【正文】 ...................... 29 第 3 章 隔離扇 轉子非線性動力學研究 ...................... 31 剛 柔耦合非線性動力學的理論模型 ................................ 31 彈性隔離扇的運動學方程 .................................. 31 隔離扇總體坐標系下的有限元位形描述 ...................... 32 隔離扇 轉子剛柔耦合動力學方程 ........................... 34 隔離扇靜態(tài)結構強度計算 ......................................... 37 隔離扇材料的選取 ........................................ 37 隔離扇結構設計 .......................................... 37 隔離扇靜態(tài)強度校核 ...................................... 38 隔離扇 轉子多柔體動力學仿真模型 ................................ 40 多柔體動力學仿真模型的建立 .............................. 40 約束與載荷施加 .......................................... 40 隔離扇 轉子動力學特性分析 ...................................... 41 隔離扇 氣缸接觸力計算 ................................... 41 隔離扇運動學特性 ........................................ 42 VII 隔離扇 轉子動應力計算 ................................... 43 輸出軸扭矩特性 .......................................... 46 隔離扇動力學特性參數(shù)化分析 ..................................... 47 隔離扇長度因素 .......................................... 47 隔離扇厚度因素 .......................................... 48 本章 小結 ....................................................... 49 結論 ................................................... 51 1．全文總結 ........................................................ 51 2．論文創(chuàng)新點 ...................................................... 53 3．展望 ............................................................ 54 參考文獻 ............................................... 55 致謝 ................................................... 59 1 第 1 章 緒論 研究背景 世界 科 學 技 術 的 快 速 發(fā) 展 促進 了 微 型 機 電 系 統(tǒng)（ S ys t e m ha ni c a le le c t r ome c M ic r o，M E M S ）研究領域 的發(fā)展 。這主要是因為在通信 技術、 航空航天、軍事應用等領域內，體積小、儲能高、質量輕、功率輸出大的微小型動力系統(tǒng) 具有 良好的應用前景， 例 如小型機器人、多點分散型通信設備 、 MEMS 引信、軍用通信偵察小型衛(wèi)星 、 微小型飛行器、微小型執(zhí)行器 等 等。但目前微型動力系統(tǒng)的發(fā)展 僅是 剛剛起步， 因此 多個國家 及 研究機構 均正 聚焦于此研究方向。 基于該 背景， 建立于 不同原理 上 的微小型動力系統(tǒng)如微燃燒器或輻射器、微熱光電系統(tǒng)（ S ys t e m ov ol t a i cT he r mop ho t M i c r o，T P VM i c r o ） [1][2]、微熱電系統(tǒng) [3]、微型發(fā)動機 、 微推進系統(tǒng)、微透平發(fā)電機 等 等應運而生。微型動力系統(tǒng)通過將高能量密度的液態(tài)燃 料具有的化學能轉化為電能或機械能， 進而 為各種自動機器人、無線電子器件 、 微型飛行器、便攜式電腦等產品提供 其 所需 的 動力，這些產品 在 實際應用 中 需要 W100~1 的輸入功率。 與 電池 不同 ，微型發(fā)動機 通過 燃燒液態(tài)碳氫化合物 ， 以電能或機械能方式輸出能量， 其 具有較大 的 能量密度和 較 穩(wěn)定的輸出功率。 據調查， 碳氫化合物能量密度為 kgMJ /5040? ，而應用于 日常 便攜式電腦 和 手機產品的鋰離子電池 的 能量密度只有約 kgMJ / ? [4]， 即便 考慮到化學能轉化為熱能時的 部分 能量損失， 例 如 供能 效率為 6%時，同質量 下 的碳氫化合物 產生的能量是 電池輸出能量的 5 倍 。 此外 ，電池在使用中 ， 其端電壓呈現(xiàn)衰減趨勢，這 不僅 無法滿足用電設備 對能量 的需要， 甚至 還會對其產生損害， 這 不利于用電設備的長期穩(wěn)定 、 安全地 運行，各種燃料 的 能量密度 和 電池的端電壓 變化 曲線如圖 所示。在保證燃料供應的情況下，微型發(fā)動機可以源源不斷 地 輸出穩(wěn)定功率， 以 保證可靠 、 及時地 完成 工作 任務 。液態(tài)碳氫化合物 的 燃燒產物主要 包括 二氧化碳和水蒸氣， 這 相對于電池的處理 更為 清潔、環(huán)保， 且 補充液態(tài)燃料 較 電池充電 更為 簡單、便捷。另外，對 具備 較高能量密度的燃料電池來說， 盡管 基于氫的微型燃料電池已研制成功 ， 其依然需要轉化裝置來 對 液態(tài)碳氫化合物中的氫 進行 提取。 2 1234024681234460 329 164155 90 70 5502020400060008000100001202014000比內能 /(Whr/Kg)液態(tài)HC燃料（異辛烷） 20%發(fā)動機10%發(fā)動機鋅空氣電池 鋰電池 堿性電池 聚合物鋰電池 鋰離子電池 鎳氫電池 鎳鎘電池 圖 各裝置燃料 能量密度 和 電池端電壓特性 微小型動力系統(tǒng)發(fā)展概述 內燃機及燃氣輪機經過 很長一段 時間的研究與改進，已經進入相當成熟的階段，壓縮、燃燒、做功成為目前普 及 最廣 、最有效的能量提取方式， 而且 這兩種發(fā)動機的能量轉換效率明顯 較 其他形式的動力裝置 更高 。因此研究人員 普遍 傾向于在已有發(fā)動機工作原理基礎 之上 ，通過改變發(fā)動機 的 結構形式 來 克服傳統(tǒng)發(fā)動機結構復雜、不易微小型化 等 缺點， 全球 幾個研究機構在這 種思路上 進行了有益的嘗試。 微型燃氣輪機 1996 年 ， 麻省理工學院 Turbine Gas 實驗室開始對微型燃氣輪機 展開 研究 和開發(fā) [5][6]，如圖 所示 ， 是其 微型燃氣輪機示意圖。 實驗室的 研究人員利用MEMS 加工技術，在硅片上制作出 了 微型燃氣輪機 的 樣機，其外形尺寸 ： 邊長mm21 ，厚 mm3 。轉子 一側 連接壓氣機 ， 另一側連接 渦輪，其中壓氣機直徑為mm8 ，渦輪直徑 mm6 。 在工作 時 ，空氣 從 進氣口 處 進入壓氣機， 經 壓氣機壓縮后由噴管將 空氣 加速并 使之 在通道內與 可燃氣體 充分混合，經 過 擴壓管增壓后 混合氣 進入燃燒室 進行燃燒，由燃燒室流出的高溫氣體 可以 推動渦輪做功。 通過 對流傳熱作用 可知 ，可燃混合氣在樣機內流動 時 ，燃燒室壁面的熱量 會 對其進行預熱。該樣機需借助外部空氣 進行 啟動，額定工況 下 每秒消耗空氣 （ 約 ），產生 的推力或 W17 的旋轉機械功。 且該 微型燃氣輪機 樣機的 運動部件 的 振動頻率超出 了人耳的頻率范圍。 然而， 該微型燃氣輪機面臨 著 兩個基本問題：精密軸承上轉子在設計轉速下旋轉 的 平衡問題 和 可燃混合氣微米 級 尺度下的持續(xù)穩(wěn)定燃燒問題。 3 圖 麻省理工學院 微型燃氣輪機示意圖 [6] 微型三角轉子發(fā)動機 2020年加州大學伯克利分校（ UBC ）的研究人員開始了微型三角轉子發(fā)動機的研究工作 ， 主要 利用 了 三角轉子發(fā)動機結構平面化的特點。其設計 、 加工了排量在 33 348~78 mmmm 之間 、整 機尺寸在 cm1 左右的 MEMS 級轉子發(fā)動機 樣機 。據悉 ，其排量為 3348mm 的轉子發(fā)動機 樣機 在轉速為 min/9300r 時最大輸出功率為 ，試驗 中使用了 以 氫氣 為燃料的 可燃混合氣，樣機如圖 3 所示 [7]。 該 樣機面臨的問題 主要 是徑向 和 轉子端面處的漏氣現(xiàn)象。目前 該 研究團隊正在研制直徑為 mm1 和 、目標輸出功率為 mW100~10 的轉子發(fā)動機， 其 設計轉速可達 到 min/40000r 。 圖 加州大學伯克利分校 微型三角轉子 發(fā)動機樣機 [7] 微型擺式發(fā)動機 密歇根大學采用 了 新型結構形式 對 微 型 擺 式 發(fā) 動 機（ M I C S E e ng i ne , s w i ng c omb us t i on i nte r na l mi c r o ） [8]進行開發(fā)。 這種發(fā)動機通過做 回轉 擺動的自由活塞實現(xiàn)可燃 混合氣 的壓縮、 做功 和排氣過程。相比活塞式發(fā)動機，這種 機構 可以減少振動，另外 這種結構 沒有普通內燃機的“死點”，不需借助外力即 能 啟動。 該項目的 研究人員 通過 電火花線切割加工技術制作 了 設計功 4 率為 W65 的 樣機， 其 尺寸為 mm61 、 mm61 、 mm34 ， 且 以氫氣 或者 甲烷為燃料，其 樣機如圖 所示。 該 樣機中 未 采用 任何 主動密封裝置，而是 完全 依靠微米級加工精度來保證 結構的 充 分密封。 但是， 目前 還沒有該 樣機實際輸出功率的報道。 圖 微型擺式發(fā)動機 原理圖 及其 樣機 [8] 微型對置自由活塞發(fā)動機 C e nt e r T e c hn ol og y H on e yw e ll G e or gi a 和 ）A F R L（L a bR e s e a r c h F o r c eA ir 目前 正在研究一種對置 式 自由活塞發(fā)動機 E ng ine )K no c k pi s t on F r e e ( M E C S ，如圖 5 所示 [9]， 是其 結構原理 圖 。對置活塞及氣缸 構成燃燒室 ，安裝在氣缸頂部的螺旋彈簧 可為 活塞提供 回復 力，發(fā)動機利用電磁感應來提取能量，即通過活塞往復切割交流線圈產生 感應 電能。樣機 通過 活塞 和 氣缸 之間 的配合 來 實現(xiàn)密封，無專門 的密封措施， 故 泄漏現(xiàn)象 仍舊 存在。 該 微型發(fā)動機 樣機 結構簡單，易于加工，但 其對于 空間 的 利用率低， 而且還 需 專門的 控制 及 執(zhí)行機構 來 確保兩活塞 可同步工作， 這樣便 增加了樣機的 結構 復雜 程度 。 圖 微型對置式活塞發(fā)動機 結構 原理圖 [9] 由以上 調研 可知 ，微小型發(fā)動機研究 已經 進入 了 樣機試制及實驗階段 。 這 可證明 微型發(fā)動機 的研究 是可行的， 盡管 現(xiàn)有 的 發(fā)動機在功率、效率、密封等方面尚存諸多問題 ，但這些問題皆 可以 通過改進設計 方案和 提高加工精度 來 解決。 5 微型發(fā)動機的發(fā)展趨勢 對 微細加工 的研究和 微尺度燃燒的進步 為 微 小 型發(fā)動機研究的發(fā)展 提供了有利支持 。 微 小 型發(fā)動機在眾多領域 有著 廣泛的應用前景 ， 這 為微型發(fā)動機的 研發(fā)與 發(fā)展提供了動力。 未來 微 小 型發(fā)動機的發(fā)展趨勢 可歸納為 ：新型結構 及 工作原理 和 新型材料的探索 [5]；微尺度下 的 流體流動、微燃燒特性 和 熱力學理論的研究； 對微細加工技術的 深入研究 ，解決微尺度密封問題。 目前， 微 小 型發(fā)動機的 研究 剛剛起步 。 對微 小 型發(fā)動機的研究， 可 帶動微尺度流動 和 燃燒等基礎課題的開展。 微尺度燃燒研究現(xiàn)狀 微尺度下燃燒特性 和 可燃混 氣體 燃燒組織的研究 始終 是研究人員 在 微小型動力系統(tǒng)中面臨的重要課題。 各地 研究人員對 最新設計的 各種微燃燒裝置， 均 從理論分析、數(shù)值計算和實驗研究 等角度 ，對系統(tǒng)中微尺度流動 、 燃燒存在的 諸多問題進行了研究。 微尺度流動 、 燃燒面臨的問題 微尺度流動研究面臨的 首要 問題 就是 尺度 的 劃分 問題 ， 目前 還 沒有統(tǒng)一的 對燃燒尺度 劃 分標準。 Shah [10]定義 氣體 通道尺寸小于 mm6 時為小尺度，Kandlikar [11]則指出小尺度 的 界限 應 為 mm3 ， m?200 是 微尺度界限 ，