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1、目录目录 第九章 气体动力循环9-19-1 分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般方法9-29-2 活塞式内燃机实际循环的简化活塞式内燃机实际循环的简化9-39-3 活塞式内燃机的理想循环活塞式内燃机的理想循环9-4 9-4 活塞式内燃机各种理想循环的比较活塞式内燃机各种理想循环的比较*9-5 9-5 活塞式热气发动机及其循环活塞式热气发动机及其循环9-69-6 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环9-7 9-7 燃气轮机装置的定压加热实际循环燃气轮机装置的定压加热实际循环*9-8 9-8 提高燃气轮机装置循环热效率的措施提高燃气轮机装置循环热效率的措施*9-9 9-9 喷气发动机简介喷气发动机
2、简介教学目标：教学目标：掌握掌握分析分析动力循环的一般动力循环的一般方法方法；了解活塞式；了解活塞式内燃机内燃机实际循环的分析方法；了解实际循环的分析方法；了解燃气轮机燃气轮机循环的分析循环的分析方法。方法。知识点：知识点：分析动力循环的一般方法；分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机实际活塞式内燃机实际循环的简化循环的简化；活塞式内燃机的理想循环；活塞式内燃机；活塞式内燃机的理想循环；活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较各种理想循环的热力学比较；燃气轮机装置循环；燃气；燃气轮机装置循环；燃气轮机装置的定压加热实际循环。轮机装置的定压加热实际循环。重重 点：点：分析分析动力循环的一般动力循环的一
3、般方法方法；活塞式内燃机循；活塞式内燃机循环分析环分析;燃气轮机装置循环的分析方法，提高燃气轮机燃气轮机装置循环的分析方法，提高燃气轮机装置循环效率的方法和途径。装置循环效率的方法和途径。难难 点：点：实际循环简化成理想循环的方法；实际循环简化成理想循环的方法；提高内燃提高内燃机和燃气轮机装置循环效率的方法和途径机和燃气轮机装置循环效率的方法和途径。9-1 9-1 分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般方法分分析析动动力力循循环环的的目目的的是是在在热热力力学学基基本本定定律律的的基基础础上上分分析析动动力力循循环的能量转换的经济性环的能量转换的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。，寻求提高
4、经济性的方向及途径。方法与步骤方法与步骤：1 1、将实际循环将实际循环抽象和简化抽象和简化成理想循环成理想循环任何实际热力装置中的工作过程都是不可逆的，且十任何实际热力装置中的工作过程都是不可逆的，且十分复杂。为了进行热力分析，需要建立实际循环相对应的分复杂。为了进行热力分析，需要建立实际循环相对应的热力学模型，即可用理想的可逆循环热力学模型，即可用理想的可逆循环代替代替实际不可逆循环。实际不可逆循环。如将实际不可逆的燃烧过程简化为可逆的吸热过程如将实际不可逆的燃烧过程简化为可逆的吸热过程5 5、对理想循环的计算结果引入必要的、对理想循环的计算结果引入必要的修正修正考虑考虑实际实际存在的不可逆
5、性对理想循环的结果进行存在的不可逆性对理想循环的结果进行修正修正。4 4、定性分析各主要参数对理想循环的定性分析各主要参数对理想循环的吸热量、放热量及净功吸热量、放热量及净功量的影响量的影响，进而分析对循环，进而分析对循环热效率热效率（或工作系数）的（或工作系数）的影响影响，提出提出提高提高循环循环热效率热效率（或工作系数）的主要（或工作系数）的主要措施措施。平均温度分析法：平均温度分析法：目前，分析热能动力装置循环主要采用热力学第一定律为基础的目前，分析热能动力装置循环主要采用热力学第一定律为基础的“第第一定律分析一定律分析”法。这种方法从能量转换的法。这种方法从能量转换的数量关系数量关系来
6、评价循环的经济来评价循环的经济性，以性，以热效率热效率为其指标。另一种方法是综合热力学第一定律、第二定为其指标。另一种方法是综合热力学第一定律、第二定律作为依据，从能量的律作为依据，从能量的数量和质量数量和质量来分析，以来分析，以“作功能力损失和火用作功能力损失和火用效率效率”为其指标的为其指标的“第二定律分析第二定律分析”法。两类方法所揭示的法。两类方法所揭示的不完善部不完善部位及损失的大小是不同位及损失的大小是不同的。为了全面地反映循环的真实经济性，在分的。为了全面地反映循环的真实经济性，在分析热能动力装置循环时，不仅要考虑能的析热能动力装置循环时，不仅要考虑能的数量数量，还应考虑能的，还
7、应考虑能的质量质量。6 6、对实际循环进行、对实际循环进行热力学第二定律分析热力学第二定律分析熵分析：作功能力损失熵分析：作功能力损失分析：分析：效率效率空气标准假设空气标准假设气体动力循环在简化时常应用所谓气体动力循环在简化时常应用所谓“空气标准空气标准”假设：假设：假定工假定工作流体是一种作流体是一种理想气体理想气体；假设它具有与假设它具有与空气相同空气相同的热力性质；的热力性质；将将排气过程排气过程和和燃烧过程燃烧过程用向低温热源的用向低温热源的放热放热过程和自高温热源过程和自高温热源的的吸热吸热过程取代。过程取代。实际气体循环中工质主要是燃气，且在循环的不同部位其成分不同。用空气实际气
8、体循环中工质主要是燃气，且在循环的不同部位其成分不同。用空气替代燃气是否会造成很大的误差？替代燃气是否会造成很大的误差？A:A:会有一定的误差，但会有一定的误差，但过量过量的空气中占的空气中占绝大部分的氮气绝大部分的氮气没有参与燃烧反应，没有参与燃烧反应，进行进行燃烧的燃料质量相对于空气质量也很小燃烧的燃料质量相对于空气质量也很小，所以可以认为在不同部位燃气，所以可以认为在不同部位燃气的的成分变化不大成分变化不大，且燃气和空气的热物性相近，在作理论分析时假定工质全，且燃气和空气的热物性相近，在作理论分析时假定工质全部由空气构成通常不会造成很大的误差。但空气标准假设不能在水蒸气动力部由空气构成通
9、常不会造成很大的误差。但空气标准假设不能在水蒸气动力装置的循环中应用！装置的循环中应用！循环的经济性评价（内部热效率）：循环的经济性评价（内部热效率）：（9-1）c为为卡卡诺诺循循环热环热效率效率1-(T0/T1)o为为相相对热对热效率，反映内部可逆理效率，反映内部可逆理论论循循环环因与因与高、低温高、低温热热源存在源存在温差温差而造成的而造成的损损失失t为实际循环相为实际循环相应的内部可逆循应的内部可逆循环的热效率环的热效率T为为循循环环相相对对内部效率，内部效率，反映内部反映内部摩擦摩擦引起的引起的损损失失最高效率为卡诺循环效率最高效率为卡诺循环效率（c），考，考虑虑存在存在温差温差的外部
10、不可逆的外部不可逆损损失（失（o），再考，再考虑虑内部内部摩擦摩擦等不可逆等不可逆损损失（失（T）。内燃机装置内燃机装置四四冲冲程程内燃机工作过程内燃机工作过程(four-stroke cycle engine)(four-stroke cycle engine)两冲两冲程程内燃机工作过程内燃机工作过程(two-stroke cycle(two-stroke cycle engine)engine)二、实际循环的示功图（二、实际循环的示功图（p-p-V V图）图）P PVPb2342 23 3：燃烧过程十分迅猛，压力：燃烧过程十分迅猛，压力迅速上升，而活塞移动并不显著，迅速上升，而活塞移动并不
11、显著，接近接近定容加热定容加热。3-43-4：接近：接近定压加热定压加热过程；过程；5-9MPa5-9MPa3：上止点，开始右行，此时：上止点，开始右行，此时燃烧燃烧在在继续继续进行，气缸内气体的压力进行，气缸内气体的压力变化很少；变化很少；4 4：达到最高温度；：达到最高温度；01221700-18001700-18003-5MPa3-5MPa，600-800600-800图图9-1 四冲程柴油机的四冲程柴油机的示功图示功图活塞式内燃机循环的简化活塞式内燃机循环的简化 为了便于从理论上分析，忽略一些次要因素，引用为了便于从理论上分析，忽略一些次要因素，引用空气标准假设空气标准假设对对实际循环
12、加以合理的抽象和概括。主要有：实际循环加以合理的抽象和概括。主要有：1 1）燃烧过程）燃烧过程可逆可逆定容定容或（和）或（和）定压定压吸热过程；把排气过程吸热过程；把排气过程向低温向低温热源可逆热源可逆定容定容放热过程放热过程；2 2）工质）工质定值比热定值比热的的理想理想气体（空气）；气体（空气）；3 3）吸、排气过程）吸、排气过程忽略摩擦及节流损失，认为进、排气推动功相抵消，忽略摩擦及节流损失，认为进、排气推动功相抵消，即图即图9-19-1中中0-10-1和和1-01-0重合，加之把燃烧改成加热后，不必考虑燃烧耗重合，加之把燃烧改成加热后，不必考虑燃烧耗氧问题，因而氧问题，因而开式循环就可
13、抽象为闭式循环开式循环就可抽象为闭式循环；4 4）膨胀和压缩过程）膨胀和压缩过程可逆绝热可逆绝热（等熵）过程。（等熵）过程。通过上述简化，整个循环理想化为以空气为工质的通过上述简化，整个循环理想化为以空气为工质的混合加热混合加热可逆循环。可逆循环。此抽象和概括的方法同样适用于其它以气体为工质的热机循环。此抽象和概括的方法同样适用于其它以气体为工质的热机循环。简化结果简化结果经过抽象和概括，现代柴油机的实际循环被理想化为经过抽象和概括，现代柴油机的实际循环被理想化为混合加热理想可混合加热理想可逆循环逆循环，又称，又称萨巴德循环萨巴德循环，如图，如图9-49-4所示。所示。图图9-4 混合加热循环
14、的状态参数图混合加热循环的状态参数图 绝热膨胀绝热膨胀绝热压缩绝热压缩定压吸热定压吸热定容吸热定容吸热定容放热定容放热绝热膨胀绝热膨胀绝热压缩绝热压缩定压吸热定压吸热定容吸热定容吸热定容放热定容放热pv1122334455pvTsssvVST9-3 9-3 活塞式内燃机的理想循环活塞式内燃机的理想循环一、混合加热理想循环一、混合加热理想循环 Sabathe cycleSabathe cycle图图9-4 混合加热理想循环混合加热理想循环（1）压缩比：压缩比：压缩前、后比体积之比，表压缩前、后比体积之比，表征征内燃机工作体积大小内燃机工作体积大小。（2）定容升压比定容升压比:定容加热后与加热前压
15、定容加热后与加热前压力之比，表示内燃机力之比，表示内燃机定容燃烧情况定容燃烧情况。（3）定压预胀比定压预胀比:定压加热后与加热前比定压加热后与加热前比体积之比，表示内燃机体积之比，表示内燃机定压燃烧情况定压燃烧情况。pv12345Tsv2345pvss1一、混合加热理想循环一、混合加热理想循环 Sabathe cycleSabathe cycle吸热量：吸热量：放热量：放热量：循环净功：循环净功：循环热效率：循环热效率：图图9-4 混合加热理想循环混合加热理想循环pv12345Tsv12345pvss通常把气体动力循环的热效率表示为通常把气体动力循环的热效率表示为循环特性参数（压缩比循环特性参
16、数（压缩比、定容升压比定容升压比、定压预胀比、定压预胀比）的函数。因为的函数。因为1-21-2与与4-54-5是定熵过是定熵过程，故有程，故有:注意到注意到v v1 1=v=v5 5、p p4 4p p3 3、v v2 2=v=v3 3,并将上两式相除得并将上两式相除得:12345pvss上式说明：上式说明：t t随随压缩比压缩比和和定容增压定容增压比比的增大而提高。的增大而提高。t t随随定压预胀比定压预胀比的增的增大而降低。大而降低。*在循环特性参数（在循环特性参数（、及及）一定的条）一定的条件下，提高初态参数，对热效率虽然并无件下，提高初态参数，对热效率虽然并无影响，但可以提高净功。因此
17、可以采用影响，但可以提高净功。因此可以采用“增压增压”等措施来提高柴油机的净功。等措施来提高柴油机的净功。混合加热循环的热效率为混合加热循环的热效率为:（9-79-7）=v=v1 1/v/v2 2,T,T2 2=p=p3 3/p/p2 2,T,T3 3=v=v4 4/v/v3 3,T,T4 4，但，但T T5 5也也平均吸热温度升高平均吸热温度升高因为定容线比定压线陡，平均因为定容线比定压线陡，平均放热温度的提高比平均吸热温放热温度的提高比平均吸热温度的提高要大度的提高要大pv1 12 23 34 45 5T Ts sv二、定压加热理想循环二、定压加热理想循环 Diesel cycleDies
18、el cycle 近年来，有些近年来，有些高增压柴油机及船用高速柴油机高增压柴油机及船用高速柴油机，它们的燃烧过程主要在活塞，它们的燃烧过程主要在活塞离开上止点后的一段行程中进行，这时燃料离开上止点后的一段行程中进行，这时燃料燃烧和燃烧和燃气燃气膨胀同时进行膨胀同时进行，气缸，气缸内内压力基本保持不变压力基本保持不变简化成简化成定压加热定压加热理想循环，理想循环，可以看成混合加热理想循可以看成混合加热理想循环的特例环的特例没有定容加热没有定容加热过程过程=1=1：图图9-5 9-5 定压加热理想循环的定压加热理想循环的p-vp-v图和图和T-sT-s图图3241pvss3241Tspv定压预胀
19、比对循环热效率的影响定压预胀比对循环热效率的影响定压预胀比对循环热效率的影响定压预胀比对循环热效率的影响32324411pvTssspv增大预胀比增大预胀比增大预胀比增大预胀比，可使吸热平均温度升高，放热平均温度也升高，可使吸热平均温度升高，放热平均温度也升高，可使吸热平均温度升高，放热平均温度也升高，可使吸热平均温度升高，放热平均温度也升高，因因因因定容线比定压线陡定容线比定压线陡定容线比定压线陡定容线比定压线陡，所以，所以，所以，所以放热平均温度增长的比吸热平均温放热平均温度增长的比吸热平均温放热平均温度增长的比吸热平均温放热平均温度增长的比吸热平均温度增长的快度增长的快度增长的快度增长的
20、快，使，使，使，使循环热效率减小循环热效率减小循环热效率减小循环热效率减小。pv0Atmosphere火花塞火花塞举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmos
21、phere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环2pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环2pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环2pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosp
22、here火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循
23、环324pv0Atmosphere火花塞火花塞续3举例:汽油机的工作循环三、定容加热理想循环三、定容加热理想循环 Otto cycleOtto cycle由由于于煤煤气气机机、汽汽油油机机和和柴柴油油机机燃燃料料性性质质不不同同，机机器器的的构构造造也也不不同同，其其燃燃烧烧过过程程接接近近于于定定容容过过程程，不不再再有有边边燃燃烧烧边边膨膨胀胀接接近近于于定定压压的的过过程程，故故而而在在热热力力学学分分析析中中，奥奥托托循循环环可可以以看看作作不不存存在在定定压压加加热热过过程程，相相当当于于预胀比预胀比1 1时的混合加热循环：时的混合加热循环：图图9-7 定容加热理想循环的定容加热理想
24、循环的p-v图和图和T-s图图32324411pvT Tsssvv3241Tsvv吸热量吸热量吸热量吸热量放热量放热量放热量放热量循环热效率循环热效率循环热效率循环热效率循环净功循环净功循环净功循环净功定容加热循环的计算定容加热循环的计算定容加热循环的计算定容加热循环的计算上式说明上式说明，（，（1 1）定容加热理想循环热）定容加热理想循环热t t随着压缩比随着压缩比增大而增大而提高；（提高；（2 2）随着）随着负荷增加负荷增加（表现为（表现为q q1 1增大），因为压缩比不变增大），因为压缩比不变，循环效率理论上并不变化循环效率理论上并不变化，但是因循环净功增大，所以输出功，但是因循环净功增
25、大，所以输出功率增大。实际上由于压缩比的增大及吸热量的增加，都会使气率增大。实际上由于压缩比的增大及吸热量的增加，都会使气体加热过程终了时体加热过程终了时温度上升温度上升，造成值，造成值k k有所减小有所减小，而使，而使循环热效循环热效率稍稍下降率稍稍下降。由于由于汽油机里被汽油机里被压缩压缩的是燃料和空气的混合物的是燃料和空气的混合物，要受混合气体，要受混合气体自燃温度的限制，自燃温度的限制，不能采用大不能采用大压缩压缩比比，不然混合气就会，不然混合气就会“爆燃爆燃”，使，使发动发动机不能正常工作。机不能正常工作。实际实际汽油机汽油机压缩压缩比比大多在大多在8-128-12的范的范围围内。而
26、内。而柴油机因柴油机因压缩压缩的的仅仅仅仅是空气是空气，所以，所以压缩压缩比可以比可以较较高，高，一般一般柴油机柴油机压缩压缩比比多在多在16-2216-22的范的范围围内。内。某某柴柴油油机机混混合合加加热热理理想想循循环环的的p p1 1=0.17MPa=0.17MPa，t t1 1=60=60，压压缩缩比比=14.5=14.5，气气 缸缸 中中 气气 体体 最最 大大 压压 力力 p p3 3=10.3MPa=10.3MPa，循循 环环 加加 热热 量量q q1 1=900kJ/kg=900kJ/kg。设设 工工 质质 为为 空空 气气，比比 热热 容容 为为 定定 值值 并并 取取 c
27、 cp p=1004=1004 J/(kgK)J/(kgK)、c cv v=718J/(kgK)=718J/(kgK)，=1.4=1.4；环环境境温温度度t t0 0=20=20，压压力力p p0 0=0.1MPa=0.1MPa。试分析该循环并求循环热效率及火用效率。试分析该循环并求循环热效率及火用效率。解解:由已知条件：由已知条件：p1 1=0.17MPa，T1 1=333.15K点点1：点点2：P293P293例例 9-19-1pv12345Tsv12345pvss1 2 是定熵过程，有是定熵过程，有点点3：p3=10.3 MPa，v3=v2=0.038 7 m3/kg q1v=cv(T3
28、 T2)=302 kJ/kg q1p=q1 q1v=598 kJ/kg点点4：p4=p3=10.3 MPa，因，因q1p=cp(T4 T3)，所以，所以点点5：v5=v1=0.562 m3/kg或或在吸热过程中空气熵增为在吸热过程中空气熵增为所以平均吸热温度为所以平均吸热温度为循环吸热量循环吸热量q q1 1中的可用能为中的可用能为循环火用效率循环火用效率或者，根据循环是或者，根据循环是内部可逆内部可逆的，且只是放热过程中系统（工质）的，且只是放热过程中系统（工质）与环境有与环境有温差温差，从而有作功能力损失：，从而有作功能力损失：所以循环输出净功和放热过程作功能力损失之和所以循环输出净功和放
29、热过程作功能力损失之和为循环吸热量中的可用能，即为循环吸热量中的可用能，即 ex,Q=wnet+i=719.1 kJ/kg例例有一定压加热理想循环的压缩比有一定压加热理想循环的压缩比=20=20，作功冲程的作功冲程的4%4%为定压加热过程。压缩冲程为定压加热过程。压缩冲程的初始状态为的初始状态为p p1 1=100kPa=100kPa，t t1 1=20=20。求：。求：(1)(1)循环中每个过程的初始压力和温度；循环中每个过程的初始压力和温度；(2)(2)循环热效率。（工质取空气，其比热循环热效率。（工质取空气，其比热容取定值，容取定值，k=1.4k=1.4）3241pvss3241Tspv
30、解：解：解：解：如右图所示。由已知条件：如右图所示。由已知条件：如右图所示。由已知条件：如右图所示。由已知条件：定压加热过程是作功冲程的定压加热过程是作功冲程的4%4%，即有已知，即有已知，所以据上式，所以据上式=1.76=1.76。1-21-2是定熵过程，有是定熵过程，有由于由于所以所以 因因2-32-3是定压过程，故有是定压过程，故有3-43-4是定熵过程，有是定熵过程，有可得循环热效率为可得循环热效率为:或或9-4 9-4 活塞式内燃机各种理想循环活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较的热力学比较 在作各种理想循环比较时，一般在初始在作各种理想循环比较时，一般在初始 状态相同的情况下，分别
31、以压缩比、吸热量状态相同的情况下，分别以压缩比、吸热量 或最高压力和最高温度相同作为比较基础，或最高压力和最高温度相同作为比较基础，此时应用温熵图最为方便。此时应用温熵图最为方便。一、一、压缩比压缩比相同相同,q q1 1相同相同的比较的比较Tsq q1 1相同，相同，1-21-2等熵压缩过程相等熵压缩过程相同，而同，而定容放热过程都在通定容放热过程都在通过点过点1 1的定容线上。的定容线上。3122434 434abbb1-2-2-3-4-1为混合加热循环为混合加热循环;1-2-3-4-1为定容加热循环为定容加热循环;1-2-3-4-1为定压加热循环。为定压加热循环。各循环放热量各不相同：各
32、循环放热量各不相同：根据循环热效率：根据循环热效率：比较的前提，否则不同的机型可有不比较的前提，否则不同的机型可有不同的压缩比同的压缩比 图图9-11 相同时理想循环的比较相同时理想循环的比较1-21-2-3-3-3-4-1-3-4-1为混合加热为混合加热;1-21-2-3-4-1-3-4-1为定压加热为定压加热;1-2-3-4-11-2-3-4-1为定容加热。为定容加热。分析可得：分析可得：332”221564T T0 0s s二、循环最高压力和最高温度相同时比较图图9-12 Tmax、pmax相同时相同时 理想循环的比较理想循环的比较三种循环的最高压力和最高温度三种循环的最高压力和最高温度
33、重合在点重合在点3，压缩的初始状态都，压缩的初始状态都重合在点重合在点1，放热过程亦相同。，放热过程亦相同。TmaxpmaxT1V,mT1m,mT1p,mT2mTminpmin从内燃机循环的分析、比较发现各种理想循环在加热前从内燃机循环的分析、比较发现各种理想循环在加热前都有绝热压缩过程，这是否是必然的？都有绝热压缩过程，这是否是必然的？热力学第二定律指出，热力学第二定律指出，提高吸热温度可以提高循环的热提高吸热温度可以提高循环的热效率效率。气体绝热压缩温度升高，所以在内燃机循环中，。气体绝热压缩温度升高，所以在内燃机循环中，加热前进行绝热压缩过程，是提高平均吸热温度的措施，加热前进行绝热压缩
34、过程，是提高平均吸热温度的措施，体现了第二定律的指导意义。体现了第二定律的指导意义。9-6 9-6 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环一、燃气轮机装置简介一、燃气轮机装置简介分分压气机压气机、燃烧室燃烧室和和燃气轮机燃气轮机三个部分。三个部分。1 1、连接发电机、连接发电机 2 2、进气道主轴固定支架、进气道主轴固定支架 3 3、轴颈轴承、轴颈轴承 4 4、压气机叶片、压气机叶片 5 5、压气机模块、压气机模块 6 6、燃气轮机固定支架、燃气轮机固定支架 7 7、叶轮、叶轮 8 8、叶轮贯穿螺栓、叶轮贯穿螺栓 9 9、进气道定位进气道定位 1010、水平缸封、水平缸封 1111、燃烧室防护罩、燃
35、烧室防护罩 1212、逆流燃烧室、逆流燃烧室 1313、燃料注入系统燃料注入系统 1414、燃烧室（火焰筒）、燃烧室（火焰筒）1515、燃烧室冷却部件、燃烧室冷却部件1616、喷嘴构、喷嘴构造造 1717、一级涡轮固定构造、一级涡轮固定构造 1818、动力涡轮构造、动力涡轮构造 1919、排气扩散构造、排气扩散构造 2020、排气烟气探测器排气烟气探测器燃气轮机示意图燃气轮机示意图和燃油混合燃烧，燃气温和燃油混合燃烧，燃气温度通常可高达度通常可高达1800-2300K1800-2300K二次冷却空气（约占二次冷却空气（约占总空气量的总空气量的60-80%60-80%）与高温燃气混合与高温燃气混
36、合燃气轮机装置功率重量比大，启停和增减负燃气轮机装置功率重量比大，启停和增减负荷可较快，在飞机、舰船、峰荷电站等场合荷可较快，在飞机、舰船、峰荷电站等场合有广泛用途。缺点是叶片材料、设计、加工、有广泛用途。缺点是叶片材料、设计、加工、装配要求很高。装配要求很高。二、布雷顿二、布雷顿(Brayton)(Brayton)循环：循环：3 32 21 14 4pfe0v3 3n n2 21 14 4m ms sT0p2p1图图9-17 9-17 定压加热理想循环定压加热理想循环利用空气标准假设把实际循环加以理想化：利用空气标准假设把实际循环加以理想化：（1 1）在燃烧室的燃烧过程中，忽略流动压）在燃烧
37、室的燃烧过程中，忽略流动压降，并将之视为可逆降，并将之视为可逆定压加热定压加热过程，把燃气过程，把燃气轮机排出废气的过程近似为轮机排出废气的过程近似为定压放热定压放热过程；过程；（2 2）忽略喷入的燃油质量并把工质看作空）忽略喷入的燃油质量并把工质看作空气，且作气，且作理想气体理想气体处理，处理，比热容取定值比热容取定值；（3 3）气体在压气机及燃气轮机内经历可逆）气体在压气机及燃气轮机内经历可逆绝热压缩绝热压缩和可逆和可逆绝热膨胀绝热膨胀过程。过程。这样循环就简化成封闭的燃气轮机装置定压这样循环就简化成封闭的燃气轮机装置定压加热的理想循环，又称加热的理想循环，又称布雷顿循环布雷顿循环，其，其
38、p-vp-v图和图和T-sT-s图如图图如图9-179-17所示。所示。绝热压缩绝热压缩绝热压缩绝热压缩定压吸热定压吸热定压吸热定压吸热绝热膨胀绝热膨胀绝热膨胀绝热膨胀定压放热定压放热定压放热定压放热1.1.p-vp-v图和图和T-sT-s图图若比热容为定值，则：若比热容为定值，则：定压加热的理想循环的循环的特性参数是定压加热的理想循环的循环的特性参数是循环增压比循环增压比和和循环增温比循环增温比，分别表示，分别表示循环压力和温度的最大值与最小值之比。循环压力和温度的最大值与最小值之比。3 32 21 14 4pfe0v3 3n n2 21 14 4m ms sT0p2p12.2.热效率热效率
39、燃气轮机装置理想循环中，燃气轮机装置理想循环中，初态、循环增温比和循环初态、循环增温比和循环增压比都相同的情况下，增压比都相同的情况下，若采用定温压缩可减少压若采用定温压缩可减少压缩过程的耗功，但为何在缩过程的耗功，但为何在实际当中未予以采用。试实际当中未予以采用。试在在T-sT-s图上表示的两种循图上表示的两种循环，环，并说明其循环净功并说明其循环净功和热效率的差异。和热效率的差异。3 3n n2 21 14 4m ms sT0p2p1k k卡诺循环和卡诺定理指出热源温度越高循环热效率越高卡诺循环和卡诺定理指出热源温度越高循环热效率越高,循环循环增温比高增温比高,循环的最高温度就越高循环的最
40、高温度就越高,为什么定压加热理想循环的为什么定压加热理想循环的热效率与循环增温比无关而取决于循环增压比热效率与循环增温比无关而取决于循环增压比?定压加热理想循环的定压加热理想循环的增压比确定了循环的温增压比确定了循环的温差差，所以定压加热理想循环的热效率取决于，所以定压加热理想循环的热效率取决于增压比，这是符合卡诺定理的。由于循环的增压比，这是符合卡诺定理的。由于循环的吸热过程和放热过程都是定压过程，在工质吸热过程和放热过程都是定压过程，在工质取定比热容时，取定比热容时，增温比增大增温比增大虽然指示了循环虽然指示了循环的的最高温度和最低温度差值增大最高温度和最低温度差值增大，但，但平均吸平均吸
41、热温度和平均放热温度的差值并不变化热温度和平均放热温度的差值并不变化，所，所以热效率与增温比无关，这并不与卡诺循环以热效率与增温比无关，这并不与卡诺循环和卡诺定理相矛盾。和卡诺定理相矛盾。3 32 21 14 4pfe0v3 3n n2 21 14 4m ms sT0p2p1绝热压缩绝热压缩绝热压缩绝热压缩定压吸热定压吸热定压吸热定压吸热绝热膨胀绝热膨胀绝热膨胀绝热膨胀定压放热定压放热定压放热定压放热定压吸热定压吸热3 34 43.3.最佳增压比最佳增压比在定压加热理想循环中当在定压加热理想循环中当循环增温比一定循环增温比一定时，随着循环增压比提时，随着循环增压比提高，单位质量的工质在循环中输
42、出的净功高，单位质量的工质在循环中输出的净功w wnetnet并不是越来越大，而并不是越来越大，而是存在一个是存在一个最佳增压比最佳增压比，使循环的，使循环的净功输出为最大净功输出为最大。因定压加热理想循环的循环净功为燃气轮机作功和压气机耗功之因定压加热理想循环的循环净功为燃气轮机作功和压气机耗功之差，即差，即:1-21-2和和3-43-4都是定熵过程，并引入循环增压比都是定熵过程，并引入循环增压比，上式可写为：，上式可写为：上式表明，当上式表明，当最低温度最低温度T T1 1、最高、最高温度温度T T3 3确定确定，循环净功，循环净功w wnetnet仅仅是仅仅是增压比的函数。将增压比的函数
43、。将 w wnetnet 对增压比对增压比 求导并令之为零，即可求得最求导并令之为零，即可求得最佳增压比和最大循环净功。佳增压比和最大循环净功。随随的增大，的增大，w wnetnet，maxmax显著增大。显著增大。因此在因此在材料热强度许可的前提下材料热强度许可的前提下应尽可能提高应尽可能提高T T3 3，从而，从而有利于提有利于提高燃气轮机的比功率高燃气轮机的比功率。由于燃气轮机装置实际循环各过程都伴随有不可逆损失，主要是压由于燃气轮机装置实际循环各过程都伴随有不可逆损失，主要是压缩过程和膨胀过程存在的缩过程和膨胀过程存在的摩擦摩擦等不可逆性等不可逆性熵增、焓（温）升熵增、焓（温）升。9-
44、7 9-7 燃气轮机装置的定压加热实际循环燃气轮机装置的定压加热实际循环分析：分析：压气机实际耗功压气机实际耗功w w C C=h=h2 2 h h1 1(h(h2 2h h1 1)/)/C,C,s s(9-16)(9-16)燃气轮机实际作功燃气轮机实际作功w w T T=h=h3 3h h4 4 T T(h(h3 3h h4 4)(9-17)(9-17)利用两个效率参数利用两个效率参数，可把循环内部热，可把循环内部热效率表示为：效率表示为：3 3h h1 12 2224 44 4Toefgs图图9-19 9-19 燃气轮机装置实燃气轮机装置实际循环的际循环的T-sT-s图图压缩机的绝热效率压
45、缩机的绝热效率燃气轮机的相对内部效率燃气轮机的相对内部效率越大，越大，i i越高。越高。分析上式可以得出如下结论：分析上式可以得出如下结论：增温比的加大，意味着要提高增温比的加大，意味着要提高T T3 3，它与冶金工业和材料科学及，它与冶金工业和材料科学及传热学的发展密切相关。目前采用高温合金及气膜冷却等措施，传热学的发展密切相关。目前采用高温合金及气膜冷却等措施，T T3 3已可达已可达1200K1200K到到1800K1800K。目前在研究用特种陶瓷材料作叶片，。目前在研究用特种陶瓷材料作叶片，以求达到更高的温度。以求达到更高的温度。和和T、c,s一定时，一定时，i 随随有一极大值。有一极
46、大值。当增温比增大时，和内部效率的当增温比增大时，和内部效率的极大值相对应的增压比的值也提极大值相对应的增压比的值也提高，因而可进一步提高内部热效高，因而可进一步提高内部热效率。因此，从循环特性参数方面率。因此，从循环特性参数方面说，提高说，提高T T3 3是提高循环热效率的是提高循环热效率的主要方向。主要方向。压缩和膨胀过程的不可逆性压缩和膨胀过程的不可逆性(C,C,s s、T T),i。C,C,s s和和 T T主要取决于压气机和燃气轮机的扩压管、喷管以及动主要取决于压气机和燃气轮机的扩压管、喷管以及动叶片之间气流通道的设计完善程度和加工工艺精度，也和空气叶片之间气流通道的设计完善程度和加
47、工工艺精度，也和空气动力学的发展密切相关。目前的水平为动力学的发展密切相关。目前的水平为 C,C,s s=0.85-0.90=0.85-0.90，T T=0.85-0.92=0.85-0.92。从热力学角度探讨提高定压加热理想循环的热效率，除上述讨从热力学角度探讨提高定压加热理想循环的热效率，除上述讨论的通过改变循环特性参数的方法外，还可以从改进循环着手，论的通过改变循环特性参数的方法外，还可以从改进循环着手，如采用回热。在回热基础上采用分级压缩中间冷却和在回热的如采用回热。在回热基础上采用分级压缩中间冷却和在回热的基础上采用分级膨胀中间再热等方法。基础上采用分级膨胀中间再热等方法。例题例题一
48、燃气轮机装置循环，其空气进入压气机时参数为一燃气轮机装置循环，其空气进入压气机时参数为p p1 1=100KPa=100KPa，t t1 1=22=22。在压气机内气体压力提高到。在压气机内气体压力提高到p p2 2=600KPa=600KPa，燃气轮机的入，燃气轮机的入口温度为口温度为t t3 3=800=800。工质可视为理想气体，比热容取定值，。工质可视为理想气体，比热容取定值，k=1.4k=1.4，c cp p=1.03kJ/(kgK)=1.03kJ/(kgK)。压缩机的绝热效率为。压缩机的绝热效率为0.90.9，燃气轮，燃气轮机的相对内效率为机的相对内效率为0.85.0.85.求此循
49、环中压气机耗功、燃气轮机输出求此循环中压气机耗功、燃气轮机输出的功及循环理论热效率。的功及循环理论热效率。解：循环解：循环T-sT-s图见右图。先求图见右图。先求T T2 2和和T T4 4据题意，工质是理想气体且取定值比热容，所以据题意，工质是理想气体且取定值比热容，所以 根据压缩机绝热效率的定义：根据压缩机绝热效率的定义：根据燃气轮机的相对内部效率的定义：根据燃气轮机的相对内部效率的定义：所以，压气机耗功所以，压气机耗功:燃气轮机作功燃气轮机作功:循环实际吸热量和净功量循环实际吸热量和净功量:所以，循环热效率所以，循环热效率:燃气轮机是旋转式机械，连续工作，它不像活塞式内燃机间断性燃气轮机
50、是旋转式机械，连续工作，它不像活塞式内燃机间断性工作；燃气轮机装置又不需要象蒸汽轮机装置必须在系统内保留工作；燃气轮机装置又不需要象蒸汽轮机装置必须在系统内保留大量的水，所以虽然燃气轮机装置中压气机耗功通常要占燃气轮大量的水，所以虽然燃气轮机装置中压气机耗功通常要占燃气轮机做功的机做功的6060或以上，但相比于内燃机和蒸汽动力装置，燃气轮或以上，但相比于内燃机和蒸汽动力装置，燃气轮机的功率重量比还是较大。机的功率重量比还是较大。9.8*9.8*提高燃气轮机装置的循环效率的措施提高燃气轮机装置的循环效率的措施回热回热采用回热的燃气轮装置系统图采用回热的燃气轮装置系统图RegeneratorFue