工程热力学14气体动力循环汇总

1、14 气体动力循环14.1 燃气轮机装置与定压加热循环 燃气轮机装置是以燃气为工质的热动力装置， 最简单的燃气轮机装置示意图 如图 14-1 所示，由压气机、燃烧室和燃气轮机三个基本部分组成。在燃气轮机循环中， 空气不断地被压气机吸入， 经压缩升压后， 送入燃烧室； 压缩空气在燃烧室中和供入的燃料在定压下燃烧，形成高温燃气；高温燃气与 来自燃烧室夹层通道中的压缩空气混合，使混合气体的温度降到燃气轮机叶片 所能承受的温度范围后，进入燃气轮机的喷管；燃气在喷管中膨胀加速，形成 高速气流，冲击叶轮对外输出功量；做功后的废气排入环境。燃气轮机做出的 功量除一部分带动压气机外，其余部分（循环净功）对外输

2、出。图 14-1 简单燃气轮机装置示意图1压气机 2燃烧室 3喷油嘴 4燃气轮机 5发电机 6启动电动机 7燃料泵显然，上述燃气轮机循环是一个不可逆的开式循环， 而且循环中工质的成分、质量都有变化。为了便于分析，需要把实际循环作理想化的假设： 燃烧室中喷入的燃料质量忽略不计； 忽略阻力的影响， 燃烧过程压力变化不大， 可以把 燃料燃烧的化学过程 假定为工质从高温热源吸收热量的 定压吸热过程 ； 燃气轮机 排出的废气压力和压气机吸入的气体压力都非常接近大气压力， 可以把废气的排放假定为 工质向冷源放热后，再返回到 压气机的定压放热过程； 工质在 压气机和燃气轮机 中向外散热很少，可以理想化为 可

3、逆绝热过 程，即 定熵过程 ； 工质为理想气体，比热容为定值。 通过上述假定，燃气轮机循环就被简化为定量工质完成的可逆的封闭循环。该 循环由 定熵压缩过程（ 1-2）、定压加热过程 （ 2-3）、定熵膨胀过程（ 3-4） 和定压放热过程（ 4-1）四个可逆过程组成，称为燃气轮机装置的定 压加热理想循环，又称布雷顿循环 ，其 p-v图和 T-s图如图 14-2 所示。图 14-2 理想燃气轮机循环对组成布雷顿循环的各过程进行能量分析计算，可以得出其热效率如下： 吸热量（ 2-3）：qH h3 h2 cp T3 T2放热量（ 4-1）：qL h4 h1 cp T4 T1按照循环热效率的定义，可得：

4、1qLqHcp T4 T1T4 T111cp T3 T2T3 T214-1)由于 1-2 以及 3-4 是定熵过程，并且 p3 p2 , p4 p1 ,可得，T2 T3T1 T4T3 T2T4 T11 p2 p1把上式代入式（ 14-1），可得，14-2)从这里可以看出， 燃气轮机装置的定压加热理想循环的 热效率完全取决于参数p2 ，这一参数定义为循环增压比，并随着 的增大而增大 p1但是对于 增压比的选择还必须考虑单位质量工质所作的净功量的影响。燃气 轮机输出的功量wT h3 h4 cp T3 T4c pT3而压气机所消耗的功量 ，1wC h2 h1 c p T2 T1 cp T11因此，

5、循环净功量的计算式为11w wT wC c pT311cpT1114-3)上式表明， 在一定温度范围 T1、T3 内，循环的净功量也完全取决于增压 比。当净功量达到最大时的增压比称为最佳增压比opt ，其数值可以通过对（ 14-3）式求导得到，14-4)这里定义 循环增温比T3 。由于工质的最高温度 T3受材料耐热性能的T1限制，而最低温度 T1 受环境大气温度的限制， 因此最佳增压比也必然 受到一定的限制 。例 14.1 】在如图 14-2 所示的理想燃气轮机循环中，工质为空气，进入压气机时的压力p1 0.1MPa ， t1 20，循环的增压比6 ，循环最高温度为 800，假定空气的比热容

6、cp 1.004kJ/(kg.K) ，1.4 ，试求循环净功量及循环热效率解：（1）假定空气为理想气体，首先确定各点的状态参数，1:p1 0.1MPa ， t120， v1RgT1287 (273 6 20)0.8409m3/kgp10.1 1062:p 2p1 6 0.10.6MPa ， T2 T11 293 61.41 1.4 488.9KRgT2 287 488.9p260.6 1060.2339m3/kg3:p3 p2 0.6MPa ， t 3 800v3 RgT3 287 273 68000.5133m3/kgp30.6 1064:p 4 p1 0.1MPa ，T3273 80016

7、 1.4 1 1.4643.1K ，即 t4 T4 273 370.1 2）v4RgT4p4287 643.1 1.8457m3/kg0.1 106燃气轮机所做功量wT cp t3 t4 1.004 800 370.1 431.6kJ/kg压缩机所消耗的功wC c p t2 t1 1.004 488.9 273 20 196.7kJ/kg因此循环净功量w wT wC 431.6 196.7 234.9kJ/kg3）循环的吸热量qH c p t3 t2 1.004 800 488.9 273 586.4kJ/kg循环热效率t w 234.9 0.4006qH586.4热效率也可以用式（ 14-2

8、）直接计算得到，两者的计算结果一致。14.2 燃气轮机装置的实际循环因流经叶轮式压气机和燃气轮机的流体流速很高，各种摩擦（流体之间、流体与通道间）不能忽略，考虑实际的膨胀压缩不可逆损失，需引入如下修正： 压气机的绝热效率wc,sh2 h1T2 T1c,s wch2 h1 T2 T1 燃气轮机的相对内效率wT h3 h4 T3 T4 Th3 h4wTT3 T4则燃气轮机装置实际输出净功s(h2 h1) c,s1 w wT wcT h3 h4实际吸热量1q1 h3 h2 h3 h1(h2 h1)c,s实际循环的热效率wtq11T h3 h4(h2 h1)c,s1h3 h1(h2 h1)c,s1T

9、T3 T4(T2 T1)c,s1T3 T1(T2 T1)c,s1Tc,s1111 c,s讨论： 循环增温比 t ， T1 受限于环境，故尽量使 T3 ，可考虑用陶瓷取代 金属作为发动机材料，但须克服其脆性，正研制功能梯度材料。 当 ， c,s, T一定， t随 变化有一极大值。 c,s , T t ，目前 c,s 0.80 0.90 ， T 0.85 0.92以上讨论均为改进热力学参数以提高热效率，还可以从改进循环结构入手， 即：采用回热，并在此基础上的 多级压缩，中间冷却和多级膨胀，中间再热 。14.3 具有回热的燃气轮机装置循环一、回热气体工质在燃气轮机中膨胀做功后的温度 T4 还较高，为

10、减少直接排放的损 失，可用于压气机压缩后的空气预热。这种回热的极限：压缩空气温度上升到 T5 T4 ，排气温度下降到 T6 T2。 极限回热是不可能达到的，因燃气与空气的换热需要一定的温差。 实际的回热程度称为 回热度h7 h2 T7 T2h5 h2通常 0.5 0.7显然，回热提高了吸热平均温度，降低了放热平均温度，热效率得以提高。但这种回热只能以 T4为上限， T2 为下限。若想进一步提高热效率， 须使压缩 后空气温度下降，膨胀后的燃气温度上升，以进一步提高吸热平均温度，降低 放热平均温度。 这可通过：多级压缩，中间冷却 和 多级膨胀，中间再热 实 现。s14.4 喷气发动机简介 喷气式发

11、动机利用高温燃气在喷管中膨胀加速，形成的高速气流向外喷射 所产生的反作用力来推动物体向前运动。喷气式发动机， 采用燃气轮机循环作为其运行基础 ，如图 14-3 所示。图 14-3 喷气式发动机原理示意图然而与燃气轮机循环 不同的是， 喷气式发动机的压缩过程和膨胀过程都 是分为两部分进行 ：空气首先在入 口的扩压管内增压后，再进入压缩机 内进行进一步的压缩；在燃烧室中燃 烧后产生的高温燃气首先进入燃气 轮机膨胀做功，通过燃气轮机输出功 的大小应该恰好能够提供驱动压缩 机所需的动力，经过燃气轮机的气体 通过尾喷管膨胀加速来获得足够动能，推动飞行器飞行。假设燃料的质量忽略 不计，有兴趣的同学可以试着

12、用如下喷气式发动机的动力循环的 p-v 图与 T-s图， 计算出它的净推力 。图 14-4 喷气发动机循环喷气发动机的特点是结构简单、重量轻、体积小、功率大。当高速飞行时， 发动机的功率随着速度的增加而增大，因此喷气发动机主要应用于飞机和火箭 等高速飞行的飞行器上。 （空天飞机 -冲压发动机 简介）14.5 往复活塞式内燃机理想循环往复活塞式内燃机经吸气、压缩、燃烧、膨胀、排气诸过程，完成一个工作循环， 这些都是在一个带有活塞的气缸中进行，因此结构紧凑 、 被广泛应用于交通运输中 。按照使用的燃料不同，活塞式内燃机可分为汽油机、柴油机、煤气机等；按照燃料的点火方式不同，又可分为 点燃式和压燃式

13、。 汽油机和煤气机是点燃式内燃机，吸入的燃料和空气的混合物，经 压缩后被电火花点燃；柴油机是压燃式内燃机，空 气经压缩至温度升高到燃料的自燃温度后，喷入燃 料使其自燃。下面以四冲程柴油机为例，说明内燃机的工作 原理。通过示功器记录的四冲程柴油机实际循环的 pV 关系示于图 14-5 中。0-1 线为吸气冲程， 进气图 14-5 柴油机循环阀开启，活塞从左止点右行到右止点，由于阀门的节流作用，进入气缸的空气 压力略低于大气压。 1-2 为压缩冲程，进气阀关闭，活塞自右止点返行到左止点 附近，消耗外功，压缩气体，气体的压力升高，压缩终了时，气体温度超过燃料的自燃温度。 2-3-4 为燃烧过程，压缩

14、终了前， 一部分燃料 预先通过高压油泵 喷入气缸，并迅猛燃烧，此时，活塞在左止点附近，位置变化很小，可近似为 定容燃烧，燃气压力骤增（ 2-3）；随后， 喷入的燃料继续燃烧 ，活塞向右移动， 压力几乎维持不变（ 3-4）。4-5 为膨胀冲程，气缸内高温高压气体膨胀做功，活 塞自左向右移动。 5-6-0 为排气冲程，此时活塞移至右止点附近，排气阀开启， 排除部分废气，气缸内压力骤降至略高于大气压（ 5-6）；活塞向左返行，将剩余 废气排出（ 6-0）。这样活塞往返两次（四个冲程）完成一个循环。实际的循环是一个开式的不可逆循环， 为了便于理论分析， 需要忽略次要因 素，对实际循环进行合理的 抽象和

15、假定： 忽略实际过程的摩擦阻力以及进气阀和排气阀的节流损失，假定进气压和排 气压都等于大气压，因此 进气所得的推进功与排气所耗的推进功相互抵消 ， 即图 14-5 中的 0-1线和 6-0线重合，这样就把一个开式循环理想化为闭式循 环； 燃料燃烧过程可以简化为从高温热源吸收热量的可逆过程， 2-3 是定容加热 过程， 3-4 为定压加热过程； 在压缩和膨胀过程中， 忽略工质与气缸之间的热交换和内摩擦，假定 1-2 为 定熵压缩过程， 4-5 为定熵膨胀过程； 用活塞在右止点位置的 定容放热过程代替排气过程 5-6； 工质为理想气体，且比热容为常数。图 14-6 混合加热循环经过上述假定，就得到

16、了图 14-6 所示的理想循环，这是一个封闭的可逆循 环。由于加热过程由定容加热过程 2-3和定压加热过程 3-4 两个部分组成，因此 循环 123451称为混合加热理想循环 ，又称 萨巴德循环 。混合加热循环的吸热量 qH 是定容吸热量 qHv 和定压吸热量 qHp之和：qH qHv qHp cv T3 T2 cp T4 T3循环放热量为定容放热过程 5-1 中放出的热量：qLcv T5T1因此，混合加热循环的热效率表示为：cv T5 T1qLt 1 L 1 v 5 1 1T5 T1（ A）qHcv T3T2c pT4T3T3T2T4T3特性参数有 压缩比v1 、定容升压比v2p3p2和定压

17、预胀比v4v3对于定熵压缩过程 1-2，有，1v1B)v2对于定容加热过程 2-3，T3 T2 T11C)对于定压加热过程 3-4，T4 T3 T11D)由于 v5 v1， v3 v2 ，对于定熵膨胀过程 4-5，有，1T4v4 1 T4 v1 把以上各温度热效率公式( A)，可得， t 1 11 1 1T5 T4v4 v3v1 v21 T1E)14-5）在分析气体动力循环时，通常引入一些反映循环特性的参数。混合加热循环的分析上式， 可得：混合加热循环的 热效率随压缩比 和定容升压比 的增大而增 大，随着定压预胀比 的增大而减小。早期的低速柴油机 在压缩终了时用高压空气将柴油喷入气缸，随喷随

18、燃，此时活塞已经向右移动，气缸内的压力基本保持不变。这种循环可以理想 化为定压加热的理想循环 ，又称笛塞尔循环 。如图 14-7所示，笛塞尔循环 由定熵压缩过程 1-2、定压加热过程 2-3、定熵膨胀过程 3-4 和定容放热过程 4-1 组成。定压加热循环可以看作混合加热循环的一个特例，即定容升压比1，由混合加热循环的效率( 14-5)式，可得定压加热循环 的热效率为 ：14-6)11图 14-7 定压加热理想循环图 14-8 定容加热循环点燃式内燃机（汽油机、煤气机）压缩的是燃料和空气的可燃混合物。压 缩终了时，活塞处于左止点处，火花塞产生火花点燃可燃混合物，由于燃烧迅 速，此时活塞位移极小，近似在定容情况下燃烧，因此可按 定容加热理想循 环（又称奥托循环） 来分析。如图 14-8 所示，该循环由定熵压缩过程 1-2、 定容加热过程 2-3、定熵膨胀过程 3-4 和定容放热过程 4-1 组成。定容加热循环 可以看作混合加热循环在定压预胀比 1 时的特例，因此由式（ 14-5）可得定 容加热循环的热效率为：1t 1 1 1（14-7）由上式可以得到， 定容加热理想