雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機工作過程理論研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對于直升機、單人飛行器、飛行汽車、無人機等高緊湊性移動平臺將有更多的需求，而這些裝備無不要求極高的機動性；同時，隨著石油資源的日益枯竭、燃料價格的上漲以及對排放要求的日益苛刻，要求作為主要動力輸出裝置的發(fā)動機更加注重燃料的經(jīng)濟性。通過發(fā)動機的輕量化不僅可以提高移動平臺的機動性，而且可以減少耗油量，改善排放性能。發(fā)動機的輕量化可以通過改進結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝等方式實現(xiàn)，主要目的是提升發(fā)動機的功率密度

2、即發(fā)動機的升功率指標或功重比指標。傳統(tǒng)往復活塞式發(fā)動機由于受機構(gòu)限制，存在著諸多固有缺陷，其功率密度基本沒有大幅度提高的可能；三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機雖然具有較高的功率密度和較大的功重比，但是其固有的結(jié)構(gòu)缺陷和密封問題使其燃油消耗率和穩(wěn)定性都不理想。在世界發(fā)動機技術(shù)變革的新起點上，抓住機遇盡快研制出兼具往復活塞式發(fā)動機的穩(wěn)定性和三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的高功率密度等優(yōu)點的新型發(fā)動機刻不容緩。
　　論文研究來源于部委級重大項目，在差速式發(fā)動機的基礎上改

3、進創(chuàng)新，課題組提出了一款新型的雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機，克服了現(xiàn)有發(fā)動機存在的主要不足并保留了諸多傳統(tǒng)發(fā)動機成熟的設計經(jīng)驗。雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機具有作功密度高、排量大、體積小、重量輕等諸多優(yōu)良特性，從而有效地提升了發(fā)動機的輕量化程度。本文將對雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機在工作過程中存在若干理論問題進行研究，為工程樣機的試制及進行點火運轉(zhuǎn)試驗提供理論依據(jù)和技術(shù)指導。本文的主要內(nèi)容如下：
　　（1）設計并研究雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機的總體方案。首先研究雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動

4、機的總體結(jié)構(gòu)，對其中的能量轉(zhuǎn)換組件和差速驅(qū)動組件進行結(jié)構(gòu)設計和原理分析；探討雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機的工作原理，針對其工作過程的特殊性，研究了發(fā)動機四沖程循環(huán)的過程；為了保證發(fā)動機工作循環(huán)的順利進行，設計了潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等輔機裝置，并對氣缸進行了密封性設計及分析；介紹了燃燒放熱率、零維模型、準維模型及多維模型的特點，針對雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機的工作機理，探討了對其燃燒過程進行模擬的策略。雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，在獲取高功率密度等性能方面

5、具有如下技術(shù)優(yōu)勢：作功密度高；密封性好；燃燒方式多樣；工作腔的形狀有利于燃燒；動力缸傳力特性好，功率、扭矩輸出平穩(wěn)。雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機是一款具有重大研發(fā)潛力的新型高功率密度發(fā)動機。
　?。?）建立雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機工作過程的零維模型。分析雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機的工作過程及其熱力學特性，在模型假定條件的基礎上，建立能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和理想氣體狀態(tài)方程等基本熱力學微分方程；對發(fā)動機氣缸內(nèi)單個工作腔的工作過程進行熱力學分析，把整個熱力學過

6、程分為壓縮、燃燒、膨脹、排氣、壓縮-膨脹和進氣等6個子階段進行分析；然后建立求解熱力學微分方程組所需的相關(guān)約束關(guān)系和邊界條件，最終完成零維燃燒模型的創(chuàng)建。
　?。?）基于 MATLAB/Simulink仿真計算發(fā)動機工作過程的零維燃燒模型。分析雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機工作過程零維模型的求解方法，根據(jù)試制樣機的基本性能參數(shù)確定仿真模型必須的初始參數(shù)；利用狀態(tài)流函數(shù)模塊Stateflow進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對工作時序的判別；根據(jù)邊界條件的數(shù)學模

7、型，建立邊界條件的仿真模型；利用微分方程的求解方法，建立零維模型的主體仿真模型，并分別建立壓縮、燃燒等6個子階段仿真模型；最后根據(jù)主軸轉(zhuǎn)角的變化，完成在一個工作循環(huán)內(nèi)，對零維模型的數(shù)值計算。計算得出工作腔內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量、溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律。進而在理論上得到雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機的功重比、升功率等性能參數(shù)的數(shù)值解，科學地驗證了雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機確實是一款高功率密度發(fā)動機。
　?。?）利用 CFD技術(shù)對雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機進行多維模型的

8、數(shù)值模擬。建立多維模型所需的物理模型，利用動網(wǎng)格技術(shù)對不斷變化的工作腔進行了網(wǎng)格劃分；在基本假設的基礎上建立了多維模型所需的基本控制方程等數(shù)學模型；分析模擬工作腔內(nèi)復雜流場所需的湍流模型，并對燃燒模型、初始條件和邊界條件等進行了分析；利用FLUENT軟件對發(fā)動機的工作過程進行數(shù)值模擬，得到了工作腔內(nèi)部工質(zhì)流動的變化規(guī)律，證實了環(huán)形氣缸的設計更有利于燃燒，并與零維模型數(shù)值計算的結(jié)果進行對比，兩組數(shù)據(jù)相互驗證彼此的合理性，從而證明兩個模型均

9、是可用的，可以作為后續(xù)分析的理論基礎。
　?。?）在已研究的發(fā)動機熱力學特性的基礎上，研究差速驅(qū)動組件的動力學特性。首先定義其基本的動力學參數(shù)；運用矢量力學分析法建立其主要構(gòu)件的力、力矩平衡方程組；進而簡化成矩陣形式的動態(tài)靜力學理論計算模型；利用已研究的工作腔內(nèi)工質(zhì)壓力的計算數(shù)據(jù)，將此壓力作為施加于兩個轉(zhuǎn)子的動力輸入；在主軸轉(zhuǎn)速一定的條件下分析主要構(gòu)件的質(zhì)心運動規(guī)律并利用Matlab編程求解，進而求解差速驅(qū)動組件主要構(gòu)件的動力學特

10、性。利用多體動力學仿真軟件對差速驅(qū)動組件的運行過程進行動力學仿真，求解出相關(guān)約束力的變化規(guī)律曲線，仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果進行比較，校驗所建立理論模型的合理性。對發(fā)動機工作過程中的動力學特性進行研究，可以為后續(xù)的零部件的試制及強度校驗提供理論支撐。
　?。?）分析雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機電控系統(tǒng)的組成，探討了發(fā)動機電控系統(tǒng)的控制策略，進而研制原理樣機，進行初步的試驗分析和冷車測試。驗證雙轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機的差速運動特征，分析并驗證發(fā)動機的密封性