水利水電技術

[拼音]：ranqilunji xunhuan

[英文]：gas turbine cycle

由絕熱壓縮、等壓加熱、絕熱膨脹和等壓冷卻 4個過程組成的燃氣輪機熱力迴圈。也曾有過等容加熱迴圈的燃氣輪機，但沒有得到推廣應用。

迴圈過程

圖1為燃氣輪機的簡單迴圈。燃氣輪機自大氣吸入空氣，在壓氣機（即壓縮機）中壓縮。壓縮後的氣體進入燃氣輪機燃燒室，在此加入燃料燃燒加熱。加熱後的高溫燃氣進入燃氣透平（以下簡稱透平）膨脹作功。膨脹後的燃氣排向大氣。透平排氣溫度還相當高（約400～550℃），而壓氣機吸入的空氣是大氣溫度，相當於在大氣中進行了冷卻。上述四個過程都是連續地進行的。透平膨脹功扣去壓氣機消耗的壓縮功之後的淨功，作為燃氣輪機的輸出功。

迴圈指標

燃氣輪機輸出功與加熱過程消耗的熱量之比稱為迴圈效率η，它是評價迴圈的首要指標。每千克氣體工質的輸出功L稱為比功。L是影響燃氣輪機尺寸的重要因素，也是迴圈的一項指標。

理想迴圈

壓縮終了壓力p 2與壓縮起始壓力p1之比p2/p1＝πC稱為壓縮比。膨脹起始壓力p3與膨脹終了壓力p4之比p3/p4＝πT稱為膨脹比。

理想情況下，p4=p1，p3=p2，所以πT＝πC。若膨脹過程的πT與壓縮過程的πC相等，並且膨脹起始溫度（燃氣初溫）T3等於壓縮終了溫度T2，則膨脹功等於壓縮功，但這時沒有輸出功。因此，在理想情況下壓縮過程所消耗的壓縮功可以在膨脹過程中全部收回。

對於理想迴圈，πC不變時，膨脹功與T3成正比，加熱提高T3，使T3 高於T2，於是膨脹功就大於壓縮功而獲得輸出功。πC不變時壓縮功也不變，輸出功正比於加熱量，因而T3的變化對η無影響。πC變化時，既影響壓縮功，又影響膨脹功，因此理想迴圈的效率η與πC有關；η隨著πC的增大而提高。若πC=1，膨脹功和壓縮功都為零，不論加熱量多大、T3多高，輸出功和效率都是零。

實際迴圈

實際上，壓氣機效率和透平效率都不是100％，這就使得壓縮功比理想情況下的大，膨脹功比理想情況下的小，並且加熱和冷卻過程都有壓力損失，即p3＜p2、p4＞p1，因而πT＜πC。這進一步導致壓縮功增大，膨脹功減小。因此，輸出功和迴圈效率都比理想迴圈的小。提高壓氣機效率和透平效率、減小壓力損失，可向理想迴圈趨近。這是提高迴圈效率的一種途徑。

實際迴圈中，壓縮後的氣體如不加熱提高溫度，仍保持T3=T2，則膨脹功必小於壓縮功。因而必須加熱氣體，把T3 提高到足夠的數值，才能使膨脹功大於壓縮功而得到輸出功。燃氣輪機發展的初期T3 不高，而壓氣機效率和透平效率又很低，曾出現過輸出功很小、迴圈效率很低，甚至輸出功是負的情況。

在實際迴圈中，T3 越高、加熱量利用率越好。所以πC不變時，T3 越高、η也越高，即理想迴圈中η與T3無關的結論不適用於實際迴圈。燃氣初溫與壓氣機進口溫度之比 T3/T1＝τ，稱為溫比。熱力學分析指出，實際迴圈效率η首先取決於溫比τ，τ越高，η也越高；其次還與πC有關(圖2)，在同一個τ值下，隨著πC的增長，η先是增長，到某一極值後下降。每一個τ都有一個能使 η達到最高值的最佳πC與之對應。τ越大，對應的最佳πC也越大。

由圖2可知，提高π值對增高η有重要作用。因此，設法增高T 3 （即增高τ）來提高η，始終是燃氣輪機發展中最重要的研究課題之一。隨著高溫材料和透平葉片冷卻技術的進展，70年代末燃氣初溫最高已達1200℃。上述迴圈的效率已達38％。實際迴圈分為開式和閉式兩種。

開式迴圈

這種迴圈從大氣中吸入新鮮空氣，同時把廢氣排向大氣。絕大多數燃氣輪機都是開式迴圈的。

（1）簡單迴圈:由一個壓縮過程、一個加熱過程、一個膨脹過程和一個冷卻過程所組成的迴圈。這種迴圈最為簡單。

（2）回熱迴圈：簡單迴圈中，透平排氣溫度T4仍相當高，帶走大量熱量。而一般情況下壓氣機出口空氣溫度T2比T4低很多。讓透平排氣通過回熱器(即換熱器)先把壓氣機出口的空氣加熱，然後空氣再進入燃燒室（圖3），則在燃氣初溫不變的情況下可以節省燃燒室內加入的熱量，從而提高迴圈效率 η。在理想情況下，回熱器出口的空氣溫度T5可以達到透平排氣溫度T4的水平。實際上由於有傳熱溫差，T5總是低於T4。可以用回熱度

=(T5－T2)／(T4－T2)來衡量實際回熱接近理想回熱的程度。一般

可達0.7～0.9。但是採用回熱後壓力損失增大，對η有不利的一面。當溫差（T4-T2）和

都較大，同時因回熱而增加的壓力損失較小時，採用回熱能使 η提高較多。反之，則 η提高較少，甚至有下降的可能。採用回熱還會使同一 τ下的最佳πC下降，以便選用 πC較低的壓氣機。不過，採用回熱會增加機器的質（重）量和尺寸，因而應用不太普遍，但是，汽車用燃氣輪機因特別重視 η的提高，都採用回熱。這種迴圈也屬於開式迴圈。

（3）複雜迴圈：在壓縮過程中採用中間冷卻，在膨脹過程中採用中間再熱的迴圈(圖4)。中間冷卻可以減小壓縮功，但壓縮終了的空氣溫度降低了，就使加熱過程的熱量增加。中間再熱可以增加膨脹功，但要增多加熱量。這兩種措施都可以顯著地增加比功L，但對效率η的改善不明顯。在πC較低、壓力損失較大時，可能導致 η下降。可是把中間冷卻、中間再熱和回熱結合起來的複雜迴圈卻能大大提高 η。不過這樣會大大增加機器的質(重)量和尺寸，因而在實踐中很少應用。複雜迴圈也是一種開式迴圈。

閉式迴圈

工質迴圈使用，由透平排出的工質，不再在大氣中作等效冷卻，而是經冷卻器冷卻後重新被壓氣機吸入，再次參加迴圈過程（圖5）。壓縮後的氣體工質在氣體鍋爐（或加熱器）中被加熱。閉式迴圈中，工質可用空氣或其他氣體。閉式迴圈的主要缺點是包括氣體鍋爐在內的換熱器尺寸大、成本高和T3 溫度低等，因而應用不多。若採用氣冷反應堆作為加熱氣體工質（用He或N2等）的熱源，就組成了核動力閉式迴圈裝置，其效率可高於採用汽輪機的核動力裝置。

參考書目

佐藤豪著，王仁譯：《燃氣輪機迴圈理論》，機械工業出版社，北京，1983。（佐藤豪著：《ガスタ-じンサィクル論》，山海堂，東京，1972。）