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1、2022年12月4日第九章 气体动力循环1第九章第九章 气体动力循环气体动力循环9-1 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环9-2 喷气式发动机及其循环喷气式发动机及其循环9-3 活塞式热气发动机及其循环活塞式热气发动机及其循环2022年12月4日第九章 气体动力循环29-1 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环一、定压加热燃气轮机循环一、定压加热燃气轮机循环 定压加热燃气轮机装置循环（定压加热燃气轮机装置循环（勃雷登循勃雷登循环环）的组成：）的组成：绝热压缩过程（压气机）绝热压缩过程（压气机）定压加热过程（燃烧室、加热器）定压加热过程（燃烧室、加热器）绝热膨胀过程（燃气轮机、气轮机）绝热膨胀过程（燃
2、气轮机、气轮机）定压放热过程（大气、冷却器）定压放热过程（大气、冷却器）闭式燃气闭式燃气轮机装置轮机装置2022年12月4日第九章 气体动力循环3 增压比增压比=p2/p1 最高温最高温度度T3 升温比升温比=T3/T1参数关系：参数关系：循环加热量：循环加热量：循环放热量：循环放热量：循环热效率循环热效率：定压加热燃气轮机循环特性：定压加热燃气轮机循环特性：2022年12月4日第九章 气体动力循环4整理上式，有整理上式，有可见，可见，热效率热效率。功量功量燃气轮机轴功：燃气轮机轴功：压气机耗功：压气机耗功：燃气轮机装置的循环净功燃气轮机装置的循环净功有极大值。有极大值。当当所以所以2022年
3、12月4日第九章 气体动力循环5二、燃气轮机装置的实际循环二、燃气轮机装置的实际循环压压气机耗功：气机耗功：燃气轮机轴功：燃气轮机轴功：循环热效率：循环热效率：实际燃气轮机装置中，压气机的实际燃气轮机装置中，压气机的压气过程及燃气轮机的膨胀作功压气过程及燃气轮机的膨胀作功过程的不可逆损失较大。过程的不可逆损失较大。涡轮机效率涡轮机效率2022年12月4日第九章 气体动力循环6因因所以有所以有2022年12月4日第九章 气体动力循环7 当当 、一定时，随着增压比一定时，随着增压比的提高，循环热效率有一个极大值；的提高，循环热效率有一个极大值；可见：可见：热效率影响因素分析热效率影响因素分析 由由
4、。；T1决定于大气环境，因此，提高燃烧所决定于大气环境，因此，提高燃烧所得高温燃气温度得高温燃气温度T32022年12月4日第九章 气体动力循环8 (1)燃气轮机装置的回热循环燃气轮机装置的回热循环 理想理想循环的组成：循环的组成：1-2为压气机中绝热压缩；为压气机中绝热压缩；2-6为回热器中定为回热器中定压预热；压预热；6-3为燃烧室中定压加热；为燃烧室中定压加热；3-4为燃气轮机中绝热膨胀；为燃气轮机中绝热膨胀；4-5为回热器中定压放热；为回热器中定压放热；5-1为大气中定压放热。为大气中定压放热。理想回热：空气从理想回热：空气从T2 升温至升温至T4，实际只能到，实际只能到T6。三、提高
5、热效率的措施三、提高热效率的措施定义：回热度定义：回热度2022年12月4日 采用回热措施时，空气进入燃烧室的温度由采用回热措施时，空气进入燃烧室的温度由T T2 2提高到提高到T T6 6，从而大大提高了燃烧室中空气定压加热，从而大大提高了燃烧室中空气定压加热过程的平均加热温度，同时，排入大气的废气温度过程的平均加热温度，同时，排入大气的废气温度也由也由T T4 4降低到降低到T T5 5，从而降低了废气在定压放热过程中从而降低了废气在定压放热过程中的平均放热温度。因此，由等效卡诺循环的热效率的平均放热温度。因此，由等效卡诺循环的热效率公式可知，采用回热措施能提高燃气轮机装置循环公式可知，采
6、用回热措施能提高燃气轮机装置循环的热效率。的热效率。2022年12月4日第九章 气体动力循环10燃气轮机回热循环热效率可表示为燃气轮机回热循环热效率可表示为 比热容为定值时，有比热容为定值时，有代入参数间的关系式代入参数间的关系式 ，可得，可得 2022年12月4日第九章 气体动力循环11可见可见:增大升温比，可提高燃气轮机回热循环的热效率；增大升温比，可提高燃气轮机回热循环的热效率；当升温比及回热度一定时，随着增压比当升温比及回热度一定时，随着增压比的提高，回热循环的热效率有一个极大值。当的提高，回热循环的热效率有一个极大值。当回热度增大时，与热效率极大值相对应的增压回热度增大时，与热效率极
7、大值相对应的增压比的数值不断降低。比的数值不断降低。热效率影响因素分析热效率影响因素分析 由由2022年12月4日第九章 气体动力循环12 采用多级压缩中间冷却以及多级膨胀中间再热的回热循环措施采用多级压缩中间冷却以及多级膨胀中间再热的回热循环措施后，提高了平均加热温度及降低了平均放热温度，使得循环热效率后，提高了平均加热温度及降低了平均放热温度，使得循环热效率得到较大的提高得到较大的提高。(2)采用多级压缩中间冷却以及再热的回热循环采用多级压缩中间冷却以及再热的回热循环 压气机分为低压压气机和高压压气机；燃气轮机也分为高压级压气机分为低压压气机和高压压气机；燃气轮机也分为高压级和低压级两部分
8、，并在两者中间加设燃烧室。和低压级两部分，并在两者中间加设燃烧室。2022年12月4日第九章 气体动力循环13 但是这种装置的结构复杂，体积较大，但是这种装置的结构复杂，体积较大，因而经常单独采用多级压缩中间冷却或多因而经常单独采用多级压缩中间冷却或多级膨胀中间再热级膨胀中间再热。2022年12月4日第九章 气体动力循环149-2 喷气式发动机及其循环喷气式发动机及其循环 在喷气式发动机中，燃烧产生的高温燃气通过喷管时在其在喷气式发动机中，燃烧产生的高温燃气通过喷管时在其中绝热膨胀而获得高速。当高速气流从喷气式发动机尾部喷出中绝热膨胀而获得高速。当高速气流从喷气式发动机尾部喷出时，它所产生的反
9、作用力就推动发动机向着与气流相反的方向时，它所产生的反作用力就推动发动机向着与气流相反的方向前进。前进。喷喷气式发动机重量轻、体积小、功率大，其功率随本身运气式发动机重量轻、体积小、功率大，其功率随本身运动速度提高而增大，特别适合用做航空发动机，成为航空上最动速度提高而增大，特别适合用做航空发动机，成为航空上最普遍使用的发动机。普遍使用的发动机。2022年12月4日第九章 气体动力循环15 喷气式发动机喷气式发动机以一定飞行速度前进时，空气以相同以一定飞行速度前进时，空气以相同速度进入。高速气流在前端扩压管速度进入。高速气流在前端扩压管1中降速升压后进入压中降速升压后进入压气机气机2，经绝热压
10、缩进一步升压。压缩空气在燃烧室，经绝热压缩进一步升压。压缩空气在燃烧室3中中和喷入的燃料一起进行定压燃烧。和喷入的燃料一起进行定压燃烧。产生的高温燃气先在产生的高温燃气先在燃气轮机燃气轮机4中绝热膨胀产生轴功用于带动压气机中绝热膨胀产生轴功用于带动压气机，然后进，然后进入尾部喷管入尾部喷管5中，在其中继续膨胀获得高速，最后从尾部中，在其中继续膨胀获得高速，最后从尾部喷向大气。喷向大气。工作过程：工作过程：2022年12月4日第九章 气体动力循环16喷气式发动机的理想热力循环分析喷气式发动机的理想热力循环分析 1-a扩压管中的绝热压缩；扩压管中的绝热压缩；a-2压气机中的绝热压缩；压气机中的绝热
11、压缩；2-3燃烧室中的定压吸热；燃烧室中的定压吸热；3-b燃气轮机中的绝热膨胀；燃气轮机中的绝热膨胀；b-4尾喷管尾喷管中的绝热膨胀；中的绝热膨胀；4-1大气中定压放热。大气中定压放热。p-v图上，面积图上，面积 代表压气机所消耗的轴功，面积代表压气机所消耗的轴功，面积 代表燃气轮机所输出的轴功，根据喷气发代表燃气轮机所输出的轴功，根据喷气发动机动机的工作原理，两轴功的数值相等，故两面积相等。的工作原理，两轴功的数值相等，故两面积相等。显显然，喷气式发动机的热力循环和定压加热燃气轮机循环相同，然，喷气式发动机的热力循环和定压加热燃气轮机循环相同，故可引用有关的结论来对其进行分析。故可引用有关的
12、结论来对其进行分析。2022年12月4日第九章 气体动力循环179-3 活塞式热气发动机及其循环活塞式热气发动机及其循环 活塞式热气发动机又称活塞式热气发动机又称斯特林发动机斯特林发动机，是一种外部加热的，是一种外部加热的闭式循环的发动机，只是在近几十年来才取得较大的进展。闭式循环的发动机，只是在近几十年来才取得较大的进展。突出优点：突出优点：采用外部加热，故废气的污染少，可以采用多种采用外部加热，故废气的污染少，可以采用多种燃料特别是劣质燃料，还可以利用核能。燃料特别是劣质燃料，还可以利用核能。工作过程工作过程：(1)定温压缩过程定温压缩过程：配气活塞配气活塞2位于上死点，动力活塞位于上死点
13、，动力活塞1由其下死由其下死点向上移动。两活塞间压缩腔内的工质受压，同时通过缸壁向冷却点向上移动。两活塞间压缩腔内的工质受压，同时通过缸壁向冷却水放热。水放热。2022年12月4日第九章 气体动力循环18 (3)定温膨胀过程定温膨胀过程：外部燃烧系统通过气缸顶部向膨胀腔内的工：外部燃烧系统通过气缸顶部向膨胀腔内的工质加热，工质定温膨胀，推动配气活塞和动力活塞一起下移，输出质加热，工质定温膨胀，推动配气活塞和动力活塞一起下移，输出容积变化功。容积变化功。(2)定容预热过程定容预热过程：动力活塞：动力活塞1位于其上死点位置，配气活塞位于其上死点位置，配气活塞2从从其上死点下移。迫使气缸压缩腔内工质
14、流入配气活塞上方的气缸膨其上死点下移。迫使气缸压缩腔内工质流入配气活塞上方的气缸膨胀腔。此时工质容积不变，在流过回热器胀腔。此时工质容积不变，在流过回热器3时被加热。配气活塞与时被加热。配气活塞与和动力活塞相靠时，工质全部进入气缸的膨胀腔，定容预热过程结和动力活塞相靠时，工质全部进入气缸的膨胀腔，定容预热过程结束。束。2022年12月4日第九章 气体动力循环19 (4)定容回热过程定容回热过程：动力活塞动力活塞1位于其下死位于其下死点，配气活塞点，配气活塞2从其下死点上移。使膨胀腔内从其下死点上移。使膨胀腔内工质经连通管流入压缩腔。此时工质容积不变，工质经连通管流入压缩腔。此时工质容积不变，并
15、在流过回热器并在流过回热器3时向回热器放热，降低温度。时向回热器放热，降低温度。当配气活塞当配气活塞2移至其上死点时，工质全部进入移至其上死点时，工质全部进入压缩腔，定容回热过程结束。压缩腔，定容回热过程结束。2022年12月4日第九章 气体动力循环20 定温膨胀过程定温膨胀过程3-4中工质从外部中工质从外部燃烧系统得到的热量为燃烧系统得到的热量为 定温压缩过程定温压缩过程1-2中工质向冷却介质放出的热量为中工质向冷却介质放出的热量为 热效率热效率 活塞式热气发动机理想活塞式热气发动机理想循环循环(斯特林循环斯特林循环)：循环热效率分析：循环热效率分析：工质在定容预热过程中得到的工质在定容预热
16、过程中得到的热量与定容回热过程中的放热量热量与定容回热过程中的放热量相等。相等。2022年12月4日第九章 气体动力循环21 在在活塞式热气发动机中，活塞式热气发动机中，v1v4，v2v3，故可得到，故可得到即在相同温度范围内，活塞式热气发动机理想循环热效率与卡诺循即在相同温度范围内，活塞式热气发动机理想循环热效率与卡诺循环热效率相同。因此，该循环以及类似的与卡诺循环有相同热效率环热效率相同。因此，该循环以及类似的与卡诺循环有相同热效率的一类理想循环称为的一类理想循环称为概括性卡诺循环概括性卡诺循环。本章基本要求本章基本要求 1.1.掌握基本概念；掌握基本概念；2.2.掌握勃雷登循环和斯特林循环及其热效率。掌握勃雷登循环和斯特林循环及其热效率。