摘要：本文对几种常用的机械功的物理意义及其计算方法进行了简单的介绍，并就几种主要机械功在热能与动力工程中的应用与优化进行了探讨。
关键词：机械功；热能；动力工程；应用；优化
前言
能源动力工业是我国国防建设的重要基础，同时也是国民经济的支柱性产业，不仅对我国国防建设和经济发展具有重要作用，同时对我国的环境保护具有战略性意义。
1几种机械功的物理意义及计算方法
1.1体积功
体积功包括膨胀功和压缩功，即指系统体积的变化所形成的功。在系统中热能转化为机械能的过程是通过工质的体积膨胀实现的，工质在体积膨胀时做的功是膨胀功。相反的，在系统中通过对工质做功使工质的体积被压缩而将机械能转化为热能的过程中，工质在体积被压缩时所做的功就是压缩功。对于准平衡过程单位质量工质所作的体积功w为：
故闭口系统热力学第一定律表达式可以借助体积功表达为：
q=△u+w （2）
1.2流动功
流动功是开口系统输入推动功和输出推动功的差，又称为推进功。流动功是开口系统维持流动所必须付出的代价。单位质量流体流动功的表达式为：
wf=w2-w1=pv （3）
式中：w1－流体需要对前面流体作的推动功；w2－流体从后面获得的推动功。不同于其他的功，流动功用流体的状态参数表示，由于这个原因，流动功也可被称为流动能。流动功是工质在流动中向前方传递的功，只有在工质的流动过程中才出现，是流动的流体特有的，对于闭口系统不存在流动功。
1.3轴功与技术功
1.3.1轴功
轴功是指工质流经热力设备（开口系统）时，热力设备与外界交换的机械功，由于这个机械功通常是通过转动的轴输入、输出，所以工程上习惯成为轴功。轴功的表达式为：
ws=Fs （4）
然而在转轴系统中 F=T/r，s=2πrn，所以，轴功的计算式为：
ws=2πnT （5）
式中：T－转矩，力F与作用力到转轴距离r的乘积；n－转轴的转速。
1.3.2技术功
对于开口系统的热力学第一定律表达式（即开口系统的稳定流动能量方程式），
q=△h+12△c2f+g△z+ws（6）
等号右边除焓差外，其余三项动能差、势能差、轴功都是不同类型的机械能，它们都是工程技术上可以直接利用的，将这三项之和称为技术功wt，表达式为：
wt=12△c2f+g△z+ws（7）
所以技术功 wt等于轴功加上动能差和势能差，如果工质进、出热力设备的宏观动能和势能变化很小，可忽略不计，则技术功wt等于轴功ws。对于准平衡过程单位质量工质所作的技术功wt可表达为
利用技术功的表达式（7），开口系统中热力学第一定律可表达为：
q=△h+wt（9）
此表达式和闭口系统中的热力学第一定律表达（2）式具有相同的形式。
2几种机械功在在热能与动力工程的应用与优化
2.1在航空活塞发动机中的应用与优化
在航空活塞发动机中，混合气燃烧释放热能，通过活塞的移动将热能转换为体积功。航空活塞发动机的工作行程示意图，如图3所示。包括进气、压缩、膨胀和排气行程。在四个工作行程中，只有膨胀行程获得体积功，其余三个行程都要消耗一部分机械功，消耗的这部分功比膨胀得到的体积功要小得多，因此剩下的体积功依然很大，并通过连杆、曲轴转换成轴功，从而带动螺旋桨运动。因此要增大曲轴的输出功率，一方面应增大膨胀行程的体积功，另一方面应减小其余三个行程所消耗的功。
压缩比越大，热效率越高，输出曲轴功越多。但受燃油的抗爆性及发动机的机件强度等诸多因素的限制，压缩比不能无限制地增大。在有条件地提高压缩比的同时，通过调整混合气余气系数（余气系数α=0.85，火焰传播速度最大，膨胀体积功最大），滑油温度（滑油温度在适当范围，黏性系数适中，润滑效果最好，摩擦消耗功最小，容积膨胀功最大），废气的利用（废气涡轮增压，提高废弃能量利用率）等一些措施都可以增大发动机曲轴输出功，从而提高发动机功率和效率。
2.2在航空燃气涡轮喷气发动机中的应用与优化
在航空燃气涡轮喷气发动机中，空气通过进气道被吸入轴流式压气机，压气机对空气输入轴功，压缩空气，使其压力增加。高压空气进入燃烧室和燃油混合燃烧，燃料的化学能转化为燃气的热能，高温高压的空气在涡轮中膨胀，推动涡轮，对涡轮做功，燃气的热能转化为涡轮的轴功。涡轮带动压气机和一些附件工作。在整个过程中流动功维持气体的流动，如图4 所示
从该式中可以看出影响燃气涡轮喷气发动机实际循环热效率的因素有三个，它们是：（1）加热比Δ，（涡轮前燃气总温T3*与大气温度比值），随着加热比Δ或涡轮前总温T3*提高，热效率ηt也增大。所以现代先进技术的航空燃气涡轮发动机的涡轮前总温T3*逐年提高。（2）压气机增压比π：增压比π的提高，实际循环的热效率ηt增大。所以现代燃气涡轮喷气发动机的一大先进主流技术是增大高压压气机的增压比，比如：B737NG飞机的CFM56-7B发动机的高压压气机的增压比是11，而国产大飞机C919选装的CFMI公司的先进发动机LEAP-X1C，高压压气机的增压比可达22。（3）压气机效率ηc和涡轮效率ηp：压气机效率ηc和涡轮效率ηp增大，热效率ηt也提高。从技术功wt的计算式（8）可知，工质的比容v越大，达到同样的增压比所消耗的压缩功越大。所以，早期的航空发动机在压气机入口喷水，在降低进气总温T1*、增大燃气质量的同时也降低进入压气机的空气的比容，从而降低压气机所消耗的压缩功。
2.3在空调、制冷装置中的应用与优化
压缩制冷装置广泛用于工业及生活，压缩制冷循环示意图，如图5所示。
从冷藏室换热器出来的制冷剂被压缩机吸入，并被压缩，压力和温度提高，然后进入冷却器，被冷却后进入膨胀机膨胀做功，压力和温度大大下降，低温低压制冷剂进入冷藏室吸取热量，从而达到维持空调（冷藏）室低温的目的。压缩过程中压缩机所消耗的技术功决定了空调、制冷装置的性能和经济性，而压缩机所消耗的技术功的大小取决于压缩过程的性质。定温、定熵、多变三种情况下的p-v图和T-s图，如图6所示。其中，1-2s代表定熵压缩，1-2T代表定温压缩，1-2n代表多变压缩。从图中可看出，定温压缩过程曲线与纵横坐标所包围的面积最小，即消耗的技术功最少，压缩终了时工质的温度最低；绝热压缩过程曲线与纵坐标包围的面积最大，即消耗的技术功最多，压缩终了时工质的温度最高；多变压缩介于两者之间。即：
这是因为定温压缩过程中，被压缩工质放热，保持温度最低，使工质比容最低，消耗的技术功最少。所以在实际应用中压气机可采用冷却措施减少压气机消耗的功量，又可以降低压缩工质的温度，提高制冷装置效率。还可采用多级压缩，级间冷却的方法，减少压气机技术功的消耗量。理论上，分级越多，消耗的功量越少，因为级数越多，通过级间冷却过程越趋近于理想状态的等温压缩过程，但级数过多会使压气机构造过于复杂，工艺要求提高，成本增大，因此在实际运用可采用3到4级，这样可以达到最佳的经济效益。
2.4在热力发电装置中的应用与优化
在热力发电装置中，水泵输送水到锅炉，在锅炉中燃料燃烧使水变为过热水蒸汽，推动汽轮机发电，使用过的蒸汽将继续循环利用。在水循环过程中，水泵需要消耗外界提供的功来达到锅炉所需水的压力。根据技术功 wt的计算式（8），在稳态可逆工作设备中，比容越大，消耗的功量也越大，反之，比容越小，消耗的功量越小。所以热力发电厂的蒸汽冲击汽轮机做功后，需要送到冷却塔冷却，降低比体积 v，减少水泵加压所消耗的功，来减少水泵的功率和数目，以达到最佳经济效益。
3结语
对于航空活塞发动机，可以通过调整混合气余气系数、调整滑油温度、废气利用等方式提高体积功，提高发动机热效率，增大发动机功率；对于燃气涡轮发动机，可以提高压气机增压比提高发动机热效率，增大发动机推力；对于制冷装置，可以采用定温压缩代替定熵压缩降低压缩机的压缩功，节约电能；对于热力发电厂，冷却冲击汽轮机做功后的水蒸气可以减少水泵加压所消耗的功，减少水泵的功率和数目。
参考文献：
[1]王磊．热电厂中热能与动力工程的应用探讨[J]．城市建设理论研究，2013（2）
[2]许春生．燃气涡轮发动机[M]．北京：兵器工业出版社，2006
论文作者:钟云龙
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年9月下
论文发表时间:2016/9/7
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