1、1第九章第九章 气体动力循环气体动力循环Gas Power Cycle2本章主要内容本章主要内容 动力循环的分析方法动力循环的分析方法 活塞式内燃机工作原理及理想循环活塞式内燃机工作原理及理想循环 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 燃气轮机装置的构成及工作原理燃气轮机装置的构成及工作原理3重重 点：点：分析动力循环的一般方法；活塞式内分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机循环分析燃机循环分析; ;燃气轮机装置循环的分析方法，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。提高燃气轮机装置循环效率的方法和途径。难难 点：点：实际循环简化成理
2、想循环的方法；提实际循环简化成理想循环的方法；提高内燃机和燃气轮机装置循环效率的方法和途径。高内燃机和燃气轮机装置循环效率的方法和途径。4动力循环研究目的和分类动力循环研究目的和分类动力循环：动力循环：工质连续不断地将从高温热源取工质连续不断地将从高温热源取得的得的热量热量的一部分转换成对外的的一部分转换成对外的净功。净功。研究目的：合理安排循环，提高热效率。研究目的：合理安排循环，提高热效率。 研究循环中热变功的效果研究循环中热变功的效果 分析影响热效率的因素分析影响热效率的因素 探求提高能量转换效果和利用率的途径探求提高能量转换效果和利用率的途径5动力循环分类动力循环分类按工质按工质蒸汽动
3、力循环：蒸汽动力循环：外燃机外燃机空气为主的燃气空气为主的燃气按按理想气体理想气体处理处理水蒸气等水蒸气等 实际气体实际气体气体动力循环：气体动力循环：内燃机内燃机6气体动力循环分类气体动力循环分类按结构按结构活塞式：活塞式：叶轮式：叶轮式：汽车汽车 摩托摩托 小型轮船小型轮船航空航空 大型轮船大型轮船 移动电站移动电站7气体动力循环分类气体动力循环分类小型汽车，摩托车等。小型汽车，摩托车等。中、大型汽车，火车，中、大型汽车，火车，轮船，移动电站。轮船，移动电站。汽油机汽油机 petrol (gasoline) engine按燃料按燃料柴油机柴油机diesel engine煤油机煤油机 ker
4、osene oil engine航空航空8气体动力循环分类气体动力循环分类点燃式点燃式 spark ignition按点燃方式：按点燃方式：按冲程数：按冲程数：四冲程四冲程 four-stroke压燃式压燃式 compression ignition二冲程二冲程 two-stroke9动力循环研究方法动力循环研究方法实际动力循环非常复杂实际动力循环非常复杂不可逆，多变指数变化，燃烧等。不可逆，多变指数变化，燃烧等。 工程热力学研究方法，先对实际动工程热力学研究方法，先对实际动力循环进行力循环进行抽象抽象和和理想化理想化，形成各种理，形成各种理想循环进行分析，最后进行想循环进行分析，最后进行修正
5、修正。10分析循环的步骤分析循环的步骤1、将实际循环抽象和简化为理想循环、将实际循环抽象和简化为理想循环2 2、将简化好的理想可逆循环将简化好的理想可逆循环 表示在表示在p-vp-v、T-sT-s图上图上3、对理想循环进行分析计算、对理想循环进行分析计算计算循环中有关状态点（如最高压力计算循环中有关状态点（如最高压力点、最高温度点）的参数，与外界交换的点、最高温度点）的参数，与外界交换的热量、功量以及循环热效率或工作系数热量、功量以及循环热效率或工作系数。循环的热效率：循环的热效率：1211qqqwnett114、定性分析各主要参数对理想循环的吸热量、定性分析各主要参数对理想循环的吸热量、放热
6、量及净功量的影响，进而分析对循环放热量及净功量的影响，进而分析对循环热效率（或工作系数）的影响，提出提高热效率（或工作系数）的影响，提出提高循环热效率（或工作系数）的主要措施。循环热效率（或工作系数）的主要措施。平均温度分析法平均温度分析法：121TTt5 5、对理想循环的计算结果引入必要的修正、对理想循环的计算结果引入必要的修正6 6、对实际循环进行热力学第二定律分析、对实际循环进行热力学第二定律分析熵分析熵分析分析分析129-1内燃机简介分类：分类： 1、按循环的冲程数分、按循环的冲程数分 四冲程四冲程 两冲程两冲程 2、按着火方式分、按着火方式分 点燃式点燃式 压燃式压燃式 3、按使用燃
7、料分、按使用燃料分 汽油机汽油机 柴油机柴油机 煤气机煤气机 4、按气缸数分、按气缸数分 单缸机单缸机 多缸机多缸机 5、按曲轴转速分、按曲轴转速分 高速高速 中速中速 低速低速冲程：活塞在气缸中从左冲程：活塞在气缸中从左止点到右止点的距离止点到右止点的距离139-2 活塞式内燃机的活塞式内燃机的混合加热循环混合加热循环14四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机工作原理空气、油空气、油废气废气吸气吸气压缩压缩膨胀膨胀排气排气15四四冲冲程程柴油机工作过程柴油机工作过程进气排气16四冲程高速柴油机工作过程四冲程高速柴油机工作过程12301 吸空气吸空气pV一般一般n=1.341.37柴油自燃柴油自燃t
8、=335pb2012 多变压缩多变压缩p2=35MPat2=6008002 喷柴油喷柴油2 开始燃烧开始燃烧23 迅速燃烧，近似迅速燃烧，近似 Vp59MPa17四冲程高速柴油机工作过程四冲程高速柴油机工作过程1234534 边喷油，边膨胀边喷油，边膨胀pVp0120t4可达可达170018004 停止喷柴油停止喷柴油45 多变膨胀多变膨胀Vp5=0.30.5MPat5 50051 开阀排气开阀排气 ， 降压降压10 排气排气,完成循环。完成循环。p近似近似 膨胀膨胀18四冲程高速柴油机的理想化四冲程高速柴油机的理想化123451. 工质工质pVp0120工质数量不变工质数量不变定比热理想气体
9、定比热理想气体2. 0-1和和1-0抵消抵消开口开口闭口循环闭口循环3. 燃烧燃烧外界加热外界加热 排气排气向向外界放热外界放热4. 多变多变绝绝热热 不可逆不可逆可逆可逆19理想混合加热循环（萨巴德循环）理想混合加热循环（萨巴德循环）1234512345pvTsVp循环中循环中Tmax=T4循环中循环中Pmax=P3=P4柴油机的理想循环柴油机的理想循环12345pp0120ss20理想混合加热循环的计算理想混合加热循环的计算12345Ts吸热量吸热量1v32p43qcTTcTT放热量放热量2v51qcTT热效率热效率12t11wqqqq5121324311TTqqTTk TT 分析循环分析
10、循环吸热量，放热量，热效率吸热量，放热量，热效率和和功量功量Vp21几个表征循环特性参数几个表征循环特性参数12345pv压缩比压缩比12vv定容增压比定容增压比32pp预胀比预胀比43vv反映反映气缸气缸容积容积反映反映供油供油规律规律2245123Ts热效率热效率51t32431TTTTk TT 1112112kkvTTTv12vv133212kpTTTp 32pp144313kvTTTv 43vv由由1-2由由2-3由由3-4Vp压缩比压缩比定容增压比定容增压比预胀比预胀比2312345Ts热效率热效率51t32431TTTTk TT t11111kkk kkkkTTvvvvTvvTT1
11、1415334415445112345pVp由由4-5144313kvTTTv 43vv预胀比预胀比12vv压缩比压缩比24t11111kkk 特性参数与热效率的关系特性参数与热效率的关系25 9-3 活塞式内燃机的活塞式内燃机的 定容、定压加热循环定容、定压加热循环26一、定容加热循环（奥托循环一、定容加热循环（奥托循环) )123(4)5Ts123(4)5pv1汽油机理想循环汽油机理想循环t11111kkk 111ktv预胀比预胀比12345p27柴油机与汽油柴油机与汽油机动力循环图示机动力循环图示12345pv123(4)5pv柴油机，压燃式柴油机，压燃式汽油机，点燃式汽油机，点燃式12
12、8二、定压加热循环（狄塞尔二、定压加热循环（狄塞尔Diesel循环循环) )112(3)45pv12(3)45Ts1111kkktp柴油机理想循环柴油机理想循环定容增压比定容增压比t11111kkk 29思 考 同样是柴油机同样是柴油机为什么有为什么有混合加热混合加热循环和循环和定压加热定压加热循环之分？循环之分？12345pv12(3)45pv30高速柴油机与低速柴油高速柴油机与低速柴油机循环图示机循环图示12345pv12(3)45pv高速柴油机，压燃式、轻高速柴油机，压燃式、轻柴油、高压油泵供油。柴油、高压油泵供油。低速柴油机，压燃式、重柴低速柴油机，压燃式、重柴油、压缩空气喷油。油、压
13、缩空气喷油。11111kkktp31 9-4 活塞式内燃机各种理想活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较循环的热力学比较比较的条件比较的条件压缩比压缩比吸热量吸热量1q反映气缸结构尺寸、工艺材料反映气缸结构尺寸、工艺材料反映作功量反映作功量最高压力最高压力maxp反映材料耐压、壁厚、成本反映材料耐压、壁厚、成本 最高温度最高温度maxT反映材料耐温反映材料耐温比较的对象比较的对象：混合加热，定容加热，定压加热混合加热，定容加热，定压加热32Ts2t11qq tvtmtp2v2m2pqqq平均温度法平均温度法3m4m123v4v3p4p进气状态、压缩比和吸热量相同进气状态、压缩比和吸热量相同12v
14、v3121TTt33211tqq 1p1m1vqqq2q相等相等Ts12v342mtptmtv2p3m进气状态相同、最高压力和最高温度相同进气状态相同、最高压力和最高温度相同平均温度法平均温度法121TTt349-5 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环用途：用途： 航空发动机航空发动机 尖峰电站尖峰电站 移动电站移动电站 大型轮船大型轮船与活塞式内燃机比较：与活塞式内燃机比较：活塞式内燃机活塞式内燃机-往复式动力机械，工质对外往复式动力机械，工质对外 作功是间歇性的，转速不高。作功是间歇性的，转速不高。燃气轮机燃气轮机-旋转式热力发动机，作功过程是旋转式热力发动机，作功过程是 连续的，转速高，输
15、出功率大。连续的，转速高，输出功率大。35燃气轮机燃气轮机(gas turbine)装置简介装置简介 36燃烧室燃烧室进气进气压气机压气机泵泵排气排气 汽轮机汽轮机燃料燃料12341q2q37循环示意图循环示意图1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室1）工质：数量不变，定比热工质：数量不变，定比热理想气体理想气体 理想化：理想化：2）闭口闭口 循环循环3 3）可逆过程可逆过程38 1-2在压气机中完成在压气机中完成 定熵压缩过程定熵压缩过程 2-3在燃烧室中完成在燃烧室中完成 定压加热过程定压加热过程 3-4在汽轮机机中完成在汽轮机机中完成 定熵膨胀过程定熵膨胀过程 4-1在大气中完
16、成在大气中完成 定压冷却过程定压冷却过程9-6定压加热理想循环定压加热理想循环 （布雷顿循环）（布雷顿循环）123439pvTs12341234 理想循环的理想循环的p-V图和图和T-s图1234ppss40循环的热效率计算循环的热效率计算Ts1234吸热量：吸热量：1p32qcTT放热量：放热量：2p41qcTT热效率：热效率：12241t1113211wqqqTTqqqTT pp41循环热效率的计算循环热效率的计算2314TTTTTs1234热效率：热效率：41t321TTTT 411322111TTTTTT 1133224411kkkkTppTTppTpp42循环热效率的计算循环热效率的
17、计算Ts1234热效率：热效率：41t321TTTT 411322111TTTTTT 112221111111kkTTTpTp 1t,C31TT 热效率表达式似乎与卡诺循环一样热效率表达式似乎与卡诺循环一样p2314TTTTp43布雷顿循环热效率的计算布雷顿循环热效率的计算Ts1234热效率：热效率：t12111kkpp 定义：定义：增压比增压比21pp111kk tkt可见，提高增压比可以提高循环热效率。可见，提高增压比可以提高循环热效率。pp44布雷顿循环净功的计算布雷顿循环净功的计算 1243hhhhwnet1243TTcTTcppTs1234定义：定义：循环增温比循环增温比31TT32
18、4134211111pppwcTTcTTTTTc TTTT净循环净功循环净功=汽轮机膨胀功汽轮机膨胀功压气机耗功压气机耗功pp45 1243hhhhwnet31TT324134211111pppwcTTcTTTTTc TTTT净1111kkkkpc T1133224411kkkkTppTTppT341314TTTTTT21ppkkTT13446对效率和净功的影响对效率和净功的影响Ts123431TT当当 不变不变不变不变w净但但T3 受材料耐热限制受材料耐热限制111tkk 341111kkkkpwc T净net47对效率和净功的影响对效率和净功的影响Ts31TT当当 不变不变太大太大w净3T
19、太小太小ttw净存在最佳存在最佳 ，使，使 最大最大w净111tkk 1T1111kkkkpwc T净net48最佳增压比最佳增压比 的求解的求解12max,kkwnet211TcwpmaxTs令令3T1T最大循环净功最大循环净功最大循环净功最大循环净功时的热效率时的热效率213121111111max,TTkkwtnetmax,netw1111kkkkpwc T净net0netw49小小 结结 提高增压比 ，总能提高热效率，而对循环净功，当 时， 减小 提高循环最高温度 是改善循环性能的决定性因素，即max,netw净wt净w3T211Tcwpmax213121111111max,TTkkw
20、tnet509-7燃气轮机的定压加热燃气轮机的定压加热实际循环实际循环Ts1234压气机：压气机：不可逆不可逆绝热压缩绝热压缩燃气轮机：燃气轮机：不可逆不可逆绝热膨胀绝热膨胀24定义：定义：压气机绝热效率压气机绝热效率燃气轮机相对内效率燃气轮机相对内效率21c12hhhhsc,34oi34hhhhT理想作功实际作功51燃气轮机的实际循环的净功燃气轮机的实际循环的净功 s ,cThhhhhhhhw12431243净Ts123424吸热量吸热量s ,chhhhhhq121323121c12hhhhsc,34oi34hhhhT52燃气轮机的实际循环的热效率燃气轮机的实际循环的热效率s ,cs ,cT
21、ihhhhhhhhqw21312431净Ts123424sckksckkTi,1,1111153小小 结结 压气机压缩过程和燃气轮机膨胀过程不可逆损失压气机压缩过程和燃气轮机膨胀过程不可逆损失越小，即绝热效率越小，即绝热效率 ，相对内效率，相对内效率 越大，则越大，则实际循环热效率越高。实际循环热效率越高。 循环增温比循环增温比 越大，实际循环热效率也越大。越大，实际循环热效率也越大。 增压比增压比 增大，对实际循环热效率的影响表现增大，对实际循环热效率的影响表现为：热效率先是提高，到达某一最高效率后开始为：热效率先是提高，到达某一最高效率后开始下降。下降。s ,cT54实际循环热效率变化曲线
22、实际循环热效率变化曲线55 9 9-8 8提高布雷顿循环热效率的其他途径提高布雷顿循环热效率的其他途径 回热循环回热循环 分级压缩，中间冷却分级压缩，中间冷却 回热回热+中间冷却中间冷却 再热再热 再热再热+回热回热 再热再热+间冷间冷+回热回热56回热回热循环循环示意图示意图1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室回热器回热器4R2A57回热在回热在 T-s 图上的表示图上的表示24TTR42TTR2134Ts4R2R理想回热：理想回热：4-4R放热放热=2-2R吸热吸热循环净功不变循环净功不变1T从外热源吸热的从外热源吸热的 提高提高 从外热源吸热的从外热源吸热的 降低降低 2T循
23、环热效率提高循环热效率提高58回热在回热在 T-s 图上的表示图上的表示2134Ts4R2R2A实际回热实际回热:定义：定义：回热度回热度2222ARhhhh一般取一般取0.60.9tt1wq净回简2A理论回热量实际回热量59提高循环热效率的其他途径提高循环热效率的其他途径 回热循环回热循环 分级压缩，中间冷却分级压缩，中间冷却 回热回热+中间冷却中间冷却 再热再热 再热再热+回热回热 再热再热+间冷间冷+回热回热60压气机间冷的图示压气机间冷的图示1234燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室间冷器间冷器5压气机压气机6261间冷回热示意图间冷回热示意图134燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室间冷器间冷器5
24、压气机压气机62回热器回热器4R2R62再热示意图再热示意图1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室1燃烧室燃烧室23563再热回热示意图再热回热示意图1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室2回热器回热器燃烧室燃烧室14R2R5364再热再热+间冷间冷+回热示意图回热示意图1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室2回热器回热器间冷器间冷器燃烧室燃烧室12R4R65动力循环问题概括动力循环问题概括动力循环的一般规律动力循环的一般规律:任何动力循环都是以消耗任何动力循环都是以消耗热能热能为为代价代价 以以作功作功为为目的目的升压升压是前提是前提加热加热是手段是手段作功作功是目的是目的放热放热是必须是必须顺序不可变顺序不可变步骤不可缺步骤不可缺66本章小结本章小结 了解内燃机分类、形式了解内燃机分类、形式. . 掌握柴油机、汽油机的理想循环，在掌握柴油机、汽油机的理想循环，在p-Vp-V图图和和T-sT-s图上的表示，及提高效率的途径图上的表示，及提高效率的途径. . 掌握燃气轮机装置的构成、工作特点，及掌握燃气轮机装置的构成、工作特点，及各部分的计算方法各部分的计算方法. . 了解影响燃气轮机热效率的因素及提高效了解影响燃气轮机热效率的因素及提高效率的途径率的途径. .作业：结合思考题看书。作业：结合思考题看书。9-1、9-1567本章结束本章结束
