首先以气缸作为分析对象，分析热-机耦合载荷下的轴向变形，同样以螺栓孔附近点1～11为参考点来表征气缸在轴向方向的变形量。小型转子发动机零部件在热-机耦合载荷下的变形主要是归因于热载荷作用，故气缸和前后端盖的变形趋势和变形原因与热载荷下变形保持一致，只是对应参考点上的变形量数值稍大于热载荷下的变形量。图3.42气缸参考点的轴向变形分布从图3.42可以看出，气缸在热机载荷下的变形量是随着发动机转速的增加而增加的。......
2023-06-23
热载荷下的变形分析
【摘要】：由于气缸的冷热区段温差较大，过大的温差致使气缸产生了极不均匀的热变形。图3.40不同转速下气缸各参点处的轴向变形量从图3.40可以看出，气缸的热变形量是随着发动机转速的增加而增加的。对比图3.40和图3.41可以看出，前后端盖轴向距离变化的趋势与气缸轴向变形基本相同，并且数值变化比较小，这是由于前后端盖的温度较低，所以前后端盖的轴向变形量要小于气缸的轴向变形量。
将温度场仿真计算结果作为已知条件，计算转子发动机受热零部件的热变形量。同样以气缸螺栓孔附近点1～11为参考点来表征气缸在轴向方向变形量。由于气缸的冷热区段温差较大，过大的温差致使气缸产生了极不均匀的热变形。此外，气缸还受到前后端盖以及螺栓预紧力的共同约束。图3.40所示为不同转速下气缸各参考点处的轴向变形量，将图3.40 同图3.12～图3.16中各转速下气缸温度场对比，气缸的轴向热变形明显是随着温度的增加而增加的。
图3.40 不同转速下气缸各参点处的轴向变形量
从图3.40可以看出，气缸的热变形量是随着发动机转速的增加而增加的。以转速为17 000r/min时为例说明气缸轴向热变形分布。
由于材料的导热作用，在进气口附近，气缸的温度仍然较高，所以即使参考点1 始终受到低温气体的冲刷，其变形量依然达到了16μm，比参考点2要高很多，而参考点2由于只接触低温混合气，因此热变形量很小。随着气缸壁面温度的急剧升高，从参考点2到参考点6，气缸的热变形量也急剧增大，参考点6热变形量约为参考点2的4倍。参考点6位于上止点偏后，是气缸温度最高的区域，且在此区域温度梯度也最大，因此参考点6的轴向热变形量最大。在参考点6 之后，气缸温度迅速下降，变形量也迅速下降，到达参考点9时，热变形量约为参考点6的1/2。由于在排气阶段，缸内气体温度仍然很高，在气缸的排气口附近，壁面与高温气体接触面积较大。由图3.12（a）可知，在排气口附近温度明显升高，因此在参考点9之后，变形量又开始增大。
再以前端盖为分析对象。同样以气缸内螺栓孔附近点1′～11′为参考点来表征前后端盖的轴向距离变化量。由于气缸的轴向变形，前后端盖在轴向产生了不同程度的位移；与此同时，在高温燃气的作用下，前后端盖也会受热膨胀，产生不同程度的热变形。在气缸轴向热变形导致的前后端盖相对位移以及端盖自身热变形的共同作用下，前后端盖的轴向距离也发生了极不均匀的变化。
图3.41所示为前后端盖参考点轴向距离变化分布。对比图3.40和图3.41可以看出，前后端盖轴向距离变化的趋势与气缸轴向变形基本相同，并且数值变化比较小，这是由于前后端盖的温度较低，所以前后端盖的轴向变形量要小于气缸的轴向变形量。又由于转子经历工质完整的循环过程，各处受力受热相对较为均匀，因此转子的变形也较为均匀。而前后端盖轴向距离的变化与转子轴向变形之差即为漏气间隙。由此可知，造成转子发动机端面漏气面积不均匀最主要的因素是气缸的轴向变形不均匀。
图3.41 前后端盖参考点轴向距离变化分布
由于各零部件的轴向变形情况相差较大，在实际工作过程中端面间隙会发生如下变化：在气缸的低温区段，转子的变形大于气缸的变形，即端面间隙会变小；而在气缸的高温区段，转子变形小于气缸的变形，即端面间隙会变大。根据文献[9]，在发动机工作过程中，假设漏气间隙为定值，绝大部分漏气发生在燃烧阶段，对应于气缸的高温区段。根据计算结果，变形后高温区段的端面间隙会明显变大，由此可知，变形后的端面漏气量亦会随之增大。
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2023-06-26
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