【正文】 ..............................5 微尺度空間燃燒可行性的研究 ...............................6 簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理 ....................................7 研究目的及研究內(nèi)容 ..............................................9 研究目的及意義 ...........................................9 研究內(nèi)容 .................................................9第 2 章 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程數(shù)值模擬 ..............11 燃燒模型綜述 ...................................................11 發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .............................................11 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................12 燃燒室密封設(shè)計(jì) ..........................................13 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..........................................13 燃燒空間容積計(jì)算 ........................................14VI 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型 .................................16 燃燒室工作性能數(shù)值模擬 .........................................17 工作性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 ..............................17 初始條件及模型驗(yàn)證 ......................................18 理想工況性能模擬 ........................................18 燃燒室工作性能影響因素分析 .....................................20 傳熱損失因素 ............................................20 漏氣損失因素 ............................................21 點(diǎn)火時(shí)刻因素 ............................................22 燃燒持續(xù)時(shí)間因素 ........................................24 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失模型 .............................................24 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失 ..........................................24 機(jī)械損失模型 ............................................25 機(jī)械損失結(jié)果 ............................................25 隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)輸出性能計(jì)算 ...............................26 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出性能評(píng)價(jià)指標(biāo) ..................................26 發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性 ..........................................27 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性 ..........................................28 本章小結(jié) .......................................................29第 3 章 隔離扇轉(zhuǎn)子非線性動(dòng)力學(xué)研究 .......................31 剛?cè)狁詈戏蔷€性動(dòng)力學(xué)的理論模型 ................................31 彈性隔離扇的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 ..................................31 隔離扇總體坐標(biāo)系下的有限元位形描述 ......................32 隔離扇轉(zhuǎn)子剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)方程 ...........................34 隔離扇靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算 .........................................37 隔離扇材料的選取 ........................................37 隔離扇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..........................................37 隔離扇靜態(tài)強(qiáng)度校核 ......................................38 隔離扇轉(zhuǎn)子多柔體動(dòng)力學(xué)仿真模型 ................................40VII 多柔體動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立 ..............................40 約束與載荷施加 ..........................................40 隔離扇轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性分析 ......................................41 隔離扇氣缸接觸力計(jì)算 ...................................41 隔離扇運(yùn)動(dòng)學(xué)特性 ........................................42 隔離扇轉(zhuǎn)子動(dòng)應(yīng)力計(jì)算 ...................................43 輸出軸扭矩特性 ..........................................46 隔離扇動(dòng)力學(xué)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(jié) .......................................................49結(jié)論 .....................................................511．全文總結(jié) ........................................................512．論文創(chuàng)新點(diǎn) ......................................................533．展望 ............................................................54參考文獻(xiàn) .................................................55致謝 .....................................................59VIII0第 1章 緒論 研究背景世界科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了微型機(jī)電系統(tǒng)（）研究領(lǐng)域的發(fā)展。在保證燃料供應(yīng)的情況下，微型發(fā)動(dòng)機(jī)可以源源不斷地輸出穩(wěn)定功率，以保證可靠、及時(shí)地完成工作任務(wù)。86在工作時(shí)，空氣從進(jìn)氣口處進(jìn)入壓氣機(jī)，經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后由噴管將空氣加速并使之在通道內(nèi)與可燃?xì)怏w充分混合，經(jīng)過擴(kuò)壓管增壓后混合氣進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒，由燃燒室流出的高溫氣體可以推動(dòng)渦輪做功。該樣機(jī)面臨的問題主要是徑向和轉(zhuǎn)子端面處的漏氣現(xiàn)象。圖 原理圖及其樣機(jī) [8]微 型 擺 式 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 微型對(duì)置自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和Centr Techolgy Honywl Gergia目前正在研究一種對(duì)置式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)℃AFRLbRsFcAi ，如圖 5 所示 [9]，是其結(jié)構(gòu)原理圖。未來微小型發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢可歸納為：新型結(jié)構(gòu)及工作原理和新型材料的探索 [5]；微尺度下的流體流動(dòng)、微燃燒特性和熱力學(xué)理論的研究；對(duì)微細(xì)加工技術(shù)的深入研究，解決微尺度密封問題。究主要集中于微米至毫米級(jí)范圍內(nèi)。（5）駐留時(shí)間變短對(duì)于微小尺度下的流體流動(dòng)，粘性效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)的作用是主要的，缸內(nèi)混合氣的形成主要憑靠擴(kuò)散效應(yīng)。另有研究者在 研究工作的基礎(chǔ)上得出了結(jié)構(gòu)、材料和流速對(duì)可燃a混合氣的火焰淬熄的特征 [24][25]。 簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理簧片柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī) [42]這一新型的概念發(fā)動(dòng)機(jī)是在微小型動(dòng)力系統(tǒng)快速發(fā)展的大環(huán)境下提出的。燃燒室的徑向密封由簧片在彈性作用下與氣缸的緊密貼合來保證，端面密封則依靠結(jié)構(gòu)的加工精度來實(shí)現(xiàn)。本文從以上兩個(gè)方面出發(fā)，對(duì)燃燒室內(nèi)的燃燒過程和隔離扇轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值建模計(jì)算，并校核模型所用的相關(guān)參數(shù)，為微小空間內(nèi)燃燒特性的研究和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)加工提供了精確的預(yù)測模型。建立工作過程熱力學(xué)模型，結(jié)合燃燒、傳熱、漏氣等子模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的性能特性進(jìn)行計(jì)算，闡明傳熱、漏氣、點(diǎn)火時(shí)刻、燃燒持續(xù)時(shí)間等對(duì)其性能的影響，并結(jié)合機(jī)械損失模型，對(duì)整機(jī)性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析。 燃燒模型綜述對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能仿真研究起始于 20 世紀(jì) 50 年代。通過比較三種類型的燃燒模型，發(fā)現(xiàn)零維模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測燃燒室內(nèi)燃燒過程的宏觀性能參數(shù)，其計(jì)算方法簡便，成本較低，是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的模擬缸內(nèi)工作過程的燃燒模型，故本文首先以零維模型模擬隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程，計(jì)算得到缸內(nèi)工質(zhì)主要的狀態(tài)參量，并基于此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能進(jìn)行預(yù)測。前端蓋與前缸蓋間設(shè)有調(diào)整墊片，用以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向裝配精度，避免因加工尺寸引起的裝配問題。本文中的隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)無需進(jìn)行徑向密封，其依靠張緊彈簧的彈性作用即可完成。它們滿足如下方程：l（）????????)(52 4432xyxcba 這里： ℃543 交 點(diǎn) 橫 坐 標(biāo)公 切 線 與 氣 缸 上 側(cè) 型 線 交 點(diǎn) 橫 坐 標(biāo)公 切 線 與 氣 缸 左 側(cè) 型 線 軸 交 點(diǎn) 坐 標(biāo)氣 缸 左 側(cè) 型 線 與 橫 坐 標(biāo)x14氣缸進(jìn)氣口位于型線 上，并與型線 和公切線 的交點(diǎn)緊鄰，這樣可以防3l3l5l止壓縮過程中可燃混合氣進(jìn)入其它空間。15 圖 燃燒室容積轉(zhuǎn)角曲線圖 圖 試差法與有限元法計(jì)算對(duì)比轉(zhuǎn)子隔離扇組件轉(zhuǎn)動(dòng)過程中燃燒室容積變化的規(guī)律結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程當(dāng)中的進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣等四個(gè)行程，以轉(zhuǎn)子火力面?zhèn)刃途€ 的中點(diǎn)為定2l位標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，各行程所對(duì)應(yīng)的輸出軸轉(zhuǎn)角如圖 所示，燃燒室轉(zhuǎn)動(dòng)一周即可完成一個(gè)工作循環(huán)。指示功率 是指發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室在單位時(shí)間內(nèi)所做的指示功，計(jì)算式為：iP（）60nWPii?其中， 為指示功(J)， 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min) 。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下燃燒室內(nèi)氣體壓力與溫度變化如圖 所示，由圖可知其燃燒過程最高溫度達(dá)到 ，排氣溫度為 ，其峰值壓力為 。根據(jù)示功圖計(jì)算可得隔離扇柔性轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在理想工況、 轉(zhuǎn)速min/30r下的性能參數(shù)，如表 1 所示。但在壓縮后半程將通過壁面向缸外散熱，使壓縮終點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)溫度低于理想工況，這需要電熱塞提供更高的能量和更長的點(diǎn)火時(shí)間，這影響了燃燒效率。忽略傳熱損失時(shí)，如圖 、圖 所示，為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 時(shí)漏氣面積大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響min/30r程度。 點(diǎn)火時(shí)刻因素點(diǎn)火時(shí)刻是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有重要影響的又一個(gè)因素，它關(guān)系著發(fā)動(dòng)機(jī)的做功沖程。如圖 所示，定量計(jì)算各點(diǎn)火時(shí)刻的缸內(nèi)功率，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻在 輸出軸轉(zhuǎn)?90~8角時(shí)，隨點(diǎn)火時(shí)刻延遲，缸內(nèi)功率和熱效率呈線性增加，在 之間，功5率增加不多，在 時(shí)功率達(dá)最大值 ，指示效率則達(dá) ，功率較?%時(shí)增大 。如圖 、 所示，是 在不考慮傳熱和漏24氣時(shí)，不同燃燒持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)的燃燒溫度和壓力曲線。 和 的機(jī)械損失可由倒拖試驗(yàn)測定。n有效熱效率 是指實(shí)際循環(huán)中有效功和為得到該有效功所消耗的熱量的比i?值，即：（）1Qi???本節(jié)以有效功率和有效熱效率作為考察輸出性能的指標(biāo)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性和各特定工況下的負(fù)荷特性來進(jìn)行計(jì)算分析。負(fù)荷特性曲線是通過改變負(fù)荷，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定的工況下，將不同負(fù)荷下的性能指標(biāo)相連接得到的。（2）建立了發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型，利用燃燒過程的三維數(shù)值模擬修正了燃燒放熱模型，結(jié)合傳熱、漏氣等各子模型，計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)在理想工況和考慮傳熱、漏氣、點(diǎn)火時(shí)刻以及燃燒持續(xù)時(shí)間等因素影響下的性能特性，由該結(jié)果可知，其在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 以及充量系數(shù)為 的工況下，單個(gè)燃30r/燒室的指示功率為 ，其指示效率為 。轉(zhuǎn)子隔離扇轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，隔離扇跟隨轉(zhuǎn)子做大范圍內(nèi)的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，受到缸內(nèi)燃?xì)鈮毫皻飧讓?duì)隔離扇施加的反作用力而發(fā)生較大的彈性變形，轉(zhuǎn)子的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)與隔離扇的彈性變形之間存在著相互作用，其間的動(dòng)力學(xué)特性既影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性，又影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。則點(diǎn) 關(guān)于慣性坐標(biāo)系uPOXYZ 的矢徑 為r（）ur????0矢徑 在慣性坐標(biāo)系 OXYZ 的坐標(biāo)陣為r?（）Arr00)(式中， 為未變形時(shí)隔離扇上任意一點(diǎn) 在浮動(dòng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)??0,Txy?? 0P陣， 為變形位移坐標(biāo)陣， 為浮動(dòng)坐標(biāo)系 O1xyz 相對(duì)于慣性坐標(biāo)123,u系 OXYZ 的方向余弦陣， 為點(diǎn) 在浮動(dòng)坐標(biāo)系的位置坐