燃气轮机-理论循环

k 1 ln k
1
第二章 燃气轮机循环理论
等温压缩燃气轮机循环的比功和热效率随压比的变化图
《燃气轮机原理》
等温压缩理想燃气轮机循环比功↑ 效率↓
wi' wi
τ↑ 等温压缩燃气轮机循环燃气轮机的热效率
t',i t ,i
t' ,→ i

等温压缩理想燃气轮机循环的比功：
wi' q1, 2'3 q 2,12' q 2, 41
k

k
循环热效率：
t' ,i
1 q 2,12' q 2, 41 q1, 2'3
(1
1
) k 1
k
k 1 ln k
1 C p T1 1 k 1 k
k 1 k
1)
P2 P1
第二章 燃气轮机循环理论
2、等压加热过程（2-3）：
《燃气轮机原理》
燃烧室内完成。工质通过燃烧室与外界无机械功的 传递，工质的流速变化可以忽略。 工质吸热：
q 23 h3 h2 C p (T3 T2 ) C p T1 (
k 1 k )
加力燃烧室：使歼击机迅速起飞、爬升、加速和增大升限
F15/F16的F100发动机，B1-A的F101发动机 作业：结合T-s 图，分析膨胀过程中间一次加热时产生这种结果的原因 J7/J8的WP13和J10、J11的AL31F和太行、昆仑发动机等
航空燃气轮机： 地面燃气轮机：
加力燃烧室后无转动部件 Td › T3 中间加热时，燃烧室后还有动力涡轮， 加热温度不能太高，Td ≈ T3
wc1 ,i
1 2 1 '2 ' v1 v1 h1 h1 2 2
' wc2 , i w12 h2 h1
wc,i wc1 , i wc2 , i h2 h1
∴ 单位质量工质所作的机械功
wc,i h2 h1 C p (T2 T1 ) C pT1 (
T3 T4
k 1 k
wt , i w3 w4 h3 h4
第二章 燃气轮机循环理论
4、等压放热过程（4-1）：
《燃气轮机原理》
w41 0
工质对外界放热
此过程向大气放热,与等压压缩过程类似。工质与外 界无机械功的传递，工质的流速变化可以忽略。
q 41 h4 h1 C p (T4 T1 ) C p T1 (

C p (T4 T4a ) C p (T4 T2 ) C p (T2a T2 ) C p (T4 T2 ) T2 a T2 T4 T2
C p (T4 T4a ) C p (T2a T2 )
理想回热：μ=1
第二章 燃气轮机循环理论
《燃气轮机原理》
与理想燃气轮机循环相比，理想回热循环的比功不变，只是由于回热减少了燃料的 加热量。加热量为：
π↑
max,i
k k 1
opt ,iΒιβλιοθήκη Baidu
k 2( k 1)
t ,i ↑ 与 π ↑，
T3
无关
max,i↑
opt↑,i
π
第二章 燃气轮机循环理论
《燃气轮机原理》
§2-3 压缩过程中间冷却的理想简单燃气轮机循环
到达到相同压比，等温压缩过程所耗功比等熵压缩过程小，但真正等温难达到。 在航空燃气轮机压气机进口处喷水冷却来增加 功率 / 极限理想情况可看作等温过程； 两级压气机之间进行一次中间冷却或多级压气 机之间进行多次中间冷却 / 理想情况可看作 等压放热过程。 趋于无穷多个，其极限理想情况也可看成等温过程。
定常流动能量方程：
1 2 1 2 q v0 h0 w v h 2 2
第二章 燃气轮机循环理论
1、绝热压缩过程（1-2）：
《燃气轮机原理》
q12 0
略去工质流速变化
地面燃气轮机： wc,i w12 h2 h1
' 航空燃气轮机： h1 h1
1 2 1 '2 v 1 v1 2 2
k 1 C p T1 ( 1 k
1)
4-1等压放热过程中放出的热量：q 2,41 C p (T4 T1 ) C p ( T3 T1 ) C P T1 ( 1) k 1 k 1
k k ' 对 t ,i 也可以进行类似分析，且存在一个热效率达最大值的总的最佳增压比： k 1 一次中间冷却理想燃气轮机循环的比功：
与前面的公式完全相同
理想简单燃气轮机循环的热效率：
比功达最大的π称为最佳增 压比（最有利增压比）：
t ,i
wi q 1 2 1 q1 q1
t ,i
1

k 1 k
比功与 温比压比 关系图
opt ,i
增压比增加使膨胀功等于压缩 功时，π称为最大增压比：
wi 0
dwi 0 d
q 2,12'
按热力学第一定律
k 1 C p T1 ln k 2‘-3等压加热过程中吸收的热量：q1,2'3 C p (T3 T2' ) C p (T3 T1 ) C p T1 ( 1)
4-1等压放热过程中放出的热量： T q 2,41 C p (T4 T1 ) C p ( k31 T1 ) C P T1 ( k 1 1)

T3 T1
3、绝热膨胀过程（3-4）： 过程中工质吸热为零，单位质量工质所作的机械功的情 况与绝热压缩过程类似。忽略涡轮进出口工质流速变化。
地面燃气轮机：w 航空燃气轮机：
t, i
w34 h3 h4 C p T1 (1
1
k 1 k
)
' w3 h3 h3
' w4 h3 h4
w wT wc
的小。∴ 力争提高比功。
忽略压气机和涡轮中流量的差别及机械损失等
装置比功大，气耗率就小，发出相同功率所需工质流量小，装置就可以造
第二章 燃气轮机循环理论
2、热效率 t 和油耗率 sfc
《燃气轮机原理》
通过燃气轮机的一定量工质输出的有用功与输入该工质的燃料所含热值之比
q w 输出 w t a 输入 q f H u fH u
k

k 1 k
2
压比越高，T4 越低，废气带走的热量与越多，对效率有利。 k 1 循环热效率： 1 k k 1 2 但，压比提高过多时，比功下降太多，致使效率也下降。 q 2,ab q 2, 41 k ' ' t ,i 1 1 wi k 1 q1, 2'3 k 1
q1R, i C p (T3 T2a ) C p (T3 T4 ) C p T3 (1
1
) C p T1 (1 k 1
k
1


k 1 k
)
∴ 理想回热燃气轮机循环的热效率：
t , R ,i
wi q1R,i
压气机增压比越低， t , R,i 越高
k 1 1 C p T1 1 k 1 k 1 k 1 k k 1 1 C p T1 1 k 1 k
max,i
第二章 燃气轮机循环理论
即：
《燃气轮机原理》
wi wt ,i wc,i C p (T3 T4 ) C p (T2 T1 )
1 C pT1 1 k 1 k k 1 k 1
1
π τ 一定时 π1
1
'
2
wi'
wi' ,max
代入 wi 中，得出 一定时比功最大的总的
opt
第二章 燃气轮机循环理论
《燃气轮机原理》
§2-4 膨胀过程中一次中间加热的理想燃气轮机循环
膨胀过程中一次中间加热的燃气轮机循环T-s 图
在不变动燃气发生器的条件下，有效地增大燃气轮机的功率或推力
第二章 燃气轮机循环理论
§2-1 燃气轮机循环的主要性能指标
《燃气轮机原理》
1、比功——流经燃气轮机的单位质量工质所输出的机械功或单位质量 流量的工质所输出的功率。
dW P w dm q ma
采用比功而不是总功率作为描述循环性能的指标的原因： 功率不仅与循环性能有关，还与工质流量有关 / 而工质流量基 本上由燃气轮机的尺寸决定，与循环性能无关。
/原因：压比越低，压气机出口温度越低，回热器中排 气余热利用越充分。
第二章 燃气轮机循环理论
t , R,i 越低 压气机增压比越高，
k 1 k
1)
∴ 理想简单燃气轮机循环的比功：
1 wi q1 q 2 C p (T3 T2 ) C p (T4 T1 ) C p T1 1 k 1 k

k 1 k
1
膨胀过程中一次中间加热后，也会使循环比功增大而效率降低
第二章 燃气轮机循环理论
§2-5 理想燃气轮机回热循环
t
0.20~0.32→0.25~0.36
《燃气轮机原理》
目的：提高燃气轮机循环的热效率 压气机和涡轮的比功都没有改变
回热过程的理想状况是等压吸热和等压放热过程的热交换量相等： 回热度：实际热交换量/理想热交换量
1 ' › wopt opt wi q1, 2'3 (q 2,ab q 2, 41 ) C p T1 1 k 1 1 k 原因：压比越高，T2 越高，达到相同的T3 所需要的热量越少；
s
2、耗油率——输出单位推力（N）每小时消耗的燃料量
第二章 燃气轮机循环理论
§2-2 理想简单燃气轮机循环
《燃气轮机原理》
①工质为空气，可视为理想气体；整个工质过程中空气的比热为常数，不随气体
的温度和压力而变化； ②整个工质过程中没有流动损失，绝热过程为等熵，燃烧前后压力不变，没有热 损失（排热过程除外）和机械损失。 2 C B 3 T-s 图 T p-v 图 1 4
理想间冷燃气轮机循环示意图和T-s 图
k 1 ' k 2 )
k 1 k C p T1 1
第二章 燃气轮机循环理论
a-b 等压放热过程放出的热量： q 2,ab C p (Ta Tb )
《燃气轮机原理》
t ,i
2、压缩过程一次中间冷却的理想燃气轮机循环：
1 pa / p1
2 / 1
T2' Tb 2
k 1 ' k
T1 ' 2
k 1 k
设循环总增压比仍为π
2‘-3等压加热过程中吸收的热量：
q1, 2'3 C p (T3 T2' ) C p (T3 T1

k 1 k
1)
整个循环过程中单位质量工质从高温热源(燃烧室)中吸收热量,即燃烧过程加热量:
q1 q 23 C p (T3 T2) C p T1 (
向低温热源放热量:
k 1 k )
q 2 q 41 C p (T4 T1 ) C p T1 (

压缩过程中间冷却常用方法
1、等温压缩理想燃气轮机循环：
等温压缩过程使循环面积增大。表明：在增压比和加热比不 变的情况下，等温压缩理想燃气轮机循环的比功大于理想简 单燃气轮机循环的比功。
T-s 图
第二章 燃气轮机循环理论
等温压缩过程中，工质的内能和焓均不变。
《燃气轮机原理》
等温压缩过程放热量（1-2'）：
f
q mf q ma
衡量燃气轮机的经济性，即输出单位功率每小时需消耗的燃油量
sfc
3600q mf wq ma
3600f w
sfc
3600 t H u
相互关系
对以推力衡量性能的航空燃气轮机： 1、单位推力——流经航空燃气轮机的单位质量工质所产生的推力 F 3600q mf 3600f Fs sfc q ma F F