氣體動力循環

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1、,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,2020年1月25日,第九章 氣體動力循環,#,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,1,9,-,1,活塞式內燃機的理想循環,實際循環：,0,-,1,進氣過程,1,-,2,壓縮過程,2,-,3,-,4,燃燒過程,4,-,5,膨脹,(,作功,),過程,5,-,1,自由排氣過程強制排氣過程,一、混合加熱循環（薩巴特循環）,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,2,理想化：,1,.,熱力過程的理想化,進氣過程,0,-,1定,壓線,壓縮過程,1,-,2,定熵壓縮,燃燒過程,2,-,3定容加熱3,-,4

2、定,壓加熱（外熱源加熱）,膨脹過程,4,-,5定,熵膨脹,排氣過程,5,-,1定容放熱1,-,0,定壓線,2,.,工,質以理想氣體對待,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,3,3,.,開口系統簡化為閉口系統（進排氣功近似相等，相互抵消）得到如下理論循環。,混合加熱循環的熱效率：,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,4,利用內燃機的特性參數來表示熱效率：,壓縮比：,壓力升高比：,1,-,2,為絕熱過程,2,-,3,為定容過程,3,-,4,為定壓過程,預脹比：,4,-,5,為絕熱過程,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,5,混合加熱循環熱效率,將各點溫度與特性參數的關

3、系代入熱效率表達式，得到,可見：,。,；,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,6,混合加熱循環的循環凈功：,利用循環中各狀態間的參數關系，可以得到,可見：,。,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,7,二、定容加熱循環和定壓加熱循環,定容加熱循環（奧圖循環）,特點：,1,，為混合加熱循環的一個特例，將,1,代入混合加熱循環的熱效率及循環凈功的表達式，即分別有,可見：,。,；,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,8,定壓加熱循環（笛塞爾循環）,特點：,1,，為混合加熱循環的一個特例，將,1,代入混合加熱循環熱效率及循環凈功的表達式，即分別有,可見：,；,。,2024年

4、12月13日,第九章 氣體動力循環,9,三、活塞式內燃機各種理想循環的比較,壓縮比相同、放熱量相同,最高壓力相同、最高溫度相同,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,10,9,-,2,燃氣輪機裝置循環,一、定壓加熱燃氣輪機循環,燃氣輪機裝置循環（勃雷登循環）的組成：,絕熱壓縮過程（壓氣機）,定壓加熱過程（燃燒室、加熱器）,絕熱膨脹過程（燃氣輪機、氣輪機）,定壓放熱過程（大氣、冷卻器）,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,11,增壓比,=,p,2,/,p,1,最高溫,度,T,3,升溫比,=,T,3,/,T,1,參數關系：,循環加熱量：,循環放熱量：,循環熱效率,：,循環特性：,

5、2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,12,整理上式，有,可見，,，,熱效率。,功量,燃氣輪機軸功：,壓氣機耗功：,循環凈功有極大值。,當,所以,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,13,二、燃氣輪機的實際循環,壓,氣機耗功：,燃氣輪機軸功：,循環熱效率：,因,所以有,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,14,當 、一定時，隨著增壓比,的提高，循環熱效率有一個極大值,可見：,熱效率影響因素分析,由,。,；,；,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,15,(1),燃氣輪機裝置的回熱循環,循環的組成：,1,-,2,為壓氣機中絕熱壓縮；,2,-,6,為,回熱器,中

6、,定壓預熱,；,6,-,3,為燃燒室中定壓加熱；,3,-,4,為燃氣輪機中絕熱膨脹；,4,-,5,為,回熱器,中,定壓放熱,；,5,-,1,為大氣中定壓放熱。,理想回熱：空氣從,T,2,升溫至,T,4,，實際只能到,T,6,。,三、提高熱效率的措施,定義：回熱度,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,16,燃氣輪機回熱循環熱效率可表示為,比熱容為定值時，有,代入參數間的關系式 ，可得,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,17,可見:,增大升溫比，可提高燃氣輪機回熱循環的熱效率；,當升溫比及回熱度一定時，隨著增壓比的提高，回熱循環的熱效率有一個極大值。當回熱度增大時，與熱效率極

7、大值相對應的增壓比的數值不斷降低。,熱效率影響因素分析,由,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,18,采用多級壓縮中間冷卻以及再熱的回熱循環措施后，提高了平均加熱溫度及降低了平均放熱溫度，使得循環熱效率得到較大的提高,。,(2),采用多級壓縮中間冷卻以及再熱的回熱循環,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,19,9,-,3,增壓內燃機及其循環,廢氣渦輪增壓內燃機的理想循環相當于由一個內燃機的混合加熱循環和一個燃氣輪機定壓加熱循環疊加而成。,增壓,將空氣的壓力及密度提高后，送入內燃機氣缸，使氣缸充入更多空氣。,目的,增加內燃機的功率,(,功率,30,100,，,甚至更多,),。

8、,增壓器,用于增壓的壓氣機。,廢氣增壓可充分利用廢氣能量，提高經濟性，因此廣泛應用。,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,20,9,-,4,自由活塞燃氣輪機裝置及其循環,自由活塞式發動機可以看做是一種特殊形式的增壓內燃機。它本身不直接輸出功率，而是與壓氣機相結合，把全部功率用于驅動壓氣機生產壓縮氣體。它也可作為燃氣發生器而與燃氣輪機組成聯合動力裝置，稱為自由活塞燃氣輪機裝置。,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,21,自由活塞燃氣輪機裝置的工作過程,氣缸,2,中的兩個對置的自由活塞,3,的外端分別與壓氣機活塞相連。,缸內氣體燃燒膨脹推動兩活塞外移，壓縮兩端氣墊氣缸,7,內的

9、空氣，將發動機全部有效功儲存在空氣中。,活塞外移壓氣機氣缸,6,容積空氣經進氣閥,5,吸入。,活塞外移接近端部右活塞先把氣缸排氣孔,8,打開高溫燃氣儲氣罐,9,；隨后，左活塞將掃氣口,11,打開掃氣箱,12,內壓縮空氣氣缸，將氣缸中殘余燃氣驅入燃氣儲氣罐，并使氣缸充滿新鮮壓縮空氣。,兩端氣墊氣缸內的高壓空氣推動自由活塞內移。當排氣孔及掃氣孔關閉后，氣缸內的空氣被絕熱壓縮。同時壓氣機氣缸內的空氣也被壓縮，壓力達到掃氣箱內壓力時，輸氣閥,4,打開，壓縮空氣在活塞推動下輸入掃氣箱,12,。兩活塞移至接近中間位置時，噴油器,1,將燃料噴入發動機氣缸中進行燃燒。隨后又開始膨脹過程，進行新的工作循環。,由

10、發動機送入儲氣罐,9,中的高溫高壓燃氣不斷地送入燃氣輪機,10,中，在其中絕熱膨脹推動葉輪輸出軸功。由于自由活塞發動機中燃氣膨脹所作的功全部通過活塞用于壓氣機的壓縮功，所以燃氣輪機所輸出的功也就是整個裝置唯一對外輸出的功。,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,22,自由活塞燃氣輪機裝置的熱力循環,根據自由活塞發動機中的能量平衡，壓氣機消耗的軸功等于自由活塞發動機的循環凈功，即,p,-,v,圖上循環,1,-,2,-,3,-,4,-,5,-,1,的面積應和壓氣機壓氣過程,8,-,1,左側面積,8,-,1,-,a,-,b,-,8,相等。,整個,裝置輸出的功，也就是燃氣輪機輸出的軸功，可用燃

11、氣輪機中絕熱膨脹過程,6,-,7,左側的面積,6,-,7,-,b,-,a,-,6,表,示。,循環,1,-,2,-,3,-,4,-,5,-,1,為自由活塞發動機氣缸中工質所完成的混合加熱循環。,1,-,6,為儲氣罐定壓充氣，,6,-,7,為燃氣在燃氣輪機中絕熱膨脹，,7,-,8,為廢氣在大氣中定壓放熱，,8,-,1,為空氣在壓氣機氣缸中的絕熱壓縮。,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,23,9,-,5,噴氣式發動機及其循環,噴氣式發動機,以一定飛行速度前進時，空氣以相同速度進入。高速氣流在前端擴壓管,1,中降速升壓后進入壓氣機,2,，經絕熱壓縮進一步升壓。壓縮空氣在燃燒室,3,中和噴入

12、的燃料一起進行定壓燃燒。產生的高溫燃氣先在燃氣輪機,4,中絕熱膨脹產生軸功用于帶動壓氣機，然后進入尾部噴管,5,中，在其中繼續膨脹獲得高速，最后從尾部噴向大氣。,噴,氣式發動機重量輕、體積小、功率大，其功率隨本身運動速度提高而增大，特別適合用做航空發動機。,工作過程：,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,24,噴氣式發動機的熱力循環分析,1,-,a,擴壓管中的絕熱壓縮；,a,-,2,壓氣機中的絕熱壓縮；,2,-,3,燃燒室中的定壓吸熱；,3,-,b,燃氣輪機中的絕熱膨脹；,b,-,4,尾噴管中的絕熱膨脹；,4,-,1,大氣中定壓放熱。,p,-,v,圖上，面積 代表壓氣機所消耗的軸功，

13、面積,代表燃氣輪機所輸出的軸功，根據噴氣發,動機的工作原理，兩軸功的數值相等，故兩面積相等。,顯,然，噴氣式發動機的熱力循環和定壓加熱燃氣輪機循環相同，故可引用有關的結論來對其進行分析。,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,25,9,-,6,活塞式熱氣發動機及其循環,(4),定容回熱過程,：,動力活塞,1,位于其下死點，配氣活塞,2,從其下死點上移。使膨脹腔內工質經連通管流入壓縮腔。此時工質容積不變，并在流過回熱器,3,時向回熱器放熱，降低溫度。當配氣活塞,2,移至其上死點時，工質全部進入壓縮腔，定容回熱過程結束。,工作過程：,(1),定溫壓縮過程：,配氣活塞,2,位于上死點，動力活

14、塞,1,由其下死點向上移動。兩活塞間壓縮腔內的工質受壓，同時通過缸壁向冷卻水放熱。,(2),定容預熱過程：動力活塞,1,位于其上死點位置，配氣活塞,2,從其上死點下移。迫使氣缸壓縮腔內工質流入配氣活塞上方的氣缸膨脹腔。此時工質容積不變，在流過回熱器,3,時被加熱。配氣活塞與和動力活塞相靠時，工質全部進入氣缸的膨脹腔，定容預熱過程結束。,(3),定溫膨脹過程：外部燃燒系統通過氣缸頂部向膨脹腔內的工質加熱，工質定溫膨脹，推動配氣活塞和動力活塞一起下移，輸出容積變化功。,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,26,活塞式熱氣發動機的熱力循環及熱效率,定溫膨脹過程,3,-,4,中工質從外部燃燒系統得到的熱量為,定溫壓縮過程,1,-,2,中工質向冷卻介質放出的熱量為,熱效率,活塞式熱氣發動機理想,循環：,循環熱效率分析：,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環,27,概括性卡諾循環,在,活塞式熱氣發動機中，,v,1,v,4,，,v,2,v,3,，故可得到,即在相同溫度范圍內，活塞式熱氣發動機理想循環熱效率與卡諾循環熱效率相同。因此，該循環以及類似的與卡諾循環有相同熱效率的一類理想循環稱為概括性卡諾循環。,