工程热力学 09气体动力循环-wyz-2013

工程热力学

EngineeringThermodynamics

2023年3月22日第九章气体动力循环2第九章气体动力循环9-1

活塞式内燃机的理想循环9-2

燃气轮机装置循环9-3

增压内燃机及其循环9-4

自由活塞燃气轮机装置及其循环9-5

喷气式发动机及其循环9-6

活塞式热气发动机及其循环本章作业及小结2023年3月22日第九章气体动力循环39-1

活塞式内燃机的理想循环实际循环：

0-1进气过程

1-2压缩过程

2-3-4燃烧过程

4-5膨胀(作功)过程

5-1自由排气过程＋强制排气过程一、混合加热循环（萨巴特循环）柴油机的实际示功图2023年3月22日第九章气体动力循环4实际循环的理想化：

1.

把热力过程理想化→理论示功图①进气过程→0-1定压吸气②压缩过程→1-2定熵压缩③燃烧过程→2-3定容加热＋3-4定压加热④膨胀过程→4-5定熵膨胀⑤排气过程→5-1定容排气＋1-0定压排气2023年3月22日第九章气体动力循环53.把开口系统简化为闭口系统（进排气功近似相等，相互抵消）

混合加热循环的热效率：2.

把工质看做理想气体混合加热循环（萨巴特循环）2023年3月22日第九章气体动力循环6特性参数：压缩比compressionratio升压比pressurestep-upratio预胀比pre-expandratio2023年3月22日第九章气体动力循环7参数分析：

能量分析：

吸热量

放热量

循环净功

2023年3月22日第九章气体动力循环8可见混合加热循环热效率thermalefficiency2023年3月22日第九章气体动力循环9混合加热循环热效率thermalefficiency（1）压缩比的影响如果λ与ρ不变，提高ε可提高混合加热循环的热效率，但随着压缩比的逐渐增大，热效率增长的速率逐渐减缓。实际上，当压缩比数值较高时，提高压缩比不仅热效率增长较少，而且由于压缩终了压力及燃烧终了压力太高，发动机的机件摩擦消耗的功太多，以致发动机的实际效率无明显增加，甚至反而减小。因此，一般压燃式内燃机的压缩比主要按燃料可靠地起燃和正常燃烧来确定。柴油机的压缩比一般在14～20之间。Question：Howtoimprovethethermalefficiency

?2023年3月22日第九章气体动力循环10混合加热循环热效率2023年3月22日第九章气体动力循环11二、定容加热循环（奥托循环,OttoCycle

）但ε=6.5～11.Why?随着压缩比的提高，点燃式内燃机的热效率增大。实际上，当压缩终了的温度及压力超过一定的限度时，点燃式内燃机如汽油机等会产生不正常的爆燃现象，因此压缩比不能过高，一般汽油发动机的压缩比在6.5～11之间。2023年3月22日第九章气体动力循环12三、定压加热循环（笛塞尔循环，DieselCycle）可见：2023年3月22日第九章气体动力循环13四、活塞式内燃机各种理想循环的比较

①压缩比相同、放热量相同②最高压力相同、最高温度相同2023年3月22日第九章气体动力循环14例9-1(p160-162)本章作业9-1,9-2,9-52023年3月22日第九章气体动力循环159-2

燃气轮机装置循环一、定压加热燃气轮机循环

燃气轮机装置循环（勃雷登循环）的组成：①绝热压缩过程（压气机）②定压加热过程（燃烧室、加热器）③绝热膨胀过程（燃气轮机、气轮机）④定压放热过程（大气、冷却器）2023年3月22日第九章气体动力循环16增压比——π=p2/p1最高温度——T3升温比——τ=T3/T1参数关系：循环加热量：循环放热量：循环热效率：循环特性：2023年3月22日第九章气体动力循环17整理上式，有可见，↑π，热效率↑。

功量—燃气轮机轴功：压气机耗功：循环净功有极大值。当所以2023年3月22日第九章气体动力循环18二、燃气轮机的实际循环压气机耗功：燃气轮机轴功：循环热效率：因所以有2023年3月22日第九章气体动力循环19

①②当、、一定时，随着增压比π的提高，循环热效率有一个极大值③可见：热效率影响因素分析

由。；；2023年3月22日第九章气体动力循环20

(1)燃气轮机装置的回热循环

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2023年3月22日第九章气体动力循环21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

2023年3月22日第九章气体动力循环22可见:①增大升温比，可提高燃气轮机回热循环的热效率；②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2023年3月22日第九章气体动力循环23

采用多级压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)采用多级压缩中间冷却以及再热的回热循环2023年3月22日第九章气体动力循环249-3

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热循环和一个燃气轮机定压加热循环叠加而成。

增压——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。

目的——增加内燃机的功率(功率↑30％～100％，甚至更多)。

增压器——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，因此广泛应用。2023年3月22日第九章气体动力循环259-4

自由活塞燃气轮机装置及其循环自由活塞式发动机可以看做是一种特殊形式的增压内燃机。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压气机生产压缩气体。它也可作为燃气发生器而与燃气轮机组成联合动力装置，称为自由活塞燃气轮机装置。2023年3月22日第九章气体动力循环26自由活塞燃气轮机装置的工作过程

气缸2中的两个对置的自由活塞3的外端分别与压气机活塞相连。

缸内气体燃烧膨胀→推动两活塞外移，压缩两端气垫气缸7内的空气，将发动机全部有效功储存在空气中。

活塞外移→压气机气缸6容积↑→空气经进气阀5吸入。

活塞外移接近端部→右活塞先把气缸排气孔8打开→高温燃气→储气罐9；随后，左活塞将扫气口11打开→扫气箱12内压缩空气→气缸，将气缸中残余燃气驱入燃气储气罐，并使气缸充满新鲜压缩空气。

两端气垫气缸内的高压空气推动自由活塞内移。当排气孔及扫气孔关闭后，气缸内的空气被绝热压缩。同时压气机气缸内的空气也被压缩，压力达到扫气箱内压力时，输气阀4打开，压缩空气在活塞推动下输入扫气箱12。两活塞移至接近中间位置时，喷油器1将燃料喷入发动机气缸中进行燃烧。随后又开始膨胀过程，进行新的工作循环。

由发动机送入储气罐9中的高温高压燃气不断地送入燃气轮机10中，在其中绝热膨胀推动叶轮输出轴功。由于自由活塞发动机中燃气膨胀所作的功全部通过活塞用于压气机的压缩功，所以燃气轮机所输出的功也就是整个装置唯一对外输出的功。2023年3月22日第九章气体动力循环27自由活塞燃气轮机装置的热力循环

根据自由活塞发动机中的能量平衡，压气机消耗的轴功等于自由活塞发动机的循环净功，即p-v图上循环1-2-3-4-5-1的面积应和压气机压气过程8-1左侧面积8-1-a-b-8相等。整个装置输出的功，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6-7左侧的面积6-7-b-a-6表示。循环1-2-3-4-5-1为自由活塞发动机气缸中工质所完成的混合加热循环。1-6为储气罐定压充气，6-7为燃气在燃气轮机中绝热膨胀，7-8为废气在大气中定压放热，8-1为空气在压气机气缸中的绝热压缩。2023年3月22日第九章气体动力循环289-5

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。

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。

工作过程：2023年3月22日第九章气体动力循环29喷气式发动机的热力循环分析

1-a—扩压管中的绝热压缩；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。2023年3月22日第九章气体动力循环309-6

活塞式热气发动机及其循环

(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。

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。

(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，定容预热过程结束。

(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。

2023年3月22日第九章气体动力循环31活塞式热气发动