《气体动力循环》ppt课件

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 燃气轮机安装循环燃气轮机安装循环9-3 增压内燃机及其循环增压内燃机及其循环9-4 自在活塞燃气轮机安装及其循环自在活塞燃气轮机安装及其循环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9-1 活塞式内燃机的理想循环活塞式内燃机的理想循环 实践循环：实践循环： 0-1 0-1 进气过程进气过程 1-2 1-2 紧缩过程紧缩过程 2-3-4 2-3-4 熄灭过程熄灭过程 4-5 4-5 膨胀膨胀( (作功作功) )过程过程 5-1 5-1 自

2、在排气过程自在排气过程强迫排气过程强迫排气过程 一、混合加热循环萨巴特循环一、混合加热循环萨巴特循环 理想化：理想化： 1. 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0-10-1定压线定压线 紧缩过程紧缩过程1-21-2定熵紧缩定熵紧缩 熄灭过程熄灭过程2-32-3定容加热定容加热3-43-4定压加热外热源加热定压加热外热源加热 膨胀过程膨胀过程4-54-5定熵膨胀定熵膨胀 排气过程排气过程5-15-1定容放热定容放热1-01-0定压线定压线 2. 工质以理想气体对待 3. 开口系统简化为闭口系统进排气功近似相等，相互抵消得到如下实际循环。)()()(1340230150112

3、tTTcTTcTTcqqqpVV 混合加热循环的热效率：混合加热循环的热效率：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： 紧缩比：紧缩比：21vv压力升高比：压力升高比：112112112TTvvTT23pp1-2为绝热过程2-3为定容过程3-4为定压过程11232323TTTppTT预胀比：预胀比：34vv4-5为绝热过程11343434TTTvvTT11213411415445vvvvvvvvTT1111145TTTT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(

4、1111tt const, const,t, const,可见：可见：。；混合加热循环的循环净功：混合加热循环的循环净功：)()()()(1503402302110TTcTTcTTcqqqwppV 利用循环中各形状间的参数关系，可以得到利用循环中各形状间的参数关系，可以得到)1()1() 1(1100TcwV)1()1() 1(1111vp0 , ,w可见：可见：。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：1，为混合加热循环的一个特例，将1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1t11t可见：可见：) 1)(1(1

5、1110vpw0 ,w。；定压加热循环笛塞尔循环定压加热循环笛塞尔循环 特点：1，为混合加热循环的一个特例，将1代入混合加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；。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 紧缩比一样、放热量一样紧缩比一样、放热量一样 最高压力一样、最高温度一样最高压力一样、最高温度一样pVTTT, 1m1m, 1mpVTTT, 2m2m, 2m1m2m12t11TTqqpV, tt, tVpTTT, 1m1m, 1mpVTTT, 2m2m, 2m1m2m12t11TTqqVp,

6、 tt, t9-2 燃气轮机安装循环燃气轮机安装循环一、定压加热燃气轮机循环一、定压加热燃气轮机循环 燃气轮机安装循环勃雷登循环的组成： 绝热紧缩过程压气机 定压加热过程熄灭室、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 增压比增压比=p2/p1=p2/p1 最高温度最高温度T3T3 升温比升温比= T3/T1= T3/T1/ )1(43/ )1(43/ )1(1212TTppppTT)(230231TTchhqp)(140142TTchhqp111)()(1123214123014012tTTTTTTTTcTTcqqpp参数关系：参数关系：循环加热量：循环加热量：循环放热

7、量：循环放热量：循环热效率：循环热效率：循环特性：循环特性：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所以所以二、燃气轮机的实践循环二、燃气轮机的实践循环 压气机耗功：压气机耗功：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)()(q

8、wwqwsppsppTTcTTcTTcTTcc,120130c,120T4301)()(1)()(ssc,/ )1(c,T/ )1(t1111因因所以有所以有/ )1(4312TTTTt3)(T 当 、 、 一定时，随着增压比的提高，循环热效率有一个极大值 sc,TtTc,sssc,/ )1(c,T/ )1(t1111可见：可见：热效率影响要素分析热效率影响要素分析 由由。； (1) (1)燃气轮机安装的回热循环燃气轮机安装的回热循环 循环的组成：循环的组成：1-21-2为压气机中绝热紧缩；为压气机中绝热紧缩；2-62-6为回热器中定压预为回热器中定压预热；热；6-36-3为熄灭室中定压加热；

9、为熄灭室中定压加热；3-43-4为燃气轮机中绝热膨胀；为燃气轮机中绝热膨胀；4-54-5为为回热器中定压放热；回热器中定压放热；5-15-1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 T2 升温至升温至T4T4，实践只能到，实践只能到T6T6。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

10、(/ )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。热效率影响要素分析热效率影响要素分析 由由 采用多

11、级紧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高。(2)采用多级紧缩中间冷却以及再热的回热循环采用多级紧缩中间冷却以及再热的回热循环9-3 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。 目的目的添加内燃机的功率添加内燃机

12、的功率( (功率功率3030100100，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，因此广泛运用。废气增压可充分利用废气能量，提高经济性，因此广泛运用。9-4 自在活塞燃气轮机安装及其循环自在活塞燃气轮机安装及其循环 自在活塞式发动机可以看做是一种特殊方式的增压内燃机。它自在活塞式发动机可以看做是一种特殊方式的增压内燃机。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消费紧缩气体。它也可作为燃气发生器而与燃气轮机组成结压气机消费紧缩气体。它也

13、可作为燃气发生器而与燃气轮机组成结合动力安装，称为自在活塞燃气轮机安装。合动力安装，称为自在活塞燃气轮机安装。 自在活塞燃气轮机安装的任务过程自在活塞燃气轮机安装的任务过程 气缸气缸2 2中的两个对置的自在活塞中的两个对置的自在活塞3 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。 缸内气体熄灭膨胀缸内气体熄灭膨胀推进两活塞外移，紧缩两端气垫气缸推进两活塞外移，紧缩两端气垫气缸7 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 6容积容积空气经进气阀空气经进气阀5 5吸入。吸入。 活塞外移接近端部活塞外

14、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 8翻开翻开高温燃气高温燃气储气罐储气罐9 9；随；随后，左活塞将扫气口后，左活塞将扫气口1111翻开翻开扫气箱扫气箱1212内紧缩空气内紧缩空气气缸，将气缸中剩余燃气驱气缸，将气缸中剩余燃气驱入燃气储气罐，并使气缸充溢新颖紧缩空气。入燃气储气罐，并使气缸充溢新颖紧缩空气。 两端气垫气缸内的高压空气推进自在活塞内移。当排气孔及扫气孔封锁后，两端气垫气缸内的高压空气推进自在活塞内移。当排气孔及扫气孔封锁后，气缸内的空气被绝热紧缩。同时压气机气缸内的空气也被紧缩，压力到达扫气箱气缸内的空气被绝热紧缩。同时压气机气缸内的空气也被紧缩，压力到达扫气箱

15、内压力时，输气阀内压力时，输气阀4 4翻开，紧缩空气在活塞推进下输入扫气箱翻开，紧缩空气在活塞推进下输入扫气箱1212。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，喷油器1 1将燃料喷入发动机气缸中进展熄灭。随后又开场膨胀过将燃料喷入发动机气缸中进展熄灭。随后又开场膨胀过程，进展新的任务循环。程，进展新的任务循环。 由发动机送入储气罐由发动机送入储气罐9 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1010中，在其中绝热膨胀推进叶轮输出轴中，在其中绝热膨胀推进叶轮输出轴功。由于自在活塞发动机中燃气膨胀所作的功全部经功。由于自在活塞发动机中燃气膨胀所作的

16、功全部经过活塞用于压气机的紧缩功，所以燃气轮机所输出的过活塞用于压气机的紧缩功，所以燃气轮机所输出的功也就是整个安装独一对外输出的功。功也就是整个安装独一对外输出的功。自在活塞燃气轮机安装的热力循环自在活塞燃气轮机安装的热力循环 根据自在活塞发动机中的能量平衡，压气机耗费的轴功等于自根据自在活塞发动机中的能量平衡，压气机耗费的轴功等于自在活塞发动机的循环净功，即在活塞发动机的循环净功，即p-vp-v图上循环图上循环1-2-3-4-5-11-2-3-4-5-1的面积应和的面积应和压气机压气过程压气机压气过程8-18-1左侧面积左侧面积8-1-a-b-88-1-a-b-8相等。整个安装输出的功，相

17、等。整个安装输出的功，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6-76-7左左侧的面积侧的面积6-7-b-a-66-7-b-a-6表示。表示。 循环循环1-2-3-4-5-11-2-3-4-5-1为自为自在活塞发动机气缸中工质在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。1-61-6为储气罐定压充气，为储气罐定压充气，6-6-7 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，7-87-8为废气在大气中为废气在大气中定压放热，定压放热，8-18-1为空气在压为空气在压气机气缸中的绝热紧缩。气机气缸中的

18、绝热紧缩。9-5 喷气式发动机及其循环喷气式发动机及其循环 喷气式发动机以一定飞行速度前进时，空气以一样速度进入。喷气式发动机以一定飞行速度前进时，空气以一样速度进入。高速气流在前端扩压管高速气流在前端扩压管1 1中降速升压后进入压气机中降速升压后进入压气机2 2，经绝热紧缩进，经绝热紧缩进一步升压。紧缩空气在熄灭室一步升压。紧缩空气在熄灭室3 3中和喷入的燃料一同进展定压熄灭。中和喷入的燃料一同进展定压熄灭。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 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 5中，在其中继续膨胀获得

19、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。 喷气式发动机分量轻、体积小、功率大，其功率随本身运动速喷气式发动机分量轻、体积小、功率大，其功率随本身运动速度提高而增大，特别适宜用做航空发动机。度提高而增大，特别适宜用做航空发动机。 任务过程：任务过程：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 1-a扩压管中的绝热紧缩；扩压管中的绝热紧缩；a-2a-2压气机中的绝热紧缩；压气机中的绝热紧缩；2-2-33熄灭室中的定压吸热；熄灭室中的定压吸热；3-b3-b燃气轮机中的绝热膨胀；燃气轮机中的绝热膨胀；b-4b-4尾尾喷管中的绝热膨胀；喷管中的绝热膨胀

20、；4-14-1大气中定压放热。大气中定压放热。 p-v p-v图上，面积图上，面积 代表压气机所耗代表压气机所耗费的轴功，面积费的轴功，面积 代表燃气轮机所输出的轴功，代表燃气轮机所输出的轴功，根据喷气发动机的任务原理，两轴功的数值相等，故两面积相等。根据喷气发动机的任务原理，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一样，显然，喷气式发动机的热力循环和定压加热燃气轮机循环一样，故可援用有关的结论来对其进展分析。故可援用有关的结论来对其进展分析。 111aa3223bb9-6 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) (4)定容回热过程

21、定容回热过程 ：动力活：动力活塞塞1 1位于其下死点，配气活塞位于其下死点，配气活塞2 2从从其下死点上移。使膨胀腔内工质其下死点上移。使膨胀腔内工质经连通管流入紧缩腔。此时工质经连通管流入紧缩腔。此时工质容积不变，并在流过回热器容积不变，并在流过回热器3 3时向时向回热器放热，降低温度。当配气回热器放热，降低温度。当配气活塞活塞2 2移至其上死点时，工质全部移至其上死点时，工质全部进入紧缩腔，定容回热过程终了。进入紧缩腔，定容回热过程终了。 任务过程：任务过程： (1) (1)定温紧缩过程：配气活塞定温紧缩过程：配气活塞2 2位于上死点，动力活塞位于上死点，动力活塞1 1由其下死点向上挪动。由其下死点向上挪动。两活塞间紧缩腔内的工质受压，同时经过缸壁向冷却水放热。两活塞间紧缩腔内的工质受压，同时经过缸壁向冷却水放热。 (2) (2)定容预热过程：动力活塞定容预热过程：动力活塞1 1位于其上死点位置，配气活塞位于其上死点位置，配气活塞2 2从其上死点下从其上死点下移。迫使气缸紧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。迫使气缸紧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