微型旋转摆式发动机传热特性及其对整机性能影响研究

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1、中图分类号：V231.3论文编号：102870218-S084学科分类号：082502硕士学位论文微型旋转摆式发动机传热特性及其对整机性能影响研究研究生姓名徐健华学科、专业航空宇航推进理论与工程研究方向微型能源动力系统指导教师黄国平教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringResearchonHeatTransferCharacteristicsofMSREandItsEffectonOv

2、erallPerformanceAThesisinAerospacePropulsionTheoryandEngineeringbyXuJianhuaAdvisedbyProf.HuangGuopingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或

3、证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要本课题组提出了一种新型追赶式微型旋转摆式发动机，该微型热机具有相对热效率高、功重比大等特点。发动机微型化后面容比增大，腔内工质和接触壁面热交换增强，热损失增大，传热对微型旋转摆式发动机的影响不可忽略。本文基于该问题，开展了微型旋转摆式发动机传热特性及其对发动机性能影响的研究。主要工作和结论如下：基于微型旋转摆式发动机工作原理，建立发动机腔内工质-腔体-环境的

4、传热模型，完善了发动机工作过程的热力学模型。初步仿真计算得到计入工质与腔体热交换后发动机过程参数与性能，为后续腔体热负荷相关计算以及计入工质与壁面热交换后整机性能变化研究奠定基础。通过处理初步计算的结果得到工质的当量循环平均温度和换热系数，作为腔体与转子活塞温度场计算的边界条件。腔体压缩冲程位置为局部低温区（840K左右），燃烧/膨胀与排气冲程位置为相对高温区（1140K左右），温差较大。转子活塞温度较为均匀（1010K左右），顶部稍高于轮毂。热负荷作用下腔体尖角处变形最大达385μm；腔体内壁向外膨胀（最小201.1μm），其变形量小于转子活塞（最大238μm），实际工作中会出现“拉缸”现

5、象。基于完善后的传热模型及腔体与转子活塞温度场，仿真计算了腔内工质与接触面发生换热后更真实情况下发动机的性能。计入传热后，压缩受影响最大，壁面给工质传递热量，压缩过程工质温度上升显著，压缩损耗变大。输出功率从绝热时的2.818kW降至1.700kW，热效率从绝热时的17.288%降至12.061%。同时发现每降低壁温100K，热效率提升0.5个百分点，相对增幅度4.2%。另外，泄漏流所传递交换的热量较之壁面跟工质的换热是相对小量。最后发现尺寸越小，面容比越大，功率下降幅度大于尺寸减小的三次方，性能下降尤为明显。发动机低频运行时泄漏造成的热效率降幅（35.57%）大于传热造成的热效率降幅（30

6、.06%），而高频时传热所造成损失较之泄漏更大。较之热效率，功率对于频率的敏感性更高。通过合理2的参数优化，壁温下降200K及对流换热系数减小50W/(mK)，MSRE的性能相对提升幅度较大，功率在100Hz时升至2628W，热效率在53Hz时升至17.703%。基于课题组现有的原理样机，通过电机拖拽转动验证了其运动可行性。静摩擦阻力矩在0.15N•m左右，结合性能曲线可知其自运转转速约在500rpm。低转速下电机倒拖点火试验中发现当量比0.8时点火连续性最好；采用分段式覆盖测量，循环过程腔内工质温度、压力大幅低于理论计算值，试验中实际的不可逆因素影响相当大。关键词：微型旋转摆式发动机，热

7、力学循环，腔体温度分布，传热影响，参数优化I微型旋转摆式发动机传热特性及其对整机性能影响研究II南京航空航天大学硕士学位论文ABSTRACTResearchgroupproposedanewcatch-upmicroswingrotorengine(MSRE),whichhasthecharacteristicsofhighrelativethermalefficiencyandlargeweight-to-