改善燃?xì)廨啓C(jī)熱效率的措施目前，簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗匾堰_(dá)t*3≈1400℃左右，壓縮比ε*≈15-16。供電效率則介于35%-38%之間。某些航機(jī)改造的燃?xì)廨啓C(jī)由于采用了比較高的壓縮比(ε*=30-35)，致使供電效率已被提高到了39.78%-41.57%的可喜水平，但是，改善燃?xì)廨啓C(jī)熱效率的潛力卻仍然是很大的，因?yàn)槿細(xì)馔钙降呐艢鉁囟萾*4一般都很高(有的已接近600℃)，以致有大量的余熱q2無(wú)償?shù)乇会尫沤o了外界大氣。倘若能設(shè)法把這些排氣余熱傳遞給能作功的高壓空氣或其他工質(zhì)(如水蒸氣)，使它們?cè)趨⒓尤細(xì)廨啓C(jī)循環(huán)或其他循環(huán)時(shí)，把一部分余熱轉(zhuǎn)化成為機(jī)械功，那么，燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率就能得以進(jìn)一步提高。為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想，有兩個(gè)途徑可循，即：①利用燃?xì)馔钙降呐艢庥酂?，使燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)結(jié)合起來(lái)成為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)：②使燃?xì)廨啓C(jī)采用回?zé)嵫h(huán)。關(guān)于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)。在此擬附一張適用于設(shè)計(jì)實(shí)際聯(lián)合循環(huán)時(shí)參考的聯(lián)合循環(huán)的熱效率ηNcc、比功lc與壓縮比ε*和燃?xì)廨啓C(jī)初溫t*3的關(guān)系(請(qǐng)與圖2-11比較)，如圖2-12所示。圖2-12聯(lián)合循環(huán)的熱效率、比功與壓縮比和燃?xì)獬鯗氐年P(guān)系從圖2-12中可以明顯地看到：在現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗?t*3=1100-1310℃)和壓縮比ε*=10-16范圍內(nèi)，當(dāng)t*3恒定時(shí)，隨著ε*的變化，確實(shí)存在一個(gè)使聯(lián)合循環(huán)的熱效率趨于最大值的最佳壓縮比ε*opt，η。目前，燃?xì)廨啓C(jī)的t*3和ε*的配合關(guān)系，雖然不能保證簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率達(dá)到最佳值，但卻能保證聯(lián)合循環(huán)的熱效率達(dá)到最佳值。這是由于當(dāng)采用聯(lián)合循環(huán)方案時(shí)，與聯(lián)合循環(huán)的熱效率為最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的最佳壓縮比ε*opt，η，要比簡(jiǎn)單循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)者低得多的緣故。在比較圖2-11和圖2-12時(shí)還能看到：在同樣的t*3和ε*條件下，聯(lián)合循環(huán)的熱效率和比功要比簡(jiǎn)單循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)大很多，因而，聯(lián)合循環(huán)已成為目前改善燃?xì)廨啓C(jī)的比功和熱效率的首選措施。程氏雙流體循環(huán)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，程氏雙流體循環(huán)方案也是一種燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)。這種循環(huán)的主體設(shè)備是與余熱鍋爐型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)非常接近。在燃?xì)廨啓C(jī)后同樣安裝一臺(tái)余熱鍋爐，但是，由余熱鍋爐產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽不是送到蒸汽透平中去作功，而是供回到燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中去，與壓氣機(jī)供來(lái)的空氣一起被加熱到燃?xì)馔钙角暗某鯗豑3，然后共同進(jìn)到燃?xì)馔钙街腥ミM(jìn)行膨脹作功(也可以把一部分低壓蒸汽，不經(jīng)過(guò)燃燒室加熱，而送到燃?xì)馔钙降牡蛪翰糠种腥ヅ蛎涀鞴?，即：在這種循環(huán)方案中，燃?xì)馀c蒸汽是在同一臺(tái)透平中膨脹作功的。那時(shí)，有兩種流體——燃?xì)夂驼羝黄鹆鹘?jīng)燃?xì)馔钙?，這就是雙流體循環(huán)命名的淵源。由燃?xì)馔钙脚懦龅娜細(xì)馀c蒸汽的混合物將進(jìn)入余熱鍋爐，在其中把余熱傳給余熱鍋爐的給水，使其變成過(guò)熱蒸汽后返回到燃?xì)廨啓C(jī)中去參與循環(huán)。余熱鍋爐后溫度為149℃的燃?xì)馀c蒸汽的混合物則將直接排入大氣。顯然，這種循環(huán)與前節(jié)所述的余熱鍋爐型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)有以下幾點(diǎn)原則性的差別，即：①不再配置蒸汽輪機(jī)和凝汽機(jī)等設(shè)備，因而整個(gè)裝置的設(shè)備大為簡(jiǎn)化，尺寸也減少很多。②由余熱鍋爐提供的全部或部分蒸汽還要在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中進(jìn)一步加熱到燃?xì)馔钙角暗某鯗豑3相同的水平，即：過(guò)熱蒸汽的溫度T3一定要比常規(guī)的蒸汽輪機(jī)中所能承受的溫度t9(一般為435℃~550℃左右)高得多。這種高溫過(guò)熱蒸汽的作功，勢(shì)必為提高整個(gè)循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)換效率提供了條件。以上這兩點(diǎn)是程氏循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。③由于蒸汽膨脹后是經(jīng)余熱鍋爐直接排向大氣的，即蒸汽的膨脹背壓要比采用凝汽器的高得多，這將限定了蒸汽作功能力的充分發(fā)揮。④由于蒸汽連續(xù)不斷地排向大氣，難于回收，這就需要大量地向余熱鍋爐補(bǔ)充軟水，補(bǔ)水的處理設(shè)備必然龐大，耗費(fèi)是昂貴的。后兩點(diǎn)則是程氏循環(huán)的缺點(diǎn)。此外，程氏雙流體循環(huán)還有以下一些優(yōu)點(diǎn)，即：①由于有一部分蒸汽被噴到燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃燒區(qū)中去，可以適當(dāng)降低燃燒火焰的溫度，有利于減少NOx的排放量。②由于燃?xì)庵泻兴魵猓蜁?huì)增高混合氣體的傳熱系數(shù)，有利于改善余熱鍋爐中混合氣體的換熱效果。在相同的燃?xì)鉁囟葪l件下，可以從混合氣體中抽取更多的熱能，使余熱鍋爐中混合氣體的換熱提高。③整臺(tái)機(jī)組的作功量增大了，整個(gè)循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)換效率提高了。例如：在Allison501-KB發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的試驗(yàn)表明：為了把過(guò)熱蒸汽在燃燒室中加溫，需要補(bǔ)燃19%的燃料量，但是卻能使透平的作功量增加75%，即可以使該發(fā)動(dòng)機(jī)的效率由原來(lái)的3086kW增加到5400kW，相應(yīng)地使機(jī)組的熱效率由原來(lái)的29%提高到40%。這種增長(zhǎng)程度是誘人的。④倘若我們?nèi)匀痪S持發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出原有的額定功率3086kW，顯然，在采用雙流體循環(huán)后，可以大大降低透平前的燃?xì)獬鯗?，這對(duì)于延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命大有好處。例如：對(duì)于501-KB發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，使燃?xì)獬鯗亟档?7.8，就可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命增長(zhǎng)一倍。試驗(yàn)還表明，即使在這種溫降條件下運(yùn)行，機(jī)組的效率相對(duì)地仍然要比原型者提高20%左右。回?zé)嵫h(huán)圖2-13中給出了回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的示意圖。從圖上可以看出，它是由壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)馔钙?，再加上一個(gè)新部件---回?zé)崞鹘M成的。1-壓氣機(jī)2-回?zé)崞?-燃燒室4-燃?xì)馔钙?-負(fù)荷圖2-13回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的示意圖所謂回?zé)崞?，?shí)質(zhì)上就是一種熱交換設(shè)備。當(dāng)燃?xì)馔钙脚懦龅母邷厝細(xì)饬鹘?jīng)回?zé)崞鲿r(shí)，可以把一部分熱能傳遞給由壓氣機(jī)送來(lái)的低溫空氣。這樣，就能降低排氣溫度t*4，而使進(jìn)到燃燒室的燃料量，從而提高機(jī)組的熱效率。圖2-14燃?xì)廨啓C(jī)理想回?zé)嵫h(huán)的溫熵圖這個(gè)問(wèn)題在T-s圖上可以看得很清楚，圖2-14上給出了理想回?zé)嵫h(huán)的T-s圖。圖2-14燃?xì)廨啓C(jī)理想回?zé)嵫h(huán)的溫熵圖由圖2-14可知：在理想情況下，透平的排氣溫度t*4s可以在回?zé)崞髦斜焕鋮s降低到t*4′=t*2s，而壓氣機(jī)出口的空氣溫度t*2s則可以在回?zé)崞髦斜患訜岬絫*2′=t*4s。這樣，由外界加給空氣的熱能q1，已不再是簡(jiǎn)單循環(huán)中的面積2s3s3s12s，而應(yīng)由小面積2′3s3s2′2′來(lái)代表；由燃?xì)忉尫沤o大氣的熱能q2，則由簡(jiǎn)單循環(huán)中的面積4s1s1s34s減小為面積4′1s1s4′4′。假如不考慮回?zé)崞鞯牧髯钃p失對(duì)透平膨脹比δ*的影響，那么，循環(huán)中能夠輸出的理想凈功lcs，應(yīng)與理想的簡(jiǎn)單循環(huán)者相同，它仍然可以用面積34s12s3來(lái)代表。根據(jù)關(guān)系式(2-9)可知，相對(duì)理想的簡(jiǎn)單循環(huán)而言，lcs=lts-lys不變，而q1減小了，因而，回?zé)釞C(jī)組的熱效率必然會(huì)明顯得增高。圖2-15燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際回?zé)嵫h(huán)的溫熵圖在實(shí)際的回?zé)嵫h(huán)中，回?zé)嵝?yīng)對(duì)機(jī)組熱效率的影響是與理想的回?zé)嵫h(huán)類似的。所不同的只是使機(jī)組熱效率提高的程度要比理想的回?zé)嵫h(huán)有所減小而已。這是由以下兩個(gè)原因造成的，即：①在回?zé)崞髦杏捎谟辛髯钃p失的影響，燃?xì)鈧?cè)和空氣側(cè)都會(huì)有壓力降，其結(jié)果將使燃?xì)馔钙降倪M(jìn)氣壓力p*3有所降低，而透平的排氣壓力p*4卻有所增高，也就是說(shuō)透平的膨脹比δ*減小了。顯然，這將使機(jī)組的比功要比理想的回?zé)嵫h(huán)的小一些；②由于熱交換是以溫度差為前提的，因而在回?zé)崞髦型钙脚艢獾臏囟萒4′*不可能被冷卻到T2*，而只能降低到T4′*；同時(shí)在壓氣機(jī)后的空氣溫度T*2也不可能被加熱到T4*，而只能升高到T2′*，，即T4′*>T2*，T2′*<T4*(如圖2-15所示)。這就是說(shuō)，透平排氣余熱的利用程度要比理想的回?zé)嵫h(huán)的差。換句話說(shuō)，為了達(dá)到同一個(gè)燃?xì)獬鯗豑*3，供給燃燒室的熱能q1就要增加。顯然，機(jī)組的循環(huán)熱效率是降低了。圖2-15燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際回?zé)嵫h(huán)的溫熵圖通常，人們以回?zé)岫圈套鳛楹饬炕責(zé)崞鞯闹饕阅苤笜?biāo)，在忽略空氣與燃?xì)獾牧髁亢投▔罕葻崛莸奈⒘坎町惡?，回?zé)岫圈痰亩x式可簡(jiǎn)化為：圖2-16回?zé)崞鞯幕責(zé)岫扰c相對(duì)回?zé)崦娣e的關(guān)系(2-38)圖2-16回?zé)崞鞯幕責(zé)岫扰c相對(duì)回?zé)崦娣e的關(guān)系式中：T*2——壓氣機(jī)出口的空氣溫度，即回?zé)崞鞯娜肟诳諝鉁囟?；T*2′——回?zé)崞鞒隹诘目諝鉁囟?，即燃燒室入口的空氣溫度；T*4——燃?xì)馔钙降呐艢鉁囟?。很明顯，回?zé)岫圈虒?shí)際上就是一個(gè)衡量回?zé)崞髦腥細(xì)饪赡茚尫诺睦碚摕崮?，是否已被充分利用了的技術(shù)特性指標(biāo)。在不考慮回?zé)崞髦辛髯钃p失的影響時(shí)，回?zé)岫仍礁?，回?zé)嵫h(huán)的得益就越大，機(jī)組的循環(huán)熱效率改善得就越多。但是，提高回?zé)岫仁且言龃蠡責(zé)崞鞯膿Q熱面積為前提的，其結(jié)果將使回?zé)崞鞯闹亓?，體積和流阻損失不斷增大，而機(jī)組的比功卻大為減小。所以，回?zé)岫热〉眠^(guò)大未必合適。圖2-16中給出了回?zé)崞鞯南鄬?duì)換熱面積與回?zé)岫圈讨g的變化關(guān)系。由圖可見(jiàn)，當(dāng)μ>0.5以后，換熱面積開(kāi)始逐漸增大。當(dāng)μ>0.9后，增長(zhǎng)率將極為陡峭。因而回?zé)岫炔荒苋〉眠^(guò)大。實(shí)踐表明：使μ介于0.5-0.85之間是適宜的。由于回?zé)嵫h(huán)的實(shí)質(zhì)無(wú)非就是在簡(jiǎn)單循環(huán)的基礎(chǔ)上，部分利用了燃?xì)馔钙脚艢庥酂岬囊环N循環(huán)方案而已，因而，在上節(jié)中通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)單循環(huán)的分析而得出的某些結(jié)論，對(duì)于回?zé)嵫h(huán)也是適用的。例如：提高機(jī)組各部件的效率ηy、ηr、ηt和溫度比τ，或是降低機(jī)組各部分的流阻損失等措施，對(duì)于提高機(jī)組的比功和熱效率都是有效的。此外，當(dāng)這些參數(shù)已定時(shí)，在回?zé)嵫h(huán)中必然也會(huì)存在兩個(gè)能分別保證機(jī)組的比功和熱效率為最大的最佳壓縮比ε*opt，1和ε*opt，η。實(shí)線-τ=3。20，虛線-τ=2。86(計(jì)算中取ηt*=0。87，ηy*=0。84，ηr=1。00，ξ=1。00)圖2-17回?zé)嵫h(huán)中熱效率ηc與ε*、τ和μ的關(guān)系曲線但是，在回?zé)嵫h(huán)中ε實(shí)線-τ=3。20，虛線-τ=2。86(計(jì)算中取ηt*=0。87，ηy*=0。84，ηr=1。00，ξ=1。00)圖2-17回?zé)嵫h(huán)中熱效率ηc與ε*、τ和μ的關(guān)系曲線可是，與簡(jiǎn)單循環(huán)相比，回?zé)嵫h(huán)中的ε*opt，η卻會(huì)下降很多。圖2-17中給出了回?zé)嵫h(huán)的熱效率ηc與溫度比τ和壓縮比ε*的變化關(guān)系曲線，可以看清這個(gè)問(wèn)題。由圖2-17中可以看出：回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率比較高，它與回?zé)岫圈膛c溫度比τ的選取有關(guān)。當(dāng)μ和τ的值增大時(shí)，ηc將不斷提高。但是值得注意的是：當(dāng)τ一定時(shí)，相對(duì)于μ=0的簡(jiǎn)單循環(huán)來(lái)說(shuō)，ε*opt，η值卻會(huì)由于采用了回?zé)嵫h(huán)而大大地降低了，而且隨著回?zé)岫圈痰脑龃?，?opt，η值將越趨減小。這個(gè)問(wèn)題可以作如下解釋，即在μ=0的簡(jiǎn)單循環(huán)中，當(dāng)τ一定而ε*過(guò)低時(shí)，壓氣機(jī)出口的空氣溫度t*2很低，為了使空氣加熱到t*3，就要向燃燒室噴入大量的燃料?？墒窃诘团蛎洷惹闆r下，透平排氣溫度t*4卻很高(參見(jiàn)圖2-15)，那時(shí)，大量余熱沒(méi)能被利用。因而在低壓縮比ε*情況下，簡(jiǎn)單循環(huán)的熱效率顯得比較低。但是對(duì)于回?zé)嵫h(huán)來(lái)說(shuō)，低壓縮比情況下透平排氣溫度t*4偏高的現(xiàn)象，正好被利用來(lái)充分加熱壓氣機(jī)出口的低溫空氣，使它在進(jìn)入燃燒室之前能夠在回?zé)崞髦斜患訜岬捷^高的溫度，這樣就可以大大減少噴到燃燒室中去的燃料量。所以在ε*較低時(shí)，回?zé)嵫h(huán)的熱效率卻能達(dá)到較高的水平，即ε*opt，η必然較小。當(dāng)機(jī)組的壓縮比進(jìn)一步提高時(shí)，由于壓氣機(jī)出口的空氣溫度t*2也不斷增高，而透平的排氣溫度t*4卻不斷地下降。不難設(shè)想，隨著壓縮比的增高，總是會(huì)出現(xiàn)一個(gè)t*2=t*4的情況，那時(shí)不論回?zé)岫热〉枚啻?，由于燃?xì)馀c空氣之間不存在溫度差，回?zé)嵝?yīng)將完全消失，這就與沒(méi)有回?zé)崞鞯暮?jiǎn)單循環(huán)完全相當(dāng)。顯然，在這種情況下，假如忽略回?zé)崞鞯牧髯钃p失，不論回?zé)岫榷啻?，任何回?zé)嵫h(huán)的熱效率必然都會(huì)下降到與μ=0的簡(jiǎn)單循環(huán)所能達(dá)到的水平一樣。這就是圖2-17中在某一個(gè)壓縮比ε*下，各條效率曲線都必然要匯集到同一個(gè)點(diǎn)(A或A′)上去的根本原因