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硕士学位论文 StarRotor发动机膨胀机及热交换器设计，共71页。
【摘要】 StarRotor发动机采用布雷顿循环，利用从废气热能中回收部分能量的热力学原理来加热进入发动机燃烧器的空气，相较于活塞结构的发动机，具有高效率、高功率密度、低排放、低的维护性等优点。针对StarRotor发动机，论文主要研究其膨胀做功的内啮合转子膨胀机以及预热燃烧器进气的热交换器。通过对内啮合转子膨胀机关键部位结构及其冷却系统的设计，以及与之串联的热交换器设计仿真分析，来解决此StarRotor发动机的基础问题，从而为研究StarRotor发动机提供初步的设计分析。基于该研究目标，本文首先对膨胀机关键部位结构设计，膨胀机的关键部件是内外转子，其关键技术是内外转子的啮合，因此本文依据内啮合转子膨胀机的设计要求，对其进行型线设计、结构设计和材料选择。本文进行内啮合转子膨胀机的冷却系统的设计主要进行冷却液的选择、冷却通道的设计以及冷却液流量的计算，通过合理的水道布置和冷却液流量的供给，控制膨胀机的温度在适当的范围之内，确保其高效安全的运行。本文进行StarRotor发动机热交换器的设计，选择管壳式热交换器作为该发动机的热交换器，对管壳的结构、工作介质等进行设计，并在Fluent软件平台上对所设计的管壳式热交换器进行仿真计算，对其进行性能分析，验证结果显示本文所设计的管壳式换热器符合设计要求。论文对StarRotor发动机的膨胀机进行设计，研究其型线设计方法，以及膨胀机的冷却系统的设计方法，对StarRotor发动机热交换器的设计与分析，设计出一款适合于StarRotor发动机的热交换器，通过以上工作，为StarRotor发动机的设计奠定了坚实的理论基础。
【关键词】 StarRotor发动机； 内啮合转子膨胀机； 冷却系统； 热交换器；

目录
1 绪论 ....................................................... 1
1.1 研究课题背景和意义................................................ 1
1.2 内啮合转子机构的研究和发展........................................ 2
1.2.1 内啮合转子泵 ................................................ 2
1.2.2 内啮合转子膨胀机 ............................................ 5
1.2.3 现有研究工作应用于膨胀机中的不足 ............................ 5
1.3 本文研究内容 ...................................................... 7
2 StarRotor 发动机的基本理论 .................................. 8
2.1 StarRotor 发动机简介 .............................................. 8
2.2 StarRotor 发动机工作原理 ......................................... 10
2.3 布雷顿热力循环................................................... 14
2.4 啮合转子膨胀机工作原理........................................... 17
3 内啮合转子膨胀机齿轮构型和冷却系统设计..................... 19
3.1 设计要求......................................................... 19
3.2 内啮合齿轮式膨胀机齿轮型线设计................................... 19
3.2.1 内转子型线.................................................. 20
3.2.2 外转子型线.................................................. 21
3.2.3 工作腔容积计算.............................................. 23
3.3 内啮合齿轮式膨胀机结构设计....................................... 24
3.4 内啮合齿轮式膨胀机材料选择....................................... 29
3.5 冷却系统设计..................................................... 30
3.6 膨胀机的内流冷却通道............................................. 34
4 热交换器设计与 Fluent 仿真分析 ............................. 37
4.1 热交换器简介..................................................... 37
4.2 热交换器的分类................................................... 37
4.3 确定管壳式热交换器的设计方案..................................... 40
4.3.1 管壳式热交换器换热管的设计 ................................. 40
4.3.2 管壳式热交换器的设计计算方法 ............................... 40
4.4 管壳式热交换器的设计............................................. 40
4.4.1 换热管的排列 ............................................... 41
4.4.2 确定物性参数 ............................................... 41
4.4.3 管壳式热交换器的设计计算步骤 ............................... 42
4.4.4 换热管材料的选择 ........................................... 48
4.5 热交换器模型..................................................... 50
4.6 基于 fluent 的热交换器数值模拟和计算.............................. 50
4.6.1 计算模型与计算条件的简化 ................................... 50
4.6.2 计算模型网格划分及边界条件的设置 ........................... 51
4.6.3 数值计算结果分析 ........................................... 51
5 总结与展望 ................................................ 56
5.1 总结............................................................. 56
5.2 展望............................................................. 56
参考文献 ................................................................ 57
致 谢 .................................................................. 61
攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果 ................................ 62

1 绪论
1.1 研究课题背景和意义
近年来，随着石油资源制约压力增大及环境保护日显迫切，寻找新能源，开发节能、高效、环保的新型动力系统在世界各国的已经达成广泛共识，各国的动力工程领域科技人员进行了大量研究，尝试探究了多种方案。本课题所涉及中的 StarRotor 发动机就是其中一种极具现实意义的解决方案。
在现实生活中较为常见的动力系统主要有汽油机与柴油机两种。汽油机在车辆中有大量的应用，具有转速高、质量轻、噪音小等优点，但同时它也存在着热效率低、油耗高等缺点。柴油机的热效率和经济性均高于汽油机，但受工作压力较大的影响，其不可避免的存在体积大、质量重、工作粗暴、噪声大等缺点。虽然近年来柴油机、汽油机大量的应用了增压、高压共轨、可变气门、燃料分层直喷、可变排量控制等一系列的先
进技术，但这对其性能提升仍然相对有限。而本课题所研究的 StarRotor 发动机，是一种基于布雷顿循环的新型发动机，与传统的柴油机相比、汽油机具有结构简单、噪声小、功率密度大、循环热效率高等优点，因而会是一种理想的未来动力系统。
StarRotor 发动机由德克萨斯 A&M 大学的化学工程博士马克·霍尔特萨普尔和他的同事安德鲁·雷布罗克最先发展而来。StarRotor 发动机应用了与燃气轮机相同的布雷顿热力循环原理。理论上，布雷顿热力循环包括绝热压缩、定压加热、绝热膨胀、定压放热等几个主要工作过程，相较于常见的采用奥托循环特性的汽油机与采用狄赛尔循环特性的柴油机，采用布雷顿循环的发动机都具有很高的功率密度，由于热交换器的采用，........