A eficiência térmica é um fator primordial no desempenho da turbina a gás. É a razão entre o trabalho líquido produzido pelo motor e a energia química fornecida na forma de combustível. Os três fatores mais importantes que afetam a eficiência térmica são a temperatura de entrada da turbina, a taxa de compressão e as eficiências dos componentes do compressor e da turbina. Outros fatores que afetam a eficiência térmica são a temperatura de entrada do compressor e a eficiência de combustão. A figura mostra o efeito que a mudança da taxa de compressão (razão de pressão do compressor) tem na eficiência térmica quando a temperatura de entrada do compressor e as eficiências dos componentes do compressor e da turbina permanecem constantes. Os efeitos que as eficiências dos componentes do compressor e da turbina têm na eficiência térmica quando as temperaturas de entrada da turbina e do compressor permanecem constantes são mostrados na Figura.
Rpm é uma medida direta da taxa de compressão; portanto, em rpm constante, a máxima eficiência térmica pode ser obtida mantendo a temperatura de exaustão mais alta possível. Como a vida útil do motor é bastante reduzida em altas temperaturas de entrada da turbina, o operador não deve exceder as temperaturas de exaustão especificadas para operação contínua. A figura ilustra o efeito da temperatura de entrada da turbina na vida útil da lâmina da turbina. Na discussão anterior, assumiu-se que o estado do ar na entrada do compressor permanece constante. Uma vez que esta é uma aplicação prática de um motor de turbina, torna-se necessário analisar o efeito de diferentes condições de entrada no empuxo ou na potência produzida. As três principais variáveis que afetam as condições de entrada são a velocidade da aeronave, a altitude da aeronave, e a temperatura ambiente. Para tornar a análise mais simples, a combinação dessas três variáveis pode ser representada por uma única variável chamada densidade de estagnação.
A potência produzida por um motor de turbina é proporcional à densidade de estagnação na entrada. As próximas três ilustrações mostram como a alteração da densidade variando a altitude, a velocidade do ar e a temperatura do ar externo afeta o nível de potência do motor. A figura mostra que a saída de empuxo melhora rapidamente com uma redução na temperatura do ar externo (OAT) em altitude constante, rpm e velocidade do ar. Esse aumento ocorre em parte porque a energia necessária por libra de fluxo de ar para acionar o compressor varia diretamente com a temperatura, deixando mais energia para desenvolver o empuxo. Além disso, a saída de empuxo aumenta, pois o ar em temperatura reduzida tem uma densidade aumentada. O aumento da densidade faz com que o fluxo de massa através do motor aumente. O efeito da altitude no empuxo, como mostrado na Figura, também pode ser discutido como um efeito de densidade e temperatura. Neste caso, um aumento de altitude provoca uma diminuição da pressão e da temperatura.
Como a taxa de lapso de temperatura é menor que a taxa de lapso de pressão à medida que a altitude aumenta, a densidade diminui. Embora a diminuição da temperatura aumente o empuxo, o efeito da diminuição da densidade mais do que compensa o efeito da temperatura mais fria. O resultado líquido do aumento da altitude é uma redução na saída de empuxo.
O efeito da velocidade do ar no empuxo de um motor de turbina a gás é mostrado na Figura. Para explicar o efeito da velocidade no ar, é necessário entender primeiro o efeito da velocidade no ar nos fatores que se combinam para produzir o empuxo líquido: empuxo específico e fluxo de ar do motor. Empuxo específico é o empuxo líquido em libras desenvolvido por libra de fluxo de ar por segundo. É o restante do empuxo bruto específico menos o arrasto de aríete específico. À medida que a velocidade do ar é aumentada, o arrasto de aríete aumenta rapidamente. A velocidade de exaustão permanece relativamente constante; assim, o efeito do aumento na velocidade do ar resulta na diminuição do empuxo específico. Na faixa de baixa velocidade, o empuxo específico diminui mais rapidamente do que o fluxo de ar aumenta e causa uma diminuição no empuxo líquido. À medida que a velocidade do ar aumenta para a faixa mais alta, o fluxo de ar aumenta mais rápido do que o empuxo específico diminui e faz com que o empuxo líquido aumente até que a velocidade sônica seja alcançada. O efeito da combinação no empuxo líquido é ilustrado na Figura.
Recuperação de carneiro
Um aumento na pressão acima da pressão atmosférica externa existente na entrada do motor, como resultado da velocidade de avanço de uma aeronave, é referido como pressão de aríete. Como qualquer efeito ram causa um aumento na pressão de entrada do compressor sobre a atmosférica, o aumento de pressão resultante causa um aumento no fluxo de massa de ar e na velocidade do gás, os quais tendem a aumentar o empuxo. Embora o efeito de aríete aumente o empuxo do motor, o empuxo produzido pelo motor diminui para um determinado ajuste de aceleração à medida que a aeronave ganha velocidade no ar. Portanto, duas tendências opostas ocorrem quando a velocidade de uma aeronave é aumentada. O que realmente acontece é o resultado líquido desses dois efeitos diferentes.
A saída de empuxo de um motor diminui temporariamente à medida que a velocidade da aeronave aumenta da estática, mas logo deixa de diminuir. Movendo-se para velocidades mais altas, a saída de empuxo começa a aumentar novamente devido ao aumento da pressão de recuperação do aríete.
