热机种类及其应用

1、热力学第一定律及热机李雨果李雨果 钱国成钱国成 吴天昊吴天昊 韩炳瑞韩炳瑞2140405035 2140405037 2140405041 2140405030XIAN JIAOTONG UNIVERSITY热力学第一定律及热机热力学第一定律及热机v蒸汽机蒸汽机原理及发展简介原理及发展简介优点及应用优点及应用缺陷缺陷v内燃机内燃机 煤气机煤气机 汽油机柴油机汽油机柴油机 特殊发动机特殊发动机v外燃机外燃机发展简介发展简介工作原理工作原理优缺点介绍优缺点介绍v喷气轮机喷气轮机 原理及发展简介原理及发展简介 喷气轮机结构喷气轮机结构XIAN JIAOTONG UNIVERSITYXIAN JIAO

2、TONG UNIVERSITY原理及发展简介：原理及发展简介：蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现曾引起了汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命。直到世纪的工业革命。直到20世纪初，它世纪初，它仍然是世界上最重要的原动机，后来才逐渐让位于内燃机和仍然是世界上最重要的原动机，后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。汽轮机等。蒸汽机需要一个使水沸腾产生高压蒸汽的锅炉，这个锅炉可蒸汽机需要一个使水沸腾产生高压蒸汽的锅炉，这个锅炉可以使用木头、煤、石油或天然气甚至垃圾作为热源。蒸汽膨以使用木头、煤、石油或天然气甚至垃圾作为热源。蒸汽

3、膨胀推动活塞做功。胀推动活塞做功。蒸汽机蒸汽机XIAN JIAOTONG UNIVERSITY蒸汽机的优点：蒸汽机的优点： 蒸汽机最大的优点就是它对对燃料不挑剔，几乎可以利用蒸汽机最大的优点就是它对对燃料不挑剔，几乎可以利用所有的燃料将热能转化为机械能。所有的燃料将热能转化为机械能。现代应用：现代应用：1）由于蒸汽机不受海拔限制，故在高山机车上有使用。）由于蒸汽机不受海拔限制，故在高山机车上有使用。2）由于蒸汽机对燃料不挑剔，所以可以在产煤区或者只有劣质）由于蒸汽机对燃料不挑剔，所以可以在产煤区或者只有劣质燃料的特殊地区使用。燃料的特殊地区使用。蒸汽机蒸汽机XIAN JIAOTONG UNIV

4、ERSITY缺陷：缺陷：1）离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大）离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大2）新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力又不能过低，热效）新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力又不能过低，热效率难以提高。率难以提高。3）它是一种往复式机器，惯性限制了转速的提高。）它是一种往复式机器，惯性限制了转速的提高。蒸汽机蒸汽机XIAN JIAOTONG UNIVERSITYXIAN JIAOTONG UNIVERSITY原理及发展简介：原理及发展简介： 内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力

5、发动机。典型的烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。典型的内燃机有：煤气机、汽油机、柴油机等。内燃机有：煤气机、汽油机、柴油机等。 煤气机是最早的一种内燃机，用可燃气体作燃料，又称气煤气机是最早的一种内燃机，用可燃气体作燃料，又称气体燃料内燃机。煤气机诞生于体燃料内燃机。煤气机诞生于1860年，当时使用照明煤气为燃年，当时使用照明煤气为燃料，在英、法两国很受欢迎。料，在英、法两国很受欢迎。 其中，柴油煤气机以煤气为主要燃料，煤气与空气通过混其中，柴油煤气机以煤气为主要燃料，煤气与空气通过混合室混合后进入气缸，在活塞接近压缩行程上止点时，喷入少合室混合后进入气缸，在活塞接近压缩行程上止

6、点时，喷入少量柴油作为引燃燃料将混合气点燃。火花点火式煤气机在活塞量柴油作为引燃燃料将混合气点燃。火花点火式煤气机在活塞接近压缩行程上止点时用电火花点燃混合气。接近压缩行程上止点时用电火花点燃混合气。 内燃机内燃机XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 汽油机和柴油机的发明：汽油机和柴油机的发明： 随着石油的开发，比煤气易于运随着石油的开发，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注输携带的汽油和柴油引起了人们的注意，首先获得试用的是易于挥发的汽意，首先获得试用的是易于挥发的汽油 。油 。 1 8 8 3 年 ， 德 国 的 戴 姆 勒 （年 ， 德 国 的 戴 姆 勒 （Daim

7、ler）创制成功第一台立式汽油）创制成功第一台立式汽油机，它的特点是轻型和高速。当时其机，它的特点是轻型和高速。当时其他内燃机的转速不超过他内燃机的转速不超过200转转/分，它分，它却一跃而达到却一跃而达到800转转/分，特别适应交分，特别适应交通动输机械的要求。通动输机械的要求。1897年，狄塞尔年，狄塞尔首创的压缩点火式内燃机（柴油机）首创的压缩点火式内燃机（柴油机）研制成功。研制成功。内燃机内燃机XIAN JIAOTONG UNIVERSITY汽油机与柴油机比较：汽油机与柴油机比较：1）汽油机压缩比小（）汽油机压缩比小（6-10），加上可燃混合气是点燃，因此，启动比较容），加上可燃混合气

8、是点燃，因此，启动比较容易。而柴油机压缩比大（易。而柴油机压缩比大（12-22），加上可燃混合气是压燃，因此，启动），加上可燃混合气是压燃，因此，启动比较困难。比较困难。 2）汽油机的燃料系统比较简单，而柴油机的燃料系统的机械结构却十分复）汽油机的燃料系统比较简单，而柴油机的燃料系统的机械结构却十分复杂。杂。3）柴油机的故障多数为机械故障，容易判断和处理；汽油机多了一个电点）柴油机的故障多数为机械故障，容易判断和处理；汽油机多了一个电点火系统，电气系统的故障不很直观，有时比较复杂。火系统，电气系统的故障不很直观，有时比较复杂。4）柴油机动力性优于汽油机，转速较低，扭矩较大，噪音大，可大量用于）

9、柴油机动力性优于汽油机，转速较低，扭矩较大，噪音大，可大量用于重型工程机械。汽油机可有较高的转速，马力与机重比优良，噪音小，重型工程机械。汽油机可有较高的转速，马力与机重比优良，噪音小，可用于城市交通。另则，在机器外表，汽油机比柴油机干净。可用于城市交通。另则，在机器外表，汽油机比柴油机干净。 5）柴油机排放的有害气体比汽油机少，特别是）柴油机排放的有害气体比汽油机少，特别是NO和和CO。 内燃机内燃机XIAN JIAOTONG UNIVERSITY两种特殊的内燃发动机两种特殊的内燃发动机1）星型发动机：星型发动机是一种气缸环绕曲轴呈星型排列的）星型发动机：星型发动机是一种气缸环绕曲轴呈星型排

10、列的一种活塞式发动机，可靠性高，重量轻，功率提升潜力大，一种活塞式发动机，可靠性高，重量轻，功率提升潜力大，维修性和生存性也不错。在喷气发动机出现之前，活塞式飞维修性和生存性也不错。在喷气发动机出现之前，活塞式飞机发动机大多采用星型设计，因其曲轴短，战场生存性强，机发动机大多采用星型设计，因其曲轴短，战场生存性强，再因其结构紧凑占用飞机空间小而被舰载机广泛使用。再因其结构紧凑占用飞机空间小而被舰载机广泛使用。内燃机内燃机XIAN JIAOTONG UNIVERSITY2)三角转子发动机：三角转子发动机：n进气进气 循环进气阶段从转子顶点经过进气口时开始。当缸室的循环进气阶段从转子顶点经过进气口

11、时开始。当缸室的顶点经过进气口时，该缸室即被密封，然后并开始压缩顶点经过进气口时，该缸室即被密封，然后并开始压缩n压缩压缩 当转子继续在壳体内运动时，缸室的体积会变得更小，当转子继续在壳体内运动时，缸室的体积会变得更小，进而压缩空气、燃油进而压缩空气、燃油 混合气。混合气。n燃烧燃烧 火花塞点火，燃料爆发性燃烧。燃烧的压力会驱动转子火花塞点火，燃料爆发性燃烧。燃烧的压力会驱动转子沿着缸室体积增大的方向移动。沿着缸室体积增大的方向移动。 燃烧气体继续膨胀，推燃烧气体继续膨胀，推动转子，直至转子的顶点再次经过排气口。动转子，直至转子的顶点再次经过排气口。n排气排气 当转子的顶点经过排气口时，高压燃

12、烧气体会释放到当转子的顶点经过排气口时，高压燃烧气体会释放到排气装置中。排气装置中。 当转子继续运动时，缸室开始压缩，迫使当转子继续运动时，缸室开始压缩，迫使剩余废气排出。剩余废气排出。 内燃机内燃机XIAN JIAOTONG UNIVERSITY三角转子发动机优点：三角转子发动机优点：1)转子发动机中所有零件均沿一个方向持续旋转，不转子发动机中所有零件均沿一个方向持续旋转，不需要像传统发动机中的活塞那样剧烈地变换方向。需要像传统发动机中的活塞那样剧烈地变换方向。通过利用定向旋转配重物来消除震动，转子发动机通过利用定向旋转配重物来消除震动，转子发动机可以实现内部平衡。可以实现内部平衡。2)由于

13、转子的旋转速度是输出轴的三分之一，因而发由于转子的旋转速度是输出轴的三分之一，因而发动机的主要运动零件的运动速度比活塞式发动机要动机的主要运动零件的运动速度比活塞式发动机要慢得多。慢得多。 这也有利于提高可靠性。这也有利于提高可靠性。三角转子发动机缺陷：三角转子发动机缺陷：1)有害气体排放量比较大。有害气体排放量比较大。2)制造成本比较高（主要是因为制造工艺不如活塞式制造成本比较高（主要是因为制造工艺不如活塞式）3)比活塞式更耗油，且压缩比较低。比活塞式更耗油，且压缩比较低。（现在只有马自达公司在大量运用三角转子发动机）（现在只有马自达公司在大量运用三角转子发动机）内燃机内燃机XIAN JIA

14、OTONG UNIVERSITYXIAN JIAOTONG UNIVERSITY原理及发展简介：原理及发展简介：外燃机（斯特林发动机）利用燃料燃烧加热循环工质（如蒸外燃机（斯特林发动机）利用燃料燃烧加热循环工质（如蒸汽机将锅炉里的水加热产生的高温高压水蒸气输送到机器内汽机将锅炉里的水加热产生的高温高压水蒸气输送到机器内部），使热能转化为机械能的一种热机。外燃机通过气体在部），使热能转化为机械能的一种热机。外燃机通过气体在冷热环境转换时的热胀冷缩做功。发动机内的工作气体处于冷热环境转换时的热胀冷缩做功。发动机内的工作气体处于封闭中，本身不参与任何形式的能量转换。封闭中，本身不参与任何形式的能量转

15、换。外燃机外燃机XIAN JIAOTONG UNIVERSITY工作原理：工作原理： 首先，要知道外燃机由两个连通的气缸首先，要知道外燃机由两个连通的气缸组成，一个是热缸，即给工质提供热的组成，一个是热缸，即给工质提供热的缸体；一个是冷缸，吸热。缸体；一个是冷缸，吸热。1）热缸膨胀，冷缸不动，气体进入热缸，）热缸膨胀，冷缸不动，气体进入热缸，接近于等温膨胀。接近于等温膨胀。（A-B)2）热缸收缩，冷缸膨胀，气体进入冷缸，）热缸收缩，冷缸膨胀，气体进入冷缸，接近于等容放热。接近于等容放热。(B-C)3）热缸不动，冷缸收缩，接近于等温压缩）热缸不动，冷缸收缩，接近于等温压缩过程。过程。(C-D)4

16、）热缸膨胀，冷缸继续收缩，接近于等容）热缸膨胀，冷缸继续收缩，接近于等容吸热过程。吸热过程。(D-A)外燃机外燃机ABCDPVXIAN JIAOTONG UNIVERSITY优点：优点：1）由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低）由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。噪音、低污染和低运行成本。2）外燃机对燃料的要求很低，只要热缸能达到）外燃机对燃料的要求很低，只要热缸能达到700摄氏度，它就可以运行。摄氏度，它就可以运行。3）不受气压影响，适合在高海拔地区使用。）不受气压影响，适合在高海拔地区使用。4）工质完全密封，因此

17、可以选择工作性质好的工质（传热快，化学性质稳）工质完全密封，因此可以选择工作性质好的工质（传热快，化学性质稳定的）。另外还可以使用压缩气体来增加输出功率。定的）。另外还可以使用压缩气体来增加输出功率。缺陷：缺陷：1）需要外部加热装置和冷却装置，结构松散。）需要外部加热装置和冷却装置，结构松散。2）发动机需要经过一段时间才能响应气缸热量变化，因此在提供有效动力）发动机需要经过一段时间才能响应气缸热量变化，因此在提供有效动力之前，外燃机需要暖机。之前，外燃机需要暖机。3）不能快速改变动力输出，因此操控远不如内燃机灵活。）不能快速改变动力输出，因此操控远不如内燃机灵活。4）制造成本较高，工质密封技术

18、较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题）制造成本较高，工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题外燃机外燃机XIAN JIAOTONG UNIVERSITYXIAN JIAOTONG UNIVERSITY原理及发展简介：原理及发展简介：到了三十年代末，尤其是在二战中，由于战争的需要到了三十年代末，尤其是在二战中，由于战争的需要，飞机的性能得到了迅猛的发展，螺旋桨飞行速度达，飞机的性能得到了迅猛的发展，螺旋桨飞行速度达到到700800公里每小时，高度达到了公里每小时，高度达到了10000米以上。米以上。 但是当飞机的速度达到但是当飞机的速度达到800公里每小时，由于螺旋桨始公里每小时，由于螺旋桨始终在高速旋转，桨尖部分实际上已接近了音速，这种终在高速旋转，桨尖部分实际上已接近了音速，这种跨音速流场的直接后果就是螺旋桨的效率急剧下降，跨音速流场的直接后果就是螺旋桨的效率急剧下降，推力下降，同时，由于螺旋桨的迎风面积较大，带来推力下降，同时，由于螺旋桨的迎风面积较大，带来的阻力也较大，而且，随着飞行高度的上升，大气变的阻力也较大，而且，随着飞行高度的上升，大气变稀薄，活塞式发动机的功率也会急剧下降。这几个因稀薄，活塞式发动机的功率也会急剧下降。这几个因素合在一起，决定了活塞式发动机素合在一起