第三至五讲1.3-1.7 喷气发动机热力循环
工程热力学喷气发动机联合循环的工作原理及特点
工程热力学喷气发动机联合循环的工作原理及特点喷气发动机是一种常见的动力装置，广泛应用于航空、航天和工业领域。
为了提高发动机的热效率和功率输出，工程热力学中提出了喷气发动机联合循环的概念。
本文将详细介绍喷气发动机联合循环的工作原理以及其特点。
一、工作原理1. 简介喷气发动机联合循环是一种将燃烧室废气与蒸汽动力循环相结合的系统。
在传统的喷气发动机中，大量废气含有高温高能量，而这些废气通常会被直接排放。
而联合循环则利用这些废气，通过燃烧室后的烟气余热来产生蒸汽，再将蒸汽作为额外的工作物质来驱动涡轮，从而提高热效率。
2. 工作流程联合循环的工作流程包括废气余热回收、蒸汽发生、蒸汽冷凝和蒸汽动力循环四个主要步骤。
废气余热回收：燃烧室内产生的高温废气通过换热器进行余热回收，将烟气温度降低至合适的蒸汽发生温度。
蒸汽发生：降温后的废气进入蒸汽发生器，与水进行热交换，使水变为高温高压蒸汽。
蒸汽冷凝：蒸汽通过涡轮推动发电机或其他设备工作，然后进入冷凝器，在冷凝器中与冷却介质进行热交换，变为液体。
蒸汽动力循环：冷凝后的液体被泵送至蒸汽发生器，再次参与蒸汽循环。
二、特点1. 提高热效率联合循环通过废气余热回收和额外的蒸汽动力循环，使废气中的热能得到充分利用，提高了整个系统的热效率。
相较于传统的喷气发动机，联合循环的热效率可提高5-10个百分点。
2. 减少排放联合循环可以减少废气排放，降低对环境的负荷。
废气中的热能被充分回收利用，减少了烟气的温度和排放量，降低了对大气的污染。
3. 提升动力输出利用额外的蒸汽动力循环，喷气发动机的动力输出可以得到进一步提升。
蒸汽的加入增加了额外的工作物质，提高了整个系统的功率。
4. 延长发动机寿命联合循环利用蒸汽冷凝产生的液体作为润滑剂，可在一定程度上减少机件的磨损和热蚀，延长发动机的使用寿命。
5. 多能源适应性联合循环不仅可以利用传统的燃油发生热再利用，还能与其他能源相结合，如天然气、生物质和核能等，具有较强的多能源适应性。
工程热力学喷气发动机循环的组成及其特点分析
工程热力学喷气发动机循环的组成及其特点分析工程热力学是热能转换与利用的一门重要学科，而喷气发动机则是工程热力学的一个重要应用领域。
喷气发动机作为航空领域的核心动力装置，其循环特点的分析与优化对于提高发动机的性能至关重要。
本文将对喷气发动机的循环组成及其特点进行详细分析。
1. 喷气发动机的循环组成喷气发动机的循环由气压循环、燃烧循环和排气循环组成。
其中，气压循环包括进口、压缩、燃料喷射和压力释放四个过程。
进口过程中，空气通过进气道进入发动机。
压缩过程中，进入发动机的空气首先经过压气机的压缩，增加气体的压力和温度。
燃料喷射过程中，燃料通过喷油嘴喷入压气机的前级，与压气机进气端的空气混合并燃烧。
压力释放过程中，燃烧产生的高温高压气体通过喷嘴喷出，产生拖力并推动飞机。
2. 喷气发动机循环的特点分析2.1 高效性喷气发动机的循环具有高效能的特点。
其高压涡轮压缩机的采用使得压缩比增大，进而提高了循环效率。
燃气发动机的热效率往往达到30%以上，相比于传统的内燃机有明显的优势。
2.2 自动性喷气发动机采用可连续燃烧的方式，燃烧和排烟的过程自动进行，不需要人工干预。
同时，喷气发动机的整个循环过程也是连续的，可以长时间运转。
2.3 高推力喷气发动机的推力主要来自于喷气释放过程中产生的高速气流。
通过喷嘴的设计和气流的控制，喷气发动机可以产生巨大的推力，满足飞机的需要。
2.4 适应性喷气发动机的循环具有良好的适应性。
由于燃烧和排烟的过程可以自动控制，喷气发动机可以适应不同的气候条件和航程要求。
在高海拔、高温甚至恶劣环境下，喷气发动机仍能正常工作。
3. 喷气发动机循环的优化为了提高喷气发动机的性能，人们进行了循环的优化研究。
其中的关键问题是在保持高效率的同时降低燃烧温度和减少氮氧化物排放。
通过采用新材料、高效涡轮增压器和燃烧室的结构优化等手段，可以有效提高发动机的性能。
4. 总结综上所述，工程热力学喷气发动机的循环具有高效性、自动性、高推力和适应性等特点。
气体动力循环课程
循环热效率分析：
定温膨胀过程3-4中工质从外部 燃烧系统得到的热量为
q1
RgTmax
ln
v4 v3
定温压缩过程1-2中工质向冷却介质放出的热量为
q2
RgTmin
ln
v1 v2
热效率
t 1
q2 q1
1
RgTmin RgTmax
ln ln
v1 v2 v4 v3
利用循环中各状态间的参数关系，可以得到
w0 cV 0T1{ 1[( 1) ( 1)] ( 1)} p1v1 { 1[( 1) ( 1)] ( 1)} 1
可见： , , w0 。
二、定容加热循环和定压加热循环
①定容加热循环（奥图循环）
特点：ρ＝1，为混合加热循环的一个特例，将ρ＝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
9-1 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热循环（萨巴特循环）
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
理想化： 1. 热力过程的理想化
①进气过程→0-1定压线 ②压缩过程→1-2定熵压缩 ③燃烧过程→2-3定容加热＋3-4定压加热（外热源加热） ④膨胀过程→4-5定熵膨胀 ⑤排气过程→5-1定容放热＋1-0定压线
工作过程： 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。
工程热力学喷气发动机循环中各组件的性能计算
工程热力学喷气发动机循环中各组件的性能计算发动机是现代航空和汽车工业中不可或缺的关键设备。
其中，喷气发动机作为一种重要的动力装置，具有高效性能和强大推力，广泛应用于航空领域。
在喷气发动机的热力学循环中，各组件的性能计算是确保发动机正常运行和性能优化的重要一环。
本文将探讨工程热力学喷气发动机循环中各组件的性能计算方法。
一、进气道和压气机性能计算在喷气发动机中，进气道和压气机是关键的组件。
进气道的性能计算主要考虑气流的压缩与加速以及流动损失。
对于压气机的性能计算，则需要考虑进气流量、压比和效率。
这些参数的计算可以通过实验和理论模型得出，进而确定进气道和压气机的性能。
二、燃烧室的性能计算燃烧室是喷气发动机热力学循环中的重要组成部分，其性能计算主要涉及燃烧效率和燃烧温度的估算。
燃烧室内的燃气混合物经过燃烧反应后释放出大量的热能，将热能转化为喷气发动机的推力。
通过考虑燃料的燃烧特性和空气流动特性，可以计算出燃烧室的性能指标。
三、涡轮和喷管的性能计算涡轮和喷管是喷气发动机中的关键元件，它们的性能计算对于确定发动机的功率输出和喷口速度至关重要。
涡轮的性能计算主要包括轮毂出口总温和压力的估算，考虑到轴向和周向气流的流动损失。
喷管的性能计算则需要考虑喷管出口速度和压力分布，以及喷管失速等因素的影响。
综上所述，工程热力学喷气发动机循环中各组件的性能计算是确保发动机正常运行和优化性能的关键步骤。
通过准确计算进气道和压气机、燃烧室、涡轮和喷管等组件的性能参数，可以为喷气发动机的设计和性能优化提供可靠的依据。
随着计算机技术的不断发展，基于数值计算和模拟的方法也被广泛应用于喷气发动机性能计算中，进一步提高了计算的准确性和效率。
未来，随着科学技术的不断进步，喷气发动机的性能计算方法将得到更加精确和高效的应用。
第5章热力循环-资料
.. .. 4 5 p1 6 1
..
3
2
.p1
1
.4. .5
.6 .
3
2
30
(3)朗肯循环的热效率
t
wnet q1
1 q2 q1
wnet wt,Twt,P
w t,T h 1 h 2? cpT 1 T 2
ห้องสมุดไป่ตู้
wt,P h4 h3
w n e t h 1 h 2 h 4 h 3
c) ,i, i m ax
增大τ是提高燃气轮机装置性能（wnet，ηi）的方向。
A474299
26
5.3.4 气体动力循环热效率分析归纳：
基础：
t
wnet q1
1q2 q1
1T2 T1
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。
2
1
22
*5.3.3 燃气轮机装置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。
23
1. 压气机绝热效率和燃气轮机相对内效率
C,s
wC,s wC
h2s h1 h2 h1
wC
1
C,s
h2s h1
1
p3 p2
q1cVT3T2
t 1qq12
1T4T1 T3T2
q2cVT4T1
1 t 1 1 1 1 1 1 1 1
15
讨论： a) t
b ) ; t不 变 ， 但 w n et
10
发动机原理(航空)课件：第一章第一节 涡轮喷气发动机热力循环
2020年9月27日
21
四、实际循环
• 各部件损失和热力 过程的不可逆性 • 加热前后工质成分 发生变化
2020年9月27日
22
四、实际循环
• 实际循环，四个热力过程
0 2：多变压缩 3 9：多变膨胀
2 3：不等压加热 9 0：等压放热
2020年9月27日
W f ( , ,c ,e, )
• 由于热力过程损失的存在：
– 实际循环效率除受增压比影响外，还受加热比 以及压缩过程和膨胀过程效率影响，且比理想 循环热效率低；
– 实际循环功低于理想循环功。
2020年9月27日
27
五、结论
1. 为提高循环热效率，应尽可能提高循环增 压比
2. 为提高循环功，应尽可能提高循环加热比 3. 存在有最佳增压比，使循环功最大，增压
2020年9月27日
32
发动机热力基础
5、热力学第一定律 热量、内能和机械能之间的相互转换和守 恒关系。 dq=du+pdv dq=dh-vdp
p2
q=cp(T2-T1)- vdp p1
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33
发动机热力基础
6、热力过程
定容过程：W=0 q=Δu=cv(T2-T1) 定压过程： Δu=cv(T2-T1) W=R（T2-T1）
T0
=
－1
th
1
1
－1
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17
三、理想循环-热效率
th 1
1
－1
• 理想循环热效率只与循环增压比有关，且 与循环增压比成正比。
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喷气发动机热力循环
γ 1 γ 1 p γ p γ 3 2 p p 5 0
6
引入反映循环特性的参数--增压比
p2 π p0
π
进气道的冲压比 ： 压气机的增压比 ： 所以 in c 即：循环的增压比等于进气道的冲压比与 压气机的增压比的乘积
2018/12/11 航空发动机原理 7
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航空发动机原理
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有效功
a 1 c p w0 c p T0 1 1 c
1
1 c p ' 1 ' 1 ' a 1 c p 1 1
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在 一 定的情况下， 取决于空气在压缩过 程中压力提高的程度 发动机的增压比 愈大， 则热效率 t 愈高。
图2－10 热效率随发动机增压比的变化
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航空发动机原理
9
3 理想循环功
W的推导计算：
w0 q1 q2 c p T3 T2 c p T5 T0
其中：
T3 成 为 加 热 比 ， e T0
1
故：理想循环功取决于加热比Δ和增压比π
11
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航空发动机原理
图形分析 增压比一定， 加热 比愈大， 循环功愈 大。 最佳增压比 opt 的 定义
图2－11 理想循环功与增压比的关系
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航空发动机原理
工程热力学喷气发动机循环中可变工作过程的设计
工程热力学喷气发动机循环中可变工作过程的设计喷气发动机是现代航空工业中最重要的动力装置之一，其工作过程设计对发动机性能和燃油效率的提升起着关键作用。
在工程热力学中，发动机的工作过程需要充分考虑热力学和流体力学的原理，以实现最佳的工作性能。
一、引言喷气发动机的循环系统由多个连续工作过程组成，其中可变工作过程设计是提高发动机性能的重要方面。
本文将重点探讨喷气发动机循环中可变工作过程的设计方法与原理。
二、工程热力学的基本原理在工程热力学中，理想气体的状态方程可以表达为Pv = RT，其中P为气体压力，v为气体体积，R为气体常数，T为气体温度。
通过这个方程，我们可以计算气体在不同状态下的热力学参数。
三、喷气发动机循环的基本特点喷气发动机循环的基本特点包括各种工作过程的相互联系和相互影响，其中压缩、燃烧、膨胀和排气是关键过程。
在设计过程中，需要充分考虑这些过程的特点和相互影响，以实现最佳的工作效果。
四、可变工作过程的设计方法可变工作过程的设计方法包括控制燃烧室中燃料的喷射量和喷射时间，以及调整涡轮增压器的工作效率等。
通过这些方法，可以实现发动机在不同工作条件下的最佳性能。
五、实例分析：xxx发动机的可变工作过程设计以xxx发动机为例，我们可以通过对其各个工作过程的分析和优化，设计出最佳的可变工作过程。
在压缩过程中，我们可以控制压气机的转速和导叶的调节角度，以实现压缩效果的最大化。
在燃烧过程中，我们可以通过控制燃料的喷射量和喷射时间，以及调整燃烧室的结构和燃烧方式，来实现燃烧效率的最优化。
在膨胀和排气过程中，我们可以通过调整涡轮增压器的工作效率和尾喷管的结构设计，来实现发动机输出功率的最大化和废气排放的最优化。
六、结论工程热力学喷气发动机循环中可变工作过程的设计是提高发动机性能和燃油效率的关键。
通过充分考虑发动机各个工作过程的特点和相互关系，并采用适当的设计方法，可以实现发动机在不同工作条件下的最佳性能。
这对于航空工业的发展和节能减排具有重要意义。
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1.3.1 循环的理想化条件
理想化假设条件
假设工质完成的是一个封闭的热力循环 假设压缩和膨胀过程是定熵过程 假设燃烧室为定压加热过程 忽略qmf ，假设气体为定质量（前后质量不
便）的定比热容的完全气体
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航空发动机原理
2
1.3.2 布莱顿或定压加热循环
0
opt
2 1
T3 T0
2 1
w0,max c pT0
2
1
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航空发动机原理
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当实际加热比为5－6时，πopt≈16－30 最大理想循环功为仅取决于加热比
当增压比很大时，在极限情况下，则加 热量为零， 理想循环功也为零。
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航空发动机原理
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图形分析
增压比一定， 加热 比愈大， 循环功愈 大。
最佳增压比 opt 的
定义
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图2－11 理想循环功与增压比的关系
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最
大循环功w0,max
及最佳增压
比
的
opt
计算
dw0 de
c
pT0
Δ e2
1
压气机的增压比的乘积
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航空发动机原理
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热效率推导：
γ 1
ηt
1 T5 T3
T0 T2
1 T5 T3
1 T0 T2
1
p2
p0
γ
1
1
1
所以：燃气涡轮喷气发动机理想循环的 热效率取决于发动机的增压比和工质的 热容比
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热效率 ηt＝
cp
1
c
1
ac p
1
1
1
1
cp
c
1
影响发动机实际循环热效率的因素：加热比Δ(或涡轮 前燃气总温)、增压比、压气机效率 、涡轮效率。
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4 实际循环
发动机实际工作过程 气体的成分发生变化； 热容比也随着气体成分和温度而发生变化； 存在流动损失
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压缩过程(0-2)： 认为是 绝热的多变过程
膨胀过程(3-5)： 认为是 绝热的多变过程
燃烧室中由于流动损失和 加热热阻存在，加热伴随 气流总压损失
p3 p5
γ
p2 p0
γ
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6
引入反映循环特性的参数--增压比 π
π p2
p0
进气道的冲压比 ： 压气机的增压比 ：
所以 in c
in c
p1 pp02 p1
即：循环的增压比等于进气道的冲压比与
布莱顿循环p-v图
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2 布莱顿循环的热效率
布莱顿循环的热效率
热效率的定义
其中：
ηt
wo q1
1
q2 q1
问题：问什么W0=Q1-Q2
η ：循环热效率
Wt0：循 环 过 程 产 生 的 机 械 功
q1 :循环过程中吸收的热q量 2 :循环过程中放出的热量
c
pT0
T3
T0
1
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
1
1
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c
pT0
1
1 e
e
1
其中：
1
T3 成为加热比，e
T0
故：理想循环功取决于加热比Δ和增压比π
布莱顿或定压加热循 环定义
循环组成
０-２ 定熵压缩过程 ２-３ 定压加热过程 ３-５ 定熵膨胀过程 ５-０ 定压放热过程
布莱顿循环p-v图
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⒈布莱顿循环的p-v图和T-s图
布莱顿循环的p-v图 过程含义
0－1线 1－2线 2－3线 3－4线 4－5线
控制体的选取
动量方程
气体为研究对象
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有效功
w0
c pT0
1
c
1
ac
1
p
1
a
c p '1
1
'1 '
cp
1
1
1
T* 3
T0
影响实际循环功的因素：加热比Δ、增压比、压缩效率、 膨胀效率等
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喷气发动机的推力
1 推力的产生
推力的定义
气体流过发动机时对发动 机内外壳体作用力的合力 在发动机轴线方向的分力 叫推力，用符号表示。
推力是合力
推力的分布
图2－16 推力的分布
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2 推力的计算公式
推力计算推导
q1 c p T3 T2
q 2 c p T5 T0
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对于定比热容的完全气体有:
ηt
1 T5 T3
T0 T2
对于定熵过程0－2有:
γ 1
T2 T0
p2 p0
γ
对于定熵过程3－5有:
γ 1
γ 1
T3 T5
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航空发动机原理
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指示功
Li (V52 V 2 ) 2 Lnet Lrp Lrc
有效功
Le (V52 V 2 ) 2 Lnet Li Lrp Lrc
涡喷发动机：对外输出的有效功完全用来增加流过发动机气体的动能； 涡扇发动机：一部分有效功用来驱动外涵风扇； 涡轮螺桨发动机：有效功大部分用来驱动螺旋桨，小部分增加气体动能； 涡轮轴发动机：实际循环的全部有效功绝大部分用来驱动直升机的旋翼。
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在 一 定的情况下， 取决于空气在压缩过
程中压力提高的程度
发动机的增压比
愈大， 则热效率
愈高。
t
图2－10 热效率随发动机增压比的变化
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3 理想循环功
W的推导计算：
w0 q1 q2 c p T3 T2 c p T5 T0