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1、2019年4月15日,第九章 气体动力循环,1,第九章 气体动力循环,9-1 燃气轮机装置循环,9-2 喷气式发动机及其循环,9-3 活塞式热气发动机及其循环,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,2,9-1 燃气轮机装置循环,一、定压加热燃气轮机循环,定压加热燃气轮机装置循环（勃雷登循环）的组成： 绝热压缩过程（压气机） 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） 定压放热过程（大气、冷却器）,闭式燃气轮机装置,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,3,增压比=p2/p1 最高温度T3 升温比= T3/T1,参数关系：,循环加热量：,循环放热量：,循环热效率
2、：,定压加热燃气轮机循环特性：,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,4,整理上式，有,可见，热效率。,功量燃气轮机轴功：,压气机耗功：,燃气轮机装置的循环净功有极大值。,当,所以,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,5,二、燃气轮机装置的实际循环,压气机耗功：,燃气轮机轴功：,循环热效率：,实际燃气轮机装置中，压气机的压气过程及燃气轮机的膨胀作功过程的不可逆损失较大。,涡轮机效率,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,6,因,所以有,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,7,当 、 、 一定时，随着增压比的提高，循环热效率有一个极大值； ,可见：,热效率影响因素分析
3、,由,。,；,T1决定于大气环境，因此，提高燃烧所得高温燃气温度T3,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,8,(1) 燃气轮机装置的回热循环,理想循环的组成：1-2为压气机中绝热压缩；2-6为回热器中定压预热；6-3为燃烧室中定压加热；3-4为燃气轮机中绝热膨胀；4-5为回热器中定压放热；5-1为大气中定压放热。,理想回热：空气从T2 升温至T4，实际只能到T6。,三、提高热效率的措施,定义：回热度,2019年4月15日,采用回热措施时，空气进入燃烧室的温度由T2提高到T6，从而大大提高了燃烧室中空气定压加热过程的平均加热温度，同时，排入大气的废气温度也由T4降低到T5，从而降低了废气
4、在定压放热过程中的平均放热温度。因此，由等效卡诺循环的热效率公式可知，采用回热措施能提高燃气轮机装置循环的热效率。,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,10,燃气轮机回热循环热效率可表示为,比热容为定值时，有,代入参数间的关系式 ，可得,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,11,可见: 增大升温比，可提高燃气轮机回热循环的热效率；,当升温比及回热度一定时，随着增压比的提高，回热循环的热效率有一个极大值。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。,热效率影响因素分析,由,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,12,采用多级压缩中间冷却以及多级膨胀中间再热的
5、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高。,(2)采用多级压缩中间冷却以及再热的回热循环,压气机分为低压压气机和高压压气机；燃气轮机也分为高压级和低压级两部分，并在两者中间加设燃烧室。,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,13,但是这种装置的结构复杂，体积较大，因而经常单独采用多级压缩中间冷却或多级膨胀中间再热。,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,14,9-2 喷气式发动机及其循环,在喷气式发动机中，燃烧产生的高温燃气通过喷管时在其中绝热膨胀而获得高速。当高速气流从喷气式发动机尾部喷出时，它所产生的反作用力就推动发动机向着与气流相反
6、的方向前进。 喷气式发动机重量轻、体积小、功率大，其功率随本身运动速度提高而增大，特别适合用做航空发动机，成为航空上最普遍使用的发动机。,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,15,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。高速气流在前端扩压管1中降速升压后进入压气机2，经绝热压缩进一步升压。压缩空气在燃烧室3中和喷入的燃料一起进行定压燃烧。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，最后从尾部喷向大气。,工作过程：,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,16,喷气式发动机的理想热力循环分析,1-a扩压管中
7、的绝热压缩；a-2压气机中的绝热压缩；2-3燃烧室中的定压吸热；3-b燃气轮机中的绝热膨胀；b-4尾喷管中的绝热膨胀；4-1大气中定压放热。 p-v图上，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，根据喷气发动机的工作原理，两轴功的数值相等，故两面积相等。,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，故可引用有关的结论来对其进行分析。,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,17,9-3 活塞式热气发动机及其循环,活塞式热气发动机又称斯特林发动机，是一种外部加热的闭式循环的发动机，只是在近几十年来才取得较大的进展。 突出优点： 采用外部加热，故废气的污染少，可
8、以采用多种燃料特别是劣质燃料，还可以利用核能。,工作过程：,(1)定温压缩过程：配气活塞2位于上死点，动力活塞1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。,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,18,(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。,(2)定容预热过程：动力活塞1位于其上死点位置，配气活塞2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，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膨胀腔，定容预热过程
9、结束。,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,19,(4)定容回热过程 ：动力活塞1位于其下死点，配气活塞2从其下死点上移。使膨胀腔内工质经连通管流入压缩腔。此时工质容积不变，并在流过回热器3时向回热器放热，降低温度。当配气活塞2移至其上死点时，工质全部进入压缩腔，定容回热过程结束。,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,20,定温膨胀过程3-4中工质从外部燃烧系统得到的热量为,定温压缩过程1-2中工质向冷却介质放出的热量为,热效率,活塞式热气发动机理想循环(斯特林循环)：,循环热效率分析：,工质在定容预热过程中得到的热量与定容回热过程中的放热量相等。,2019年4月15日,第九章 气体动力循环,21,在活塞式热气发动机中，v1v4，v2v3，故可得到,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的一类理想循环称为概括性卡诺循环。,本章基本要求,1. 掌握基本概念；,2. 掌握勃雷登循环和斯特林循环及其热效率。,