第十三讲：气体动力循环-燃气轮机循环

k
3 4

k 1 k
p2 定义： 压比 p1 Pressure ratio

工程热力学
t
t
s
勃雷 循环净功的计算 勃雷登循环净功的计算
w净 c p T3 T2 c p T4 T1 T T3 T4 T2 c pT1 1 T1 T1 T1 1 k k 1 k k c pT1 1
提高勃雷登循环热效率的其他途径
一、 、回热
T4 在500oC以上 若使T4 如果T4>T2 预热空气，回热 T
3 4 2 1 s
p4 不可能
R Regeneration ti
工程热力学
勃雷登循环回热示意图
Regenerator R t 2A 回热器 2 3 4R 燃烧室 压气机 4 燃气轮机
1
工程热力学
回热在 图上的表示 热在Ts 图 的表示
理想回热： 2R 4R T 实际回热: 2A 定义：回热度Effectiveness
3
2A 2R 4R
h2 A h2 一般取0.6~0.9 h2 R h2 2 w净 1 t回 t简 q1
工程热力学
4
s
压气机间冷intercooling的图示
吸热量：
q1 cp T3 T2
T 2 1
3 4
放热量：
q2 cp T4 T1
热效率：
T4 T1 w q1 q2 q2 1 1 t q1 q1 q1 T3 T2
工程热力学
s
p T p 勃雷登循环热效率的计算 勃雷 循环热效率的计算
3 3 2
k 1 k
k 1 k
热效率：
T4 T1 1 T1 T4 T1 1 t 1 T3 T3 T2 T2 1 T2 T1 1 1 1 1 1 k 1 T T2 2 p2 k T1 p1
工程热力学
Intercooler I t l 间冷器5 6 压气机 1
工程热力学
2 燃烧室 2 2’
3 燃气轮机 4
压气机间冷在Ts T 图上的表示
t间
w净 q1
？
T 2 2’ 5 A 2 B 6 1
3 4
12341和62 62’256 256联合工作 w净A w净B t间 q1A q1B
T3 T1
s
对净功的影响
1 k k 1 T k k w净 c pT1 1
T3
当

不变

太小 太大
t t
w净 w净
T1
存在最佳 ，使 存在最 使 w净 最大 t 1
工程热力学
1
s

k 1 k
T3 T1
最佳增压比 opt （ p w净）的求解
c
oi
t
· ·
工程热力学
opt
' t

p w 和 opt
' 净

的关系
' 净
opt
' t
>
opt w


' t
地面上，尺寸次要，省燃料，取 opt 空中，尺寸重要，取 opt w 提高 t
工程热力学

' 净

受材料耐热限制 取最佳

有无 其它 途径
工程热力学
无穷多级的极限情况
两个等温过程 两个等压过程 + 回热 概括性卡诺循环 Ericsson cycle
T
3 2 1 s
4
级数越多 越复杂 造价越高 般2~3 2 3级 级数越多，越复杂，造价越高，一般
工程热力学
小 结 Summary
燃气轮机循环：理想循环和实际循环的 计算和比较 提高热效率的手段：回热 高 效率 间冷 回热 间冷+回热 再热+回热
1 k k 1 T k k w净 c pT1 1 w净 令 0
T3
opt ( w净 )
k 2( k 1)
T1
最大循环净功 wopt c pT1
工程热力学

1

2
s
燃气轮机的实际循环
压气机：不可逆绝热压缩 燃气轮机：不可逆绝热膨胀 定义： 压气机绝热效率
2
燃烧室2
4R
2R
1
压气机
燃气轮机 4
工程热力学
再热+间冷+回热在Ts图上的表示
t再+间+回
w净 t再 +回 T q1
2 1 4R s 3 2R 4
w再+间+回 w再 +回
结论： 结论 t再+间＋回 再 间＋回 t再+回 再 回 t回 t简
w再+间＋回 w再+回 w回 w简
3 2 1 s 4
T3 定义： 循环增温比 T1
工程热力学
对净功的影响
1 k k 1 Baidu Nhomakorabea T k k w净 c pT1 1
3 3’ 2 4’ 4 1 4
当 不变

w净
t 1
1
k 1 k
不变
但T3 受材料耐热限 制 工程热力学
t间 t简 w间 w简 结论：
工程热力学
s
压气机间冷热效率的推导
t间
w净A w净B tA q1A tB q1B q1A q1B q1A q1B q1A q1B tA tB q1A q1B q1A q1B
当 tA tB
tA t间 tB
工程热力学
A
B
斯特林循环图示
概括性卡诺循环 p 3 2 4
1 T
核潜艇，制冷
3 2 1
4
v
工程热力学
s
勃雷登循环（Brayton Cycle）
用途： 航空发动机 尖峰电站 移动电站 大型轮船 联合循环的顶循环
工程热力学
勃雷登循环示意图和理想化
2 燃烧室
Combustion chamber
3 燃气轮机
气体动力循环分类
活塞式 piston engine 汽车，摩托，小型轮船 叶轮式 Gas turbine cycle y 航空，大型轮船，移动电站 联合循环的顶循环
工程热力学
按结构
气体动力循环
Gas Power Cycle
工程热力学
气体动力循环
本章基本要求
熟练掌握分析动力循环的一般方法，活塞式内 燃机循环以及燃气轮机装置循环的组成、热效率计 算及提高气体动力循环效率的方法和途径。
' 净 ' 1 k 1 k
oi

1
4
工程热力学
影响燃气机实际循环热效率的因素 燃
c w ' t 1 1 q k 1 c k 1 ' ·
' 净 ' 1 k 1 k
oi

1
' t 一定， ' 一定，有最佳 有最 opt t · ' opt t 右移
Turbine
压气机
Compressor
1 理想化： 理想化 1）工质：数量不变，定比热理想气体 2）闭口 循环 3）可逆过程
工程热力学
4
T-s and P-v diagrams for the ideal Brayton Cycle
p 2 1 3 4 v
工程热力学
T 2 1
3 4
s
勃雷登循环的计算
T 2
2’
3
4’
4
h2 h1 c h2' h1
1 s
燃气轮机相对内效率
oi
h3 h4' h3 h4
工程热力学
燃气轮机的实际循环的净功
净功
' 净
w h3 h4' h2' h1 h2 h1
T 2 1
h2 h1
2’
3
4’
oi h3 h4
T4
p4
T
p1
T2 T1
3 2 1
t,C
T1 1 T3
4
s
热效率表达式似乎与卡诺循环一样 热效率表达式似乎与卡诺循环 样
工程热力学
勃雷 循环热效率的计算 勃雷登循环热效率的计算
热效率：
t 1
1 p2 p1
k 1 k
1
1
T 2 1
4’ 4
再热＋回热在Ts图上的表示
t再 +回
q2 1 t回 q1 T
w再+回 w回
q2再+回 q2回
2 1
t再+回 t回 t简 结论：
w再+回 w回 w简
工程热力学
3 3’ 2R 5 4’ 4 4R
s
再热+间冷+回热示意图
回热器 间冷器 燃烧室1 3
t间+回 t间+回
w净 t简 q1 w净 t回 q1 w间+回 w回 w简
工程热力学
T
2R
3 4
4R
t间+回 t回 t简 结论：
2’ 2 6
2 5 1 s
示意图 再热reheating g示 图
燃烧室1 2 Reheater 3 3’ 燃烧室2 5
4
c
' opt w净 oic
k 2 k 1
吸热量 q1' h3 h h3 h1 2
'
s
c
工程热力学
燃气轮机的实际循环的热效率
热效率 T 3 2 1 s
2’ 4’ 4
c w ' t 1 1 q k 1 k 1 c
tA tB tA tB
工程热力学
tA t间 tB
tA A t间 tB B
间冷＋回热示意图 间冷 回热示 图
Intercooler 间冷器 5 6 2’ 1
工程热力学
回热器Regenerator 2R 燃烧室 3
4R
压气机
4 燃气轮机
间冷＋回热在 图上的表示 间冷 回热在Ts图 的表示
本章重点
熟悉理想气体动力循环图示与计算 理想气体动力循环的热力学比较 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施
工程热力学
工程热力学
斯特林（Stirling)循环
1816年提出，近几十年才实施 加热器 回热器 冷却器 热气室 冷气室 1-2 T 压缩 2-3 V 吸热 3-4 T 膨胀 4 1 V 放热 4-1
1 燃气轮机 压气机
工程热力学
4’
再热在Ts图上的表示
结论： T 2 1 s
工程热力学
t再 t简
w再 w简
3 3’ 5 4’ 4
Reheat-regenerative cycle
燃烧室 回热器 1 2R 2 4R 3
再 再热＋回热示意图
燃烧室2 3’
5
1 压气机
工程热力学
燃气轮机