第九章 气体动力循环 Gas power cycles 9-1 分析动力循环的一般方法 9-2 活塞式内燃机实际循环的简化 9-3 活塞式内燃机的理想循环 9-4 活塞式内燃机个正理想循环的热力学比较 9-5 燃气轮机装置循环 9-6 燃气轮机装置定压加热实际循环 9-7 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施 9-8 喷气发动机简介

9–1 分析动力循环的一般方法 一、分析动力循环的目的 在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。 9–1 分析动力循环的一般方法 一、分析动力循环的目的 在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。 二、分析动力循环的一般步骤 抽象、简化 1. 实际循环（复杂不可逆） 可逆理论循环 分析可逆循环 影响经济性的主要因素和可能改进途径 指导改善 实际循环 2. 分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际 损失的部位、大小、原因及改进办法

三、分析动力循环的方法 1. 第一定律分析法 以第一定律为基础，以能 量的数量守恒为立足点。 综合第一定律和第二定律 从能量的数量和质量分析。 2. 第二定律分析法 作功能力损失 熵分析法 熵产 分析法 火用损 火用效率

四、内部热效率i(internal thermal efficiency ) ——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比 其中 与实际循环相当的内可逆循环的热效率 相对内部效率(internal engine efficiency) 反映内部摩擦引起的损失 五、空气标准假设(the air-standard hypothesis) 气体动力循环中工作流体 理想气体 空气 定比热 燃烧和排气过程 吸热和放热过程 燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计

9–2 活塞式内燃机实际循环的简化 一、活塞式内燃机(internal combustion engine)简介 1．分类： 9–2 活塞式内燃机实际循环的简化 一、活塞式内燃机(internal combustion engine)简介 1．分类： 按燃料：煤气机(gas engine) 汽油机(gasoline engine; petrol engine) 柴油机(diesel engine) 按点火方式：点燃式(spark ignition engine) 压燃式(compression ignition engine) 按冲程：二冲程(two-stroke ) 四冲程(four-stroke )

开式循环(open cycle)； 燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆； 各环节中工质质量、成分稍有变化。 ２．活塞式内燃机循环特点

二、活塞式内燃机循环的简化

三、平均有效压力(mean effective pressure)

9–3 活塞式内燃机的理想循环 一、混合加热理想循环 （dual combustion cycle） 01 吸气 12 压缩 9–3 活塞式内燃机的理想循环 一、混合加热理想循环 （dual combustion cycle） 01 吸气 12 压缩 23 喷油、燃烧 34 燃烧 45 膨胀作功 50 排气 简化：引用空气标准假设 燃烧2-3等容吸热+3-4定压吸热 排气5-1等容放热 压缩、膨胀1-2及4-5等熵过程 吸、排气线重合、忽略 燃油质量忽略 燃气成分改变忽略

1. p-v图及T-s图 12 等熵压缩；23 等容吸热； 34 定压吸热；45 等熵膨胀； 51 定容放热 特性参数： 压缩比(compression ratio) 定容增压比(pressure ratio) 定压预胀比 (cutoff ratio)

2. 循环热效率 或

利用 表示

求 两式相除，考虑到 把T2、T3、T4和T5代入

a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。 讨论： 归纳： a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。 b.利用T-s图分析循环较方便。 c.同时考虑q1和q2或T1m和T2m平均。

二、定压加热理想循环(Diesel cycle)

讨论： c) 重负荷（，q1  ）时 内部热效率下降，除 外还有因温度上升而使 ，造成热效率下降

三、定容加热理想循环(Otto cycle)

讨论： c ) 重负荷（q1  ）时内部热效率下降，因温度上升使 ，造成热效率下降

9–4 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 一、压缩比相同，吸热量相同时的比较 或

二、循环pmax、Tmax相同时的比较 或 例A470299 例A447277

9-5 燃气轮机装置循环 一、燃气轮机(gas turbine)装置简介 小型燃气轮机

轴流式燃气轮机

燃烧室(combustion chamber) 燃气轮机(gas turbine) 构成 压气机(compressor) 燃烧室(combustion chamber) 燃气轮机(gas turbine) 特点 1.开式循环(open cycle)，工质流动； 2.运转平稳，连续输出功； 3.启动快，达满负荷快； 4.压气机消耗了燃气轮机产生功率 的绝大部分，但重量功率比 (specific weight of engine)仍较大。 用途 飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set) 等。

（constant-pressure combustion cycle， Brayton cycle） 二、定压加热理想循环 （constant-pressure combustion cycle， Brayton cycle） 1-2 等熵压缩（压气机内） 循环增压比（pressure ratio） 2-3 定压吸热（燃烧室内） 循环增温比（temperature ratio） 3-4 等熵膨胀（燃气轮机内） 4-1 定压放热（排气，假想换热器）

三、定压加热理想循环分析 1.热效率ηt 注意：式中T1、T2并非指高温 热源，低温热源。

2.分析 ？

1）对于每一τ，均有π， 可见： 其w→wnet,max 2）τ上升，即T3上升，使取得wnet,max 的π 上升，ηt上升，所以提高T3 能带动wnet,max 及ηt同时升高。

9–6 燃气轮机装置定压加热实际循环 一、定压加热的实际循环 1-2 不可逆绝热压缩； 2-3 定压吸热； 3-4 不可逆绝热膨胀； 9–6 燃气轮机装置定压加热实际循环 一、定压加热的实际循环 1-2 不可逆绝热压缩； 2-3 定压吸热； 3-4 不可逆绝热膨胀； 4-1 定压放热。

二、压气机绝热效率(adiabatic compressor efficiency) 和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency)

三、燃气轮机装置的内部热效率 (internal thermal efficiency)ηi 整理

讨论： 增大τ是提高燃气轮机装置性能（wnet，ηi）的方向。

9–7 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施 一、回热（regeneration） 讨论 2）极限回热

3）回热度(regenerator effectiveness) 注意：π达一定值，回热不能进行。 4）实际循环的回热

+ 二、 分级压缩，中间冷却 回热基础上 分级压缩，中间冷却 压气机耗功很大 （multistage compression ， 二、 分级压缩，中间冷却 回热基础上 分级压缩，中间冷却 （multistage compression ， intervening cooling ） 压气机耗功很大 分级压缩可降低压气机耗功 采用分级压缩，中间冷却后ηt？ 循环12341： 循环12341 循环1567341： + 循环67256 循环67256：

回热基础上分级压缩中间冷却

三、回热基础上分级膨胀，中间加热 循环12389101= 循环127101-循环37983 若无回热 若回热 循环12389101与循环12341 比较T1m上升，T2m下降

五、回热基础上 分级压缩，中间冷却；分级膨胀，中间加热

当分级压缩中间冷却；分级膨胀中间再热，级数趋向无穷 多时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。

气体动力循环热效率分析归纳： 基础： 方法： 在T-s图上叠加、拆分等； 在T-s图上与同温限卡诺循环比较； 利用ηt= f (x, y, z ··· )的数学特性。 例A474299 例A470389

9–8 喷气发动机简介 定压燃烧喷气式发动机(jet engine)的理论循环及实际循环与 燃气轮机装置定压加热循环相同。 下一章