第十一章_其他类型发动机

四、转子发动机的各系统
转子发动机除上述的基本构造外，还应有配气系统、燃料供 给系统、冷却系统、润滑系统和点火系统等，这些系统的功用与往 复活塞式发动机基本相同。
1.转子发动机的配气系统
转子发动机没有专门的配气机构，它的进、排气是由气孔的位 置、尺寸及三角转子转动的相位来共同控制的。
转子发动机进气孔的布置 a. 周面布置 b. 端面布置 c.混合进气
第二节 燃气涡轮发动机
第二节 燃气涡轮发动机
一、燃气涡轮发动机的发展
1791年，英国人J·巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程。
1872年，德国人F·施托尔策设计了一台燃气轮机，并于 1900~1904年进行了试验，但因始终未脱开起动机独立运行而失败。
1905年，德国人C·勒梅尔和R·阿芒戈制成第一台能输出功的燃 气轮机，但效率太底，仅3~4%，因而未获得应用。
（1）三角转子的构造
转子的材 料可用可锻铸铁、 稀土球墨铸铁、 高强度合金铸铁 （如铜铬钼合金 铸铁）制造。
三角转子的构造 1-端面密封条槽 2-油环槽 3-转子轴承座 4-喷油孔 5-内齿圈 座
6-密封销孔 7-径向密封片槽 8-燃烧室凹坑 9-冷却腔 10-气压平衡孔 11-质量平衡孔 12-加强筋
优点：具有良好的气体密封性和功率传递的可靠性、热效率高而工作可靠。 缺陷：即存在许多往复运动质量，如活塞组件及气门机构等。这些组件因 往复运动而引起的往复惯性力和惯性力矩不能得到完全的平衡，且随着发动机 转速的不断提高这一缺点更加明显，轴承的载荷显着增加、振动加剧、噪声进 一步恶化等等。因而，使发动机转速的提高、单位容积功率的提高和降低单位 功率质量等性能指标的改善受到制约。
三角转子周边与缸体型线之间所围成的面积称为冲程面积，此面 积随偏心轴转角的变化而变化。
若缸体的宽度（厚度）为B，用VH表示发动机的工作容积（即 气缸排量），则根据几何原理可得：
VH 3 3eRB
转子发动机的理论压缩比定义与往复机是一样的，即：
i
Vmax Vm in
1 VH Vm in
εi是理论上可能达到的最大压缩比，它是指转子周面上不开凹坑 时的压缩比。实际的转子发动机为了燃烧及火焰传播的需要，在转子 周面上均有燃烧凹坑；另外，缸体内壁与转子的周边有间隙，火花塞 孔四周亦有间隙。所以实际压缩比总是小于理论压缩比。设上述所有 的附加容积之和为Vr，则实际压缩比ε为：
燃烧室主要由外壳、火焰管、空气旋流器、燃油喷嘴及其 它辅助设 备等组成。
第十一章 其他燃气涡轮发动机 第三节 气体燃料发动机
第一节 转子发动机
第一节 转子发动机
一、转子发动机的发展及其基本组成
转子发动机就是活塞进行回转运动的发动机。
往复活塞式发动机的主要特征之一是通过活塞及曲柄连杆机构在一个工作 循环中完成了进气、压缩、做功（膨胀）、排气四个冲程。
轴流式涡轮机叶片的断面形状
3.燃烧室
燃烧室是燃料与空气混合及燃烧的地方。在燃烧室内，燃料燃 烧释放出的热量将燃气加热到所要求的温度。
要求:
➢ 燃料能完全燃烧，在各种运行工况下都能获得高的燃烧效率；
➢ 燃料燃烧稳定，在工况变动或小负荷时不会熄火； ➢ 燃烧室出口的燃气温度要均匀，以确证涡轮机的安全运转； ➢ 有足够的强度和刚度，能承受振动载荷。 ➢ 整体质量轻、尺寸小，点火容易，维修简便。
二、转子发动机的工作原理
1.转子发动机的工作过程
转子发动机的活塞虽然作旋转运动，但它的每一循环和往复活 塞式发动机相同，也是由进气、压缩、作功和排气等四个过程组成
转子发动机的工作原理 Ⅰ-进气过程 Ⅱ-压缩过程 Ⅲ-作功过程 Ⅳ-排气过程
转子在外壳内作行星转动，转子每转一转（而主轴则转3转）， 3个空腔各完成一个工作循环，也就是说，三角转子每转一转，发 动机完成了3个工作循环。可见转子发动机工作过程的基本原理与 四冲程往复活塞式发动机的相同，只是每个行程对应的主轴转角不 是180°而是270°。
（2）密封系统
①气体密封
转子发动机的气体密封系统由三角转子角顶的径向密封片 （亦称刮片）、角片、密封销及设置在转子端面上的端面密封条 组成
径向密封的原理：在发动机工作时，径向密封片在离心力 和密封片底部气体压力的共同作用下压向气缸型面。同时进入 密封片槽内的气体还将径向密封片压向密封片槽的一侧，从而 实现了气缸工作腔的径向密封
压气机是燃气轮机中关键性的装置之一，广泛应用的压气机根据 空气的流动方向分为轴流式和径流式两类，后者通常称为离心式。由 于离心式压气机的结构简单、紧凑轻巧，且稳定运转的转速范围比轴 流式压气机的广阔，转速一定时容许的气体流量变化范围较大，所以 汽车用燃气轮机多采用离心式压气机。
燃气轮机主要由固定的进气道、排气道、扩压管及可转动的 叶轮部分等组成。
2.转子发动机的几何学及有关参数
（1）缸体型线
为了使转子发动机正常的工作，三角转子在缸内运动时，应 保证转子的三个顶端始终与缸壁接触，以形成不间断的密封，这就 要求缸体有特殊形状的型线。
缸体型线的生成原理 1-内齿圈 2-外齿轮 3-固定臂
实际汽缸型线的创成 1-内齿圈 2-外齿轮
（2）三角转子型线
三角转子周面的理论型线是缸体理论型线的内包络线。它的创 成是利用缸体型线导出三角转子的周面型线。所有这些型线的内切 线便是汽缸型线的内包络线。
三角转子型线的创成
（3）工作容积和压缩比
转子发动机的排量用单室容积表示，而单室容积是一个转子的一个 工作室的最大容积和最小容积之差，这种想法与往复式发动机的单缸容 积相同。
气缸体及 端盖的材料一 般是导热性能 好的铝合金或 高硅铝合金
水冷转子发动机的气缸体 1-排气孔 2-定位销孔 3-进气孔 4-气缸型面 5-火花塞孔
6-密封槽及密封铅条 7-紧固螺栓孔 8-肋筋
3.主轴
转子发动机的主轴也称偏心轴。其功能与往复活塞式发动机 的曲轴相似，不同的是曲轴由连杆推动旋转，而偏心轴是直接由 三角转子通过轴上的偏心转子轴颈使主轴转动。
1920年，德国人H·霍尔茨瓦特制成了第一台实用的燃气轮机， 其效率为13%，功率为370kW
1939年，在瑞士制成了4兆瓦的发电用燃气轮机，效率达18%。
二、燃气轮机的工作原理
燃气轮机的结构及工作原理示意图
主要由压气机、涡轮机、燃烧室和热交换器四大部件组成。
三、燃气轮机主要工作部件结构
1.压气机
（1）周面进气
周面进气的结构简单，能获得较好的动力性，适合于经常 处于高速、高负荷运转的动力装置上，但在中、低转速和负荷 时，其性能较差。
（2）端面进气
端面进气不适合高速高负荷运行的发动机，较适合经 常运行在中、低负荷的发动机。
（3）混合进气
这种配气是前两种型式的混合，既有周面进气孔，又有端面进 气孔，排气孔仍然布置在气缸的型面上。这样，在低速及部分负荷 时，只有端面进气孔参加工作，发动机进入高速大负荷时，端面和 周面的节流阀门同时开启。可见此种进气方式保留了上述两种方式 的优点，并在一定程度上弥补了他们的不足，是比较理想的进气方 式，但结构上比较复杂。在设计进、排气孔时应使进、排气重迭时 间尽量缩短，减少废气窜入新鲜混合气的机会，对提高充气效率和 发动机运转的稳定性，以及减少反喷均有利。
润滑油的密封 1-油环 2-O型硅橡胶圈 3-波形弹簧 4-刮油刃 5-端盖 6-三角转子
2.气缸体及端盖
缸体和端盖是转子发动机的基础零件。由前端盖和后端盖 （或中间隔板）将缸体封闭，气缸体内壁的型面与三角转子的三个 弧形表面构成了三个互相独立的工作腔，径向密封片沿缸体的型面 滑动并分隔各腔；转子转动时，端面气封条就在端盖平面上滑动， 使高压气体不会从气封条而进入油底壳。
转子发动机的基本结构原理
转子发动机的基本结构原理 1-转子壳体 2-进气管 3-化油器 4-进气孔 5-排气孔 6-冷却水道 7-转子 8-燃烧室
主要优点：
一是其结构简单、紧凑，体积小、质量轻、升功率大、比质 量小。
二是有利于发动机转速的提高。 三是其拆装方便、维修简易，且在相同压缩比下可燃用低辛烷值的 汽油。
目前水冷式转子发动机多采用轴流式冷却水循环方式。
转子发动机的冷却系统
1-散热器 2-补偿水箱 3-水泵 4-前端盖 5-气缸体 6-中间隔板 7-后端盖
4.转子发动机的点火系统
点火系统对转子发动机的多项性能均有影响。与往复活塞式四冲程发 动机相比，转子发动机的点火有许多不利的因素。首先由于转子发动机的 转速高，且主轴每转一转需要点火一次，所以点火频率高，火花塞的受热 严重。其次是转子发动机为避免径向密封片与火花塞的电极碰触，火花塞 必须缩进气缸型面以内，通过连通孔与气缸工作腔相通。这样火花塞得不 到新鲜气体的冲刷冷却，电极温度高；再就是燃烧室的扁长形状，混合气 在挤压过程中形成强烈气流，点火后火焰中心散热快，容易灭火；加之火 花塞孔内残存有少量的废气，使混合气的点燃比较困难。因此，要求火花 塞点火的电压比往复活塞式发动机要高得多，才能保证发动机的正常工作。
主轴材料一般用合金钢（如40Cr、35SiMn、 38CrMoAlAA等）及中碳钢锻造，也可用高强度球墨铸铁铸 造。轴颈部分渗碳或高频热处理硬化，并具有高的精度和表 面粗糙度。
转子发动机的主轴及动平衡
1-皮带轮 2-主轴颈 3-偏心轴颈 4-转子组件 5-飞轮平衡重 6-飞轮 7-润滑油道 8-皮带轮平衡重
离心式压气机构造示意图
2.涡轮机
涡轮机也叫透平，是将燃气的能量转化为机械能的转换器。 径流式涡轮机的优点是结构简单、制造容易且坚固耐用。
轴流式涡轮机主要由涡轮外壳、喷管、涡轮叶片、涡轮毂、 涡轮轴、轴承及防止燃气泄漏的密封装置等组成。
轴流式涡轮机结构
静叶与动叶的形状对涡轮机的效率有较大影响，所以要求它们的形 状应具有良好的气体动力性，以获得较高的涡轮机效率；其结构应有足够 的强度及抗振性能，所以它们的断面采用翼形断面
针对上述问题，转子发动机通常采用下列技术措施改善其点火性 能。
①采用炽热数较大的冷型火花塞；
②装用两个火花塞，一个装在气缸体短轴旋转方向前方，称前火花塞， 另一个装在短轴后方，称后火花塞。这种双火花方案既能改善火花塞的工作 条件，又有利于火焰的形成和传播；
③采用高能点火系统，以提高点火的能量。
转子发动机的点火系统
2.转子发动机的润滑系统
转子发动机的润滑系统的作用及组成与往复活塞式发动机基本 相同。一般均采用压力强制润滑，而小型风冷转子发动机多采用汽 油中掺入机油的润滑方式。
转子发动机的润滑系统
3.转子发动机的冷却系统
由于转子发动机的热力循环特点，决定了三角转子的受热 情况十分严酷，而缸体和端盖的受热又极为不均匀。为了防止 高温而引起异常磨损和径向密封片因结焦而卡死，以及缸体和 端盖过大的温差而引起热变形及热应力等问题的产生，需要合 理地组织循环冷却液的流动，对这些零件必须进行冷却。缸体 和前后端盖采取强制水冷，而三角转子则采取强制油冷。在小 型的转子机上也有采用风冷形式的。
VH Vmin Vr 1 VH
Vmin Vr
Vmin Vr
3.回转力的产生及扭矩输出
在往复活塞式发电机中，施加在活塞顶部的向下膨胀压力经 由连杆使曲轴转动。
回转力产生原理
三、转子发动机的主要零件构造
转子发动机的基本结构是由三角转子、偏心轴、缸体、前后 端盖、密封件等主要零件组成。
转子发动机的基本结构
转子密封系统
1-径向密封片 2-角片 3-径向密封片弹簧 4-密封销弹簧 5-密封销 6-端面密封条 7-端面密封条弹簧
径向密封片的密封原理
1-径向密封片弹簧 2-径向密封片 3-三角转子 4-气缸体
②润滑油密封
在转子的端 面上除有气密封 装置外，为了防 止冷却转子和润 滑轴承的润滑油 通过端面进入气 缸的工作腔，还 设有润滑油密封 装置。
1-偏心轴 2-平衡重 3-前端盖 4-后端盖 5-飞轮 6-转子 7-缸体 8-火花塞
1.角转子的构造及密封系统
转子也称三角旋转活塞，是转子发动机的主要运动部件之一。从 功率传输机构的角度来看，它兼有往复活塞式发动机的活塞和连杆的 双重作用，即有密封发动机的工作腔及承受高温燃气压力并将其传给 主轴的作用。