1、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 活塞式内燃机的理想循环活塞式内燃机的理想循环9- -2 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环9- -3 增压内燃机及其循环增压内燃机及其循环9- -4 自由活塞燃气轮机装置及其循环自由活塞燃气轮机装置及其循环9- -5 喷气式发动机及其循环喷气式发动机及其循环9- -6 活塞式热气发动机及其循环活塞式热气发动机及其循环第九章 气体动力循环29- -1 活塞式内燃机的理想循环活塞式内燃机的理想循环 实际循环：实际循环： 0- -1 进气过程进气过程 1- -2 压缩过程压缩过程 2- -3- -4 燃烧过程燃烧过程 4- -5
2、膨胀膨胀( (作功作功) )过程过程 5- -1 自由排气过程自由排气过程强制排气过程强制排气过程 一、混合加热循环（萨巴特循环）一、混合加热循环（萨巴特循环）第九章 气体动力循环3 理想化：理想化： 1. 热力过程的理想化热力过程的理想化 进气过程进气过程0- -1定定压线压线 压缩过程压缩过程1- -2定熵压缩定熵压缩 燃烧过程燃烧过程2- -3定容加热定容加热3- -4定定压加热（外热源加热）压加热（外热源加热） 膨胀过程膨胀过程4- -5定定熵膨胀熵膨胀 排气过程排气过程5- -1定容放热定容放热1- -0定压线定压线 2. 工工质以理想气体对待质以理想气体对待第九章 气体动力循环4
3、3. 开口系统简化为闭口系统（进排气功近似相等，相互抵消）开口系统简化为闭口系统（进排气功近似相等，相互抵消）得到如下理论循环。得到如下理论循环。)()()(1340230150112tTTcTTcTTcqqqpVV 混合加热循环的热效率：混合加热循环的热效率：第九章 气体动力循环5利用内燃机的特性参数来表示热效率：利用内燃机的特性参数来表示热效率： 压缩比：压缩比：21vv压力升高比：压力升高比：112112112TTvvTT23pp1-2为绝热过程为绝热过程2-3为定容过程为定容过程3-4为定压过程为定压过程11232323TTTppTT预胀比：预胀比：34vv4-5为绝热过程为绝热过程1
4、1343434TTTvvTT11213411415445vvvvvvvvTT1111145TTTT第九章 气体动力循环6混合加热循环热效率混合加热循环热效率将各点温度与特性参数的关系代入热效率表达式，得到将各点温度与特性参数的关系代入热效率表达式，得到) 1() 1(1111tt const, const,t, const,可见：可见：。；第九章 气体动力循环7混合加热循环的循环净功：混合加热循环的循环净功：)()()()(1503402302110TTcTTcTTcqqqwppV 利用循环中各状态间的参数关系，可以得到利用循环中各状态间的参数关系，可以得到)1()1() 1(1100TcwV
5、)1()1() 1(1111vp0 , ,w可见：可见：。第九章 气体动力循环8二、定容加热循环和定压加热循环二、定容加热循环和定压加热循环定容加热循环（奥图循环）定容加热循环（奥图循环） 特点：特点：1，为混合加热循环的一个特例，将，为混合加热循环的一个特例，将1代入混合加代入混合加热循环的热效率及循环净功的表达式，即分别有热循环的热效率及循环净功的表达式，即分别有1t11t可见：可见：) 1)(1(11110vpw0 ,w。；第九章 气体动力循环9定压加热循环（笛塞尔循环）定压加热循环（笛塞尔循环） 特点：特点：1，为混合加热循环的一个特例，将，为混合加热循环的一个特例，将1代入混合加代入
6、混合加热循环热效率及循环净功的表达式，即分别有热循环热效率及循环净功的表达式，即分别有t,可见：可见：0 ,w) 1(1111t)1()1(11110vpw；。第九章 气体动力循环10三、活塞式内燃机各种理想循环的比较三、活塞式内燃机各种理想循环的比较 压缩比相同、放热量相同压缩比相同、放热量相同 最高压力相同、最高温度相同最高压力相同、最高温度相同pVTTT, 1m1m, 1mpVTTT, 2m2m, 2m1m2m12t11TTqqpV, tt, tVpTTT, 1m1m, 1mpVTTT, 2m2m, 2m1m2m12t11TTqqVp, tt, t第九章 气体动力循环119- -2 燃气
7、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 燃气轮机装置循环（勃雷登循环）的组燃气轮机装置循环（勃雷登循环）的组成：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）第九章 气体动力循环12 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/ )1(43/ )1(43/ )1(1212TTppppTT)(230231TTchhqp)(140142TTc
8、hhqp111)()(1123214123014012tTTTTTTTTcTTcqqpp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：循环特性：循环特性：第九章 气体动力循环13整理上式，有整理上式，有/ )1(t11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：)()(43043TsTTchhwp)()(12012csTTchhwpcsTs0)()(www111/ )1(1/ )1(30TTcp循环净功有极大值。循环净功有极大值。当当/ )1(031max,TTw所以所以第九章 气体动力循环14二、燃气轮机
9、的实际循环二、燃气轮机的实际循环 压压气机耗功：气机耗功：燃气轮机轴功：燃气轮机轴功：shhwc,12cs)()()(43TTshhw循环热效率：循环热效率：1csTs10t)()(qwwqwsppsppTTcTTcTTcTTcc,120130c,120T4301)()(1)()(ssc,/ )1(c,T/ )1(t1111因因所以有所以有/ )1(4312TTTT第九章 气体动力循环15t3)(T 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 sc,TtTc,sssc,/ )1(c,T/ )1(t1111可见：可见：热效率影响
10、因素分析热效率影响因素分析 由由。；第九章 气体动力循环16 (1)燃气轮机装置的回热循环燃气轮机装置的回热循环 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为为回热器回热器中中定压预定压预热热；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为为回热器回热器中中定压放热定压放热；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。2426hhhhqq三、提高热效率的措施三、提高热效率的措施定义：回热度定义：回热度第九章 气体动力循环
11、17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6312431csTs10t)()()()(1hhhhhhqwwqw比热容为定值时，有比热容为定值时，有)1 (1112343121434tTTTTTTTTTT/ )1(/ )1(/ )1(/ )1(t)1 (111代入参数间的关系式代入参数间的关系式 ，可得，可得 / ) 1(4312TTTT第九章 气体动力循环18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；/ )1(/ )1(/ )1(/ )1(t)1 (1) 1(1 当升温比及回热度一定时，随着增压当升温比及回热度
12、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。比的提高，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当回热度增大时，与热效率极大值相对应的增压比的数值不断降低。增压比的数值不断降低。热效率影响因素分析热效率影响因素分析 由由第九章 气体动力循环19 采用多级压缩中间冷却以及再热的回热循环措施后，提高了平采用多级压缩中间冷却以及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，使得循环热效率得到较大的提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第九
13、章 气体动力循环209- -3 增压内燃机及其循环增压内燃机及其循环 废气涡轮增压内燃机的理想循环相当于由一个内燃机的混合加废气涡轮增压内燃机的理想循环相当于由一个内燃机的混合加热循环和一个燃气轮机定压加热循环叠加而成热循环和一个燃气轮机定压加热循环叠加而成 。 增压增压将空气的压力及密度提高后，送入内燃机气缸，使气将空气的压力及密度提高后，送入内燃机气缸，使气缸充入更多空气。缸充入更多空气。 目的目的增加内燃机的功率增加内燃机的功率(功率功率30100，甚至更多甚至更多)。 增压器增压器用于增压的压气机。用于增压的压气机。 废气增压可充分利用废气能量，提高经济性，因此广泛应用。废气增压可充分
14、利用废气能量，提高经济性，因此广泛应用。第九章 气体动力循环219- -4 自由活塞燃气轮机装置及其循环自由活塞燃气轮机装置及其循环 自由活塞式发动机可以看做是一种特殊形式的增压内燃机。它自由活塞式发动机可以看做是一种特殊形式的增压内燃机。它本身不直接输出功率，而是与压气机相结合，把全部功率用于驱动本身不直接输出功率，而是与压气机相结合，把全部功率用于驱动压气机生产压缩气体。它也可作为燃气发生器而与燃气轮机组成联压气机生产压缩气体。它也可作为燃气发生器而与燃气轮机组成联合动力装置，称为自由活塞燃气轮机装置。合动力装置，称为自由活塞燃气轮机装置。 第九章 气体动力循环22自由活塞燃气轮机装置的工
15、作过程自由活塞燃气轮机装置的工作过程 气缸气缸2中的两个对置的自由活塞中的两个对置的自由活塞3的外端分别与压气机活塞相连。的外端分别与压气机活塞相连。 缸内气体燃烧膨胀缸内气体燃烧膨胀推动两活塞外移，压缩两端气垫气缸推动两活塞外移，压缩两端气垫气缸7内的空气，将发内的空气，将发动机全部有效功储存在空气中。动机全部有效功储存在空气中。 活塞外移活塞外移压气机气缸压气机气缸6容积容积空气经进气阀空气经进气阀5吸入。吸入。 活塞外移接近端部活塞外移接近端部右活塞先把气缸排气孔右活塞先把气缸排气孔8打开打开高温燃气高温燃气储气罐储气罐9；随；随后，左活塞将扫气口后，左活塞将扫气口11打开打开扫气箱扫气
16、箱12内压缩空气内压缩空气气缸，将气缸中残余燃气驱气缸，将气缸中残余燃气驱入燃气储气罐，并使气缸充满新鲜压缩空气。入燃气储气罐，并使气缸充满新鲜压缩空气。 两端气垫气缸内的高压空气推动自由活塞内移。当排气孔及扫气孔关闭后，两端气垫气缸内的高压空气推动自由活塞内移。当排气孔及扫气孔关闭后，气缸内的空气被绝热压缩。同时压气机气缸内的空气也被压缩，压力达到扫气箱气缸内的空气被绝热压缩。同时压气机气缸内的空气也被压缩，压力达到扫气箱内压力时，输气阀内压力时，输气阀4打开，压缩空气在活塞推动下输入扫气箱打开，压缩空气在活塞推动下输入扫气箱12。两活塞移至接。两活塞移至接近中间位置时，喷油器近中间位置时，
17、喷油器1将燃料喷入发动机气缸中进行燃烧。随后又开始膨胀过将燃料喷入发动机气缸中进行燃烧。随后又开始膨胀过程，进行新的工作循环。程，进行新的工作循环。 由发动机送入储气罐由发动机送入储气罐9中的高温高压燃气不断地中的高温高压燃气不断地送入燃气轮机送入燃气轮机10中，在其中绝热膨胀推动叶轮输出轴中，在其中绝热膨胀推动叶轮输出轴功。由于自由活塞发动机中燃气膨胀所作的功全部通功。由于自由活塞发动机中燃气膨胀所作的功全部通过活塞用于压气机的压缩功，所以燃气轮机所输出的过活塞用于压气机的压缩功，所以燃气轮机所输出的功也就是整个装置唯一对外输出的功。功也就是整个装置唯一对外输出的功。第九章 气体动力循环23
18、自由活塞燃气轮机装置的热力循环自由活塞燃气轮机装置的热力循环 根据自由活塞发动机中的能量平衡，压气机消耗的轴功等于自根据自由活塞发动机中的能量平衡，压气机消耗的轴功等于自由活塞发动机的循环净功，即由活塞发动机的循环净功，即p- -v图上循环图上循环1- -2- -3- -4- -5- -1的面积应和的面积应和压气机压气过程压气机压气过程8- -1左侧面积左侧面积8- -1- -a- -b- -8相等。相等。整个整个装置输出的功，装置输出的功，也就是燃气轮机输出的轴功，可用燃气轮机中绝热膨胀过程也就是燃气轮机输出的轴功，可用燃气轮机中绝热膨胀过程6- -7左左侧的面积侧的面积6- -7- -b-
19、 -a- -6表表示。示。 循环循环1- -2- -3- -4- -5- -1为自为自由活塞发动机气缸中工质由活塞发动机气缸中工质所完成的混合加热循环。所完成的混合加热循环。1- -6为储气罐定压充气，为储气罐定压充气，6- -7为燃气在燃气轮机中绝热为燃气在燃气轮机中绝热膨胀，膨胀，7- -8为废气在大气中为废气在大气中定压放热，定压放热，8- -1为空气在压为空气在压气机气缸中的绝热压缩。气机气缸中的绝热压缩。第九章 气体动力循环249- -5 喷气式发动机及其循环喷气式发动机及其循环 喷气式发动机喷气式发动机以一定飞行速度前进时，空气以相同速度进入。以一定飞行速度前进时，空气以相同速度进
20、入。高速气流在前端扩压管高速气流在前端扩压管1中降速升压后进入压气机中降速升压后进入压气机2，经绝热压缩进，经绝热压缩进一步升压。压缩空气在燃烧室一步升压。压缩空气在燃烧室3中和喷入的燃料一起进行定压燃烧。中和喷入的燃料一起进行定压燃烧。产生的高温燃气先在燃气轮机产生的高温燃气先在燃气轮机4中绝热膨胀产生轴功用于带动压气中绝热膨胀产生轴功用于带动压气机，然后进入尾部喷管机，然后进入尾部喷管5中，在其中继续膨胀获得高速，最后从尾中，在其中继续膨胀获得高速，最后从尾部喷向大气。部喷向大气。 喷喷气式发动机重量轻、体积小、功率大，其功率随本身运动速气式发动机重量轻、体积小、功率大，其功率随本身运动速
21、度提高而增大，特别适合用做航空发动机。度提高而增大，特别适合用做航空发动机。 工作过程：工作过程：第九章 气体动力循环25喷气式发动机的热力循环分析喷气式发动机的热力循环分析 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尾尾喷管中的绝热膨胀；喷管中的绝热膨胀；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
22、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。故可引用有关的结论来对其进行分析。 111aa3223bb第九章 气体动力循环269- -6 活塞式热气发动机及其循环活塞式热气发动机及其循环 (4)定容回热过程定容回热过程 ：动力活塞动力活塞1位于其下死点，配气活塞位于其下死点，配气活塞2从其从其下死点上移。使膨胀腔内工质经下死点上移。使膨胀腔内工质经连通管流入压缩
23、腔。此时工质容连通管流入压缩腔。此时工质容积不变，并在流过回热器积不变，并在流过回热器3时向回时向回热器放热，降低温度。当配气活热器放热，降低温度。当配气活塞塞2移至其上死点时，工质全部进移至其上死点时，工质全部进入压缩腔，定容回热过程结束。入压缩腔，定容回热过程结束。 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，动力活塞1由其下死点向上移动。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水放热。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。 (2)定容预热过程：动力活塞定容预热过程：动力活塞1位于其上死
24、点位置，配气活塞位于其上死点位置，配气活塞2从其上死点下从其上死点下移。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，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，在流过回热器在流过回热器3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，定容预热过程结束。膨胀腔，定容预热过程结束。 (3)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质加热，工定温膨胀过程：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。质定温
25、膨胀，推动配气活塞和动力活塞一起下移，输出容积变化功。 第九章 气体动力循环27活塞式热气发动机的热力循环及热效率活塞式热气发动机的热力循环及热效率34maxg21ming12lnln11vvTRvvTRqqt 定温膨胀过程定温膨胀过程3- -4中工质从外中工质从外部燃烧系统得到的热量为部燃烧系统得到的热量为 34maxg1lnvvTRq 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 21ming2lnvvTRq 活塞式热气发动机理想活塞式热气发动机理想循环：循环： 循环热效率分析：循环热效率分析：第九章 气体动力循环28概括性卡诺循环概括性卡诺循环 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maxmint1TT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概括性卡诺循环。的一类理想循环称为概括性卡诺循环。 34maxg21ming12lnln11vvTRvvTRqqt
