山西中北大學　張斌　董家廣

Starrotor發(fā)動機的膨脹排氣系統(tǒng)設計

山西中北大學張斌董家廣

Starrotor發(fā)動機是美國的一項專利技術，它采用的是容積式旋轉布雷頓循環(huán)，從廢氣熱能中回收部分能量加熱進入發(fā)動機的空氣，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、低維護性、低污染等優(yōu)點。因此，對于Starrotor發(fā)動機的研究學習，具有很大的理論和實用價值。

本文在了解學習了Starrotor發(fā)動機工作原理以及布雷頓循環(huán)理論的基礎上，通過對膨脹排氣系統(tǒng)的國內外研究現狀進行調查學習，進而對其膨脹排氣系統(tǒng)進行結構設計，包括膨脹機、熱交換器、排氣管、催化轉化器和消聲器。

Starrotor；膨脹機；排氣系統(tǒng)；熱交換器

在排氣系統(tǒng)的結構設計中，主要是針對排氣管、催化轉化器以及消聲器三部分進行結構設計。在排氣管的設計過程中，首先要根據發(fā)動機的排量以及設計經驗選擇確定排氣管的直徑、厚度，然后結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構形式，并選擇排氣管的材料；催化轉換器的結構設計中，選擇的是三元催化轉化器。首先對殼體、墊層、載體、涂層的材料進行選擇確定，之后在排氣管和消聲器的基礎上確定其余主要參數，對其結構和尺寸進行匹配設計。最后利用三維建模軟件Pro/E對其進行三維實體造型。

1國內外研究現狀

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，而傳統(tǒng)技術卻遭遇極大的局限性：①柴油機噪聲大、臟、振動大，且大多數柴油機不能使用廣范圍的燃油；②斯特林發(fā)動機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燃料電池需要氫燃料，很難從通用的戰(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在高速下運行的燃氣輪機噪聲大，當其在非設計條件下工作時效率較低。

在傳統(tǒng)技術遭遇瓶頸的條件下，有人曾提出一種容積式旋轉布雷頓循環(huán)發(fā)動機——Starrotor發(fā)動機。這種發(fā)動機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)動機包括壓氣機、燃燒器以及與該壓氣機同軸聯結的膨脹機。首先，空氣被吸入到壓氣機中，在該壓氣機中，空氣被加壓；加壓后該空氣流過一個熱交換器而被進一步加熱；被加熱和加壓后該空氣進入燃燒器燃燒并進入膨脹器，其中熱能轉化成軸功，約三分之一軸功被投入到壓氣機內，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可分為：管殼式、翅片管式、板式三種。隨著強化傳熱理論的發(fā)展和機械加工技術的不斷進步，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)化來實現。本次設計，要根據Starrotor發(fā)動機總體性能要求，設計一種高效合理緊湊的換熱器。

2本設計要研究的內容及擬采用的研究手段

2.1本設計要研究的問題

（1）了解Starrotor發(fā)動機的工作原理。

（2）在掌握原理的基礎上，對Starrotor發(fā)動機的整體結構進行探究，設計其膨脹排氣系統(tǒng)，重點設計膨脹機的結構。

（3）設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膨脹機的結構設計

在符合總體結構設計的前提下，根據已知的轉速、功率以及燃油消耗量進行理論計算，得出膨脹機的輪廓尺寸、進出口溫度、膨脹比等；查閱文獻資料，確定所設計的膨脹機的結構及內、外轉子數；通過數學分析，建立膨脹機內、外轉子的型線方程，并用matlab對其進行編程畫出膨脹機內、外轉子的型線；通過對其進出口的大小進行調節(jié)以達到所要求的膨脹比；在matlab中運行內、外轉子的程序，生成*ibl文件，導入Pro/E中，進一步對膨脹機進行三維造型設計。

2.2.2設計排氣系統(tǒng)和熱交換器

在滿足發(fā)動機總體設計的前提下，對starrotor發(fā)動機的排氣系統(tǒng)進行設計。

根據計算出的發(fā)動機排量，進、出口溫度，參考經驗公式及柴油機設計手冊，對排氣管、消聲器以及三元催化轉化器的結構、材料、尺寸、形狀進行選擇或設計；結合壓氣機設計與之匹配的熱交換器。通過對各種熱交換器的原理、特點對比及參考，選擇一種合理的換熱器類型進行結構設計；通過設計計算確定出管殼的排列形式、換熱管的尺寸、形狀等參數，使得換熱效率、換熱面積等達到要求。

3小結

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

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