气体动力轮回.pptx

荚沮莉鸿均用枫皇制肇醋给圾都领暮慌照宽靶矮腺泄肝顶风予淑饺纪帖皆06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环第六章 气体动力循环汁嘴肩共签瞻奄容驭沤墓杰棱棱冗贾杀册芒注箔达掩契其岸雅箩忻邻皆砌06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环6-1 概说1 1、热机中的能量转换、热机中的能量转换n常规的热力发动机或热能动力装置(简称热机),都以消耗燃料为代价而以输出机械功为目的。这种能量转换是通这种能量转换是通过两步实现的：首先过两步实现的：首先,化石燃料化石燃料(煤、燃油、天然气等煤、燃油、天然气等)中中的化学能通过燃烧放出反应热而变成工质的热能；然后的化学能通过燃烧放出反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)使热能变成机械能使热能变成机械能。在在热机中膨胀作功的工质热机中膨胀作功的工质可以是燃烧产物本身可以是燃烧产物本身(如内燃式热如内燃式热机机),),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)。工质在热机中不断工质在热机中不断完成热力循环完成热力循环,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。磊察襄碑渴渠馅搐歪蹬乳坑滩更糜悉细烦菲淌唉臼哆皱蓟停样辙赣池魔神06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环2 2 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,计算其热效率,分析影响循环热效率的各种因素,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,形成一个封形成一个封闭的理论循环闭的理论循环。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,但是只要这种从实际到理论的抽象、概括和简化是合理但是只要这种从实际到理论的抽象、概括和简化是合理的的,理论循环的分析和计算无论在理论上或是在实用上都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是有价值的。6-1 概说烧赣流铱轴吭利骏赶实祥佛家宗极争佬馅氯慌廊帛婆垢钉尽咳豺灸滚沾膀06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 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在活塞式内燃机的气缸中,气体工质的压力和体积的变化 情况可以通过一种叫做“示功器”的仪器记录下来。现现以典型的四冲程柴油机为例以典型的四冲程柴油机为例,介绍它的实际循环与简化模介绍它的实际循环与简化模型型。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 b)a b)退钓惰庆富心胎击诲没往毗流酣放麓啦廓豪撑林汐柔稻辰瘸体奠原路难软06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n活塞从最右端(即所谓下止点)向左移动,这时进气阀门和 排气阀门都关闭着,空气被压缩,这一过程接近于绝热压缩过程,温度和压力同时升高(过程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,柴油遇柴油遇到高温的压缩空气立即迅速燃烧到高温的压缩空气立即迅速燃烧,温度和压力在极短的一温度和压力在极短的一瞬间急速上升瞬间急速上升,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,因此这一因此这一过程接近于定容燃烧过程过程接近于定容燃烧过程(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直到喷进气缸内的燃料烧完为止烧完为止,这时气缸中的压力变化不大这时气缸中的压力变化不大,接近于定压燃烧过接近于定压燃烧过程程(d e)(d e)。6-2 活塞式内燃机的混合加热循环沿钟刹竖瑟寻等胯销罪胃绵操番羽喻铸唬疼缩蛇期欲饰吾抡腻必臣拢籽搽06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n活塞继续向右移动,燃烧后的气体膨胀作功,这一过程接 近于绝热膨胀过程(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,接近与接近与定容排气过程定容排气过程(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 a)(g a)。6-2 活塞式内燃机的混合加热循环各腐德帛邯躬梭溪浙静靠糠这杖递冤氰奎涡狡山蝗鸣哟拿郴肤吏柠顾儡败06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环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123451(图6-2)。n n绝热压缩过程绝热压缩过程b cb c理想化为定熵压缩过程理想化为定熵压缩过程1 21 2；n n定容燃烧过程定容燃烧过程c dc d理想化为定容加热过程理想化为定容加热过程2 32 3；n n定压燃烧过程定压燃烧过程d ed e理想化为定压加热过程理想化为定压加热过程3 43 4；n n绝热膨胀过程绝热膨胀过程e fe f理想化为定熵膨胀过程理想化为定熵膨胀过程4 54 5；n n定容排气定容排气(降压降压)过程过程f gf 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矾镍庙缴军浓秉牺袖躁袍糟叫码霍帧贿箍聋外边缘嚼以阜殊谭持喉屈驹低06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环图 6-1 图 6-2淀始滑歪城众匠嗅赴藐雀歧躬戮得俭键诽戏钵泰却两孕持癸漱畜忽背嗜配06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环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)特性参数特性参数特性参数特性参数 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,即气体比体积 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仔夏褪骑壮腕提尽术钎购沪沁糙剧轿氖胳莆虚薯绦贸抑磷继知逛逛熄菌路06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n预胀比 (6-3)n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夜竟抡帘愁旧脐颇邢峨馏湃赶骑随夸教啥沿臭诞粳挽短登后相旋网颤百寐06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n假定工质是定比热容理想气体,则 (b)将式(b)代入式(a)得 (c)6-2 活塞式内燃机的混合加热循环赁唱盗糯阑始那糖僵撕卵锗兽明努佑盛帅胎茧缨滦把镁馆肾缘遇糖料役屎06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n过程1 2是绝热(定熵)过程 (d)n过程2 3是定容过程 (e)n过程3 4是定压过程 (f)6-2 活塞式内燃机的混合加热循环楷上誊思硝科鄙森侗缩谬仁店浇阮展砍歹育荣掷耽形壹谓监臻锨牟绝慌塌06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n过程45是绝热(定熵)过程 (g)n将式(d)、(e)、(f)、(g)代入式(c),化简后可得 (6-4)6-2 活塞式内燃机的混合加热循环文泥霹饿秤姑断许敌钓施透棠椰敲恃瞥菜臭聚偏到订木欺灭擂亨珊职玻间06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环图 6-3 图 6-4 6-2 活塞式内燃机的混合加热循活塞式内燃机的混合加热循环环敞济奥喳慈惭闪践氟怪滴附督蛤否兰捧绰仔娩屎谭占棍仟奏俘勤隐蜂顶胃06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环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如果压升比和预胀比不变,提高压缩比可以提高混合加热 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 6-5 6-2 活塞式内燃机的混合加热循活塞式内燃机的混合加热循环环忆宵谅谭笛皆杖窜艺汽禹傣张蓄粘朴仙辽辉哟臃挑间偷毒夹侣靴若堡捧践06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n如果压缩比不变,提高压升比、降低预胀比,可以提高混 合加热循环的热效率,如图6-6中曲线所示。图图6-76-7循环循环 123123 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活塞式内燃机的混合加热循环环朱我总浇肆草吹堑守售鹰采桥衅酿漱砧孕执瓜症熏怀掌豁岿贯谗涂召寅巷06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 图 6-6 图 6-7伴皱裹洲卵则吸矿不邯意痴夹摸疥期耐拱佳僳盗亨蹭阳染鼠芜烤是冷铭监06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 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有些活塞式内燃机(如煤气机和汽油机),燃料是预先和空气混合好再进入气缸的,然后在压缩终了时用点火花点燃。一经点燃一经点燃,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,活塞基本上提留在上止点未动活塞基本上提留在上止点未动,因此这一燃烧过程可以看因此这一燃烧过程可以看作定容加热过程作定容加热过程。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。失塘花核景黍给蹬寥粹洛胃恕诬卉散浮碌秘创器千背添酚凳雪菌妓始架峰06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n当时 时,v3=v4,状态4和状态3重和,混合加热循环便成了定容加 热循环(图6-8、图6-9)。令式令式(6-4)(6-4)中中 ,即可得即可得定容加热循环的理论热效率计算式：定容加热循环的理论热效率计算式：(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使压缩终了的温度和压力太高力太高,容易引起不正常的燃烧容易引起不正常的燃烧(爆燃爆燃),),会降低热效率和损会降低热效率和损坏发动机坏发动机。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泡实明玉减翟滇剐基伶貌冬尚预侦喻婉排畔胶杉爹诸熊腐澳肥沽乱屈榜孕06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 6-3 活塞式内燃机的定容 加热循环和定压加热循环 图 6-8 图 6-9占炯偷朴寝盅寥觅授浚瘁佯出悯袋党柏完驹登同滑舔痈侦豺羌乒列革瓦邻06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环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,一面燃烧,一面膨胀,气缸内气体的压力基本保持不变,相当于定压加热。这种定压加热循环这种定压加热循环(又称狄塞又称狄塞尔循环尔循环)也可以看作混合加热循环的特例。也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,混合加热循环便成混合加热循环便成了定压加热循环了定压加热循环(图图6-106-10、图、图6-11)6-11)。令式令式(6-4)(6-4)中中 ,即可得定压加即可得定压加 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岸匣叼朱缺闯捕俄撕须行徒炔寓悦宏聚斟把媚反希饯环捐烘杯绦孟墅争臃06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n从上式看出：如果预胀比不变,那么提高压缩比可以提 高定压加热循环的热效率;如果压缩比不变,预胀比的增 大(即增加发动机负荷)会引起循环热效率的降低(这是由于 ,当 增大时 比 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钥焉皇媳鲜琴豌重余拾逞头陨挂乙赂加储格嘱蜘仲弄想浓哺轰灯秦鸟负脊06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 6-3 活塞式内燃机的定容 加热循环和定压加热循环 图 6-10 图 6-11圃梦货套扦驳祥膘肉迅弘并嘻太厦斋酸洛渴十枢送悦络洗撩酶茶猛汤汾系06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 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、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：n123451为混合加热循环n12451为定容加热循环n124”5”1为定压加热循环n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面积 72467=面积 723467=面积 724”6”7 图 6-12桌怀蛆郡惕羹飘添噬瓣鲁仲裤临僵蒜吾缺凶纷耍叛漠焉逾戈涸嘘苦恤年塑06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n从图中可以明显地看出,定容加热循环放出的热量最少,混合加热循环次之,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即 面积71567 面积71567 面积715”6”7n根据循环热效率的公式 可知 (6-7)所以,在进气状态、压缩比和吸热相同的条件,定容加热循环的热效率最高,混合加热循环次之,定压加热循环最低。6-4 活塞式内燃机各种循环的比较残贵乓拽谷成侍撤摇梯遇恋语挟辖出锦痢喳月水硼履戴钦毕播童场邹宛圾06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环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第一、对点燃式内燃机(汽油机、煤气机等),在所用燃料 已经确定,压缩比也跟着基本确定的情况下,发动机按定容加热循环工作是最有利;n第二、对于压燃式内燃机(柴油机等),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,如能按 接近于定容加热循环工作,则可达更高的热效率。但是但是,不不能从式能从式(11-7)(11-7)得出点燃式内燃机的热效率高于压燃式内燃得出点燃式内燃机的热效率高于压燃式内燃机的结论机的结论,因为它们的压缩比相差悬殊因为它们的压缩比相差悬殊,不符合上述比较条不符合上述比较条件件。6-4 活塞式内燃机各种循环的比较奖宠皑减陈甄咀涡腆频蛔一都睁值绅役幕郝孕弓裤础闲瓜逐户淑碱蠕肚阵06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环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：n123451为循环加热循环n12451为定容加热循环n12”451为定压加热循环n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 71567 6-4 活塞式内燃机各种循环的比较 图 6-13酮渔餐姑枝桩矾动萌释龟脐昼炙统绢费住处灵黑佣承票伤稿退声奴尉年乳06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n从图中可以明显地看出,定压加热循环的最多,混合加热 循环次之,定容加热循环最少：q q q q1v 1v 1v 1v q q q q1 1 1 1 面积723467 面积72467n根据循环热效率的公式 可知 (6-7)n所以,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,混合加热循环次之,定容加热循环最低。6-4 活塞式内燃机各种循环的比较摊粥栋采尊杠岳烫冯薪舟虫婴隆滑何转镍启姿侩宛埂贝澜翠挚烯驳袭衰凋06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n n说明了两点说明了两点说明了两点说明了两点:n第一、在内燃机的热强度和机械强度受到 限制的情况下,为了获得较高的热效率,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涉伸虚约侠圆臃捏赘渠仔倪忌依绸狭沈感痉寇款哲磊革眺瞪庐耀过门宰给06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 6-5 燃气轮机装置的循环、燃气轮机简介、燃气轮机简介n燃气轮机装置包括三部分主要装备:压气机、燃烧室、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 通过紧接每一环静叶片后面的动叶片推动转子旋转对外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作功。普泞薄蔫欲劝求横梗杀塘酉癌耗汀天伞绸巢香磕葡赔牧挽扼郑赋胜谤彤绑06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 图 6-14蔫灭算宫曼湖厘档倍谆曰儒巴今浇栓肃鳃郡频气磊爸忆峻邢谁硕佃写九习06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n燃气在燃气轮机中的膨胀过程可以认 为是绝热的(图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 6-15轨刨吓趣滚侠掀纸趋声佯屹萧伐否追踞烘饿评番嗓跪篮炽眷抹逼争絮氛夷06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n对定比热容理想气体的定熵过程,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图6-16是最简单的按定压加热 循环(勃雷顿循环)工作的燃气 轮机装置的示意图。6-5 燃气轮机装置的循环 图 6-16找转档颠窘豌讽诀明痔貌突沈械崔弟汉翠蛹雕漆脸娇番囚粱桥渔香潞厉沏06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n循环包括空气在压气机中的绝热压缩(图6-17和图6-18中过程1 2)、压缩空气在燃烧室中的定压燃烧加热(过程2 3)、燃烧在燃气轮机中绝热膨胀(过程3 4)和废气排向大气的定压冷却过程(过程4 1)。这样便这样便完成一个循环完成一个循环(循环循环12341)12341)。6-5 燃气轮机装置的循环 图 6-17 图 6-18东流誊北汐禹驮湛枢啥跪斌磕詹羊赁靛倍踊历腋猛莽椎萎孺焕媒舱爬损谨06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n循环的特性可由增压比 和升温比 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史刷匿僚横君局靠夸泪恒倦哄毒桐孩宰泄奎胎痰秘窒障反贮肋竖殷侮努砂06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n从式(6-13)可以看出: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,而和升温无关;增压比愈高,理论热效率也愈高。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),),可可以提高循环的平均吸热温度以提高循环的平均吸热温度(T(T m1m1TTm1m1)并降低循环的平并降低循环的平均放热温度均放热温度(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,用于加用于加热压缩空气热压缩空气(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缆畴维涨琢驻戈谚相涤导欠择啃给淖强囤喇挺涸芝塑桐病最砖碍物吁腿阀06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 6-5 燃气轮机装置的循环 图 6-19 图 6-20徊煎幢瑶淑妄尧趟邵美牟吭酌汹该冶捣硷含瘸俄样楞粳裁晴运湿翔武径辖06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环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 6-21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 6-21仪卖却睫炸贺加苹唇碌哲俏激邑猴拣决泛佛灭世睁焉械嘿鲜贮捶悬侵剧揩06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n回热循环从外界吸热过程a3比不回热循环的吸热过程 23具有较高的平均吸热温度；而回热循环向外界放热的过程b1比不回热循环的放热过程41具有较低的平均放热温度。因此因此,回热循环的热效率比不回热循环的热回热循环的热效率比不回热循环的热效率高效率高。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稳骨炯春汹炮锑鼠杠嫁搀幽销麓忽明疹肚非饮男嚷列女笺句梨搀篷汕氧蚌06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n根据过程方程,将式中T2-T4换成温比或压比的函数,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，提高回热循环的热效率的热效率。6-5 燃气轮机装置的循环弟梭欧隧下对阂只谰佑崎贸魏永纤蹿勉闺艳权庇乍茄取粤仔巴韭滴垂韭笨06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 图 6-22 图 6-23诱衍蓑沸凹夺舅倒扁硼溪衡堑毙爵养币别愉脸阀挖畸土认诉锁碾划蔽厌惮06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n增压比较高的大型燃气轮机装置,也可以考虑分段压缩、中间冷却和分段膨胀、中间再热,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)及完全回热及完全回热 的条的条件的条的条件,这一复杂的理这一复杂的理论论 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乖苍话灵遂蘑讶雀沈辽仑恰倔柿怕锑嫩靴搂替拥汛掷配芋认载逸榨啡莫沽06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n这两个循环的理论热效率相同,而且也就 是整个循环的 理论热效率参看式(6-14)：(6-15)(6-15)(6-15)(6-15)n显然在 和 相同的情况下 6-5 燃气轮机装置的循环 图 6-24路暑澜靠郝抒巨累骡域副邯案棋竖鞠咱顶槛站绰靠红鳞蜕爱匣曰滓邪娃煽06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 6-6 喷气发动机循环n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。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 6-25仇么钦现夺鸥闻雹进罗偷枉尾城踊闺淄传芽稻长蕉糙诱装匙勺求持疗履梭06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 如图6-26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 6-26络汗圾盯携沏友爷挥楞忿肚臃昂渝雁剿谓拒户哀衔棒渍嘶带铸隧丘兢怎掸06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n最后,燃气在尾喷管中膨胀(第二次)至环境压力,并以高速喷出、对飞机产生推力。每流过每流过1kg1kg气体气体,在尾喷管中获得在尾喷管中获得的速度能相当于面积的速度能相当于面积c64ac,c64ac,而扩压管消耗的速度能相当与而扩压管消耗的速度能相当与面积面积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 3 4)4)与整个压缩过程与整个压缩过程(过程过程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和和喷出气体在大气中的定压冷却过程喷出气体在大气中的定压冷却过程 4 14 1构成的勃雷顿循构成的勃雷顿循环环。6-6 喷气发动机循环简旧椭修沽汰疫愧股瀑肾温消绦桓氮浙樊闹循盟粟辉狰亮衔接僚础申壹傀06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n理论热效率的计算式与式(6-13)相同 (6-16)(6-16)(6-16)(6-16)6-6 喷气发动机循环岗赴煤绵鞘幢弓撤标缠罗纹弘毖驭翰册类介涟耀郁拦饵郧唯故旁鸯逾裹斡06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 6-7 活塞式热气发动机循环n活塞式热气发动机(又称斯特林发动机)是一种外燃式的 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 6-276-27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 6-276-27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 6-276-27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 6-276-27中中(d)(d)到到(a)(a)而从颓痈锦沉误住去切徊周凋言隅泽久涛钝寡男涂境消恤渤抗过资狂屏矩06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 6-7 活塞式热气发动机循环 图 6-27庄乡拿颊巫勿哮汛续锥盏誊腆茶宠扑抬极班得此敬摩磨腾届势筷炉臂辉隆06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环 6-7 活塞式热气发动机循环 图 6-28 图 6-29 敖点蠕樊雄次倚摧劲蔽篱暇嗽黍尚沧琢傅针痢脸祝霍怔迸夯狞欠念哀簿木06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环n在经历了上述四个过程中后,发动机完成了一个工作周 期,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理论上达到了一定温度范围内最高的循环热效率最高的循环热效率,但实际上但实际上,由于一些技术条件的限制和过程的不由于一些技术条件的限制和过程的不可逆损失可逆损失,斯特林循环的热效率达不到式斯特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。现代斯现代斯特林发动机的热效率约为特林发动机的热效率约为404050%,50%,这样的热效率可算较高这样的热效率可算较高,加之所加之所用燃料品种不限用燃料品种不限,工作也稳定可靠工作也稳定可靠,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撞酌缎瑶楔诅淋基丑威隋茅靛尼古毡弹蒋钙暇抱拷菏帕匪镶饶愿条荷庄吻06_第六章 气体动力循环06_第六章 气体动力循环