Starrotor发动机的膨胀排气系统设计

山西中北大学　张斌　董家广

Starrotor发动机的膨胀排气系统设计

山西中北大学张斌董家广

Starrotor发动机是美国的一项专利技术，它采用的是容积式旋转布雷顿循环，从废气热能中回收部分能量加热进入发动机的空气，而加热后的空气有益于燃料的燃烧。同时它具有高效率、高功率、长寿命、低噪声、低振动、低排放、低维护性、低污染等优点。因此，对于Starrotor发动机的研究学习，具有很大的理论和实用价值。

本文在了解学习了Starrotor发动机工作原理以及布雷顿循环理论的基础上，通过对膨胀排气系统的国内外研究现状进行调查学习，进而对其膨胀排气系统进行结构设计，包括膨胀机、热交换器、排气管、催化转化器和消声器。

Starrotor；膨胀机；排气系统；热交换器

在排气系统的结构设计中，主要是针对排气管、催化转化器以及消声器三部分进行结构设计。在排气管的设计过程中，首先要根据发动机的排量以及设计经验选择确定排气管的直径、厚度，然后结合消声器的长度确定排气端管和尾管的长度以及排气尾管的结构形式，并选择排气管的材料；催化转换器的结构设计中，选择的是三元催化转化器。首先对壳体、垫层、载体、涂层的材料进行选择确定，之后在排气管和消声器的基础上确定其余主要参数，对其结构和尺寸进行匹配设计。最后利用三维建模软件Pro/E对其进行三维实体造型。

1国内外研究现状

理想动力源，要求其具备高效率、高功率、低成本、低排放、振动小、寿命长等特点，而传统技术却遭遇极大的局限性：①柴油机噪声大、脏、振动大，且大多数柴油机不能使用广范围的燃油；②斯特林发动机能够燃烧宽广范围的燃油，但需要许多热交换器而使得功率密度较低；③燃料电池需要氢燃料，很难从通用的战场燃油中获取，同样，难密封如此小的分子而使得燃料电池泄漏非常昂贵的氢；④在高速下运行的燃气轮机噪声大，当其在非设计条件下工作时效率较低。

在传统技术遭遇瓶颈的条件下，有人曾提出一种容积式旋转布雷顿循环发动机——Starrotor发动机。这种发动机具备上述列出的理想动力源所有的理想特性。

该布雷顿循环发动机包括压气机、燃烧器以及与该压气机同轴联结的膨胀机。首先，空气被吸入到压气机中，在该压气机中，空气被加压；加压后该空气流过一个热交换器而被进一步加热；被加热和加压后该空气进入燃烧器燃烧并进入膨胀器，其中热能转化成轴功，约三分之一轴功被投入到压气机内，剩余部分则用作有用功。来自膨胀室的热废气被送入换热器中，其中它们被冷却和排出。由于排气被冷却，使得热信号较小。

另外，在换热器的选择上，目前最常用的换热器按换热部件的特点可分为：管壳式、翅片管式、板式三种。随着强化传热理论的发展和机械加工技术的不断进步，换热器越来越朝着高效紧凑型发展，而对换热器的优化，要通过材料的选择，以及软件的优化来实现。本次设计，要根据Starrotor发动机总体性能要求，设计一种高效合理紧凑的换热器。

2本设计要研究的内容及拟采用的研究手段

2.1本设计要研究的问题

（1）了解Starrotor发动机的工作原理。

（2）在掌握原理的基础上，对Starrotor发动机的整体结构进行探究，设计其膨胀排气系统，重点设计膨胀机的结构。

（3）设计一个与之匹配的热交换器。

2.2拟采用的研究途径

2.2.1膨胀机的结构设计

在符合总体结构设计的前提下，根据已知的转速、功率以及燃油消耗量进行理论计算，得出膨胀机的轮廓尺寸、进出口温度、膨胀比等；查阅文献资料，确定所设计的膨胀机的结构及内、外转子数；通过数学分析，建立膨胀机内、外转子的型线方程，并用matlab对其进行编程画出膨胀机内、外转子的型线；通过对其进出口的大小进行调节以达到所要求的膨胀比；在matlab中运行内、外转子的程序，生成*ibl文件，导入Pro/E中，进一步对膨胀机进行三维造型设计。

2.2.2设计排气系统和热交换器

在满足发动机总体设计的前提下，对starrotor发动机的排气系统进行设计。

根据计算出的发动机排量，进、出口温度，参考经验公式及柴油机设计手册，对排气管、消声器以及三元催化转化器的结构、材料、尺寸、形状进行选择或设计；结合压气机设计与之匹配的热交换器。通过对各种热交换器的原理、特点对比及参考，选择一种合理的换热器类型进行结构设计；通过设计计算确定出管壳的排列形式、换热管的尺寸、形状等参数，使得换热效率、换热面积等达到要求。

3小结

从国内外发展角度出发着重说明了Starrotor发动机的研究现状，并针对Starrotor发动机的膨胀排气系统设计中需要解决的问题，提出了具体的解决途径，并给出了详细的设计步骤。

［1］李修宝.斯特林发动机工作过程仿真［D］.沈阳航空工业学院，2009.

［2］金晓航，刘永文，苏明等.带中间冷却和回热的燃气轮机动态性能的研究［J］.动力工程，2006，26（3）：326-426.

［3］汪波，茅靳丰，耿世彬，韩旭，魏鹏等.国内换热器的研究现状与展望［J］.制冷与空调，2010，24（5）：61-65.