喷气推进/热力循环

燃气轮机基于布雷顿循环。

所有喷气发动机和燃气轮机都是热机，将热能转化为有用功。有用功可以是机械功率的形式，例如来自轴，该轴可用于驱动螺旋桨，车辆，泵，发电机或任何其他机械装置。在喷气发动机应用中，功用于产生压缩空气和燃烧产物，然后加速这些产物以提供反作用推力。

效率

表 2.1：效率定义
名称	定义	公式	符号	典型范围
热效率	输入热能与输出功的比率。		η_Th	5%-50%
推进效率	传递给车辆的功与发动机总输出功的比率；传递给发动机的总机械能的推进功。		η_Pr	5-40%
燃烧效率	输入化学能与输出热能的比率		η_Co	90-99%

热力循环

布雷顿循环

布雷顿循环是燃气轮机使用的基本恒压气体加热循环。它包括

0-2：等熵压缩

2-3：恒压加热

3-4：等熵膨胀

4-0：恒压冷却（在开式循环燃气轮机中不存在）

冲压式发动机循环

冲压式发动机使用开放式布雷顿循环。在下图中，显示了二维超音速进气道，其下游是发散式亚音速扩散器。然后将燃料注入压缩空气中，并蒸发，产生在达到火焰前沿时被点燃的混合物。火焰稳定器提供稳定火焰所需的湍流循环，因为爆燃速度通常远小于燃烧室中空气的平均速度（<10 m/s）。然后燃烧产物通过喷嘴排出。

为了理解如何产生推力，如果我们假设燃料的流动与空气质量相比可以忽略不计，那么排气流将以与输入流大致相同的马赫数流动。然而，排气的总温度要高得多，排气速度将相应地高于输入速度。这种速度（和动量）的差异产生了推力。

进气道-扩散器中的温度升高与自由流马赫数 $M_{0}$ 有关。

{\frac {T_{2}}{T_{0}}}=1+{\frac {\gamma -1}{2}}M_{0}^{2}

如果燃烧室中的温度升高很小，则可以达到最大效率。

$\eta ={\frac {[(\gamma -1)/2]M_{0}^{2}}{1+[(\gamma -1)/2]M_{0}^{2}}}$

其中

\gamma =c_{p}/c_{v}\approx 1.4

是空气的比热容比。

冲压式发动机在亚音速下效率低下，并且其效率在超音速下提高。

在高超音速下，压缩和解离过程使完全扩散变得不那么吸引人，并且正在研究超音速燃烧。一个超燃冲压发动机将空气减速至低超音速，然后燃烧高火焰速度燃料，例如氢气或甲烷。

涡喷发动机循环

在排气中添加一个由涡轮驱动的冲压式发动机压缩机，可以提高燃烧室入口温度，并随之提高可能的热效率。然而，涡轮处理的温度有限，因此最大功率也受到限制。

在下面的T-S 图中，压缩机的存在使我们能够提高燃烧室入口温度 (3)。燃烧室段的升高增加了循环面积和热效率。

增加一个加力燃烧室 (5-6) 可以增加推力，从下面所示图表的面积增加可以看出。加力燃烧室加力燃烧室在更高的熵范围内运行，并且比基本涡喷发动机的效率低。

涡扇发动机循环

一个涡扇发动机将核心流的一部分压力能转移到一个风扇上，该风扇推动更大的质量流，从而提供推力和推进效率的提升。

涡扇发动机通常有两个或三个轴。由于风扇的直径更大，因此与直径较小的压缩机相比，可以在较低的转速下获得相同的叶尖速度，因此需要两个轴。另一种方法是使用变速箱来降低轴速，这种方法在一些较小的涡扇发动机中使用。然而，在大多数涡扇发动机中，使用多级低压涡轮以较小的级负荷和较低的切向速度提取相同的能量。直径较小的高压压缩机由一个或两个涡轮级驱动，其切向速度高于低压涡轮。

循环损失

压缩过程中会产生几种损失机制

冲击

分离

叶尖间隙

密封间隙

阻塞

涡旋