本課題組提出了一種新型追趕式微型旋轉(zhuǎn)擺式發(fā)動(dòng)機(jī),該微型熱機(jī)具有相對(duì)熱效率高、功重比大等特點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)微型化后面容比增大,腔內(nèi)工質(zhì)和接觸壁面熱交換增強(qiáng),熱損失增大,傳熱對(duì)微型旋轉(zhuǎn)擺式發(fā)動(dòng)機(jī)的影響不可忽略。本文基于該問(wèn)題,開展了微型旋轉(zhuǎn)擺式發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱特性及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究。主要工作和結(jié)論如下:基于微型旋轉(zhuǎn)擺式發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理,建立發(fā)動(dòng)機(jī)腔內(nèi)工質(zhì)-腔體-環(huán)境的傳熱模型,完善了發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的熱力學(xué)模型。初步仿真計(jì)算得到計(jì)入工質(zhì)與腔體熱交換后發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程參數(shù)與性能,為后續(xù)腔體熱負(fù)荷相關(guān)計(jì)算以及計(jì)入工質(zhì)與壁面熱交換后整機(jī)性能變化研究奠定基礎(chǔ)。通過(guò)處理初步計(jì)算的結(jié)果得到工質(zhì)的當(dāng)量循環(huán)平均溫度和換熱系數(shù),作為腔體與轉(zhuǎn)子活塞溫度場(chǎng)計(jì)算的邊界條件。腔體壓縮沖程位置為局部低溫區(qū)(840K左右),燃燒/膨脹與排氣沖程位置為相對(duì)高溫區(qū)(1140K左右),溫差較大。轉(zhuǎn)子活塞溫度較為均勻(1010K左右),頂部稍高于輪轂。熱負(fù)荷作用下腔體尖角處變形最大達(dá)385μm;腔體內(nèi)壁向外膨脹(最小201.1μm),其變形量小于轉(zhuǎn)子活塞(最大238μm),實(shí)際工作中會(huì)出現(xiàn)“拉缸”現(xiàn)象。基于完善后的傳熱模型及腔體與轉(zhuǎn)子活塞溫度場(chǎng),仿真計(jì)算了腔內(nèi)工質(zhì)與接觸面發(fā)生換熱后更真實(shí)情況下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。計(jì)入傳熱后,壓縮受影響最大,壁面給工質(zhì)傳遞熱量,壓縮過(guò)程工質(zhì)溫度上升顯著,壓縮損耗變大。輸出功率從絕熱時(shí)的2.818kW降至1.700kW,熱效率從絕熱時(shí)的17.288%降至12.061%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)每降低壁溫100K,熱效率提升0.5個(gè)百分點(diǎn),相對(duì)增幅度4.2%。另外,泄漏流所傳遞交換的熱量較之壁面跟工質(zhì)的換熱是相對(duì)小量。最后發(fā)現(xiàn)尺寸越小,面容比越大,功率下降幅度大于尺寸減小的三次方,性能下降尤為明顯。發(fā)動(dòng)機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)泄漏造成的熱效率降幅(35.57%)大于傳熱造成的熱效率降幅(30.06%),而高頻時(shí)傳熱所造成損失較之泄漏更大。較之熱效率,功率對(duì)于頻率的敏感性更高。通過(guò)合理的參數(shù)優(yōu)化,壁溫下降200K及對(duì)流換熱系數(shù)減小50W/(m~2?K),MSRE的性能相對(duì)提升幅度較大,功率在100Hz時(shí)升至2628W,熱效率在53Hz時(shí)升至17.703%。基于課題組現(xiàn)有的原理樣機(jī),通過(guò)電機(jī)拖拽轉(zhuǎn)動(dòng)驗(yàn)證了其運(yùn)動(dòng)可行性。靜摩擦阻力矩在0.15N·m左右,結(jié)合性能曲線可知其自運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速約在500rpm。低轉(zhuǎn)速下電機(jī)倒拖點(diǎn)火試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比0.8時(shí)點(diǎn)火連續(xù)性最好;采用分段式覆蓋測(cè)量,循環(huán)過(guò)程腔內(nèi)工質(zhì)溫度、壓力大幅低于理論計(jì)算值,試驗(yàn)中實(shí)際的不可逆因素影響相當(dāng)大。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V231
【部分圖文】：

也逐漸得到了某些科研機(jī)構(gòu)的重視青睞[5]。如圖1.1所示，碳?xì)淙剂暇哂休^高的能量密度[6]（平均約為12.34kW·hr/kg），是當(dāng)前市場(chǎng)上可見鋰電池的50倍，而只要約3%系統(tǒng)效率即可與之匹敵。因此可見碳?xì)淙剂蠟榛A(chǔ)的微型能源動(dòng)力系統(tǒng)是便攜式能量供給單元的較優(yōu)選擇。圖 1.1 燃料與化學(xué)儲(chǔ)能電池能量密度比較隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，MEMS 技術(shù)得以迅速發(fā)展，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多種微型動(dòng)力機(jī)械被發(fā)展研究，并且很大一部分時(shí)是通過(guò)適當(dāng)?shù)目s小內(nèi)燃機(jī)及發(fā)電系統(tǒng)的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)為微型化設(shè)備供能。微型熱機(jī)的整體幾何尺寸通常在厘米量級(jí)，燃燒室則在毫米量級(jí)，氣動(dòng)部件的某些特征尺寸更是要求控制在微米量級(jí)。在這樣的微小系統(tǒng)中

圖 1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱研究與相關(guān)過(guò)程關(guān)系微型化后，面容比急劇增大，發(fā)動(dòng)機(jī)熱耗散較之常規(guī)內(nèi)燃機(jī)更為嚴(yán)重，定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素及其相互之間的關(guān)系發(fā)生顯著變化，因此對(duì)發(fā)動(dòng)交換、腔體自身導(dǎo)熱以及外壁面的散熱研究顯得尤為重要，如圖 1.2 所后，燃料在燃燒室內(nèi)滯留時(shí)間變短、面容比增大引發(fā)的熱損失變大，有增強(qiáng)，導(dǎo)致微小空間內(nèi)的著火、穩(wěn)定和高效燃燒變得更加困難。結(jié)構(gòu)的大間后機(jī)體可能出現(xiàn)壓縮腔位置腔體溫度較高，這對(duì)于壓縮沖程而言是不而對(duì)于燃燒腔位置而言，在保證安全的材料熱負(fù)荷情況下，如果出現(xiàn)過(guò)質(zhì)不能進(jìn)行有效的做功。題組提出了微型旋轉(zhuǎn)擺式發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案，目前初步掌握了其機(jī)構(gòu)運(yùn)的特點(diǎn)，并著重研究了泄漏的影響。而傳熱的問(wèn)題在微型旋轉(zhuǎn)擺式發(fā)動(dòng)相關(guān)過(guò)程及整機(jī)性能輸出，隨著研究深入，發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱問(wèn)題的研究必不擺式發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體傳熱展開研究，以期獲得其傳熱規(guī)律及其對(duì)整機(jī)性能化及發(fā)動(dòng)機(jī)熱調(diào)控提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。外研究現(xiàn)狀

（b）實(shí)物剖面圖圖 1.3 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)典型代表如三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，不設(shè)置進(jìn)排氣閥門，結(jié)構(gòu)更緊湊，容積利用程師 Wankel 于 1957 年首次提出發(fā)明，UC Berkley 研究人員針對(duì)這種轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)研究，圖 1.4 所示。但是內(nèi)部轉(zhuǎn)子和缸體間的線接觸使得磨損嚴(yán)重，泄漏和摩擦[9]，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)屬于偏心安裝，系統(tǒng)的不平衡震動(dòng)不易解決。另外氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)子所處、變化較大，轉(zhuǎn)子熱負(fù)荷大，難以實(shí)施有效的散熱冷卻。該發(fā)動(dòng)機(jī)以氫氣作為燃pm 時(shí)獲得了 3.8W 的輸出功率，熱功效率不到 0.5%，這是很不理想的。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2828001