Suihkuturbiinimoottorien työntövoiman ja hyötysuhteen kasvattaminen

Abstract

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tarkastella suihkuturbiinimoottorien voimantuottoa ja hyötysuhdetta sekä niiden välistä riippuvuutta. Työn tavoitteena on arvioida mitkä ovat keskeisimmät moottorin suorituskykyyn vaikuttavat tekijät ja kuinka niihin vaikuttamalla voidaan parantaa moottorin suorituskykyä. Tutkimuksessa moottorin suorituskykyä arvioidaan tuotetun työntövoiman sekä energiatehokkuuden kannalta. Tutkimus selvittää moottorin suorituskyvyn optimoinnin lisäksi suihkuturbiinimoottorin rakenteen ja toimintaperiaatteen.

Tutkimuksessa havaittiin, että suihkuturbiinimoottorin työntövoimaan vaikuttaa moottorin läpi virtaava massavirta ja poistuvan suihkuvirtauksen nopeus. Moottorin työntövoimaa voidaan johdonmukaisesti kasvattaa nostamalla turbiinin sisäänvirtauslämpötilaa, kun painesuhde optimoidaan suhteessa käytettävään turbiinin sisäänvirtauslämpötilaan. Jälkipoltinta käyttämällä moottorin työntövoimaa voidaan hetkellisesti kasvattaa voimakkaasti.

Tutkimuksessa suihkumoottorin energiatehokkuutta arvioitiin termisen hyötysuhteen sekä propulsiivisen hyötysuhteen avulla. Moottorin kokonaishyötysuhdetta voitiin kasvattaa ohivirtaussuhdetta ja painesuhdetta kasvattamalla. Ohivirtaussuhteen ja painesuhteen kasvattamista rajoittaa turbiinin sisäänvirtauslämpötila, jonka kasvattaminen nostaa moottorin potentiaalia saavuttaa entistä korkeampia hyötysuhteita. Turbiinin sisäänvirtauslämpötilan kasvattamien mahdollistaa painesuhteen kasvattamisen, mikä edelleen mahdollistaa ohivirtaussuhteen kasvattamisen. Turbiinin materiaalien lämmönsietokyky rajoittaa turbiinin lämpötilan nostamista, mikä muodostaa pullonkaulan suihkuturbiinimoottorien kehitykselle.

This study examines the power generation and efficiency of gas turbine engines, as well as the relationship between these two variables. The objective of the research is to evaluate the primary factors influencing engine performance and to determine how these factors can be manipulated to enhance overall capability. Performance is assessed in terms of generated thrust and energy efficiency. In addition to performance optimization the study addresses the structural design and operational principles of the gas turbine engine.

The findings indicate that the thrust of a gas turbine engine is governed by the mass flow rate passing through the engine and the velocity of the exhaust jet. Engine thrust can be consistently increased by raising the turbine inlet temperature, although considered that the pressure ratio is optimized relative to the turbine operating temperature. Furthermore, the use of an afterburner allows for a significant and temporary increase in thrust.

In this research, energy efficiency is evaluated through thermal efficiency and propulsive efficiency. The results demonstrate that the overall efficiency of the engine can be improved by increasing both the bypass ratio and the pressure ratio. However, increasing these ratios is constrained by the turbine entry temperature. Raising the turbines temperature enhances the engine's potential to achieve higher efficiencies. Currently, the thermal durability of turbine materials limits further temperature increases, constituting a primary bottleneck in the development of gas turbine engines.