwerks ist in Abbildung dargestellt. Um den Fluggeschwindigkeitseffekt zu erklären, ist es notwendig, zunächst die Auswirkung der Fluggeschwindigkeit auf die Faktoren zu verstehen, die zusammen den Nettoschub erzeugen: spezifischer Schub und Triebwerksluftstrom. Der spezifische Schub ist der Nettoschub in Pfund, der pro Pfund Luftstrom pro Sekunde entwickelt wird. Es ist der Rest des spezifischen Bruttoschubs abzüglich des spezifischen Kolbenwiderstands. Wenn die Fluggeschwindigkeit erhöht wird, steigt der Stauwiderstand schnell an. Die Abgasgeschwindigkeit bleibt relativ konstant; somit führt die Wirkung der Erhöhung der Fluggeschwindigkeit zu einem verringerten spezifischen Schub. Im Niedriggeschwindigkeitsbereich nimmt der spezifische Schub schneller ab als der Luftstrom zunimmt und bewirkt eine Abnahme des Nettoschubs. Steigt die Fluggeschwindigkeit in den höheren Bereich, Der Luftstrom nimmt schneller zu als der spezifische Schub abnimmt und bewirkt, dass der Nettoschub zunimmt, bis die Schallgeschwindigkeit erreicht ist. Die Auswirkung der Kombination auf den Nettoschub ist in Abbildung dargestellt.
Ram-Wiederherstellung
Als Staudruck wird ein Druckanstieg über den bestehenden Außenatmosphärendruck am Triebwerkseinlass infolge der Vorwärtsgeschwindigkeit eines Flugzeugs bezeichnet. Da jeder Staueffekt einen Anstieg des Kompressoreintrittsdrucks über den atmosphärischen Druck verursacht, verursacht der resultierende Druckanstieg einen Anstieg des Luftmassenstroms und der Gasgeschwindigkeit, die beide dazu neigen, den Schub zu erhöhen. Obwohl der Staueffekt den Triebwerksschub erhöht, nimmt der vom Triebwerk erzeugte Schub für eine gegebene Drosseleinstellung ab, wenn das Flugzeug an Fluggeschwindigkeit gewinnt. Daher treten zwei entgegengesetzte Trends auf, wenn die Geschwindigkeit eines Flugzeugs erhöht wird. Was tatsächlich stattfindet, ist das Nettoergebnis dieser beiden unterschiedlichen Effekte.
Die Schubleistung eines Triebwerks nimmt vorübergehend ab, wenn die Flugzeuggeschwindigkeit aus dem Stillstand zunimmt, hört aber bald auf, abzunehmen. Wenn man sich zu höheren Geschwindigkeiten hinbewegt, beginnt die Schubleistung aufgrund des erhöhten Drucks der Kolbenrückgewinnung wieder zu steigen.
