14 气体动力循环
14.1 燃气轮机装置与定压加热循环
燃气轮机装置是以燃气为工质的热动力装置，最简单的燃气轮机装置示意图在燃气轮机循环中，空气不断地被压气机吸入，经压缩升压后，送入燃烧室；
如图14-1所示，由压气机、燃烧室和燃气轮机三个基本部分组成。
压缩空气在燃烧室中和供入的燃料在定压下燃烧，形成高温燃气；高温燃气与来自燃烧室夹层通道中的压缩空气混合，使混合气体的温度降到燃气轮机叶片所能承受的温度范围后，进入燃气轮机的喷管；燃气在喷管中膨胀加速，形成高速气流，冲击叶轮对外输出功量；做功后的废气排入环境。燃气轮机做出的功量除一部分带动压气机外，其余部分（循环净功）对外输出。
图14-1 简单燃气轮机装置示意图 1－压气机 2－燃烧室 3－喷油嘴 4－燃气轮机 5－发电机 6－启动电动机 7－燃料泵
显然，上述燃气轮机循环是一个不可逆的开式循环，而且循环中工质的成分、
质量都有变化。为了便于分析，需要把实际循环作理想化的假设： ① 燃烧室中喷入的燃料质量忽略不计；
② 忽略阻力的影响，燃烧过程压力变化不大，可以把燃料燃烧的化学过程假
定为工质从高温热源吸收热量的定压吸热过程；
③ 燃气轮机排出的废气压力和压气机吸入的气体压力都非常接近大
气压力，可以把废气的排放假定为 工质向冷源放热后，再返回到压气机的定压放热过程；
④ 工质在压气机和燃气轮机中向外散热很少，可以理想化为可逆绝热过
程，即定熵过程；
⑤ 工质为理想气体，比热容为定值。
通过上述假定，燃气轮机循环就被简化为定量工质完成的可逆的封闭循环。该循环由定熵压缩过程（1-2）、定压加热过程（2-3）、定熵膨胀过程（3-4）
和定压放热过程（4-1）四个可逆过程组成，称为燃气轮机装置的定压加热理想循环，又称布雷顿循环，其p-v图和T-s图如图14-2所示。
p 2 T 3 3 2 4 1 4 v 图14-2 理想燃气轮机循环 1 s
对组成布雷顿循环的各过程进行能量分析计算，可以得出其热效率如下：
吸热量（2-3）：
qH?h3?h2?cp?T3?T2?
放热量（4-1）：
qL?h4?h1?cp?T4?T1?
cp?T4?T1?cp?T3?T2?按照循环热效率的定义，可得：
?t?1?qLqH?1??1?T4?T1T3?T2
（14-1）
由于1-2以及3-4是定熵过程，并且p3?p2,p4?p1,可得，
T2T3T3?T2?p2???????T1T4T4?T1??p1?1??1?????1?
把上式代入式（14-1），可得，
?t?1????1? （14-2）
从这里可以看出，燃气轮机装置的定压加热理想循环的热效率完全取决于参数
??p2p1，这一参数定义为循环增压比，并随着?的增大而增大。
但是对于增压比的选择还必须考虑单位质量工质所作的净功量的影响。燃气
轮机输出的功量
?1??wT?h3?h4?cp?T3?T4??cpT3?1???1?
???????而压气机所消耗的功量，
????1?wC?h2?h1?cp?T2?T1??cpT1??1????
??因此，循环净功量的计算式为
?????1?1???w?wT?wC?cpT3?1???1??cpT1???1? ?????????? （14-3）
上式表明，在一定温度范围T1、T3内，循环的净功量也完全取决于增压
比。当净功量达到最大时的增压比称为最佳增压比?opt，其数值可以通
过对（14-3）式求导得到，
?opt?T3????T???1??2???1????2???1? （14-4）
这里定义循环增温比??T3T1。由于工质的最高温度T3受材料耐热性能的
限制，而最低温度T1受环境大气温度的限制，因此最佳增压比也必然受到一定的限制。
【例14.1】在如图14-2所示的理想燃气轮机循环中，工质为空气，进入压气机时的压力
p1?0.1MPa，t1?20℃，循环的增压比??6，循环最高温度为800℃，假定空气的比
热容cp?1.004kJ/(kg.K)，??1.4，试求循环净功量及循环热效率 解：（1）假定空气为理想气体，首先确定各点的状态参数， 点1:
p1?0.1MPa，t1?20℃，v1?RgT1287?(273?20)3??0.8409m/kg 6p10.1?10点2:
p2??p1?6?0.1?0.6MPa，T2?T1????1???293?6?1.4?1?1.4?488.9K
RgT2287?488.9v2???0.2339m3/kg 6p20.6?10点3:
p3?p2?0.6MPa，t3?800℃ v3?RgT3287??273?800???0.5133m3/kg 6p30.6?10
点4:
p4?p1?0.1MPa，
T4?????1??T3??273?800??643.1K，即t6?1.4?1?1.44?T4?273?370.1℃
RgT4287?643.1v4???1.8457m3/kg 6p40.1?10（2） 燃气轮机所做功量
wT?cp?t3?t4??1.004??800?370.1??431.6kJ/kg
压缩机所消耗的功
wC?cp?t2?t1??1.004???488.9?273??20??196.7kJ/kg
因此循环净功量
w?wT?wC?431.6?196.7?234.9kJ/kg
（3）循环的吸热量
qH?cp?t3?t2??1.004??800??488.9?273???586.4kJ/kg
循环热效率
?t?wqH?234.9586.4?0.4006
热效率也可以用式（14-2）直接计算得到，两者的计算结果一致。
14.2 燃气轮机装置的实际循环
因流经叶轮式压气机和燃气轮机的流体流速很高，各种摩擦（流体之间、流体与通道间）不能忽略，考虑实际的膨胀压缩不可逆损失，需引入如下修正：
① 压气机的绝热效率
3 T
4′ 2′ 2 4 ?c,s?wc,sh2?h1T2?T1 ???wch2??h1T2??T1② 燃气轮机的相对内效率
?T??h3?h4?T3?T4?wT ??wTh3?h4T3?T40 1 s
则燃气轮机装置实际输出净功
??wc???T?h3?h4??w??wT实际吸热量
1?c,s(h2?h1)
??h3?h2??h3?h1?q1实际循环的热效率
w??t????q1
1?c,s(h2?h1)
?T?h3?h4??h3?h1?1?c,s(h2?h1)??T?T3?T4??T3?T1?1?c,s(T2?T1)???1?T?11?c,s(h2?h1)1?c,s(T2?T1)?????1?c,s1???1???1?c,s讨论：
① 循环增温比????t??， T1受限于环境，故尽量使T3?，可考虑用陶瓷取代金属作为发动机材料，但须克服其脆性，正研制功能梯度材料。 ② 当?，?c,s,?T一定，?t?随?变化有一极大值。 ③ ?c,s?,?T???t??，目前 ?c,s
以上讨论均为改进热力学参数以提高热效率，还可以从改进循环结构入手，即：
0.80?0.90，?T0.85?0.92