超级军网转子发动机简介——王奉明 程卫华——现代军事
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/29 19:28:02
转子发动机(rotary engine)又称米勒循环发动机，是20世纪50年代出现的一种结构新颖的内燃机，由德国人菲加士·汪克尔(Wankel)博士发明。与往复式活塞发动机的活塞做直线运动不同，转子发动机采用三角转子的旋转运动来控制燃气压缩和排放，将转子的旋转运动直接转化为曲轴的功率输出。转子发动机的功率范围大体在几十到几千马力，被广泛应用到导弹、无人机、汽车、坦克的动力装置上。
工作原理
转子发动机的基本工作原理与活塞式发动机相同，工作循环过程都是由进气、压缩、作功和排气4个行程组成。但是转子发动机取消了活塞的直线运动，转子的旋转运动直接转化为曲轴的旋转运动，从而提高了发动机的作功密度。
在转子发动机上，三角形转子被安置在缸体中，转子的3个顶点紧贴发动机缸体内壁。缸体内部空间被分成3个工作室，这些工作室随着转子的转动，在缸体的不同位置完成进气、压缩、作功(燃烧)和排气4个过程。三角形转子的轨道由安装在转子中心孔内侧的内齿圈和安装在偏心轴上的外齿轮所组成的相位齿轮机构所确定，内齿圈和外齿轮齿数比为3∶2。由于这一齿数比，转子和轴之间的转速比被限定为1∶3。螺旋桨组件安装在偏心轴的输出端上，转子转动带动偏心轴以3倍于转子的转速输出功率。和偏心轴相比，转子有较长的转动周期，偏心轴转动3圈、转子转动1圈。当发动机转速为3000转／分时，转子的速度只有1000转／分。
技术特点
汪克尔型转子发动机与往复式活塞发动机、小涡喷涡扇发动机相比，有如下优点：
(1)结构简单、零件少。转子发动机的运动部件很少，仅有转子、主轴而没有往复运动件、进排气阀及其他旋转机构。它与同功率活塞发动机相比，重量只有后者的50％～70％，体积小30％～50％，零件总数少20％～40％，其中运动件的数量少40％～60％。
(2)体积小、重量轻、功重比高。转子发动机结构简单紧凑、体积小，重量相当于同功率活塞发动机的2／3，也小于同功率的小涡喷涡扇发动机。由于转子发动机的转子侧面形成3个工作室，可以连续地在每个工作室中进行燃烧，因此做功连续、做功密度大；再加上重量比较轻，其功重比可与小涡喷涡扇发动机相媲美，比往复式活塞发动机大60％以上。
(3)运转平稳、噪音小。在一个工作周期中，往复式活塞发动机(完成4个冲程)的功率输出轴旋转720°而转子发动机的功率输出轴旋转1080°。由于转子发动机的每个冲程更长一些，再加上转子做匀速旋转，其转速只是转子发动机主轴转速的1／3，因此，即使是高速旋转时，其惯性力的冲击和震动也较活塞发动机小得多，作用在主轴上扭矩的均匀性较好，因此运转平稳、噪音较小。
(4)维修容易、造价低廉。转子发动机减少了曲柄一连杆机构和配气结构，没有凸轮轴、摇臂等零件，因此结构简单、具有很好的可维修性，生产成本约为同功率往复式活塞发动机的80％。
(5)可采用多种燃油、经济性好。20世纪80年代，美国最先研制成功多种燃料、分层燃烧的转子发动机，可以采用航空煤油、柴油、汽油、酒精、甲醇等多种燃料，突破了小涡喷涡扇发动机只能采用航空煤油做燃料的限制，具有较好的燃油经济性。转子发动机的燃料经济性和可靠性，就是与往复式活塞发动机相比也毫不逊色。
当然，三角转子发动机也有自身的弱点：由于汽缸密封线比往复式活塞发动机长，因此在低速运转时的气体泄漏高于活塞发动机；加之转子发动机的燃烧室狭长、面容比大，虽然高速动力性能优于活塞发动机，但低速动力性能和燃料经济性低于后者。随着转子发动机结构、工艺、材料的改进，特别是采用了分层燃烧技术，与活塞发动机在燃料经济性上的差距正在逐步缩小，目前已可以与先进的汽油活塞发动机相媲美。
应用情况
16世纪末在出版物中首次出现“连续运转内燃机”的提法，1846年设计出首台概念转子发动机，但这些概念都没有实用化。直到1957年，根据德国汪克尔博士的试验，才研制出第一台汪克尔型转子发动机。目前，各国生产了多种转子发动机，用在各类飞行器、汽车、轮船和摩托车上。世界上执转子发动机牛耳的是美、德、英、日等国。其中美、德、英等国研制的转子发动机在军用领域得到了广泛应用，日本则在汽车转子发动机方面独领风骚。
转子发动机的一系列突出优点弥补了往复式活塞发动机的不足，是一种性能比较理想、军民结合的、有发展前途的动力装置，展示出了越来越广阔的发展前景。如在无人机领域，著名的“影子”(Shadow)、“黄金眼”(GoldenEye)、“天眼”(Skyeye)、“赫耳墨斯”(Hermes)、“哈比”(Harpy)等无人机及“炮射观察无人机”(GLOV)、“综合引导系统”(LSIs)无人机，都选用转子发动机作为动力装置。
德国汪克尔公司研制了AR 208DT轻型转子发动机，功率67千瓦(5500rmp)，可为轻型飞机提供动力。在汪克尔转子发动机的基础上，各国开发了一系列军用转子发动机。
例如，美国柯蒂斯·莱特公司于1962年开始研究转子发动机，70年代中期研制成功用于轻型飞机的多种燃料转子发动机。1984年后，约翰-迪尔公司继承了柯蒂斯·莱特公司的技术，开发了SCORE 70、170、580系列机型，功率60～1678千瓦，用作坦克辅助电源动力、空军轻便发电机、海军陆战队登陆艇。1991年底，美国旋转动力国际公司(RPI)公司在约翰-迪尔公司产品的基础上，又开发了适用于无人机的SCORE40系列，功率5～15千瓦；并开发出适用于导弹、无人机等的RPI2013R、RPI2008RT发动机，功率为120千瓦(6000rmp)、44．7千瓦(5500rmp)。
英国研制的AR系列单循环气冷转子发动机(包括AR682、AR682R、AR731、AR741、AR801、AR801R等)功率在100千瓦以下，已广泛应用于美、英、德、以色列等国的无人机和导弹。如以色列“哈比”反辐射无人机、美国“赫耳墨斯450”和“影子200”无人机，都以英国AR731／741转子发动机为动力。
关键技术
(1)转子发动机三角活塞的密封和润滑问题。由于三角活塞与气缸壁之间需要密封的区域大，相对滑动的速度各不相等，且在活塞顶角部位处有2个方向的密封交汇，因此，对密封条和密封件的结构形式、润滑、可靠性，及其材料的机械性能、耐磨性等方面都提出了极大挑战。缸体型面容易产生号称“魔鬼的抓痕”的波状磨
损，从而影响气密性，造成发动机性能恶化。
(2)转子发动机的冷却问题。由于转子发动机作功功率大、密度高、位置固定，缸体不同部位所受的热负荷十分不均匀。进气口一侧容易过冷，影响混合气的形成和燃烧；而火花塞一侧(作功部位)容易冷却不足。冷热不均匀会导致热应力不均匀，影响发动机部件的使用性能和寿命，从而对转子发动机的缸体、转子活塞和密封件的材料性能提出更高的要求。
(3)转子发动机的燃油经济性问题。在小负荷和怠速工况下，由于转子发动机燃烧室的结构形状复杂、表面积大，火焰传播路径较长，因此不利于完全燃烧，使得燃油和机油的消耗增加、燃油经济性变差。这是初期转子发动机的重大缺陷，但随着多种燃料和分层燃烧技术的出现，经济性有了很大提高，几乎可以与往复式活塞发动机相媲美。
发展趋势
(1)采用新材料。由于缸体、转子、密封片等零部件处在高温高压燃气中，要承受热负荷及机械负荷摩擦等作用力，采用耐高温高压、低传导系数的新材料可以提高发动机的功率、可靠性和寿命。美国国家航空航天局刘易斯研究中心经过研究，在现有的多种燃料转子发动机上，应用绝热陶瓷或其他绝热材料做缸体、转子和缸盖，功率可提高10％～15％。
(2)采用增压技术。由于转子发动机的排气压力和温度均较高，废气涡轮增压是提高转子发动机功率、降低比油耗极其有效的手段。试验表明，增压可使转子发动机的燃油经济性提高15％～20％，并扩大低比油耗区的范围。
(3)发展分层燃烧技术。由于转子发动机的燃烧室面容比比较大，在燃烧过程中会出现较多的熄火区，致使燃烧不完全。美、日、德等国经过深入研究，发现转子发动机燃烧室的形状虽然不理想，但却对实现分层进气、分层燃烧极为有利。分层燃烧技术被认为是改善转子发动机燃料经济性的最有效途径之一。
(4)发展多种燃料转子发动机。这种发动机可以燃用航空煤油、柴油等常规石油燃料，以及醇类、天然气等代用燃料(包括人工合成燃料)，从高辛烷值的汽油、甲醇到低辛烷值的柴油，而无需做结构上的改装。因此，适应性、机动性和安全性明显优于各种汽油机和柴油机，而燃油经济性和低噪声、低成本的优点又显著优于燃气轮机。这就使多种燃料转子发动机成为对体积、重量和燃料功能等要求越来越高的各种军事武器装备的优选动力之一。
在上世纪70年代石油危机的背景下，为降低成本、追求转子发动机的广泛应用，以美国为首的西方发达国家开始研制多燃料转子发动机。他们采用高压燃油喷射和火源点火相结合的方式，突破了这种发动机的核心技术；但是在燃烧机理方面，美国和德国尚有分歧。
转子发动机(rotary engine)又称米勒循环发动机，是20世纪50年代出现的一种结构新颖的内燃机，由德国人菲加士·汪克尔(Wankel)博士发明。与往复式活塞发动机的活塞做直线运动不同，转子发动机采用三角转子的旋转运动来控制燃气压缩和排放，将转子的旋转运动直接转化为曲轴的功率输出。转子发动机的功率范围大体在几十到几千马力，被广泛应用到导弹、无人机、汽车、坦克的动力装置上。
工作原理
转子发动机的基本工作原理与活塞式发动机相同，工作循环过程都是由进气、压缩、作功和排气4个行程组成。但是转子发动机取消了活塞的直线运动，转子的旋转运动直接转化为曲轴的旋转运动，从而提高了发动机的作功密度。
在转子发动机上，三角形转子被安置在缸体中，转子的3个顶点紧贴发动机缸体内壁。缸体内部空间被分成3个工作室，这些工作室随着转子的转动，在缸体的不同位置完成进气、压缩、作功(燃烧)和排气4个过程。三角形转子的轨道由安装在转子中心孔内侧的内齿圈和安装在偏心轴上的外齿轮所组成的相位齿轮机构所确定，内齿圈和外齿轮齿数比为3∶2。由于这一齿数比，转子和轴之间的转速比被限定为1∶3。螺旋桨组件安装在偏心轴的输出端上，转子转动带动偏心轴以3倍于转子的转速输出功率。和偏心轴相比，转子有较长的转动周期，偏心轴转动3圈、转子转动1圈。当发动机转速为3000转／分时，转子的速度只有1000转／分。
技术特点
汪克尔型转子发动机与往复式活塞发动机、小涡喷涡扇发动机相比，有如下优点：
(1)结构简单、零件少。转子发动机的运动部件很少，仅有转子、主轴而没有往复运动件、进排气阀及其他旋转机构。它与同功率活塞发动机相比，重量只有后者的50％～70％，体积小30％～50％，零件总数少20％～40％，其中运动件的数量少40％～60％。
(2)体积小、重量轻、功重比高。转子发动机结构简单紧凑、体积小，重量相当于同功率活塞发动机的2／3，也小于同功率的小涡喷涡扇发动机。由于转子发动机的转子侧面形成3个工作室，可以连续地在每个工作室中进行燃烧，因此做功连续、做功密度大；再加上重量比较轻，其功重比可与小涡喷涡扇发动机相媲美，比往复式活塞发动机大60％以上。
(3)运转平稳、噪音小。在一个工作周期中，往复式活塞发动机(完成4个冲程)的功率输出轴旋转720°而转子发动机的功率输出轴旋转1080°。由于转子发动机的每个冲程更长一些，再加上转子做匀速旋转，其转速只是转子发动机主轴转速的1／3，因此，即使是高速旋转时，其惯性力的冲击和震动也较活塞发动机小得多，作用在主轴上扭矩的均匀性较好，因此运转平稳、噪音较小。
(4)维修容易、造价低廉。转子发动机减少了曲柄一连杆机构和配气结构，没有凸轮轴、摇臂等零件，因此结构简单、具有很好的可维修性，生产成本约为同功率往复式活塞发动机的80％。
(5)可采用多种燃油、经济性好。20世纪80年代，美国最先研制成功多种燃料、分层燃烧的转子发动机，可以采用航空煤油、柴油、汽油、酒精、甲醇等多种燃料，突破了小涡喷涡扇发动机只能采用航空煤油做燃料的限制，具有较好的燃油经济性。转子发动机的燃料经济性和可靠性，就是与往复式活塞发动机相比也毫不逊色。
当然，三角转子发动机也有自身的弱点：由于汽缸密封线比往复式活塞发动机长，因此在低速运转时的气体泄漏高于活塞发动机；加之转子发动机的燃烧室狭长、面容比大，虽然高速动力性能优于活塞发动机，但低速动力性能和燃料经济性低于后者。随着转子发动机结构、工艺、材料的改进，特别是采用了分层燃烧技术，与活塞发动机在燃料经济性上的差距正在逐步缩小，目前已可以与先进的汽油活塞发动机相媲美。
应用情况
16世纪末在出版物中首次出现“连续运转内燃机”的提法，1846年设计出首台概念转子发动机，但这些概念都没有实用化。直到1957年，根据德国汪克尔博士的试验，才研制出第一台汪克尔型转子发动机。目前，各国生产了多种转子发动机，用在各类飞行器、汽车、轮船和摩托车上。世界上执转子发动机牛耳的是美、德、英、日等国。其中美、德、英等国研制的转子发动机在军用领域得到了广泛应用，日本则在汽车转子发动机方面独领风骚。
转子发动机的一系列突出优点弥补了往复式活塞发动机的不足，是一种性能比较理想、军民结合的、有发展前途的动力装置，展示出了越来越广阔的发展前景。如在无人机领域，著名的“影子”(Shadow)、“黄金眼”(GoldenEye)、“天眼”(Skyeye)、“赫耳墨斯”(Hermes)、“哈比”(Harpy)等无人机及“炮射观察无人机”(GLOV)、“综合引导系统”(LSIs)无人机，都选用转子发动机作为动力装置。
德国汪克尔公司研制了AR 208DT轻型转子发动机，功率67千瓦(5500rmp)，可为轻型飞机提供动力。在汪克尔转子发动机的基础上，各国开发了一系列军用转子发动机。
例如，美国柯蒂斯·莱特公司于1962年开始研究转子发动机，70年代中期研制成功用于轻型飞机的多种燃料转子发动机。1984年后，约翰-迪尔公司继承了柯蒂斯·莱特公司的技术，开发了SCORE 70、170、580系列机型，功率60～1678千瓦，用作坦克辅助电源动力、空军轻便发电机、海军陆战队登陆艇。1991年底，美国旋转动力国际公司(RPI)公司在约翰-迪尔公司产品的基础上，又开发了适用于无人机的SCORE40系列，功率5～15千瓦；并开发出适用于导弹、无人机等的RPI2013R、RPI2008RT发动机，功率为120千瓦(6000rmp)、44．7千瓦(5500rmp)。
英国研制的AR系列单循环气冷转子发动机(包括AR682、AR682R、AR731、AR741、AR801、AR801R等)功率在100千瓦以下，已广泛应用于美、英、德、以色列等国的无人机和导弹。如以色列“哈比”反辐射无人机、美国“赫耳墨斯450”和“影子200”无人机，都以英国AR731／741转子发动机为动力。
关键技术
(1)转子发动机三角活塞的密封和润滑问题。由于三角活塞与气缸壁之间需要密封的区域大，相对滑动的速度各不相等，且在活塞顶角部位处有2个方向的密封交汇，因此，对密封条和密封件的结构形式、润滑、可靠性，及其材料的机械性能、耐磨性等方面都提出了极大挑战。缸体型面容易产生号称“魔鬼的抓痕”的波状磨
损，从而影响气密性，造成发动机性能恶化。
(2)转子发动机的冷却问题。由于转子发动机作功功率大、密度高、位置固定，缸体不同部位所受的热负荷十分不均匀。进气口一侧容易过冷，影响混合气的形成和燃烧；而火花塞一侧(作功部位)容易冷却不足。冷热不均匀会导致热应力不均匀，影响发动机部件的使用性能和寿命，从而对转子发动机的缸体、转子活塞和密封件的材料性能提出更高的要求。
(3)转子发动机的燃油经济性问题。在小负荷和怠速工况下，由于转子发动机燃烧室的结构形状复杂、表面积大，火焰传播路径较长，因此不利于完全燃烧，使得燃油和机油的消耗增加、燃油经济性变差。这是初期转子发动机的重大缺陷，但随着多种燃料和分层燃烧技术的出现，经济性有了很大提高，几乎可以与往复式活塞发动机相媲美。
发展趋势
(1)采用新材料。由于缸体、转子、密封片等零部件处在高温高压燃气中，要承受热负荷及机械负荷摩擦等作用力，采用耐高温高压、低传导系数的新材料可以提高发动机的功率、可靠性和寿命。美国国家航空航天局刘易斯研究中心经过研究，在现有的多种燃料转子发动机上，应用绝热陶瓷或其他绝热材料做缸体、转子和缸盖，功率可提高10％～15％。
(2)采用增压技术。由于转子发动机的排气压力和温度均较高，废气涡轮增压是提高转子发动机功率、降低比油耗极其有效的手段。试验表明，增压可使转子发动机的燃油经济性提高15％～20％，并扩大低比油耗区的范围。
(3)发展分层燃烧技术。由于转子发动机的燃烧室面容比比较大，在燃烧过程中会出现较多的熄火区，致使燃烧不完全。美、日、德等国经过深入研究，发现转子发动机燃烧室的形状虽然不理想，但却对实现分层进气、分层燃烧极为有利。分层燃烧技术被认为是改善转子发动机燃料经济性的最有效途径之一。
(4)发展多种燃料转子发动机。这种发动机可以燃用航空煤油、柴油等常规石油燃料，以及醇类、天然气等代用燃料(包括人工合成燃料)，从高辛烷值的汽油、甲醇到低辛烷值的柴油，而无需做结构上的改装。因此，适应性、机动性和安全性明显优于各种汽油机和柴油机，而燃油经济性和低噪声、低成本的优点又显著优于燃气轮机。这就使多种燃料转子发动机成为对体积、重量和燃料功能等要求越来越高的各种军事武器装备的优选动力之一。
在上世纪70年代石油危机的背景下，为降低成本、追求转子发动机的广泛应用，以美国为首的西方发达国家开始研制多燃料转子发动机。他们采用高压燃油喷射和火源点火相结合的方式，突破了这种发动机的核心技术；但是在燃烧机理方面，美国和德国尚有分歧。
今天不经意间发现学校图书馆买了刚刚网络版杂志，不敢独享，发了几篇——还有几篇在陆军版。明天还要考试，复习去了:D