1、2018年10月18日,第九章 气体动力循环,1,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,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,2,9-1 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）,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,3,理想化：1. 热力过程的理想化进气过程0-1定压线压缩过
2、程1-2定熵压缩燃烧过程2-3定容加热3-4定压加热（外热源加热）膨胀过程4-5定熵膨胀排气过程5-1定容放热1-0定压线,2. 工质以理想气体对待,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,4,3. 开口系统简化为闭口系统（进排气功近似相等，相互抵消）得到如下理论循环。,混合加热循环的热效率：,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,5,利用内燃机的特性参数来表示热效率：,压缩比：,压力升高比：,1-2为绝热过程,2-3为定容过程,3-4为定压过程,预胀比：,4-5为绝热过程,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,6,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
3、表达式，得到,可见：,。,；,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,7,混合加热循环的循环净功：,利用循环中各状态间的参数关系，可以得到,可见：,。,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,8,二、定容加热循环和定压加热循环,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,可见：,。,；,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,9,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,可见：,；,。,2018年10月18日,第九章 气体动
4、力循环,10,三、活塞式内燃机各种理想循环的比较,压缩比相同、放热量相同,最高压力相同、最高温度相同,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,11,9-2 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：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）,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,12,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：,循环特性：,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,13,整理上式，有,可见，
5、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,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,14,二、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,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,15,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,由,。,；,；,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,16,(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
6、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,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,17,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,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,18,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,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,19,采用多级压缩中间冷却以及再热的回热循环措施后，提高
7、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,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,20,9-3 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30100，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。,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,21,9-4 自由活塞燃气轮机装置及其循环,自由活塞式发动机可以
8、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。,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,22,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
9、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。,2018年10月18日,第九章 气体动力
10、循环,23,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。,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,24,9-5 喷气
11、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：,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,25,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
12、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。,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,26,9-6 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
13、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。,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,27,活塞式热气发动机的热力循环及热效率,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：,循环热效率分析：,2018年10月18日,第九章 气体动力循环,28,概括性卡诺循环,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。,
