【正文】 sTUt轉(zhuǎn)子和飛輪動能的變分表示為：，2211ttrrTdJdt???????2211ttffJdt????????其中 為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量， 為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量， 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。本章的隔離扇轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)模型基于以下四條假設(shè)：（1）材料各向同性，且滿足胡克定律；（2）隔離扇根部與轉(zhuǎn)子為剛性固定，其根部截面處的轉(zhuǎn)角和撓度為零；（3）隔離扇為均勻材料，橫截面偏心矩為零；（4）隔離扇中面法線變形后仍保持與中面垂直，不考慮厚度方向正應(yīng)力，忽略橫向剪切和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。對于點(diǎn)火時刻，存在最佳角度范圍，提前或者延后都會造成輸出功率的下降。圖 和圖 分2.別為發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速為 和 時的有效功率節(jié)氣門開度關(guān)系曲線240r/in3r/i和有效效率節(jié)氣門開度關(guān)系曲線。由圖可知，隨轉(zhuǎn)速提高，發(fā)動機(jī)功率與其轉(zhuǎn)速大致成線性關(guān)系。 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)輸出性能計算26隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)目前處于原理驗(yàn)證階段，對其綜合性能的模擬計算可較為全面了解其性能特性，并為樣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計及改進(jìn)提供可靠參考。隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的機(jī)械損失具體而言，主要包括：隔離扇彈性變形引起的摩擦損失、燃?xì)鈮毫δΣ翐p失、其他零件接觸損失，其中隔離扇彈性變形摩擦損失和其他接觸損失始終存在于發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，燃?xì)鈮毫Φ哪Σ翐p失則只存在于做功過程。28電熱塞的安裝位置決定了點(diǎn)火時刻，也就決定了發(fā)動機(jī)的熱效率。反之，若點(diǎn)火時刻后延，溫度與壓力曲線峰值隨后延增加而減小，減小幅度隨之增加。由圖可知，相同漏氣面積下，通過漏氣間隙的氣體流量隨著壓縮過程壓力不斷升高而增加，可燃?xì)怏w質(zhì)量變化率也不斷升高。%6 圖 理想與傳熱壓力曲線 圖 理想與傳熱溫度曲線21圖 功率和指示效率傳 熱 工 況 下 輸 出 漏氣損失因素動力裝置尺寸變小，意味著微小型發(fā)動機(jī)的漏氣量所占的比例將較傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的漏氣量更大，所以，漏氣損失因素也越必須予以考慮。20 傳熱損失因素微小型隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的熱量損失主要?dú)w因于其較大的面容比，當(dāng)其傳熱損失大于其熱量產(chǎn)生率時，燃燒過程不再進(jìn)行。如圖 所示，為工質(zhì)質(zhì)量一定時，計算得到的發(fā)動機(jī)理想工況下不同轉(zhuǎn)速的性能特性。min/30r 初始條件及模型驗(yàn)證利用之前建立的各部分模型對隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)工作過程進(jìn)行數(shù)值模擬時，首先需要確定仿真過程初始條件和邊界條件，這關(guān)系著仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。壓縮與做功過程熱力學(xué)方程為：（）????dmVdQpcw???1燃燒過程缸內(nèi)熱力學(xué)方程為：（）?? dpddp cwc)(1隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)在工作過程中排氣和進(jìn)氣不存在重疊角度，由方程（）、（）、（）可得到排氣階段熱力學(xué)方程為：（）?????dVpQRTdmVpwc???12進(jìn)氣過程熱力學(xué)方程為：（）??dVpdpwc1其中， 為輸出軸的轉(zhuǎn)角， 為進(jìn)入燃燒室的工質(zhì)質(zhì)量， 為進(jìn)入燃燒?inminh室的工質(zhì)的焓， 為燃燒室內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量， 為廢氣質(zhì)量， 為廢氣的焓，c out out為氣體燃燒放出的熱量， 為工質(zhì)與壁面的傳熱損失， 、 、 分別為燃cQwQpT燒室的壓力、容積、溫度。0???其中， 為隔離扇自由端彎矩， 為隔離扇自由端集中載荷， 為隔離MpEI扇彎曲剛度， 為隔離扇自由端水平位移， 為隔離扇懸置段積分長度， 為l L0L隔離扇懸置段實(shí)際長度， 為隔離扇撓度。燃燒13室由轉(zhuǎn)子、隔離扇、氣缸及前后端蓋圍成，因?yàn)槿紵覊嚎s比的決定因素為轉(zhuǎn)子火力側(cè)型線和氣缸型線等。為避免轉(zhuǎn)子在工作過程中膨脹卡死，以及高溫對其強(qiáng)度特性的影響，本文在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工作剛度的條件下在轉(zhuǎn)子內(nèi)設(shè)置空腔，這樣既可增強(qiáng)散熱，也可減輕轉(zhuǎn)子重量。圖 發(fā)動機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)裝配圖圖 中，前缸蓋、氣缸和后端蓋通過螺栓連接在一起，輸出軸通過軸承安裝于前缸蓋與后端蓋上。準(zhǔn)維模型將發(fā)動機(jī)燃燒室分為兩個部分：已燃區(qū)域、未燃區(qū)域。（5）計算分析隔離扇轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性。（1）總結(jié)當(dāng)前國內(nèi)外微型動力系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，說明微小型發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢，闡明隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，明確發(fā)動機(jī)中微小尺度空間流動、燃燒特性和隔離扇轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性。由簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的設(shè)計理念和工作原理不難發(fā)現(xiàn)，其有如下特點(diǎn)：（1）簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)部件外型結(jié)構(gòu)簡單，既可降低成本又可達(dá)到很高的加工精度，可以解決軸向密封的問題；（2）簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)精簡了傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)，省去了傳統(tǒng)往復(fù)式發(fā)動機(jī)中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，提高了傳動效率，避免了慣性力和慣性力矩的平衡問題；（3）簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)中無偏心結(jié)構(gòu)，故可避免轉(zhuǎn)動不平衡帶來的不良影響，減少振動，降低噪音；（4）簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)需要潤滑的部件數(shù)目少，可以大大簡化整體結(jié)構(gòu)；（5）采用柔性簧片轉(zhuǎn)子，簧片與轉(zhuǎn)子緊貼缸體內(nèi)壁，解決了徑向密封問題；（6）宏觀來看，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)由剛性燃燒室向柔性燃燒室的過渡。前后端蓋、前后簧片、轉(zhuǎn)子、缸體圍成燃燒室，簧片一端固聯(lián)于轉(zhuǎn)子溝槽中，另一端依靠彈性與氣缸壁保持接觸，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周過程中，每個燃燒室完成一次工作循環(huán)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。 [35]、m?20Melish[36]及 [37]在實(shí)驗(yàn)中分別驗(yàn)證了甲烷與空氣的可燃混合氣在MiesBoyark內(nèi)徑的圓管中持續(xù)燃燒的可行性。微尺度下燃燒火焰的傳播和宏觀下火焰的傳播存在很大差別。因?yàn)閷恿鲗α鞯膿Q熱系數(shù)和流動空間特征尺度的平方根之間滿足反比關(guān)系，所以流體空間特征長度變小時，會引起對流換熱系數(shù)的增大，造成熱損失增加。各地研究人員對最新設(shè)計的各種微燃燒裝置，均從理論分析、數(shù)值計算和實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了研究。4圖 結(jié)構(gòu)原理圖 [9]微 型 對 置 式 活 塞 發(fā) 動 機(jī)由以上調(diào)研可知，微小型發(fā)動機(jī)研究已經(jīng)進(jìn)入了樣機(jī)試制及實(shí)驗(yàn)階段。相比活塞式發(fā)3動機(jī)，這種機(jī)構(gòu)可以減少振動，另外這種結(jié)構(gòu)沒有普通內(nèi)燃機(jī)的“死點(diǎn)”，不需借助外力即能啟動。然而，該微型燃?xì)廨啓C(jī)面臨著兩個基本問題：精密軸承上轉(zhuǎn)子在設(shè)計轉(zhuǎn)速2下旋轉(zhuǎn)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。因此研究人員普遍傾向于在已有發(fā)動機(jī)工作原理基礎(chǔ)之上，通過改變發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式來克服傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易微小型化等缺點(diǎn)，全球幾個研究機(jī)構(gòu)在這種思路上進(jìn)行了有益的嘗試。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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能或機(jī)械能，進(jìn)而為各種自動機(jī)器人、無線電子器件、微型飛行器、便攜式電腦等產(chǎn)品提供其所需的動力，這些產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中需要 的輸入功率。關(guān)鍵詞：隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī) 燃燒室性能 幾何非線性 數(shù)值模擬 微小型機(jī)械 IIIDesign of Micropower Engine’s Structure and its Analyses Abstract：The proposal of the concept of micro electromechanical system promotes the development of micropower system, whose smaller size, higher energy storage and a wider range of power output and applying stable, which makes it a wide range of application market and bright prospects for its development. While now this field is not mature. Based on this background, this article presents a micro isolatedwing flexible rotary engine, whose flexible characteristics make it a unique advantage. Based on the concept prototype and to understand its performance and structural dynamics, the main contents of this article are as below:1. According to the principle of the engine, the whole structure and subsystems were designed, and thermodynamic model of the engine ,combustion heat release model revised based on the threedimensional numerical simulation process was established in the article. On this basis, the article calculated the bustion performance and discussed the influence of the bustion performance factors and pointed out the rules of its impact on performance. The results show that the displacement of bustion chamber of the engine is , and the cated thermal efficiency under the design speed conditions is a%28nd taking into account the mechanical loss the engine maximum output power reaches and the effective efficiency is .W69 912. This article built bustion heat release model revised based on the chamber fuel gas flow process and the threedimensional numeriIVcal simulation process. On this basis, the article discussed the influence of the bustion size and working conditions on performance.3. Against the isolated wingrotor rigidflexible coupling characteristics and isolatedwing geometry nonlinear elastic deformation during its working process, in order to examine the structural dynamic strength of the isolatedwing and the engine dynamics, the nonlinear dynamics theory model of isolated wingrotor rigidflexible system with wide range rotation was established, which laid the foundation on accurately calculating the dynamic characteristic. Key Words: isolatedwing flexible rotary engine?；诖耍疚奶岢鲆环N微小型隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，其中隔離扇轉(zhuǎn)子的柔性特點(diǎn)使其具有諸多獨(dú)特優(yōu)勢。通過對燃燒過程的數(shù)值模擬計算分析了燃燒室氣流流動和燃燒性能。這主要是因?yàn)樵赟ystem haniclelctro Mi℃ES通信技術(shù)、航空航天、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域內(nèi)，體積小、儲能高、質(zhì)量輕、功率輸出大的微小型動力系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景，例如小型機(jī)器人、多點(diǎn)分散型通信設(shè)備、 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。液態(tài)碳?xì)浠衔锏娜紵a(chǎn)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(bǔ)充液態(tài)燃料較電池充電更為簡單、便捷。通過對流傳熱作用可知，可燃混合氣在樣機(jī)內(nèi)流動時，燃燒室壁面的熱量會對其進(jìn)行預(yù)熱。目前該研究團(tuán)隊(duì)正在研制直徑為 和 、目標(biāo)輸出功率為 的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，其設(shè)計14. W10~轉(zhuǎn)速可達(dá)到 。對置活Ei)Kk pit r(MECS塞及氣缸構(gòu)成燃燒室，安裝在氣缸頂部的螺旋彈簧可為活塞提供回復(fù)力，發(fā)動機(jī)利用電磁感應(yīng)來提取能量，即通過活塞往復(fù)切割交流線圈產(chǎn)生感應(yīng)電能。目前，微小型發(fā)動機(jī)的研究剛剛起步。燃燒尺度達(dá)到微尺度時，之前各種影響因素的相對重要性會發(fā)生變化，許多宏觀氣體流動中未被考慮的因素可能會在微尺度下成為主要的影響因素 [14][15]，5而其呈現(xiàn)出的新規(guī)律主要表現(xiàn)為：微小型燃燒裝置中，盡管流體流動的特征尺度屬毫米至微米級，但該尺度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子之間的平均自由程，故連續(xù)介質(zhì)假設(shè)仍然成立。為保證混合氣充分混合，駐留時間應(yīng)較擴(kuò)散時間更大。文獻(xiàn) 分別利用試[32]℃1[0]29[8]7℃[26]驗(yàn)和理論詳細(xì)分析了淬熄現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，共同指出淬熄發(fā)生的主要原因是熱淬熄以及自由基淬熄。在燃燒室中引入簧片，以其柔性可使工作過程變得柔和、各部件所