三角转子气动发动机设计及性能分析

2∞9年7月第28卷第7期机械科学与技术July2∞9MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineeringVol.28No.7三角转子气动发动机设计及性能分析王云，刘小勇，周勇(南昌航空大学航空与机械工程学院，南昌33侃厄3)王军摘要:借鉴三角转子汽油发动机结构特点，结合气动发动机工作原理，重新设计自己气系统后得到一种新型结构的三角转子气动发动机。结合气动发动机工作原理和三角特子结构特点，建立了三角特子气动发动机等温变化的工作过程数学模型。在进气压力0.6盯a，转速10∞r/min情况下，对工作过程中的瞬时压力和扭矩进行数值模拟，得到三角转子气动发动机硅排气相位角均为2700，进排气充分，输出的扭矩以振幅14N.m变化到30N.m的正弦函数变化。通过分析外特性曲线，得到主轴转速在从1000r/min变化到6(削r/min的过程中，扭矩从24N.m变化到7.6N.m。关键词:三角转子气动发动机;数学模型;数佳模拟中图分类号:TH138文献标识码:A文章编号:1003-8728(2009)07-0950-05DesignandPerformanceAnalysisofaTriangleRotaryPistonAir-poweredEngineWangYun,LiuXiaoyo吨，ZhouYong(AeronauticsandMachineEngineeringAcademy,NanchangHangkongUniversity,Nanchang33∞63)Abstract:Anewstructuraltrian阴larrotorair-poweredengineisdevelopedbyredesigningavalvesystemwi由出estructuralcharacteristicsofatriangularrotorair-poweredengineforreferenceandcombiningwi由theworkprincipleofanair-poweredengine.Combinedwi白白eworkprincipleofanair-poweredengineandthestructuralcharacteris­ticsofatriangularrotor,mathematicalmodelofworkingprocessofisothermalchangeof出etriangularair-poweredengineisestablished.Underthecircumstanceofintakepressure0.6MPaandspeed1000r/min,theinstantaneouspressureandtorqueintheworkingprocessaredeterminedbynumericalsimulationinordertogetintakeandex­haustphaseangle2700ofthetriangularrotorair-poweredengine,andsufficientintakeandexhaust,andtheoutputtorquewi由sinefunctionofamplitudefrom14N•mω30N•m.Throughtheanalysisofextemalcharacteristiccurve,itisfound由刨出etorquechangesfrom24N•mω7.6N•minthechangeprocessofspindlespeedfrom1000r/minto60∞r/min.Keywords:triangularrotorair-poweredengine;mathematicalmodel;numericalsimulation随着石油资源短缺和环境污染问题的日益突出，各种基于节能环保的汽车动力装置不断出现，气功发动机就是其中的一种。它是利用净化的压缩空气膨胀释放的压力能做功，故排放出来的尾气比大气中的空气还干净。气动发动机主要有往复活塞式[1，2]、叶片式[3]和旋转活塞式[4]等结构形式。其中往复活塞式气动发动机与传统内燃机的结构相收稿日期:2008-07-03基金项目:航空科学基金项目(2006ZB56∞1)资助作者简介:王云(1966-)，教授，博士，研究方向为动力工程与动力机械.wan伊[e-mail]似，研究最为广泛，但是往复式气动发动机受其结构特点限制只有在低速时才能发挥它的低速大扭矩的优势，在较高的转速时发动机的性能迅速下降，而汽车发动机则要求在较大的运转范围内具有良好的性能，对高速运转也有一定的要求。国内外对三角转子汽油发动机已做了大量的研究[川，三角转子发动机与往复式发动机相比，没有曲柄连杆机构，具有结构简单、振动小、噪声低、体积小、重量轻及适合高速运转等优点。笔者根据成熟的三角转子汽油发动机技术，结合气动发动机工作原理，重新设计配气系统，得到一种适合高速运转的第7期王云等:三角转子气动发动机设计及性能分析951新型结构三角转子气动发动机。建立发动机等温变化的工作过程数学模型，并对它的性能进行分析。1三角转子气动发动机原理1.1工作原理分析三角转子气动发动机是利用高压压缩空气为动力源，将压缩空气存储的压力能转化为机械能的动力装置。结构构成主要有前后端盖、转子、主轴、缸体、内外齿轮等，缸体内表面是双弧圆外旋轮线，转子的三边是圆外旋轮线的内包络线，气缸中心与转子中心之间存在偏心距e。外齿轮固定在气缸端盖上，气动发动机主轴颈穿过外齿轮并与之同心，内齿轮固定在转子上，主轴的偏心轴颈穿在转子的轴承孔内。内、外齿轮始终保持啃合，其齿数比为3:2。工作时，气缸静止不动，主轴带动偏心轴颈推动转子沿气缸内表面滑动，转子一边绕自身中心自转，又一边绕气缸中心公转，从而完成了进气、膨胀、排气工作过程[7]工作原理简图如图1所示。排气口1进气口l图1三角转子气动发动机原理图句，&'lEH键母H'?每7π125π6π转子旋转一周主轴旋转的角度图2单个工作容租随主轴转角变化情况上述运动方式使得三角转子顶点的运动轨迹始终与气缸内壁相重合，缸体内部空间被转子分成3个独立工作室，随着转子转动，3个工作室的容积不断的变化，其中转子AB型面和缸体封闭的工作容积变化曲线如图2所示。工作室的容积由小变大过程中，高压气体进入工作室膨胀对外做功输出动力，当工作室的容积由大变小的过程中，膨胀后的气体开始向外排气直到工作室容积最小，从而完成一个循环周期。另外其它两个工作室同时在进行工作，容积变化规律与其相同，只是存在一个时间位置差。因此三角转子自转一周，输出轴旋转了三周，三个工作室分别完成了两次循环，气动发动机共做功六次。当三角转子气动发动机单个工作室容积与往复式气动发动机相同时，功率相当于它的两倍。1.2三角转子气动发动机几何原理缸体内表面型线即圆外旋轮线的方程表达式为{x=…+Rcos(al3)(1)Y=2esina+Rsin(α/3)式中:RJ为圆外旋轮线的创成半径;e为气缸中心与转子中心之间的距离，ep偏心距;α为主轴转角。三角转子的型线是气缸内壁圆外旋轮线的内包络线，其型线的方程可解析如下{z=2ec…s(3v)+Rcos问(2)y=2esinucos(3v)+Rsin(2v)式中u和曾是两个不独立的变量。3esin(3v)+Rsin(2v-u)=0(3)2配气系统的设计2.1配气系统的特点三角转子汽油发动机采用的进气方式有周边进气、端面进气和混合进气3种。由于采用周边进气方式，它的进气和排气方向与发动机内气体流动的方向基本一致，具有进气阻力较小，可以获得较高的充气系数，同时排气也很通畅等优点，而被广泛的采用。笔者对气动发动机采用周边进气方式进行以下讨论。三角转子气动发动机采用周边进气的方式，它的进、排气气口均设在缸体型面上，气口的关闭是由配气机构和转子顶端的密封片共同控制的。例如当配气机构的开关阀处于全开的状态下，密封片扫过进气口时，切断了进气口和前面一个工作室的连通，同时进气口又和后面一个工作室相连通，工作室一个接一个地进行着进气和排气，气道中的气体是不断地流动。且它的进气和排气的方向是与发动机内气体流动方向基本一致，当配气机构开关阅处于全关闭的状态，即使密封片扫过进气口时，也隔断了与外界的气体交换。因此影响进气和排气冲程是转子顶角与缸体型面上的气口位置和配气机构的相位共同决定的。从图2中可看出转子在气缸内旋转一周，3个工作容积分别变化了两次，经历了两个循环，因此三角转子气动发动机需要两套配气系统控制气体的进出。三角转子气动发动机具有3个工作容积，而现952机械科学与技术第28卷在有两套配气系统即4个与外界气体交换的通道，因此在工作过程中必然始终会有一个工作容积具有两个通道，既一对进出口相通，进气与排气一直重叠，高压气体在气缸内没经过膨胀，直接就排到大气中。能量没有得到充分利用，造成效率低。因此需要设置合理的配气相位，确定两套配气系统在三角转子气动发动机上协调工作，使其达到最佳工作状态。2.2配气机构的相位气动发动机的配气相位应根据容积变化的规律来设定。设工作室的容积处于最小位置为三角转子气动发动机的上止点位置，工作容积处于最大位置为下止点位置。根据图2容积变化图和避免一个工作容积中具有两个气体通道的原则。从理论上得到进出气口相位随主轴转角变化的关系如图3所示。上止点下止点一-下止点上止点固3三角转子气动发动机配气相位从图3中可以看出进排气口相位为270。比往复式气动发动机180。的相位大。在转速相同的情况下，三角转子气动发动机进排气持续时间长，进排气充分，有利于提高发动机动力性。在实际工作过程中，配气相位的确定，还应考虑发动机转速、膨胀比、进排气门在缸体型面的位置以及开启截面积的变化情况等综合因数，设置合理的进排气提前角或延迟角。2.3配气机构的确定气动发动机是靠高压气体膨胀做功，配气机构用于控制高压气体进入气缸膨胀做功和排出尾气，因此配气机构对气动发动机性能起决定性作用。用于气动系统的配气机构主要有气门、滑阀和转阔等结构形式，其中旋转阀式配气机构具有结构简单，进排气阻力小，充排气效率高等优点[剖，从而成为配气机构的研究热点。因此笔者建立基于旋转阀式配气机构研究三角转子气动发动机的性能，如图4所示为三角转子气动发动机的旋转阀式配气机构示意图。进气道进气阀o图4气动发动机旋转间式配气机构示意图2.4配气机构在转子缸体型面的位置如图5所示是转子3个不同的时刻，在气缸内的位置。为了提高气动发动机的进气膨胀做功效率，需设置进气提前角，即在工作容积最小之前要有高压气体进入腔内，因此进气口要设置在前一个转子顶角扫过进气口时，曲轴转角还未到达上止点的位置，即进气口要在图中A3之前的某个位置。同时要增加进气持续角，增加进气时间，即容积最大时，还与进气口相通，而没有被转子顶角隔开，因此进气口需设置在图中A2位置之后。所以进气口的位置在缸体型面A2与A3之间。C2图5三角转子气动发动机进排气口位置同样排气需要有提前角，即腔体的容积达到最大之前，转子的顶角要扫过排气口，因此排气口在缸体型面的B2位置之前。为了增大排气过程的时间，延迟排气间关闭，即容积达到最小之前，转子顶角还未扫过排气口，因此排气口应该设置在缸体型面B)之后，所以排气的位置在缸体型面B)与民之间。另外的一对进出口位置设置在与之相对应的缸体上。在实际中，还应根据配气机构和气缸的实际结构尺寸，选择合适的进排气口位置。3工作过程数学模型三角转子气动发动机为简单两冲程的发动机，第7期王云等:三角转子气动发动机设计及性能分析953即高压气体进入工作室膨胀做功冲程和膨胀后的低压气体排出工作室的排气冲程，整个工作过程由转子自转1800，曲轴旋转540。完成。工作室的压力通过三角转子传递到曲轴转化为扭矩输出动力，因此工作室内的气体变化规律决定了三角转子气动发动机的工作特性。工作室内的气体等温变化是理想的做功过程，是提高其输出功率的关键问。气动