1、1第九章第九章 气体动力循环气体动力循环(3(3学时）学时）基本内容：基本内容： 热效率法分析循环；活塞式内燃机工作原理及热效率法分析循环；活塞式内燃机工作原理及热力学方法；内燃机理想循环；燃气轮机装置热力学方法；内燃机理想循环；燃气轮机装置循环及提高热效率的方法；增压器及其循环；循环及提高热效率的方法；增压器及其循环；其他循环简介其他循环简介基本要求：基本要求： 掌握分析循环热效率的方法；理解实际工作循掌握分析循环热效率的方法；理解实际工作循环合理简化的方法；掌握内燃机理想循环及提环合理简化的方法；掌握内燃机理想循环及提高热效率的方法掌握；燃气轮机装置循环及提高热效率的方法掌握；燃气轮机装置
2、循环及提高热效率的方法；了解其他循环高热效率的方法；了解其他循环29-1 分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般方法n第一定律分析法第一定律分析法热效率分析法热效率分析法n第二定律分析法第二定律分析法-火用火用分析法分析法39-2 9-2 活塞式内燃机实际循环简化活塞式内燃机实际循环简化概述概述4内燃机示意图见教材内燃机示意图见教材P5-图图1-1煤气机煤气机 1860年，勒努瓦（法）设计制造出第一台实用的照明用煤气机；热效率为4%左右；1862年，罗沙（法）提出满足提高内燃机效率要求最早的四冲程工作循环 ；1876年，奥托（德）制成3.2千瓦四冲程煤气内燃汽油机汽油机：1883年，戴姆勒（
3、德）创制第一台立式汽油机，转速达800转/分；18851886年，汽油机作为汽车动力运行成功1860s，活塞式内燃机问世, 后广泛应用于 全世界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等；海上商船、内河船舶和常规舰艇，某些小型飞机也都由内燃机来推进。世界上内燃机的保有量在动力机械中居首位机，热效率达到14%；1880年单机功率达到1115千瓦；1893年达 150千瓦；热效率随压缩比的提高而提高，1886年热效率15.5%，1897年已达2026 。柴油机：柴油机： 1897 年年，狄塞尔（德）首创压缩点火式内燃机(柴油机)制成，近似等压燃烧，热效率达26（命名狄塞尔引擎
4、）；大多用柴油为燃料；1898年，柴油机首先用于固定式发电机组，1903年用作商船动力，1904年装于舰艇，1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成，1920年左右开始用于汽车和农业机械。5内燃机工作原理二冲程内燃机二冲程内燃机：指在两个行程内完成一个工作循环，此期间曲轴旋转一圈。n进气与压缩过程进气与压缩过程：活塞在下止点时，进、排气口都开启，新鲜空气由进气口充入气缸，并扫除气缸内的废气，使之从排气口排出；随后活塞上行，将进、排气口均关闭，气缸内充量开始受到压缩，直至活塞接近上止点时点火或喷油，使气缸内可燃混合气燃烧；n燃烧与排气过程燃烧与排气过程：气缸内燃气膨胀，推动活塞下行作功；当活
5、塞下行使排气口开启时，废气即由此排出活塞继续下行至下止点，即完成一个工作循环。四冲程内燃机四冲程内燃机：指在进气、压缩、膨胀和排气四个行程内完成一个工作循环，此间曲轴旋转两圈。n进气行程进气行程：此时进气门开启，排气门关闭。流过空气滤清器的空气，或经化油器与汽油混合形成的可燃混合气，经进气管道、进气门进入气缸；n压缩行程压缩行程：气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升；n膨胀行程膨胀行程：在压缩上止点前喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动活塞下行并作功；n排气行程排气行程：活塞推挤气缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。6一、柴油机的实际工作循环及简化一、柴
6、油机的实际工作循环及简化柴油机的实际工作循环（下片）柴油机的实际工作循环（下片）7柴油机实际示功图柴油机理论示功图0-1:进气过程1-2：压缩过程2-3-4：燃烧吸热过程4-5：膨胀过程5-0：排气过程0-1：定压进气过程1-2：绝热压缩过程2-3：定容燃烧过程3-4：定压燃烧过程4-5：绝热膨胀过程5-1：定容放热过程1-0：定压排放过程89-3 9-3 活塞式内燃机理想循环活塞式内燃机理想循环9一、混合加热循环一、混合加热循环-Sabatte Cycle）1 1、对柴油机的工作循环的简化及抽象、对柴油机的工作循环的简化及抽象-混混合加热循环（合加热循环（SabatteSabatte Cyc
7、le Cycle）n混合加热循环参数计算混合加热循环参数计算n混合加热循环参数关系混合加热循环参数关系n热效率计算及分析热效率计算及分析n循环净功计算循环净功计算n提高循环热效率的途径提高循环热效率的途径10混合加热循环的P-V图与T-S图0-1：定压进气过程1-2：绝热压缩过程2-3：定容燃烧过程3-4：定压燃烧过程4-5：绝热膨胀过程5-1：定容放热过程1-0：定压排放过程压缩比=v1/v2压力升高比=P3/P2预账比=v4/v311混合加热循环参数计算及参数关系混合加热循环参数计算及参数关系混合加热循环特性参数有：混合加热循环特性参数有：压缩比压缩比=v=v1 1/v/v2 2；压力升高
8、；压力升高比比=P=P3 3/P/P2 2；预账比；预账比=v=v4 4/v/v3 3kkkkkkkkkTTvvTvvTTTTvvTTTTPPTTTvvTTvvTT11411341544511334341122323111211212112)()()()()(12热效率计算及分析热效率计算及分析)1()1(111)()()(111134023015043321512kTTCTTCTTCqqqqqkktPvvt13提高热效率的途径提高热效率的途径1 1、压力升高比、压力升高比、预账比、预账比不变，不变，压缩比压缩比升高升高，t升高升高2 2、压缩比、压缩比不变；不变；提高压力升高比提高压力升高比
9、，降低预账比，降低预账比，t升高升高以P-V图、T-S图分析14循环净功计算循环净功计算) 1() 1() 1(1) 1() 1() 1()()()(111110150340230154332210kkkkvvpvkkvpkTCTTCTTCTTCqqqqqw15二、汽油机或煤气机实际工作循环及理想二、汽油机或煤气机实际工作循环及理想循环（定容加热循环循环（定容加热循环-Otto Cycle-Otto Cycle）1、汽油机的实际工作循环汽油机的实际工作循环2、对汽油机的工作循环的简化及抽象对汽油机的工作循环的简化及抽象-定容加定容加热循环热循环 Otto Cycle Otto Cycle 3、
10、定容加热循环参数计算定容加热循环参数计算n定容加热循环参数关系定容加热循环参数关系n热效率计算及分析热效率计算及分析n循环净功计算循环净功计算n提高循环热效率的途径提高循环热效率的途径16定容加热循环定容加热循环 Otto CycleOtto Cycle vP PTs123412341-2：绝热压缩过程2-3：定容燃烧过程3-4：绝热膨胀过程4-1：定容放热过程17定容加热循环参数关系定容加热循环参数关系11111123143341122323111211212112)1()()()()(TTvvTvvTTTTPPTTTvvTTvvTTkkkkkkkk18热效率计算及分析热效率计算及分析111
11、1)1()1(111kkktk（预账比预账比=1=1）循环热效率循环热效率压缩比压缩比升高，升高，t升高升高以P-V图、T-S图分析！分析图9-1019循环净功计算循环净功计算) 1)(1(1) 1() 1()()(1111101402301432210kkvvvkvpTCTTCTTCqqqqw20三、定压加热循环（三、定压加热循环（DiselDisel Cycle Cycle ）1、循环内容循环内容2、循环热效率及提高循环热效率途径、循环热效率及提高循环热效率途径3、循环净功计算、循环净功计算21定压加热循环定压加热循环 Diesel CycleDiesel Cycle vP PTs12 （
12、3）412（3）4551-2：绝热压缩过程2-4：定压燃烧过程4-5：绝热膨胀过程5-1：定容放热过程22热效率计算及分析热效率计算及分析循环热效率循环热效率升高升高压缩比压缩比，降低预账比降低预账比，t升高升高以P-V图、T-S图分析！)1(111)1()1(11111kkkkkkt压力升高比压力升高比=1=1239-4 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1、三种循环压缩比三种循环压缩比相同，放热量相同，放热量q2q2相相同同（书中以吸热量（书中以吸热量q1q1相同分析）相同分析）2、循环最高压力循环最高压力P Pmaxmax及最高温度及最高温度T Tm
13、axmax相同相同以P-V图、T-S图分析！t，V t,C t,Pt，P t,C t,V249-5 活塞式热气发动机及循环自学25作业: 9-5,9-11269-6 9-6 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环一、概述一、概述-燃气轮机装置简介（图燃气轮机装置简介（图9-169-16）二、燃气轮机装置定压加热理想循环二、燃气轮机装置定压加热理想循环 (Bryedon(Bryedon Cycle) Cycle)27定压燃烧燃气轮机装置简图见书定压燃烧燃气轮机装置简图见书P299图图9-16燃气轮机燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的外燃式动力机械，也可称旋转叶
14、轮式热力发动机 公元200年南宋高宗年间记载走马灯走马灯是涡轮机(透平)的雏形 1791年，巴伯（英）首次描述了燃气轮机工作过程；1872年，施托尔策（德）首次设计燃气轮机于19001904年进行了试验，失败；1905年，勒梅尔和阿芒戈（法）制成第一台能输出功的燃气轮机，效率太低未获实用；1920年，霍尔茨瓦特（德）制成第一台效率13、功率370千瓦的实用燃气轮机，但因许多重大缺点而未推广。1939年，瑞士制成了4MW发电用燃气轮机，效率达18%。同年德国制造的喷气式飞机试飞成功，从此燃气轮机进入了实用阶段并迅速发展。 1941年瑞士造第一辆燃气轮机机车通过了试验；1947年，英国制以1.86
15、兆瓦的燃气轮机作加力动力的第一艘装备燃气轮机舰艇下水；1950年，英制成第一辆燃气轮机汽车；1970s中期出现了数种100兆瓦级的燃气轮机，最高能达到130兆瓦;柴油机燃气轮机复合装置发展；另有一类利用燃气轮机排气热量供热(或蒸汽)的全能量系统，可有效地节约能源，已用于多种工业生产中。 28一、概述一、概述-燃气轮机工作过程燃气轮机工作过程燃烧室燃烧室压气机压气机发电机发电机燃料燃料2341开式装置示意图开式装置示意图空气空气废气29闭式燃气轮机装置示意图闭式燃气轮机装置示意图加热器加热器压气机压气机燃料燃料2341空气空气冷却器Ws30二、定压加热理想循环二、定压加热理想循环(Bryden(
16、Bryden Cycle) Cycle)1、定压加热理想循环组成定压加热理想循环组成2、定压加热参数计算定压加热参数计算3、循环热效率计算及其提高途径循环热效率计算及其提高途径4、轴功计算及其最大值与增温比关系轴功计算及其最大值与增温比关系311、定压加热燃气轮机理想循环组成定压加热燃气轮机理想循环组成(Bryden(Bryden Cycle) Cycle)vTs123124P431-2：绝热压缩过程：绝热压缩过程2-3：定压燃烧加热过程：定压燃烧加热过程3-4：绝热膨胀过程：绝热膨胀过程4-1：定容放热过程：定容放热过程增压比=P2/P1升温比=T3/T1322、定压加热参数计算定压加热参数
17、计算kkkkkkTTPPPPTT14314311212)()(1113413112kkkkkkTTTTTTT333、循环热效率计算及其提高途径循环热效率计算及其提高途径kktPPtTTTTTTTTTTCTTCqqqq121232141230140321412111)1()1(1)()(111以P-V图、T-S图分析热效率提高途径！344、轴功计算及其最大值与增温比关系轴功计算及其最大值与增温比关系)()(43043TTChhwPTs燃气轮机作功燃气轮机作功压缩机耗功压缩机耗功)()(12012TTChhwPcs循环净功循环净功W0)()()()(1204300TTCTTCwwwPPcsTs)1
18、()11(/)1(1/)1(300kkkkPTTCw当当W0达最大，可有增压比选择达最大，可有增压比选择)1(2)1(2130max,)(kkkkwTT以P-V图、T-S图分析最大循环净功获得！图9-19359-7 9-7 燃气轮机装置定压加热实际循环燃气轮机装置定压加热实际循环36燃气轮机装置实际循环燃气轮机装置实际循环1、压气机实际耗功（压气机实际耗功（WsWs）c c2、燃气轮机实际输出功（燃气轮机实际输出功（WsWs）T T3、燃气轮机热效率燃气轮机热效率4、提高热效率措施提高热效率措施37燃气轮机装置实际循环燃气轮机装置实际循环vTs12312443P2442压气机绝热效率压气机绝热
19、效率CsCs：即即CsCs = W = Ws s/ /（W Ws s）C C=（h2-h1h2-h1）/ /（h2-h1h2-h1）燃气轮机效率燃气轮机效率T T：T T = = （W Ws s）T T/ W/ Ws s=（h3-h4）/（h3-h4）38燃气轮机燃气轮机实际作功实际作功W W0 0压气机实际耗功压气机实际耗功sccshhw,12)()()(43hhwTTs燃气轮机实际作功燃气轮机实际作功燃气轮机循环净功燃气轮机循环净功scTcsTshhhhwww,124301)()()()(39燃气轮机热效率燃气轮机热效率sckkscTkktscscTscTcsTsthhhhhhhhhhhh
20、hhqwwqw,/)1(,/)1(,1213,124323,1243321011111)()(1)()(1)()()()(按定值比热计算按定值比热计算分析热效率分析热效率提高途径！提高途径！p304409-8提高提高燃气轮机循环热效率的途径燃气轮机循环热效率的途径-回热循回热循环环（定压加热回热循环）（定压加热回热循环）1 1、回热的概念回热的概念： 利用废气高温余热对进入燃烧室前的空气进行预利用废气高温余热对进入燃烧室前的空气进行预热，以减少燃料消耗，提高热效率的措施热，以减少燃料消耗，提高热效率的措施回热度回热度：空气在回热器中实际得到的热量与理想：空气在回热器中实际得到的热量与理想情况下
21、得到热量之比为回热度，一般在情况下得到热量之比为回热度，一般在0.5-0.80.5-0.8之间之间2、多级压缩、级间冷却回热循环多级压缩、级间冷却回热循环41燃气轮机回热循环燃气轮机回热循环压气机压气机燃料燃料2341空气空气废气燃烧室燃烧室65s1243增压比=P2/P1升温比=T3/T165TW0回热度回热度2427hhhhqq742燃气轮机回热循环热效率燃气轮机回热循环热效率)1()1()1()1()()()()()()()()()()()(2343121434242312435301204305312433510TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTCTTCTTChhhhhhqwwq
22、wPPPcsTst43燃气轮机回热循环热效率燃气轮机回热循环热效率代入各参数关系代入各参数关系kkTTTT/)1(4312kkkkkkkkt/)1(/)1(/)1(/)1()1 ()1 ()1)(1(1、增大升温比, t增加2、升温比、回热度不变, 增压比增大, t有极大值442、多级压缩、级间冷却回热循环多级压缩、级间冷却回热循环45多级压缩级间冷却回热循环多级压缩级间冷却回热循环低低压压压压气气机机燃料燃料234空气空气废气燃烧室燃烧室燃燃气气轮轮机机高高压压级级 652中间冷却器中间冷却器93燃料燃料中间燃烧室中间燃烧室燃气轮机低压级燃气轮机低压级高压压气机高压压气机46s124365T7893PV123456789多级压缩级间冷却回热循环多级压缩级间冷却回热循环P-V图、图、T-S图图 （图（图9-26类似）类似）479-9 9-9 喷气式发动机及其循环（略）喷气式发动机及其循环（略）自学48作业 9-15，9-18
