Si la eficiencia de un motor turboventilador es del 35%, ¿a dónde va el resto de la energía del combustible?

Hay un par de fuentes de pérdida a lo largo del proceso, como se indica en la figura de un libro uni antiguo en formato papel. He tenido que traducir el etiquetado, abierto a sugerencias ahí. Los porcentajes son válidos para un turboventilador de alto bypass fabricado a finales de los 80.

1. La entrada de energía total comienza con el flujo de combustible: energía química por segundo.
2. La combustión convierte la energía química en un flujo de calor con bastante éxito, con una pérdida de alrededor del 1% en la combustión incompleta. Esto tiene lugar en la cámara de combustión.

3. La turbina extrae energía mecánica del flujo de calor y utiliza una parte de ella para alimentar el compresor. La eficiencia termodinámica del ciclo de Carnot determina la fracción de potencia resultante. He etiquetado la potencia mecánica neta resultante como Gas Power, lo que suena un poco arriesgado. Esta potencia de gas se puede convertir en potencia de eje y/o en potencia de chorro, según el tipo de motor de turbina.

   Tenga en cuenta que la eficiencia termodinámica depende de la velocidad de entrada del aire en la cámara de combustión: se desacelera y comprime en la admisión, lo que permite relaciones de presión más altas que resultan en eficiencias más altas.

4. Ahora necesitamos utilizar Gas Power para aumentar la energía cinética del medio que se utiliza para la propulsión. Este aumento en la energía cinética (desde el marco de referencia del avión) se denomina potencia propulsora.

   Los motores aeronáuticos se pueden dividir en dos grandes grupos:

   • a. Transformación de la potencia de gas disponible en potencia de eje, entregando energía mecánica que puede impulsar una hélice o rotor, que luego aumenta la energía cinética de un flujo de masa de aire circundante: un turboeje.

   • b. Transformación directa de Gas Power disponible en energía cinética por expansión en una tobera - un turborreactor.

   La principal diferencia entre los dos es que en a. el flujo másico que entrega la propulsión es mayor que el flujo másico a través de la turbina, mientras que en b. el flujo másico a través de la turbina es igual al flujo másico de propulsión. Dado que el empuje T =$\dot{m} \cdot \Delta V$, esto significa que a un empuje y velocidad de entrada dados, la velocidad de escape de a. debe ser inferior a b. Tenga en cuenta que tanto el turbohélice como el turboventilador son una mezcla de a. y B. ya que una parte del flujo másico de la turbina se expande para la propulsión a chorro.

   La conversión de energía de gas en energía de propulsión no puede realizarse de forma isoentrópica (sin pérdidas): en un turboventilador, aproximadamente el 5% se pierde en el flujo de calor, menos en un turbohélice.

5. La potencia propulsora es la potencia transferida al medio utilizado para la propulsión (aire o gas de combustión). La potencia propulsora es la potencia transferida al avión . También hay pérdidas de eficiencia en este proceso: el medio sale del conjunto de propulsión a una velocidad mayor que la velocidad del aire del avión y, por lo tanto, tiene una cierta velocidad absoluta (en relación con la tierra). El flujo de energía cinética correspondiente debe considerarse como una pérdida. Por supuesto, la velocidad de salida debe ser mayor que la velocidad del aire para generar empuje.

   

   Por lo tanto, esta transformación de potencia también está asociada a un factor de eficiencia,$\eta$propulsión. Cuesta energía impulsar esas aspas del ventilador, que han inducido la resistencia y la resistencia del perfil como lo hace un ala.

Al usar estas definiciones, podemos ver que un avión en la pista, justo antes del despegue, con los frenos aplicados y el acelerador completamente abierto, tiene:

• Máxima potencia de propulsión ya que el flujo de aire tiene máxima$\Delta V$. Como se calcula en esta respuesta.
• Potencia propulsora cero, ya que aún no se ha transferido ninguna potencia propulsora al avión. Toda la potencia propulsora se transforma en energía cinética del flujo de gas.