1、14氣體動力循環14.1 燃氣輪機裝置與定壓加熱循環燃氣輪機裝置是以燃氣為工質的熱動力裝置，最簡單的燃氣輪機裝置示意圖 如圖14-1所示，由壓氣機、燃燒室和燃氣輪機三個基本部分組成。在燃氣輪機循環中，空氣不斷地被壓氣機吸入，經壓縮升壓后，送入燃燒室； 壓縮空氣在燃燒室中和供入的燃料在定壓下燃燒，形成高溫燃氣；高溫燃氣與 來自燃燒室夾層通道中的壓縮空氣混合，使混合氣體的溫度降到燃氣輪機葉片 所能承受的溫度范圍后，進入燃氣輪機的噴管；燃氣在噴管中膨脹加速，形成 高速氣流，沖擊葉輪對外輸出功量；做功后的廢氣排入環境。燃氣輪機做出的 功量除一部分帶動壓氣機外，其余部分（循環凈功）對外輸出。圖14-1簡

2、單燃氣輪機裝置示意圖1壓氣機2 燃燒室3 噴油嘴4燃氣輪機5 發電機6啟動電動機 7 燃料泵顯然，上述燃氣輪機循環是一個不可逆的開式循環， 而且循環中工質的成分、質量都有變化。為了便于分析，需要把實際循環作理想化的假設： 燃燒室中噴入的燃料質量忽略不計；忽略阻力的影響，燃燒過程壓力變化不大，可以把燃料燃燒的化學過程 假定為工質從高溫熱源吸收熱量的定壓吸熱過程； 燃氣輪機排出的廢氣壓力和壓氣機吸入的氣體壓力都非常接近大氣壓力，可以把廢氣的排放假定為 工質向冷源放熱后，再返回到壓氣機的定壓放熱過程； 工質在壓氣機和燃氣輪機 中向外散熱很少，可以理想化為 可逆絕熱過程，即定嫡過程；工質為理想氣體，比

3、熱容為定值。通過上述假定，燃氣輪機循環就被簡化為定量工質完成的可逆的封閉循環。該 循環由定嫡壓縮過程（1-2）、定壓加熱過程（2-3）、定嫡膨脹過程（3-4）和定壓放熱過程（4-1）四個可逆過程組成，稱為燃氣輪機裝置的定壓加熱理想循環，又稱布雷頓循環，其p-v圖和T-s圖如圖14-2所示。v圖14-2理想燃氣輪機循環對組成布雷頓循環的各過程進行能量分析計算，可以得出其熱效率如下: 吸熱量（2-3）:qH =h3 -h2 =Cp T3 -T2放熱量（4-1）:qL =1% -hi =Cp T4 -T1按照循環熱效率的定義，可得：(14-1)=_ 加=_ Cp（T4 一丁1 ）=1 _ qHCpT

4、3 -T2由于1-2以及3-4是定嫡過程，并且P3 = P2, P4 = Pi，可得,T2T3T3-T2TiT4T4 -T1P2Pi把上式代入式(14-1),可得,(14-2)從這里可以看出，燃氣輪機裝置的定壓加熱理想循環的熱效率完全取決于參數n =民，這一參數定義為循環增壓比，并隨著 n的增大而增大。 p1但是對于增壓比的選擇還必須考慮單位質量工質所作的凈功量的影響。燃氣 輪機輸出的功量Wr = h3 - h4 = Cp(l3 T4 尸 CpT3 1 -而壓氣機所消耗的功量，WC = h2 - 幾=Cp T2 - Ti= CpT1因此，循環凈功量的計算式為w =wT wC = cpT3 1

5、一- CpTi(14-3)上式表明，在一定溫度范圍T1、T3內，循環的凈功量也完全取決于增壓 比。當凈功量達到最大時的增壓比稱為最佳增壓比_Hopt,其數值可以通過對(14-3)式求導得到,(14-4)這里定義循環增溫比J=T3。由于工質的最高溫度T3受材料耐熱性能的T1限制，而最低溫度T1受環境大氣溫度的限制，因此最佳增壓比也必然 受到一定的限制。【例14.1】在如圖14-2所示的理想燃氣輪機循環中，工質為空氣，進入壓氣機時的壓力Pi =0.1MPa , ti =20C,循環的增壓比 冗=6,循環最高溫度為 800C,假定空氣的比熱容 Cp =1.004kJ/(kg.K),K =1.4,試求

6、循環凈功量及循環熱效率解：（1）假定空氣為理想氣體,首先確定各點的狀態參數,1：p1 =0.1MPa , t1RgTi287 (273 20)P10.1 106= 0.8409m3/kg2:p2 - ：p1 =6 0.1= 0.6MPa, T2 =工二, =293 61.4,1.4 = 488.9KRgT2287 488.9p20.6 106=0.2339m3/kg3:p3 = p2 =0.6MPa, t3 =800 c4:(2)RgT3287 273 800V3 =p30.6 106= 0.5133m3/kgp4 = p1 =0.1MPa ,273 800二一 61.41.4RgT4V4 一

7、287 643.1p40.1 106燃氣輪機所做功量= 643.1K,即 t4 273 = 370.1 C3=1.8457m3/kgWt =Cp t3 -t4 )=1.004 800-370.1 ：> 431.6kJ/kg壓縮機所消耗的功wC =cp t2 -t1t=1.004 1.488.9 - 273 - 20 -196.7kJ/kg因此循環凈功量w =Wt -Wc =431.6 -196.7 = 234.9kJ/kg(3)循環的吸熱量qH -Cp t3 -t2 i-1.004 800 - 488.9 -273 1 - 586.4kJ/kg循環熱效率234.9=0.4006qH586

8、.4熱效率也可以用式（14-2）直接計算得到，兩者的計算結果一致。14.2 燃氣輪機裝置的實際循環因流經葉輪式壓氣機和燃氣輪機的流體流速很高，各種摩擦（流體之間、流 體與通道問）不能忽略，考慮實際的膨脹壓縮不可逆損失，需引入如下修正：壓氣機的絕熱效率V- wc,s_h2-幾 T2- T1c，s F=h2-hi=T2-Ti 燃氣輪機的相對內效率wTh3-h4T3- T4T = 二-' 二 wTh3-h4T3-T4則燃氣輪機裝置實際輸出凈功,1w = Wt - Wc = T h3 - h4nc,s實際吸熱量1 ,、q1 = h3 -2 =h3 fhi 二、(h2 - hi) c,sqi1

9、一T h3 - h4 -(h2 - 兒)c,s，1 ,，、h3 - h1 - (h2 - %)c,s_ _1 _T T3 -T4 - - (T2-T1)c,s1T3-T1 -(T2 -T1)c,snTJI父c,s-11士 一二-1c實際循環的熱效率討論：循環增溫比IT。：，工受限于環境，故盡量使T3 ,可考慮用陶瓷取代 金屬作為發動機材料，但須克服其脆性，正研制功能梯度材料。當馬，s， 一定，隨n變化有一極大值。 二,s , nT t* ,目前 ncs Q.80 -0.90, 0.85-0.92以上討論均為改進熱力學參數以提高熱效率，還可以從改進循環結構入手，即:采用回熱，并在此基礎上的多級壓

10、縮，中間冷卻和多級膨脹，中間再熱。14.3 具有回熱的燃氣輪機裝置循環、回熱氣體工質在燃氣輪機中膨脹做功后的溫度T4還較高，為減少直接排放的損失，可用于壓氣機壓縮后的空氣預熱。這種回熱的極限：壓縮空氣溫度上升到 T5=T4,排氣溫度下降到丁6=丁2。極限回熱是不可能達到的，因燃氣與空氣的換熱需要一定的溫差。 實際的回熱程度稱為回熱度_h7 - h2T7 - 丁2XJ =h5 - h2T5 - T2通常二- =0.5 0.7顯然，回熱提高了吸熱平均溫度，降低了放熱平均溫度，熱效率得以提高。但這種回熱只能以T4為上限，T2為下限。若想進一步提高熱效率，須使壓縮后空氣溫度下降，膨脹后的燃氣溫度上升，

11、以進一步提高吸熱平均溫度，降低放熱平均溫度。這可通過：多級壓縮，中間冷卻 和 多級膨脹，中間再熱 實 現。14.4 噴氣發動機簡介噴氣式發動機利用高溫燃氣在噴管中膨脹加速，形成的高速氣流向外噴射 所產生的反作用力來推動物體向前運動。噴氣式發動機，采用燃氣輪機循環作為其運行基礎，如圖14-3所示。然而與燃氣輪機循環不同的是，噴氣式發動機的壓縮過程和膨脹過程都 是分為兩部分進行：空氣首先在入口的擴壓管內增壓后，再進入壓縮機 內進行進一步的壓縮；在燃燒室中燃 燒后產生的高溫燃氣首先進入燃氣 輪機膨脹做功，通過燃氣輪機輸出功 的大小應該恰好能夠提供驅動壓縮 機所需的動力，經過燃氣輪機的氣體圖14-3噴

12、氣式發動機原理示意圖通過尾噴管膨脹加速來獲得足夠動能，推動飛行器飛行。假設燃料的質量忽略 不計，有興趣的同學可以試著用如下噴氣式發動機的動力循環的p-v圖與T-s圖,計算出它的凈推力。圖14-4噴氣發動機循環噴氣發動機的特點是結構簡單、重量輕、體積小、功率大。當高速飛行時, 發動機的功率隨著速度的增加而增大，因此噴氣發動機主要應用于飛機和火箭 等高速飛行的飛行器上。（空天飛機-沖壓發動機簡介）14.5往復活塞式內燃機理想循環往復活塞式內燃機經吸氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣諸過程，完成一個工作循環，這些都是在一個帶有活塞的氣缸中進行,因此結構緊湊、被廣泛應用于交通運輸中。按照使用的燃料不同，活塞式

13、內燃機可分為汽 油機、柴油機、煤氣機等；按照燃料的點火方式不同，又可分為點燃式和壓燃式。汽油機和煤氣機是點燃式內燃機，吸入的燃料和空氣的混合物，經 壓縮后被電火花點燃；柴油機是壓燃式內燃機，空 氣經壓縮至溫度升高到燃料的自燃溫度后，噴入燃 料使其自燃。下面以四沖程柴油機為例，說明內燃機的工作 原理。通過示功器記錄的四沖程柴油機實際循環的 pV關系示于圖14-5中。0-1線為吸氣沖程，進氣圖14-5柴油機循環閥開啟，活塞從左止點右行到右止點，由于閥門的節流作用，進入氣缸的空氣 壓力略低于大氣壓。1-2為壓縮沖程，進氣閥關閉，活塞自右止點返行到左止點 附近，消耗外功，壓縮氣體，氣體的壓力升高，壓縮

14、終了時，氣體溫度超過燃料的自燃溫度。2-3-4為燃燒過程，壓縮終了前，一部分燃料預先通過高壓油泵 噴入氣缸，并迅猛燃燒，此時，活塞在左止點附近，位置變化很小，可近似為 定容燃燒，燃氣壓力驟增（2-3）;隨后，噴入的燃料繼續燃燒，活塞向右移動， 壓力幾乎維持不變（3-4）。4-5為膨脹沖程，氣缸內高溫高壓氣體膨脹做功，活 塞自左向右移動。5-6-0為排氣沖程，此時活塞移至右止點附近，排氣閥開啟， 排除部分廢氣，氣缸內壓力驟降至略高于大氣壓（5-6）;活塞向左返行，將剩余 廢氣排出（6-0）。這樣活塞往返兩次（四個沖程）完成一個循環。實際的循環是一個開式的不可逆循環，為了便于理論分析，需要忽略次要

15、因素，對實際循環進行合理的 抽象和假定： 忽略實際過程的摩擦阻力以及進氣閥和排氣閥的節流損失，假定進氣壓和排 氣壓都等于大氣壓，因此進氣所得的推進功與排氣所耗的推進功相互抵消，即圖14-5中的0-1線和6-0線重合，這樣就把一個開式循環理想化為閉式循 環； 燃料燃燒過程可以簡化為從高溫熱源吸收熱量的可逆過程，2-3是定容加熱過程，3-4為定壓加熱過程； 在壓縮和膨脹過程中，忽略工質與氣缸之間的熱交換和內摩擦，假定 1-2為 定嫡壓縮過程，4-5為定嫡膨脹過程；用活塞在右止點位置的定容放熱過程代替排氣過程 5-6; 工質為理想氣體，且比熱容為常數。圖14-6混合加熱循環經過上述假定，就得到了圖1

16、4-6所示的理想循環，這是一個封閉的可逆循 環。由于加熱過程由定容加熱過程 2-3和定壓加熱過程3-4兩個部分組成，因此 循環123451稱為混合加熱理想循環一又松.薩巴德循環混合加熱循環的吸熱量qH是定容吸熱量qHv和定壓吸熱量qHp之和：qH Fhv qHp =Cv T3 -T2 Cp T4 -T3循環放熱量為定容放熱過程 5-1中放出的熱量：qL =cvT5 -T1t =1 一 qL =1 一qHCv T5 -1因此，混合加熱循環的熱效率表示為:CvT3-T2 -CpT4-T3T3-T2T4-T3在分析氣體動力循環時，通常引入一些反映循環特性的參數。混合加熱循環的 特性參數有壓縮比6 =

17、 Vl、定容升壓比九=P3和定壓預脹比P=V4V2P2V3對于定嫡壓縮過程1-2,有，1T2 =T15=丁聲父（B）<v2 ）對于定容加熱過程2-3,丁3=丁2九=丁1雙 0（C）對于定壓加熱過程3-4,T4 =T3 P =T1 九（D）由于V5 =v1，V3 = V2 ,對于定嫡膨脹過程4-5,有，丁5=丁4" G 旦=T4 V=丁4=邛#及（E）<V5 ）VV1 ） IV1/V2J把以上各溫度熱效率公式（A）,可得，(14-5)“' -1t = 1 _一 一1；了 1 1分析上式，可得：混合加熱循環的熱效率隨壓縮比6和定容升壓比九的增大而增 大，隨著定壓預脹比

18、P的增大而減小早期的低速柴油機 在壓縮終了時用高壓空氣將柴油噴入氣缸，隨噴隨 燃，此時活塞已經向右移動，氣缸內的壓力基本保持不變。這種循環可以理想 化為定壓加熱的理想循環，又稱笛塞爾循環.。如圖14-7所示，笛塞爾循環 由定嫡壓縮過程1-2、定壓加熱過程2-3、定嫡膨脹過程3-4和定容放熱過程4-1 組成。定壓加熱循環可以看作混合加熱循環的一個特例，即定容升壓比九=1,由混合加熱循環的效率（14-5）式，可得定壓加熱循環 的熱效率為：'_ 1t =1 -(14-6)J，。-1圖14-7定壓加熱理想循環圖14-8定容加熱循環點燃式內燃機（汽油機、煤氣機）壓縮的是燃料和空氣的可燃混合物。壓 縮終了時，活塞處于左止點處，火花塞產生火花點燃可燃混合物，由于燃燒迅速，此時活塞位移極小，近似在定容情況下燃燒，因此可按定容加熱理想循1-2、環（又稱奧托循環）來分析。如圖14-8所示，該循環由定嫡壓縮過程 定容加熱過程2-3、定嫡膨脹過程3-4和定容放熱過程4-1組成。定容加熱循環可以看作混合加熱循環在定壓預脹比P = 1時的特例，因此由式（14-5）可得定容加熱循環的熱效率為:(14-7)t=T由上式可以得到，定容加熱理想循環的熱效率