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第六章第六章 气体动力循环气体动力循环第1页，共51页，编辑于2022年，星期三6-1 概说1 1、热机中的能量转换、热机中的能量转换n n常规的热力发动机或热能动力装置常规的热力发动机或热能动力装置(简称热机简称热机),),都以消耗燃料为代都以消耗燃料为代价而以输出机械功为目的价而以输出机械功为目的。这种能量转换是通过两步实现的：首这种能量转换是通过两步实现的：首先先,化石燃料化石燃料(煤、燃油、天然气等煤、燃油、天然气等)中的化学能通过燃烧放出反中的化学能通过燃烧放出反应热而变成工质的热能；然后应热而变成工质的热能；然后,再通过工质状态变化再通过工质状态变化(热力过程热力过程)使使热能变成机械能热能变成机械能。在热机中膨胀作功的工质在热机中膨胀作功的工质可以是燃烧产物可以是燃烧产物本身本身(如内燃式热机如内燃式热机),),也可以由燃烧产物将热能传给另一种物质也可以由燃烧产物将热能传给另一种物质(水蒸气水蒸气),),而以后者作为工质而以后者作为工质(如外燃式热机如外燃式热机)。工质在热机中工质在热机中不断完成热力循环不断完成热力循环,并使热能连续地转变为机械能并使热能连续地转变为机械能。第2页，共51页，编辑于2022年，星期三2 2、分析计算动力循环的任务和目的、分析计算动力循环的任务和目的、分析计算动力循环的任务和目的、分析计算动力循环的任务和目的n n主要任务和目的是针对热机中进行的热力循环主要任务和目的是针对热机中进行的热力循环,计算其热效计算其热效率率,分析影响循环热效率的各种因素分析影响循环热效率的各种因素,找出提高热效率的途径找出提高热效率的途径。3 3 3 3、实际动力循环和理论循环的意义、实际动力循环和理论循环的意义、实际动力循环和理论循环的意义、实际动力循环和理论循环的意义n n虽然实际的热力循环是多样的、不可逆的虽然实际的热力循环是多样的、不可逆的,而且有时还是而且有时还是 相当复杂的相当复杂的,但是通常总可以近似地用一系列简单的、典但是通常总可以近似地用一系列简单的、典 型的、可逆的过程来代替型的、可逆的过程来代替,这些过程相互衔接这些过程相互衔接,形成一个封闭的理形成一个封闭的理论循环论循环。理论循环和实际循环当然有一定的差别理论循环和实际循环当然有一定的差别,但是只要这种从但是只要这种从实际到理论的抽象、概括和简化是合理的实际到理论的抽象、概括和简化是合理的,理论循环的分析和理论循环的分析和计算无论在理论上或是在实用上都是有价值的计算无论在理论上或是在实用上都是有价值的。6-1 概说第3页，共51页，编辑于2022年，星期三 6-2 活塞式内燃机的混合加热循环1 1、实际动力循环及其简化、实际动力循环及其简化n n在活塞式内燃机的气缸中在活塞式内燃机的气缸中,气体工质的压力和体积的变化气体工质的压力和体积的变化 情况可以通过一种叫做情况可以通过一种叫做 “示功器示功器”的仪器记录下来的仪器记录下来。现以典型现以典型的四冲程柴油机为例的四冲程柴油机为例,介绍它的实际循环与简化模型介绍它的实际循环与简化模型。n n四冲程柴油机实际循环示功图如图四冲程柴油机实际循环示功图如图6-16-1所示所示。n n活塞从最左端活塞从最左端(即所谓上止点即所谓上止点)向右移动时向右移动时,进气阀门开放进气阀门开放,空气被吸进气缸空气被吸进气缸。这时气缸中空气的压力由于进气管道这时气缸中空气的压力由于进气管道 和进气阀门的阻力而稍低与外界大气压力和进气阀门的阻力而稍低与外界大气压力(图中图中a ba b)第4页，共51页，编辑于2022年，星期三n n活塞从最右端活塞从最右端(即所谓下止点即所谓下止点)向左移动向左移动,这时进气阀门和这时进气阀门和 排气阀门都关闭着排气阀门都关闭着,空气被压缩空气被压缩,这一过程接近于绝热压缩过程这一过程接近于绝热压缩过程,温度温度和压力同时升高和压力同时升高(过程过程b c)b c)。n n活塞即将达到上止点时活塞即将达到上止点时,由喷油嘴向气缸中喷柴油由喷油嘴向气缸中喷柴油,柴油遇到柴油遇到高温的压缩空气立即迅速燃烧高温的压缩空气立即迅速燃烧,温度和压力在极短的一瞬间温度和压力在极短的一瞬间急速上升急速上升,以致活塞在上止点附近移动极微以致活塞在上止点附近移动极微,因此这一过程接近因此这一过程接近于定容燃烧过程于定容燃烧过程(c d)(c d)。n n活塞开始向右移动活塞开始向右移动,燃烧继续进行燃烧继续进行,直到喷进气缸内的燃料烧完直到喷进气缸内的燃料烧完为止为止,这时气缸中的压力变化不大这时气缸中的压力变化不大,接近于定压燃烧过程接近于定压燃烧过程(d e)(d e)。6-2 活塞式内燃机的混合加热循环第5页，共51页，编辑于2022年，星期三n n活塞继续向右移动活塞继续向右移动,燃烧后的气体膨胀作功燃烧后的气体膨胀作功,这一过程接这一过程接 近于绝热膨胀过程近于绝热膨胀过程(e f)(e f)。n n活塞接近下止点时活塞接近下止点时,排气阀门开放排气阀门开放,气缸中的气体冲出气气缸中的气体冲出气 缸缸,压力突然下降压力突然下降,而活塞还几乎停留在下止点附近而活塞还几乎停留在下止点附近,接近与定接近与定容排气过程容排气过程(f g)(f g)。n n最后最后,活塞由下止点向左移动活塞由下止点向左移动,将剩余的气缸中的废气排将剩余的气缸中的废气排 出出,这时气缸中气体的压力由于排气阀门和排气管道的这时气缸中气体的压力由于排气阀门和排气管道的 阻力而略高于大气压力阻力而略高于大气压力(g g a a)。6-2 活塞式内燃机的混合加热循环第6页，共51页，编辑于2022年，星期三n n四冲程柴油机实际循环的简化四冲程柴油机实际循环的简化四冲程柴油机实际循环的简化四冲程柴油机实际循环的简化n n将一个工质组分改变的内燃的开式循环变换成了一个工将一个工质组分改变的内燃的开式循环变换成了一个工 质组分不变的外加热的闭式循环质组分不变的外加热的闭式循环123451(123451(图图6-2)6-2)。n n绝热压缩过程绝热压缩过程b b c c理想化为定熵压缩过程理想化为定熵压缩过程1 1 2 2；n n定容燃烧过程定容燃烧过程c c d d理想化为定容加热过程理想化为定容加热过程2 2 3 3；n n定压燃烧过程定压燃烧过程d d e e理想化为定压加热过程理想化为定压加热过程3 3 4 4；n n绝热膨胀过程绝热膨胀过程e e f f理想化为定熵膨胀过程理想化为定熵膨胀过程4 4 5 5；n n定容排气定容排气(降压降压)过程过程f f g g理想化为定容冷却理想化为定容冷却(降压降压)过程过程5 15 1。6-2 活塞式内燃机的混合加热循环第7页，共51页，编辑于2022年，星期三图图 6-1 6-1 图图 6-2 6-2第8页，共51页，编辑于2022年，星期三2 2、活塞式内燃机理论混合加热循环分析、活塞式内燃机理论混合加热循环分析)特性参数特性参数 压缩比压缩比 (6-1)(6-1)(6-1)(6-1)表示燃烧前气体在气缸中被压缩的程度表示燃烧前气体在气缸中被压缩的程度,即气体比体积即气体比体积 缩小的倍率缩小的倍率。压升比压升比 (6-2)(6-2)(6-2)(6-2)表示定容燃烧时气体压力升高的倍率表示定容燃烧时气体压力升高的倍率。6-2 活塞式内燃机的混合加热循环第9页，共51页，编辑于2022年，星期三n n预胀比预胀比 (6-3)(6-3)n n表示定压燃烧时气体比体积增大的倍率表示定压燃烧时气体比体积增大的倍率。2)2)2)2)循环热效率循环热效率循环热效率循环热效率n n混合加热循环在温熵图中如图混合加热循环在温熵图中如图6-36-3所示所示。它的热效率为它的热效率为 (a)(a)6-2 活塞式内燃机的混合加热循环第10页，共51页，编辑于2022年，星期三n n假定工质是定比热容理想气体假定工质是定比热容理想气体,则则 (b)(b)将式将式(b)(b)代入式代入式(a)(a)得得 (c)(c)6-2 活塞式内燃机的混合加热循环第11页，共51页，编辑于2022年，星期三n n过程过程1 21 2是绝热是绝热(定熵定熵)过程过程 (d)(d)n n过程过程2 32 3是定容过程是定容过程 (e)(e)n n过程过程3 43 4是定压过程是定压过程 (f)(f)6-2 活塞式内燃机的混合加热循环第12页，共51页，编辑于2022年，星期三n n过程过程4545是绝热是绝热(定熵定熵)过程过程 (g)(g)n n将式将式(d)(d)、(e)(e)、(f)(f)、(g)(g)代入式代入式(c),(c),化简后可得化简后可得 (6-4)(6-4)6-2 活塞式内燃机的混合加热循环第13页，共51页，编辑于2022年，星期三图图 6-3 6-3 图图 6-4 6-4 6-2 活塞式内燃机的混合加热循环第14页，共51页，编辑于2022年，星期三3)3)3)3)循环热效率的影响因素及提高循环热效率的途径循环热效率的影响因素及提高循环热效率的途径循环热效率的影响因素及提高循环热效率的途径循环热效率的影响因素及提高循环热效率的途径n n如果压升比和预胀比不变如果压升比和预胀比不变,提高压缩比可以提高混合加热提高压缩比可以提高混合加热 循环的热效率循环的热效率。图图6-46-4中循环中循环123451123451的压缩比高于循环的压缩比高于循环 1212 3 3 4 4 51,51,它也具有较高的平均吸热温度它也具有较高的平均吸热温度(Tm1(Tm1 Tm1Tm1；平均；平均 放热温度相同放热温度相同)，因而具有较高，因而具有较高 的热效率的热效率 。图图6-56-5中的中的 曲线表示混合加热循环的热效率曲线表示混合加热循环的热效率 随压缩比变化的情况随压缩比变化的情况。为了获得为了获得 较高的热效率较高的热效率,柴油机的压缩比柴油机的压缩比 比较高比较高,一般为一般为15152222。图 6-56-5 6-2 活塞式内燃机的混合加热循环第15页，共51页，编辑于2022年，星期三n n如果压缩比不变如果压缩比不变,提高压升比、降低预胀比提高压升比、降低预胀比,可以提高混可以提高混 合加热循环的热效率合加热循环的热效率,如图如图6-66-6中曲线所示中曲线所示。图图6-76-7循环循环 123 123 4 4 5151比循环比循环123451123451具有较高的压升比和较低的预胀具有较高的压升比和较低的预胀 比比 。循环循环123451123451的热效率为的热效率为n n循环循环123123 4 4 5151的热效率为的热效率为n n显然显然 6-2 活塞式内燃机的混合加热循环第16页，共51页，编辑于2022年，星期三 图图 6-6 6-6 图图 6-7 6-7第17页，共51页，编辑于2022年，星期三 6-3 活塞式内燃机的定容 加热循环和定压加热循环1 1、活塞式内燃机定容加热循环分析、活塞式内燃机定容加热循环分析n n有些活塞式内燃机有些活塞式内燃机 (如煤气机和汽油机如煤气机和汽油机),),燃料是预先和空气燃料是预先和空气混合好再进入气缸的混合好再进入气缸的 ,然后在压缩终了时用点火花点燃然后在压缩终了时用点火花点燃。一经点一经点燃燃,燃烧过程进行得非常迅速燃烧过程进行得非常迅速,几乎在一瞬间完成几乎在一瞬间完成,活塞基本上活塞基本上提留在上止点未动提留在上止点未动,因此这一燃烧过程可以看作定容加热过程因此这一燃烧过程可以看作定容加热过程。其它过程则和混合加热循环相同其它过程则和混合加热循环相同。n n定容加热循环定容加热循环(又称奥托循环又称奥托循环)在热力学分析上可以看作在热力学分析上可以看作 混合加热循环当预胀比混合加热循环当预胀比 时的特例时的特例。第18页，共51页，编辑于2022年，星期三n n当时当时 时时,v,v3 3=v=v4 4,状态状态4 4和状态和状态3 3重和重和,混合加热循环便成了定容混合加热循环便成了定容加加 热循环热循环(图图6-86-8、图、图6-9)6-9)。令式令式(6-4)(6-4)中中 ,即可得定容加热循环的即可得定容加热循环的理论热效率计算式：理论热效率计算式：(6-5)(6-5)n n从上式看出：提高压缩比可以提高定容加热循环的理论从上式看出：提高压缩比可以提高定容加热循环的理论 热效率热效率,但是但是,由于这种点燃式内燃机中被压缩的是燃料由于这种点燃式内燃机中被压缩的是燃料 和空气的混合物和空气的混合物,如果压缩比过高如果压缩比过高,使压缩终了的温度和压力太高使压缩终了的温度和压力太高,容易引起不正常的燃烧容易引起不正常的燃烧(爆燃爆燃),),会降低热效率和损坏发动机会降低热效率和损坏发动机。所以所以,点燃式内燃机的压缩比都比较低点燃式内燃机的压缩比都比较低,一般为一般为5-95-9。6-3 活塞式内燃机的定容 加热循环和定压加热循环第19页，共51页，编辑于2022年，星期三 6-3 活塞式内燃机的定容 加热循环和定压加热循环 图图 6-8 6-8 图图 6-9 6-9第20页，共51页，编辑于2022年，星期三2 2、活塞式内燃机定压加热循环分析、活塞式内燃机定压加热循环分析n n有些柴油机的燃烧过程主要在活塞离开上止点的一段行有些柴油机的燃烧过程主要在活塞离开上止点的一段行 程中进行程中进行,一面燃烧一面燃烧,一面膨胀一面膨胀,气缸内气体的压力基本保持不气缸内气体的压力基本保持不变变,相当于定压加热相当于定压加热。这种定压加热循环这种定压加热循环(又称狄塞尔循环又称狄塞尔循环)也也可以看作混合加热循环的特例。可以看作混合加热循环的特例。状态状态3 3和状态和状态2 2重合重合,混合加热循环便成了定混合加热循环便成了定压加热循环压加热循环(图图6-106-10、图、图6-11)6-11)。令式令式(6-4)(6-4)中中 ,即可得定压即可得定压加加 热循环的理论热效率计算式：热循环的理论热效率计算式：(6-6)(6-6)6-3 活塞式内燃机的定容 加热循环和定压加热循环第21页，共51页，编辑于2022年，星期三n n从上式看出：如果预胀比不变从上式看出：如果预胀比不变,那么提高压缩比可以提那么提高压缩比可以提 高定压加热循环的热效率高定压加热循环的热效率;如果压缩比不变如果压缩比不变,预胀比的增预胀比的增 大大(即增加发动机负荷即增加发动机负荷)会引起循环热效率的降低会引起循环热效率的降低(这是由于这是由于 ,当当 增大时增大时 比比 增加得快增加得快)。从图从图6-66-6也可以看出：当也可以看出：当 ,随随 的增加而下降的增加而下降 6-3 活塞式内燃机的定容 加热循环和定压加热循环第22页，共51页，编辑于2022年，星期三 6-3 活塞式内燃机的定容 加热循环和定压加热循环 图图 6-10 6-10 图图 6-11 6-11第23页，共51页，编辑于2022年，星期三 6-4 活塞式内燃机各种循环的比较1 1 1 1、在进气状态、压缩比及吸热量相同的条件下进、在进气状态、压缩比及吸热量相同的条件下进 行比较行比较行比较行比较图图图图6-126-126-126-12示出了三种理论循环：示出了三种理论循环：示出了三种理论循环：示出了三种理论循环：n n123451123451为混合加热循环为混合加热循环n n124124 5 5 1 1为定容加热循环为定容加热循环n n124124”5 5”1 1为定压加热循环为定压加热循环n n三种循环吸热量相同：三种循环吸热量相同：q q q q1v 1v 1v 1v=q=q=q=q1 1 1 1=q=q=q=q1p1p1p1pn n面积面积 724724 67=67=面积面积 723467=723467=面积面积 724724”6 6”7 7 图图 6-12 6-12第24页，共51页，编辑于2022年，星期三n n从图中可以明显地看出从图中可以明显地看出,定容加热循环放出的热量最少定容加热循环放出的热量最少,混合加热循环次之混合加热循环次之,定压加热循环最多：定压加热循环最多：q q q q2v 2v 2v 2v q q q q2 2 2 2 q q q q2p2p2p2pn n即即 面积面积715715 6 6 7 7 面积面积71567 71567 面积面积715715”6 6”7 7n n根据循环热效率的公式根据循环热效率的公式 可知可知 (6-7)(6-7)所以所以,在进气状态、压缩比和吸热相同的条件在进气状态、压缩比和吸热相同的条件,定容加热循环的定容加热循环的热效率最高热效率最高,混合加热循环次之混合加热循环次之,定压加热循环最低。定压加热循环最低。6-4 活塞式内燃机各种循环的比较第25页，共51页，编辑于2022年，星期三n n说明了如下两点说明了如下两点说明了如下两点说明了如下两点:n n第一、对点燃式内燃机第一、对点燃式内燃机(汽油机、煤气机等汽油机、煤气机等),),在所用燃料在所用燃料 已经确定已经确定,压缩比也跟着基本确定的情况下压缩比也跟着基本确定的情况下,发动机按定容加热发动机按定容加热循环工作是最有利循环工作是最有利;n n第二、对于压燃式内燃机第二、对于压燃式内燃机(柴油机等柴油机等),),在压缩比确定以后在压缩比确定以后,按混合加热循环工作比按定压加热循环工作有利按混合加热循环工作比按定压加热循环工作有利,如能按如能按 接近于定容加热循环工作接近于定容加热循环工作,则可达更高的热效率则可达更高的热效率。但是但是,不能从式不能从式(11-7)(11-7)得出点燃式内燃机的热效率高于压燃式内燃机的结论得出点燃式内燃机的热效率高于压燃式内燃机的结论,因为因为它们的压缩比相差悬殊它们的压缩比相差悬殊,不符合上述比较条件不符合上述比较条件。6-4 活塞式内燃机各种循环的比较第26页，共51页，编辑于2022年，星期三2 2、在进气状态以及最高温度、在进气状态以及最高温度(T(Tmaxmax)和最高压和最高压 力力(p(pmaxmax)相同的条件下进行比较相同的条件下进行比较图图图图6-136-136-136-13示出了三种理论循示出了三种理论循示出了三种理论循示出了三种理论循：n n123451123451为循环加热循环为循环加热循环n n1212 451451为定容加热循环为定容加热循环n n1212”451451为定压加热循环为定压加热循环n n三种循环放出的热量相同：三种循环放出的热量相同：q q q q2p 2p 2p 2p =q=q=q=q2 2 2 2 =q=q=q=q2v2v2v2v=面积面积 71567 71567 6-4 活塞式内燃机各种循环的比较 图图 6-13 6-13第27页，共51页，编辑于2022年，星期三n n从图中可以明显地看出从图中可以明显地看出,定压加热循环的最多定压加热循环的最多,混合加热混合加热 循环次之循环次之,定容加热循环最少：定容加热循环最少：q q q q1v 1v 1v 1v q q q q1 1 1 1 面积面积723467 723467 面积面积7272 467467n n根据循环热效率的公式根据循环热效率的公式 可知可知 (6-7)(6-7)n n所以所以,在进气状态以及最高温度和最高压力相同的条件下在进气状态以及最高温度和最高压力相同的条件下,定压加热循环的热效率最高定压加热循环的热效率最高,混合加热循环次之混合加热循环次之,定容加热循环最低定容加热循环最低。6-4 活塞式内燃机各种循环的比较第28页，共51页，编辑于2022年，星期三n n说明了两点说明了两点:n n第一、在内燃机的热强度和机械强度受到第一、在内燃机的热强度和机械强度受到 限制的情况下限制的情况下,为了获得较高的热效率为了获得较高的热效率,采用定压加热循环是适宜的采用定压加热循环是适宜的；n n第二、如果近似地认为点燃式内燃机循环和压燃式内燃第二、如果近似地认为点燃式内燃机循环和压燃式内燃 机循环具有相同的最高温度和贼高压力机循环具有相同的最高温度和贼高压力,那么压燃式内燃那么压燃式内燃 机具有较高的热效率机具有较高的热效率。实际情况正是这样实际情况正是这样,由于压缩比较由于压缩比较 高高,柴油机的热效率通常都显著地超过汽油机柴油机的热效率通常都显著地超过汽油机。6-4 活塞式内燃机各种循环的比较第29页，共51页，编辑于2022年，星期三 6-5 燃气轮机装置的循环、燃气轮机简介、燃气轮机简介n n燃气轮机装置包括三部分主要装备燃气轮机装置包括三部分主要装备:压气机、燃烧室、压气机、燃烧室、燃气轮机燃气轮机。压气机都采用叶轮式的压气机都采用叶轮式的。关于叶轮式压气机关于叶轮式压气机 已在第已在第5 5章中作了介绍章中作了介绍。这里简单介绍一下燃气轮机这里简单介绍一下燃气轮机。n n燃气轮机主要由装有动叶片的转子和固定在机壳上的静燃气轮机主要由装有动叶片的转子和固定在机壳上的静 叶片（叶片间的通道构成喷管）组成叶片（叶片间的通道构成喷管）组成。燃气进入燃气进入燃气轮燃气轮 机后机后,沿轴向在一环环静叶片构成的喷管中降压、加速沿轴向在一环环静叶片构成的喷管中降压、加速,并并 通过紧接通过紧接每一环静叶片后面的动叶片推动转子旋转对外作功每一环静叶片后面的动叶片推动转子旋转对外作功。第30页，共51页，编辑于2022年，星期三 图图 6-14 6-14第31页，共51页，编辑于2022年，星期三n n燃气在燃气轮机中的膨胀过程可以认燃气在燃气轮机中的膨胀过程可以认 为是绝热的为是绝热的(图图6-15)6-15)。燃气轮机进口燃气轮机进口 和出口气流的功能的差值可略去不计和出口气流的功能的差值可略去不计;气流重力位能的变化也可以忽略气流重力位能的变化也可以忽略。燃气轮机所作的功等于燃气的焓降燃气轮机所作的功等于燃气的焓降:(6-9)(6-9)(6-9)(6-9)n n燃气看作定比热容理想气体燃气看作定比热容理想气体,则则 (6-10)(6-10)(6-10)(6-10)n n膨胀过程是可逆的定熵过程膨胀过程是可逆的定熵过程,则则 (6-11)(6-11)(6-11)(6-11)6-5 燃气轮机装置的循环 图图 6-15 6-15第32页，共51页，编辑于2022年，星期三n n对定比热容理想气体的定熵过程对定比热容理想气体的定熵过程,则则 (6-12)(6-12)(6-12)(6-12)2 2、燃气轮机装置简单定压加热循环、燃气轮机装置简单定压加热循环n n图图6-166-16是最简单的按定压加热是最简单的按定压加热 循环循环(勃雷顿循环勃雷顿循环)工作的燃气工作的燃气 轮机装置的示意图轮机装置的示意图。6-5 燃气轮机装置的循环 图图 6-16 6-16第33页，共51页，编辑于2022年，星期三n n循环包括空气在压气机中的绝热压缩循环包括空气在压气机中的绝热压缩(图图6-176-17和图和图6-6-18 18中过程中过程1 2)1 2)、压缩空气在燃烧室中的定压燃烧加热、压缩空气在燃烧室中的定压燃烧加热(过程过程2 2 3)3)、燃烧在燃气轮机中绝热膨胀、燃烧在燃气轮机中绝热膨胀(过程过程3 3 4)4)和废气排向大气的定压冷却过程和废气排向大气的定压冷却过程(过程过程4 1)4 1)。这样便完成这样便完成一个循环一个循环(循环循环12341)12341)。6-5 燃气轮机装置的循环 图图 6-17 6-17 图图 6-18 6-18第34页，共51页，编辑于2022年，星期三n n循环的特性可由增压比循环的特性可由增压比 和升温比和升温比 来确定来确定。n n假定燃气轮机装置中工质的化学成分在整个循环期间保假定燃气轮机装置中工质的化学成分在整个循环期间保 持不变并近似地把它看作定压比热容持不变并近似地把它看作定压比热容理想气体理想气体,那么那么定压定压 加热循环的理论热效率为加热循环的理论热效率为n n根据过程根据过程方程方程,将式将式T T2 2-T-T4 4换成温比或压比的函数换成温比或压比的函数,化化简后简后 (6-13)(6-13)(6-13)(6-13)6-5 燃气轮机装置的循环第35页，共51页，编辑于2022年，星期三n n从式从式(6-13)(6-13)可以看出可以看出:按定压加热循环工作的燃气轮机装置的理按定压加热循环工作的燃气轮机装置的理论热效率仅仅取决于增压比论热效率仅仅取决于增压比,而和升温无关而和升温无关;增压比愈高增压比愈高,理论热效理论热效率也愈高率也愈高。n n从图从图6-196-19可以看出可以看出,加大增压比加大增压比 (假定升温比假定升温比 不变不变),),可以提高循环可以提高循环的平均吸热温度的平均吸热温度(T(T m1m1TTm1m1)并降低循环的平均放热温度并降低循环的平均放热温度(T(T m2m2TTm2m2),),因此可以提高循环的热效率因此可以提高循环的热效率。n n3 3、燃气轮机装置回热定压加热循环、燃气轮机装置回热定压加热循环n n燃气轮机排除的废气温度通常都高于压气机出口压缩空燃气轮机排除的废气温度通常都高于压气机出口压缩空 气的温度气的温度,可以利用回热器收废气中的一部分热能可以利用回热器收废气中的一部分热能,用于加热用于加热压缩空气压缩空气(图图6-20),6-20),以达到节约燃料提高热效率的目的以达到节约燃料提高热效率的目的。6-5 燃气轮机装置的循环第36页，共51页，编辑于2022年，星期三 6-5 燃气轮机装置的循环 图图 6-19 6-19 图图 6-20 6-20第37页，共51页，编辑于2022年，星期三n n采用回热器的燃气轮机装置的理论循环在温熵图中如图采用回热器的燃气轮机装置的理论循环在温熵图中如图 6-216-21所示所示。n n在完全回热的理想情况下在完全回热的理想情况下 T Ta a=T=T4,4,T Tb b=T=T2 2n n定压加热过程定压加热过程2 a2 a所需热量由定所需热量由定 压冷却过程压冷却过程4 b4 b放出热量供给放出热量供给。因此因此,气体在燃烧室中所需热量减气体在燃烧室中所需热量减 少少,而循环所作的功不变而循环所作的功不变。所以所以,采采 用回热器可以节约燃料用回热器可以节约燃料,提高循环提高循环 热效率热效率。6-5 燃气轮机装置的循环 图图 6-21 6-21第38页，共51页，编辑于2022年，星期三n n回热循环从外界吸热过程回热循环从外界吸热过程a3a3比不回热循环的吸热过程比不回热循环的吸热过程 23 23具有较高的平均吸热温度；而回热循环向外界放热的具有较高的平均吸热温度；而回热循环向外界放热的过程过程b1b1比不回热循环的放热过程比不回热循环的放热过程4141具有较低的平均放具有较低的平均放热温度热温度。因此因此,回热循环的热效率比不回热循环的热效率高回热循环的热效率比不回热循环的热效率高。n n理想回热循环的热效率为理想回热循环的热效率为(认为工质是定比热容理想气体认为工质是定比热容理想气体)：6-5 燃气轮机装置的循环第39页，共51页，编辑于2022年，星期三n n根据过程方程根据过程方程,将式中将式中T T2 2-T-T4 4换成温比或压比的函数换成温比或压比的函数,化简后化简后 (6-14)(6-14)(6-14)(6-14)可见：提高升温比或降低增压比都能提高理想回热循环的热效率可见：提高升温比或降低增压比都能提高理想回热循环的热效率可见：提高升温比或降低增压比都能提高理想回热循环的热效率可见：提高升温比或降低增压比都能提高理想回热循环的热效率。n n如果如果 不变不变(图图11-22),11-22),提高提高 ,可以提高循环的平均吸热温可以提高循环的平均吸热温 度度 ,而平均放热温度不变而平均放热温度不变 ，可以提高回热循环，可以提高回热循环 的热效率的热效率。n n如果如果如果如果 不变不变不变不变(图图11-23),11-23),降低降低 ,可以提高循环的平均吸热可以提高循环的平均吸热 温度温度 ,同时降低平均放热温度同时降低平均放热温度 ，提高回热循环的热效率，提高回热循环的热效率。6-5 燃气轮机装置的循环第40页，共51页，编辑于2022年，星期三 图图 6-22 6-22 图图 6-23 6-23第41页，共51页，编辑于2022年，星期三n n增压比较高的大型燃气轮机装置增压比较高的大型燃气轮机装置,也可以考虑分段压缩、也可以考虑分段压缩、中间冷却和分段膨胀、中间再热中间冷却和分段膨胀、中间再热,同时采取回热措施同时采取回热措施。n n图图6-246-24画出了这种装置的理论循环画出了这种装置的理论循环(循环循环121121121121 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 341341341341)。在在 (为整个循环的压比为整个循环的压比)及完全回及完全回热热 的条的条件的条的条件,这一复杂的理论这一复杂的理论 循环相当于两个压比均为循环相当于两个压比均为 的理想回热循环的理想回热循环(循环循环 1234112341和循环和循环1 1 2 2 3 3 4 4 1 1)。6-5 燃气轮机装置的循环第42页，共51页，编辑于2022年，星期三n n这两个循环的理论热效率相同这两个循环的理论热效率相同,而且也就而且也就 是整个循环的是整个循环的 理论热效率理论热效率 参看式参看式(6-14)(6-14)：(6-15)(6-15)(6-15)(6-15)n n显然在显然在 和和 相同的情况下相同的情况下 6-5 燃气轮机装置的循环 图图 6-24 6-24第43页，共51页，编辑于2022年，星期三 6-6 喷气发动机循环n n喷气发动机的工作特点则是利用高温、高压气体在喷管喷气发动机的工作特点则是利用高温、高压气体在喷管 中加速时的反作用力推动移动装置中加速时的反作用力推动移动装置。图图6-256-25为现代喷气为现代喷气 式飞机中采用的涡轮喷气发动机的示意图式飞机中采用的涡轮喷气发动机的示意图,概括地讲概括地讲,其其 论热力过程是由两次压缩、一次燃烧和两次膨胀构成论热力过程是由两次压缩、一次燃烧和两次膨胀构成。图图 6-25 6-25第44页，共51页，编辑于2022年，星期三 如图如图6-266-26所示所示。飞机在飞行时飞机在飞行时,空气以飞行速度的相空气以飞行速度的相对流速进入扩压管对流速进入扩压管,通过它初步提高压力通过它初步提高压力(图图6-266-26中过程中过程1 5),1 5),这是第一次压缩这是第一次压缩,再进入压气机继续压缩再进入压气机继续压缩(过程过程5 2),5 2),然后压缩空气进入燃烧室喷油燃烧然后压缩空气进入燃烧室喷油燃烧(定压加热过定压加热过程程2 3)2 3)。从燃烧室出来的高温、从燃烧室出来的高温、高压燃气先在燃气轮机中初步高压燃气先在燃气轮机中初步(第一次第一次)膨胀膨胀(过程过程 3 6),3 6),所作之功供压所作之功供压气机之用气机之用:w wT T=h=h3 3-h-h=面积面积d36cdd36cd w wC C=h=h2 2-h-h5 5=面积面积d25bdd25bd w wT T =w=wC C 6-6 喷气发动机循环 图图 6-26 6-26第45页，共51页，编辑于2022年，星期三n n最后最后,燃气在尾喷管中膨胀燃气在尾喷管中膨胀(第二次第二次)至环境压力至环境压力,并以高速喷出、对飞并以高速喷出、对飞机产生推力机产生推力。每流过每流过1kg1kg气体气体,在尾喷管中获得的速度能相当于在尾喷管中获得的速度能相当于面积面积c64ac,c64ac,而扩压管消耗的速度能相当与面积而扩压管消耗的速度能相当与面积b51ab,b51ab,二者之差二者之差(面积面积cb415bc)cb415bc)和整个膨胀过程和整个膨胀过程(过程过程3 4)3 4)与整个压缩过程与整个压缩过程(过过程程1 2)1 2)的技术功之差的技术功之差(面积面积12341)12341)相等相等。n n在理论上可以将整个发动机的工作过程看作由定熵压缩在理论上可以将整个发动机的工作过程看作由定熵压缩 过程过程 1 21 2、定压加热过程、定压加热过程 2 3 2 3、定熵膨胀过程、定熵膨胀过程3 43 4和喷出气和喷出气体在大气中的定压冷却过程体在大气中的定压冷却过程 4 14 1构成的勃雷顿循环构成的勃雷顿循环。6-6 喷气发动机循环第46页，共51页，编辑于2022年，星期三n n理论热效率的计算式与式理论热效率的计算式与式(6-13)(6-13)相同相同 (6-16)(6-16)(6-16)(6-16)6-6 喷气发动机循环第47页，共51页，编辑于2022年，星期三 6-7 活塞式热气发动机循环n n活塞式热气发动机活塞式热气发动机(又称斯特林发动机又称斯特林发动机)是一种外燃式的是一种外燃式的 闭式循环发动机闭式循环发动机。它的工作原理如图它的工作原理如图6-276-27所示所示。图中图中A A 为动力活塞、为动力活塞、B B为配气活塞、为配气活塞、C C为回热器为回热器。发动机的循环可分为四个过程发动机的循环可分为四个过程发动机的循环可分为四个过程发动机的循环可分为四个过程(图图6-286-28、图、图6-29)6-29)：(1)(1)定温压缩过程定温压缩过程1 21 2相当于图相当于图 6-27 6-27中中(a a)到到(b)(b)(2)(2)定容加热过程定容加热过程2 32 3相当于图相当于图 6-27 6-27中中(b b)到到(c)(c)(3)(3)定温膨胀过程定温膨胀过程3 43 4相当于图相当于图 6-27 6-27中中(c c)到到(d)(d)(4)(4)定容冷却过程定容冷却过程4 14 1相当于图相当于图 6-27 6-27中中(d d)到到(a)(a)第48页，共51页，编辑于2022年，星期三 6-7 活塞式热气发动机循环 图图 6-27 6-27第49页，共51页，编辑于2022年，星期三 6-7 活塞式热气发动机循环 图图 6-28 图图 6-29 6-29 第50页，共51页，编辑于2022年，星期三n n在经历了上述四个过程中后在经历了上述四个过程中后,发动机完成了一个工作周发动机完成了一个工作周 期期,气体工质完成了一个循环气体工质完成了一个循环。循环由两个定温过程和循环由两个定温过程和 两个吸热两个吸热,放热相互抵消的定容过程组成放热相互抵消的定容过程组成。该循环也叫该循环也叫 斯特林循环斯特林循环,是回热卡诺循环的一种是回热卡诺循环的一种。n n理论热效率理论热效率:n n斯特林发动机实现了回热可诺循环斯特林发动机实现了回热可诺循环,理论上达到了一定温度范围内最高的循理论上达到了一定温度范围内最高的循环热效率环热效率,但实际上但实际上,由于一些技术条件的限制和过程的不可逆损失由于一些技术条件的限制和过程的不可逆损失,斯特斯特林循环的热效率达不到式林循环的热效率达不到式(6-17)(6-17)的计算值值的计算值值。现代斯特林发动机的热效率现代斯特林发动机的热效率约为约为404050%,50%,这样的热效率可算较高这样的热效率可算较高,加之所用燃料品种不限加之所用燃料品种不限,工作也稳工作也稳定可靠定可靠,虽然因过程较慢虽然因过程较慢,功率不可能很大功率不可能很大,在应用上也还是占有一席之地在应用上也还是占有一席之地。6-7 活塞式热气发动机循环第51页，共51页，编辑于2022年，星期三