Rendiment del motor de reacció: un motor de reacció converteix el combustible en empenta i una mètrica clau del rendiment és l'eficiència tèrmica; quanta energia química (combustible) es converteix en treball útil (empenta que propulsa l'avió a altes velocitats). Com molts motors tèrmics, els motors de reacció no solen ser particularment eficients (<50%); es "malgasta" gran part del combustible. A la dècada del 1970, la pressió econòmica a causa de l'augment del cost del combustible va fer que es donés més importància a les millores d'eficiència dels avions comercials.
El rendiment d'un motor de reacció s'ha definit com "el producte final que ven una empresa de motors de reacció" i, com a tal, els criteris inclouen l'empenta, el consum de combustible (específic), el temps entre revisions i la relació pes-potència. Alguns factors importants que afecten l'eficiència inclouen la relació de pressió global del motor, la seva relació de derivació i la temperatura d'entrada de la turbina. Els criteris de rendiment reflecteixen el nivell de tecnologia utilitzada en el disseny d'un motor, i la tecnologia ha anat avançant contínuament des que el motor de reacció va entrar en servei a la dècada de 1940. És important no només observar com funciona el motor quan és nou, sinó també quant es degrada el rendiment després de milers d'hores de funcionament. Un exemple que juga un paper important és la fluència de les pales del rotor, que fa que la indústria aeronàutica utilitzi la solidificació direccional per fabricar pales de turbina, i fins i tot les faci d'un monocristall, garantint que la fluència es mantingui per sota dels valors permesos durant més temps. Un desenvolupament recent són les pales de turbina de compost de matriu ceràmica, que donen lloc a peces lleugeres que poden suportar altes temperatures, alhora que són menys susceptibles a la fluència.
Els paràmetres següents que indiquen el rendiment del motor es mostren a la cabina de pilotatge: la relació de pressió del motor (EPR), la temperatura dels gasos d'escapament (EGT) i la velocitat del ventilador (N1). L'EPR i l'N1 són indicadors d'empenta, mentre que l'EGT és vital per avaluar l'estat del motor, ja que augmenta progressivament amb l'ús del motor durant milers d'hores, a mesura que les peces es desgasten, fins que cal revisar el motor.
El rendiment d'un motor es pot calcular mitjançant l'anàlisi termodinàmica del cicle del motor. Calcula què passaria dins del motor. Això, juntament amb el combustible utilitzat i l'empenta produïda, es pot mostrar en una forma tabular convenient que resumeix l'anàlisi.
Introducció Es pot fer una introducció al rendiment dels motors de reacció de manera superficial però intuïtiva amb l'ajuda de diagrames i fotografies que mostren les característiques que influeixen en el rendiment. Un exemple de diagrama és el triangle de velocitat que en la vida quotidiana explica als ciclistes per què lluiten contra el vent de certs indrets (i on és pitjor el xoc frontal) i, en el context del motor, mostra l'angle en què l'aire s'acosta a les pales del compressor (el xoc frontal és millor per a pèrdues baixes). L'ús de triangles de velocitat en compressors i turbines per mostrar l'angle tan important en què l'aire s'acosta a les pales es remunta a les primeres turbines de vapor.
Les fotografies mostren característiques que milloren el rendiment, com ara l'existència d'un flux d'aire de derivació (augment de l'eficiència propulsiva), només visualment evident en motors amb una broquet de sortida separada per a l'aire de derivació. També s'utilitzen per mostrar detalls interns rarament vistos, com ara els segells de bresca que redueixen les fuites i estalvien combustible (augment de l'eficiència tèrmica), i detalls degradants, com ara les marques de fregament a les pales de l'impel·lent centrífug, que indiquen pèrdua de material, augment de les fuites d'aire i consum de combustible.
Els motors de reacció funcionen de dues maneres bàsiques, l'efecte combinat de les quals determina la quantitat de residus que produeixen com a subproducte de la crema de combustible per fer treball d'empenta en una aeronau. En primer lloc, hi ha una conversió d'energia, ja que la crema de combustible accelera el pas de l'aire, cosa que alhora produeix calor residual a partir de les pèrdues dels components (eficiència tèrmica). En segon lloc, part de la potència que el motor ha donat a l'aire es transfereix a l'aeronau com a treball d'empenta, i la part restant és energia cinètica residual a l'estela (eficiència propulsiva). Les dues eficiències es van formular per primera vegada al segle XIX per a la màquina de vapor (eficiència tèrmica). ) i l'hèlix del vaixell (eficiència propulsiva o de Froude ).
Una introducció visual al rendiment dels motors de reacció, des del punt de vista de l'eficiència del combustible, és el diagrama de temperatura~entropia (T~s). El diagrama es va originar a la dècada de 1890 per avaluar l'eficiència tèrmica dels motors de vapor. En aquell moment, l'entropia es va introduir en forma gràfica al diagrama T~s, que dóna l'eficiència tèrmica com a relació d'àrees del diagrama. El diagrama també s'aplica als motors de reacció que respiren aire amb una àrea que representa l'energia cinètica afegida a l'aire que flueix a través del motor. Cal afegir un dispositiu de propulsió, una broqueta, a un motor de turbina de gas per convertir la seva energia en empenyiment. L'eficiència d'aquesta conversió (eficiència de Froude o propulsiva) reflecteix el treball fet a la dècada de 1800 en hèlixs de vaixells. La rellevància per als avions propulsats per turbina de gas és l'ús d'un jet d'aire secundari amb una hèlix o, per al rendiment del motor de reacció, la introducció del motor de bypass. L'eficiència global del motor de reacció és l'eficiència tèrmica multiplicada per l'eficiència propulsiva ().
Hi ha hagut ràpids avenços en la tecnologia dels motors aeronàutics des que els motors de reacció van entrar en servei a la dècada de 1940. Per exemple, en els primers 20 anys de transport comercial en reacció, des del motor Comet 1 Ghost fins al 747 JT9D, Hawthorne augmenta l'escala del Ghost per donar-li l'empenta d'enlairament al JT9D i és quatre vegades i mitja més pesant. Gaffin i Lewis fan una avaluació utilitzant els coneixements de disseny d'una empresa. Utilitzant la tecnologia de nivell JT3D (1958) per produir un cicle JT9D (1966), amb la seva relació de derivació i relació de pressió més elevades, un motor hipotètic va resultar un 70% més pesat, un 90% més llarg i amb un diàmetre un 9% més gran que el motor JT9D.
Conversió de combustible en empenyiment El tipus de motor de reacció que s'utilitza per explicar la conversió de combustible en empenyiment és el estatoreactor. És més senzill que el turborreactor, que al seu torn és més senzill que el turbofan. És vàlid utilitzar l'exemple de l'estatoreactor perquè el nucli de l'estatoreactor, el turboreactor i el turbofan utilitzen el mateix principi per produir empenyiment, que és accelerar l'aire que hi passa. Tots els dispositius de propulsió a reacció desenvolupen empenyiment augmentant la velocitat del fluid de treball.
La conversió de combustible en empenyiment es pot mostrar en un esquema que il·lustra, en principi, la ubicació de la força d'empenyiment en una forma interna molt simplificada que representa un estatoreactor. Com a resultat de la crema de combustible, l'empenyiment és una força que actua cap endavant sobre les superfícies internes, ja sigui al difusor d'un estatoreactor o al compressor d'un motor de reacció. Tot i que el moment del flux que surt de la broqueta s'utilitza per calcular l'empenyiment, el moment és només la reacció a les forces de pressió estàtica dins del motor i aquestes forces són les que produeixen l'empenyiment.
Conversió de combustible en empenyiment i residus miniatura|L'evidència visual dels residus dels motors de reacció és la vista distorsionada a través dels estels del jet d'alta temperatura del nucli del motor. "L'eficiència d'una turbina de gas es pot augmentar reduint la proporció de calor que es malgasta, és a dir, reduint la temperatura de l'escapament." Es produeix menys residu en la producció de la major part de l'empenta (~90%) d'un motor de derivació civil modern, ja que l'aire de derivació és gairebé calent, només un 60 °F per sobre de la temperatura ambient en l'enlairament. Només ~10% prové de l'escapament del nucli visible, molt més calent, 900 graus per sobre de la temperatura ambient. Els residus que surten d'un motor de reacció tenen la forma d'un deixant que té dos constituents, un mecànic, anomenat pèrdua de velocitat residual (RVL) a causa de la seva energia cinètica, i l'altre termodinàmic, a causa de la seva alta temperatura. La calor residual a l'escapament d'un motor de reacció només es pot reduir a l'origen abordant els processos de pèrdua i l'entropia generada a mesura que l'aire flueix a través del motor. Per exemple, un compressor més eficient té pèrdues més baixes, genera menys entropia i contribueix menys a la temperatura de l'escapament que surt del motor. Un altre exemple és la transferència d'energia d'un motor a l'aire que el desvia. En el cas d'un motor d'alta derivació, hi ha una gran proporció (~90%) de calor gairebé calenta (~60 °F més càlid que l'ambient) aire productor d'empenta amb només una contribució del 10% de l'escapament molt més calent del motor central que produeix potència. Per tant, Struchtrup et al. mostren el benefici del motor turbofan d'alta derivació des d'una perspectiva de reducció d'entropia en lloc de l'avantatge habitual d'eficiència propulsiva.
La despesa de potència per produir empenyiment consta de dues parts, la potència d'empenyiment derivada de la taxa de canvi de moment i la velocitat de l'aeronau, i la potència representada per l'energia cinètica de l'estela.
L'entropia, identificada com a "s", s'introdueix aquí perquè, tot i que el seu significat matemàtic es reconeix com a difícil, la seva representació comuna en un diagrama de temperatura~entropia (T~s) per a un cicle de motor de reacció és gràfica i intuïtiva, ja que la seva influència es mostra com a àrees del diagrama. El diagrama T~s es va inventar per ajudar els enginyers responsables del funcionament de les màquines de vapor a comprendre l'eficiència dels seus motors. Va complementar el diagrama p~v ja existent que només donava la meitat de la història de l'eficiència del motor tèrmic, mostrant només el treball del cilindre realitzat sense referència a la calor subministrada i malgastada en fer-ho. La necessitat d'un diagrama addicional, en lloc de comprendre teories difícils, va reconèixer el valor de representar gràficament les transferències de calor cap a i des d'un motor. Mostraria àrees representatives de la calor convertida en treball en comparació amb la calor subministrada (eficiència tèrmica).
El significat matemàtic de l'entropia, aplicable al motor de reacció de turbina de gas, es pot eludir per permetre l'ús del terme en relació amb el diagrama T~s:
Citant Frank Whittle: «L'entropia és un concepte que molts estudiants tenen dificultats per assimilar. És una quantitat una mica intangible...». L'entropia es genera quan l'energia es converteix en una forma inutilitzable anàloga a la pèrdua d'energia en una cascada on l'energia potencial original es converteix en energia de turbulència inutilitzable.