微型旋转摆式发动机传热特性及其对整机性能影响研究

发布时间：2020-09-27 14:35

　　本课题组提出了一种新型追赶式微型旋转摆式发动机,该微型热机具有相对热效率高、功重比大等特点。发动机微型化后面容比增大,腔内工质和接触壁面热交换增强,热损失增大,传热对微型旋转摆式发动机的影响不可忽略。本文基于该问题,开展了微型旋转摆式发动机传热特性及其对发动机性能影响的研究。主要工作和结论如下:基于微型旋转摆式发动机工作原理,建立发动机腔内工质-腔体-环境的传热模型,完善了发动机工作过程的热力学模型。初步仿真计算得到计入工质与腔体热交换后发动机过程参数与性能,为后续腔体热负荷相关计算以及计入工质与壁面热交换后整机性能变化研究奠定基础。通过处理初步计算的结果得到工质的当量循环平均温度和换热系数,作为腔体与转子活塞温度场计算的边界条件。腔体压缩冲程位置为局部低温区(840K左右),燃烧/膨胀与排气冲程位置为相对高温区(1140K左右),温差较大。转子活塞温度较为均匀(1010K左右),顶部稍高于轮毂。热负荷作用下腔体尖角处变形最大达385μm;腔体内壁向外膨胀(最小201.1μm),其变形量小于转子活塞(最大238μm),实际工作中会出现“拉缸”现象。基于完善后的传热模型及腔体与转子活塞温度场,仿真计算了腔内工质与接触面发生换热后更真实情况下发动机的性能。计入传热后,压缩受影响最大,壁面给工质传递热量,压缩过程工质温度上升显著,压缩损耗变大。输出功率从绝热时的2.818kW降至1.700kW,热效率从绝热时的17.288%降至12.061%。同时发现每降低壁温100K,热效率提升0.5个百分点,相对增幅度4.2%。另外,泄漏流所传递交换的热量较之壁面跟工质的换热是相对小量。最后发现尺寸越小,面容比越大,功率下降幅度大于尺寸减小的三次方,性能下降尤为明显。发动机低频运行时泄漏造成的热效率降幅(35.57%)大于传热造成的热效率降幅(30.06%),而高频时传热所造成损失较之泄漏更大。较之热效率,功率对于频率的敏感性更高。通过合理的参数优化,壁温下降200K及对流换热系数减小50W/(m~2?K),MSRE的性能相对提升幅度较大,功率在100Hz时升至2628W,热效率在53Hz时升至17.703%。基于课题组现有的原理样机,通过电机拖拽转动验证了其运动可行性。静摩擦阻力矩在0.15N·m左右,结合性能曲线可知其自运转转速约在500rpm。低转速下电机倒拖点火试验中发现当量比0.8时点火连续性最好;采用分段式覆盖测量,循环过程腔内工质温度、压力大幅低于理论计算值,试验中实际的不可逆因素影响相当大。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V231
【部分图文】：

储能电池,能量密度

也逐渐得到了某些科研机构的重视青睐[5]。如图1.1所示，碳氢燃料具有较高的能量密度[6]（平均约为12.34kW·hr/kg），是当前市场上可见锂电池的50倍，而只要约3%系统效率即可与之匹敌。因此可见碳氢燃料为基础的微型能源动力系统是便携式能量供给单元的较优选择。图 1.1 燃料与化学储能电池能量密度比较随着科学技术水平的不断进步，MEMS 技术得以迅速发展，现阶段国内外已经有多种微型动力机械被发展研究，并且很大一部分时是通过适当的缩小内燃机及发电系统的尺寸来实现为微型化设备供能。微型热机的整体几何尺寸通常在厘米量级，燃烧室则在毫米量级，气动部件的某些特征尺寸更是要求控制在微米量级。在这样的微小系统中

相关过程,发动机

图 1.2 发动机的传热研究与相关过程关系微型化后，面容比急剧增大，发动机热耗散较之常规内燃机更为严重，定系统性能的关键因素及其相互之间的关系发生显著变化，因此对发动交换、腔体自身导热以及外壁面的散热研究显得尤为重要，如图 1.2 所后，燃料在燃烧室内滞留时间变短、面容比增大引发的热损失变大，有增强，导致微小空间内的着火、稳定和高效燃烧变得更加困难。结构的大间后机体可能出现压缩腔位置腔体温度较高，这对于压缩冲程而言是不而对于燃烧腔位置而言，在保证安全的材料热负荷情况下，如果出现过质不能进行有效的做功。题组提出了微型旋转摆式发动机的设计方案，目前初步掌握了其机构运的特点，并着重研究了泄漏的影响。而传热的问题在微型旋转摆式发动相关过程及整机性能输出，随着研究深入，发动机传热问题的研究必不摆式发动机的机体传热展开研究，以期获得其传热规律及其对整机性能化及发动机热调控提供理论基础和指导。外研究现状

剖面图,转子发动机,三角转子发动机,进排气阀

（b）实物剖面图图 1.3 微型燃气轮机发动机典型代表如三角转子发动机，不设置进排气阀门，结构更紧凑，容积利用程师 Wankel 于 1957 年首次提出发明，UC Berkley 研究人员针对这种转子发动机研究，图 1.4 所示。但是内部转子和缸体间的线接触使得磨损严重，泄漏和摩擦[9]，转子结构属于偏心安装，系统的不平衡震动不易解决。另外气缸内转子所处、变化较大，转子热负荷大，难以实施有效的散热冷却。该发动机以氢气作为燃pm 时获得了 3.8W 的输出功率，热功效率不到 0.5%，这是很不理想的。

【参考文献】