山西中北大學(xué)　張斌　董家廣

Starrotor發(fā)動機(jī)的膨脹排氣系統(tǒng)設(shè)計

山西中北大學(xué)張斌董家廣

Starrotor發(fā)動機(jī)是美國的一項專利技術(shù)，它采用的是容積式旋轉(zhuǎn)布雷頓循環(huán)，從廢氣熱能中回收部分能量加熱進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣，而加熱后的空氣有益于燃料的燃燒。同時它具有高效率、高功率、長壽命、低噪聲、低振動、低排放、低維護(hù)性、低污染等優(yōu)點(diǎn)。因此，對于Starrotor發(fā)動機(jī)的研究學(xué)習(xí)，具有很大的理論和實(shí)用價值。

本文在了解學(xué)習(xí)了Starrotor發(fā)動機(jī)工作原理以及布雷頓循環(huán)理論的基礎(chǔ)上，通過對膨脹排氣系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查學(xué)習(xí)，進(jìn)而對其膨脹排氣系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括膨脹機(jī)、熱交換器、排氣管、催化轉(zhuǎn)化器和消聲器。

Starrotor；膨脹機(jī)；排氣系統(tǒng)；熱交換器

在排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要是針對排氣管、催化轉(zhuǎn)化器以及消聲器三部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。在排氣管的設(shè)計過程中，首先要根據(jù)發(fā)動機(jī)的排量以及設(shè)計經(jīng)驗(yàn)選擇確定排氣管的直徑、厚度，然后結(jié)合消聲器的長度確定排氣端管和尾管的長度以及排氣尾管的結(jié)構(gòu)形式，并選擇排氣管的材料；催化轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，選擇的是三元催化轉(zhuǎn)化器。首先對殼體、墊層、載體、涂層的材料進(jìn)行選擇確定，之后在排氣管和消聲器的基礎(chǔ)上確定其余主要參數(shù)，對其結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行匹配設(shè)計。最后利用三維建模軟件Pro/E對其進(jìn)行三維實(shí)體造型。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

理想動力源，要求其具備高效率、高功率、低成本、低排放、振動小、壽命長等特點(diǎn)，而傳統(tǒng)技術(shù)卻遭遇極大的局限性：①柴油機(jī)噪聲大、臟、振動大，且大多數(shù)柴油機(jī)不能使用廣范圍的燃油；②斯特林發(fā)動機(jī)能夠燃燒寬廣范圍的燃油，但需要許多熱交換器而使得功率密度較低；③燃料電池需要?dú)淙剂希茈y從通用的戰(zhàn)場燃油中獲取，同樣，難密封如此小的分子而使得燃料電池泄漏非常昂貴的氫；④在高速下運(yùn)行的燃?xì)廨啓C(jī)噪聲大，當(dāng)其在非設(shè)計條件下工作時效率較低。

在傳統(tǒng)技術(shù)遭遇瓶頸的條件下，有人曾提出一種容積式旋轉(zhuǎn)布雷頓循環(huán)發(fā)動機(jī)——Starrotor發(fā)動機(jī)。這種發(fā)動機(jī)具備上述列出的理想動力源所有的理想特性。

該布雷頓循環(huán)發(fā)動機(jī)包括壓氣機(jī)、燃燒器以及與該壓氣機(jī)同軸聯(lián)結(jié)的膨脹機(jī)。首先，空氣被吸入到壓氣機(jī)中，在該壓氣機(jī)中，空氣被加壓；加壓后該空氣流過一個熱交換器而被進(jìn)一步加熱；被加熱和加壓后該空氣進(jìn)入燃燒器燃燒并進(jìn)入膨脹器，其中熱能轉(zhuǎn)化成軸功，約三分之一軸功被投入到壓氣機(jī)內(nèi)，剩余部分則用作有用功。來自膨脹室的熱廢氣被送入換熱器中，其中它們被冷卻和排出。由于排氣被冷卻，使得熱信號較小。

另外，在換熱器的選擇上，目前最常用的換熱器按換熱部件的特點(diǎn)可分為：管殼式、翅片管式、板式三種。隨著強(qiáng)化傳熱理論的發(fā)展和機(jī)械加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，換熱器越來越朝著高效緊湊型發(fā)展，而對換熱器的優(yōu)化，要通過材料的選擇，以及軟件的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計，要根據(jù)Starrotor發(fā)動機(jī)總體性能要求，設(shè)計一種高效合理緊湊的換熱器。

2本設(shè)計要研究的內(nèi)容及擬采用的研究手段

2.1本設(shè)計要研究的問題

（1）了解Starrotor發(fā)動機(jī)的工作原理。

（2）在掌握原理的基礎(chǔ)上，對Starrotor發(fā)動機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行探究，設(shè)計其膨脹排氣系統(tǒng)，重點(diǎn)設(shè)計膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)。

（3）設(shè)計一個與之匹配的熱交換器。

2.2擬采用的研究途徑

2.2.1膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在符合總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提下，根據(jù)已知的轉(zhuǎn)速、功率以及燃油消耗量進(jìn)行理論計算，得出膨脹機(jī)的輪廓尺寸、進(jìn)出口溫度、膨脹比等；查閱文獻(xiàn)資料，確定所設(shè)計的膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)及內(nèi)、外轉(zhuǎn)子數(shù)；通過數(shù)學(xué)分析，建立膨脹機(jī)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的型線方程，并用matlab對其進(jìn)行編程畫出膨脹機(jī)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的型線；通過對其進(jìn)出口的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到所要求的膨脹比；在matlab中運(yùn)行內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的程序，生成*ibl文件，導(dǎo)入Pro/E中，進(jìn)一步對膨脹機(jī)進(jìn)行三維造型設(shè)計。

2.2.2設(shè)計排氣系統(tǒng)和熱交換器

在滿足發(fā)動機(jī)總體設(shè)計的前提下，對starrotor發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

根據(jù)計算出的發(fā)動機(jī)排量，進(jìn)、出口溫度，參考經(jīng)驗(yàn)公式及柴油機(jī)設(shè)計手冊，對排氣管、消聲器以及三元催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、形狀進(jìn)行選擇或設(shè)計；結(jié)合壓氣機(jī)設(shè)計與之匹配的熱交換器。通過對各種熱交換器的原理、特點(diǎn)對比及參考，選擇一種合理的換熱器類型進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計；通過設(shè)計計算確定出管殼的排列形式、換熱管的尺寸、形狀等參數(shù)，使得換熱效率、換熱面積等達(dá)到要求。

3小結(jié)

從國內(nèi)外發(fā)展角度出發(fā)著重說明了Starrotor發(fā)動機(jī)的研究現(xiàn)狀，并針對Starrotor發(fā)動機(jī)的膨脹排氣系統(tǒng)設(shè)計中需要解決的問題，提出了具體的解決途徑，并給出了詳細(xì)的設(shè)計步驟。

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