美国SCORE转子发动机(2)

1977年，美国海军为发展下一代水陆两用登陆车(LVA)动力，与柯蒂斯?莱特签订了一个研制费用为2400万美元的4转子发动机研制合同，标定功率为1103千瓦，转速3600r/min，总排量23.1L，这就是以后命名为4231R的转子发动机。美国约翰?迪尔国际技术公司1984年2月向柯蒂斯?莱特公司购买了有关转子发动机的全部技术和资产，原来属于柯蒂斯?莱特公司的新泽西州伍德里奇的研究所已成为约翰?迪尔国际技术公司转子发动机研究分部。该公司现在在研制SCORE 70、SCORE170和SCORE580 3种系列转子发动机，SCORE580系列又分为SCORE1(研制型)和SCORE2(生产型)两种机型。单转子排量最大的SCORE580系列由单、双、3、4和6转子菜5种机型组成，与军用关系最大。单转子的排量和功率分别为5.8L和276千瓦。该系列发动机采用分层进气燃烧系统和涡轮增压(压比为2)技术。根据与美国海军、海军陆战队(USN/USMC)1986年6月签订的为期3年的合同正在研制2116R双转子发动机，并验证其标定功率，准备用于海军陆战队的LVT(X)水陆两用突击车和其他军用车辆。按计划该发动机于1987年进行样机鉴定，1990年投入生产。SCORE2系列发动机有可能将单转子功率从280千瓦/转子提高到560千瓦/转子，采用的技术措施是提高平均有效压力和转速，通过隔热减少散热量、减少摩擦等。最初为美国海军陆战队研制的SCORE580系列中的4231R转子发动机也在研制中，有可能作为美国海军舰船推进装置和发电设备。约翰?迪尔国际技术公司转子发动机的系列名称和发动机型号标识意义为： 1.系列名称 SCORE是分层进气多种燃料转子发动机的英文字首字母的组合，数字表示该系列发动机的单转子排量。如SCORE170为单转子排量为1.7L的分层进气多种燃料转子发动机系列。 2.型号标识如4 231 R?转子发动机：Rotary字首字母总排量：3位数口，第一位以10L为单位，第二位以1L为单位，第三位以0.1L为单位转子数所以4231R，即总排量为23.1升的4转子发动机。结构特点汪克尔型转子发动机的每一对转子副由内表面是双弧余摆线的壳体和表面由包络线形成的三角活塞(转子)组成，活塞的顶点与壳体内表面接触。壳体和三角活塞表面包围着的3个工作容积，当转子旋转时，由于转子轴颈与主轴颈偏心而发生容积变化，从而完成进气、压缩、作功和排气过程。可以根据功率需要，设计转子排量和转子数不同的发动机。转子发动机的主要组成部分有转子、壳体、端盖、中间体(多转子发动机)以及转子传动齿轮和主轴等。作为关键部件的转子上有多种密封件，如在转子顶点的顶部密封、转子端面的侧面密封，位于顶部密封与侧面密封之间的钮和型密封以及转子的油密封等。转子发动机的转子滑套在主轴上，相对于主轴轴心作行星运动。转子转360°，主轴转360°×3，转子转速是主轴转速的1/3。主轴每转一周，转子的某一面就作功一次。下图是SCORE转子机的工作过程。 1.进气过程转子顶部密封打开进气口时，经增压后的空气进入工作腔。 2.进气和压缩过程空气继续进入直到转子另一顶部密封关闭进气口为止。转子继续转动，腔内气体受压缩。 3.燃烧过程当气体被压缩到接近最小体积时，辅助喷嘴喷射一定的引燃油量，经电火花塞点燃而形成引燃火焰。 4.作功过程主喷嘴喷油，燃油和空气形成层状可燃混合气。引燃火焰点燃混合气，产生的高温高压燃烧气体膨胀作功。 5. 排气过程排气口打开，废气由此排出并进入涡轮增压器涡轮，再次作功。 SCORE各系列发动机除了具有转子发动机的基本结构以外还采用了分层进气燃烧系统，因此具有下列主要特点： 1.高单位体积功率和低比重量高单位体积功率使转子发动机有可能成为战车的理想动力。例如1103千瓦的4231R转子发动机单位体积功率为959千瓦/m3，高度为750mm。战斗车辆发动机的三维尺寸中，高度对车辆的影响最大。转子发动机高度低，为降低车高提供可能性，十分适合战车应用。转子发动机低的比重量有利于降低生产成本和维护保养费用。 2.有多种燃料性能分层进气燃烧系统是约翰?迪尔国际技术公司的专利。该系统既解决了柴油转子发动机高压缩比带来的密封问题，又可实现发动机多种燃料性能要求。为了建立分层进气燃烧过程，采用喷射、点燃燃烧方式，利用2个直接喷射式喷嘴、1个辅助喷嘴直接置于电火花塞下面，喷射少量燃油至充满压缩空气的燃烧室，雾化的燃油由电点火的火花塞点燃形成引燃火焰，引燃火焰再点燃由另1个主喷嘴喷射的大量燃油与空气形成的可燃混合气。 SCIRE各系列发动机采用分层进气燃烧系统后可以燃用1号、2号柴油、JP4、JP5、JP8喷气动机燃油、汽油、煤油和酒精，具有与往复式柴油机差不多的燃油经济性，惰转油耗较低。这种燃烧系统还给发动机带来了冷起动容易、噪声低、振动小、不冒黑烟等特点。 3.提高了可靠性、可使用性、维修性和耐久性(RAM-D) 转子发动机结构简单，与4冲程往复式发动机相比，零部件数量可减少40%，尤其是气门、推杆、连杆、凸轮轴等运动件的数量更为减少，从而可预期发动机有较长的使用寿命和大修间隔期，还可简化后勤工作。 4.模块化和通用化程度高转子发动机便于由不同转子数组合成多种排量的功率覆盖面很大的系列发动机。如SCORE580系列，最低功率为276千瓦(单转子机)，最高功率达1656千瓦(6转子机)。从这点看来，转子发动机比往复式发动机有更高的系列化性能。SCORE系列发动机中，系列化零件数达83%，可通用零件数达90%。此外，转子发动机转动惯量小，有利于发动机加、减速，可提高车辆机动性；没有往复运动件和气门机构，平衡性好，振动小，而且摩擦损失小，非增压转子发动机的机械效率在80%以上。转子发动机的主要问题是转子上的密封件，尤其是顶部密封的磨损问题，严重影响其性能和使用寿命。尽管580系列中的双转子发动机在607千瓦(825马力)(超负荷10%)功率下完成了北约(NATO)400h耐久性试验以及更严格性能、环境试验、近3000h的可靠性试验，但密封件易于磨损被认为是转子发动机的一个固有缺点。这种发动机的工作可靠性和使用寿命尚待实践证实。系列化约翰?迪尔国际技术公司在研制中的3个系列转子发动机的简况是： 1.SCORE70系列本系列包括1007R、2013R、3020R和4026R共4种机型，单转子排量为0.7L，近期功率范围为59千瓦(80马力)～236千瓦(320马力)，适用于地面支援设备、军用车辆辅助动力装置和高机动性车辆动力。美国国家航空和航天局(NASA)刘易斯研究中心(Lewis Research Center)与该公司签订了一个4250万美元的研制合同，为轻型飞机研制2013R双转子发动机，要求在1990年前作好生产准备。 2.SCORE170系列本系列包括1017R、2034R、3051R、4068R和6102R共5种机型，单转子排量为1.7L，近期功率范围为147千瓦(200马力)～882千瓦(1200马力,是该公司与阿夫柯-莱卡明公司联合研制的。该系统可用于飞机推进装置和辅助动力装置，也可扩大应用于中型和轻型装甲车辆，估计在1990年以后可供应用。 3.SCORE580系列本系列包括1058R、2116R、3174R、4231R和6347R共5种机型，单转子排量为5.8L，近期功率范围为276千瓦(375马力)～1655千瓦(2250马力)。 SCORE70和SCORE580系列发动机的远期功率目标将提高1倍。在发展机型上除采用涡轮增压中冷技术外，还正在进行绝热转子发动机的研究。用于研究的基型发动机是1007R的压缩比为7.5:1，在转速7000r/min时标定功率达78千瓦(106马力)。已为该机研制了一种电子控制燃油喷射系统，1986年进行了试验。此外，还与麻省理工学院(MIT)斯隆汽车实验室协作建立了分层进气转子发动机燃烧模拟以研究如提高压缩比，加速燃烧过程，减少三角活塞顶点和侧面密封漏油等性能改进方案。隔热技术研究表明，采用陶瓷涂层，可以达到50%绝热度，要达到更高的绝热度，则要采用整体陶瓷零件。 SCORE70、SCORE170、SCORE580系列发动机主要性能参数型号?转子数?排量?功率?增长功率?外形尺寸???体积?单位体积功率*?重量?比重量* ???????(L)?(千瓦)??(千瓦)?长×宽×高(mm)?(m3)???(千瓦/m3)??(kg)?(kg/千瓦) SCORE70系列 1007R?1???0.7??59??118?560×530×505??0.150???393???90???1.5 2013R?2???1.3??118?236??685×530×505?0.185???638???115???0.97 3020R?3???2.0??176?352??840×530×505?0.225???752???166???0.94 4026R?4???2.6??236?472??965×530×505?0.260???908???195???0.83 SCORE170系列 1017R?1???1.7??147?184??585×736×505?0.22???668????147???1 2034R?2???3.4??294?368??741×736×505?0.27???1089???223???0.75 3051R?3???5.1??441?552??880×736×505?0.33???1336???291???0.66 4068R?4???6.8??588?736??1020×736×505?0.38???1547???364???0.62 6102R?6???10.2?882?1103??????????0.54???1633???514???0.58 SCORE580系列 1058R?1???5.8??276?556??888×1000×750?0.67???412????412??1.49 2116R?2???11.6?552?1103??1110×1000×750?0.84??657????643???1.16 3174R?3???17.4?828?1656??1350×1000×750?1.15??959????1020??0.92 6347R?6???34.7?1655?3310?2185×1000×750?1.65???1004???1450??0.88 *比重量和单位体积功率值都是以近期功率计算的。性能数据型号?????2116R 类型 ?转子数????2 ?冷却方式???水冷 ?燃烧系统???分层进气、直接喷射与点燃 ?燃料种类???柴油(1号、2号)、汽油、酒精、JP4、JP5、JP8 ?增压方式???涡轮增压 ?压比?????2 ?有无中冷???无 ?曲轴转向???逆时针 ?曲轴支承???3支点单转子排量???5.8L 总排量?????11.6L 压缩比?????8.5 标定功率????552千瓦标定转速????6000r/min 最大扭矩????110N?m 最大扭矩转速??3750r/min 升功率?????47.6千瓦/L 燃油消耗率(标定)?245g/千瓦?h 燃油消耗率(最低)?233g/千瓦?h 外形尺寸 ?长??????1100mm ?宽??????1000mm ?高??????750mm 单位体积功率??657千瓦/m3 重量??????643kg 比重量?????1.16kg/千瓦