型线结构对涡旋膨胀机性能影响的研究

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1、型线结构对涡旋膨胀机性能影响的研究张臣2015年6月中图分类号：UDC分类号：型线结构对涡旋膨胀机性能影响的研究作者姓名张臣学院名称机械与车辆学院指导教师魏名山教授答辩委员会主席马朝臣教授申请学位工程硕士学科专业车辆工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月ResearchonScrollExpanderswithDifferentScrollProfilesCandidateName:ZhangChenSchoolorDepartment:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.

2、WeiMingshanChair,ThesisCommittee:Prof.MaChaochenDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:VehicleEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:June，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其

3、它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要利用有机朗肯循环回收发动机废气余热，是实现节能减排和环境保护的有效技术途径之一。本文对有机朗肯循环发动机废气余热回收系统的关键部件涡旋膨胀机进行了相关模拟和研究，研究内容如下。首先，对涡旋型线啮合理论进行了介绍，明确了涡旋型线啮合的基本条件。构造出线段渐开线、正四边形渐开线和圆渐开线三种等壁厚渐开线类涡旋型线并对其结构参数进行了计算，分析了三种型线对涡旋膨胀机结构参数和工作

4、性能的影响，得出如下结论：在小型轻量化的前提下，圆渐开线优于另外两种型线。其次，针对本课题组有机朗肯循环系统中的涡旋膨胀机，在保证其占用空间不变的前提下，建立了高次曲线组合型线、圆弧组合型线及变径基圆渐开线涡旋型线三种变壁厚涡旋膨胀机的几何模型，为之后的膨胀机流场仿真及性能的分析奠定了基础。再次，以R123为工质，采用RNGk湍流模型、PISO流场求解算法及动网格技术对涡旋膨胀机内部流场进行了三维非定常数值模拟，得到了各曲轴转角下涡旋膨胀机内部压力、速度及温度的分布情况及变化规律，并对膨胀机排气过程进行了分析。由于涡旋膨胀机的工作过程是非稳态过

5、程，其质量流量、输出扭矩、功率等参数随运行时间不断变化。文章最后针对建立的三种变壁厚涡旋齿膨胀机模型，利用Fluent进行膨胀机工作过程的非稳态数值模拟，得出型线类型及运行工况对涡旋膨胀机性能的影响规律：(1)针对本课题组所用圆渐开线涡旋膨胀机，当占用空间及运行工况相同时，变径基圆渐开线与圆渐开线涡旋膨胀机相比，扭矩增大0.03Nm，功率提高5.33W，效率提升3.3%。组合型线与圆渐开线涡旋膨胀机相比，扭矩、功率及效率均有所下降。(2)对于高次曲线组合型线涡旋膨胀机，当进出口边界条件相同时，输出扭矩随转速的增大而降低，输出功率及效率随转速的增大先

6、升高随后降低；当膨胀机进口过热度、转速及出口压力一定时，输出扭矩、功率及效率随进口压力的增加而增加。关键词：有机朗肯循环；涡旋膨胀机；涡旋型线；内部流场；数值模拟I北京理工大学硕士学位论文AbstractUtilizingorganicRankinecycle(ORC)torecovertheengineexhaustheatisoneoftheeffectivetechnologicalapproachestorealizeenergyconservation,emissionreductionandenvironmentalprotection

7、.Simulationresearchonthescrollexpanderinthewasteheatrecoverysystemwasperformedinthisdissertation.Firstly,introductionofthemeshingtheoryforscrollprofileswasmade,andthebasicprincipleofscrollprofileswasillustrated.Threekindsofscrollprofileswereformed,includingsegmentinvolute,squa

8、reinvoluteandcircleinvolute.Theeffectoftheinvolutecurvesonthe