Combustion chamber Gas leakage at apex seal e00口00©口▣胞l1@00©U口 Exhaust 回oL 图7转子机气缸内的漏气路径 Fig.7 The gas leakage path of rotary engine 径向密封片处的漏气路径见图8所示，向相邻工作室的漏气主要是通过径向密封片顶部圆弧与 气缸型面之间的间隙和密封片长度方向的间隙。从径向密封片顶部圆弧处的漏气量是很少的，而从 密封片长度方向间隙的漏气量是主要的。 Gas leakage through apex seal top Gas leakage through apex seal side Corner seal 图8径向密封片处的漏气路径 Fig.8 The gas leakage path in the apex seal Eberle等l指出转子机处的漏气量随转速降低而增加，随泄漏间隙的增大而增大，且径向密封 处的漏气量远大于端面密处的漏气量。 卢法等给出径向密封片长度方向间隙的漏气量的计算公式，在上止点附近，偏心轴转角0~π/ 2范围的漏气量计算式为Q=(0.685)k,A√Pm%E·5/n。式中，k,为流动阻力系数：A为径向密封片 长度方向漏气间隙：Pm为上止点时的平均气压：ε为压缩比；%为大气环境下的气体比容：n为偏 心轴转速。可见漏气量与转速成反比例关系。 王志宽在Fluent中对转子机压缩漏气过程进行模拟仿真，漏气率在低压过程中变化平稳，当 低压变化到高压时漏气率出现波动，且随着转速的降低，漏气率升高，高速时的气体泄漏量比低速 时少。 马重芳等缸内气体的工作过程视为绝热等熵过程，给出漏气量百分比的计算公式： △G/Gw≈∑H√RT(30△0/nπWw)(plPw)22，式中4G为漏气量，Gw为工作腔内气体质量， 4为流量系数，y为一描述流速的函数，Pw、Tw、'为进气口刚关闭时工作腔内气体压力、温度与容
图 7 转子机气缸内的漏气路径 Fig.7 The gas leakage path of rotary engine 径向密封片处的漏气路径见图 8 所示，向相邻工作室的漏气主要是通过径向密封片顶部圆弧与 气缸型面之间的间隙和密封片长度方向的间隙。从径向密封片顶部圆弧处的漏气量是很少的，而从 密封片长度方向间隙的漏气量是主要的[11]。 图 8 径向密封片处的漏气路径 Fig.8 The gas leakage path in the apex seal Eberle 等[15]指出转子机处的漏气量随转速降低而增加，随泄漏间隙的增大而增大，且径向密封 处的漏气量远大于端面密封处的漏气量。 卢法等[11]]给出径向密封片长度方向间隙的漏气量的计算公式，在上止点附近，偏心轴转角 0~π/ 2 范围的漏气量计算式为： 0 (0.685) 5 / Q k A p v n n gm 。式中，kn为流动阻力系数；A 为径向密封片 长度方向漏气间隙；pgm为上止点时的平均气压；ε 为压缩比；v0为大气环境下的气体比容；n 为偏 心轴转速。可见漏气量与转速成反比例关系。 王志宽[16]在 Fluent 中对转子机压缩漏气过程进行模拟仿真，漏气率在低压过程中变化平稳，当 低压变化到高压时漏气率出现波动，且随着转速的降低，漏气率升高，高速时的气体泄漏量比低速 时少。 马重芳等[17]缸内气体的工作过程视为绝热等熵过程，给出漏气量百分比的计算公式： 1/2 1/2 / (30 ) ( ) k G G f RT n V p p N N N N ，式中 ΔG 为漏气量，GN 为工作腔内气体质量， μ 为流量系数，ψ 为一描述流速的函数，pN、TN、VN为进气口刚关闭时工作腔内气体压力、温度与容 录用稿件，非最终出版稿
积，40为偏心轴转角分度间隔，p为各个间隔上的压力值，n为偏心轴转速。同样可以推导出漏气 量与转速之间为反比例关系。 马重芳等7给出美国RC-60转子机在不同径向密封片以及BM450-Ⅲ型转子机工作腔内气体质 量百分数随转速的变化曲线，可以反映不同情况下的漏气情况。如下图9所示，存气量与转速基本 呈现线性递增关系，BM450-Ⅲ冷机工作腔存气量在转速200pm时为54.5%，1000rpm时增加到 78.4%,5000pm时为93.6%。对于RC-60转子发动机，组合式径向密封片的密封性能优于整体式， 特别是在低速情况下，组合式径向密封片有利于发动机启动。 图9工作腔内存气量随转速的变 Fig.Variation of air volume in chamber with rotating speed 关于漏气量随转速的变化规律，潘奎润等随着转速的增加。当量漏气面积增加，但转速增加 速度比当量漏气面积增长更快，气体泄漏的时间更痧因此漏气量随转速增加而减小。 许右龙剧利用UV转子机进行台架实验，通过做变发动机转速，分析了不同转速下汽缸压力 的变化，并估计转子径向密封片的漏气间隙变化注要发生于压缩过程与膨胀过程。发动机转速越高， 漏气间隙也会越小，泄漏程度越低：反之，转速越低漏气间隙越大，气体泄漏越严重。 Ngao等分析了影响气体泄漏的各个因素以及各因素在总漏气量中的占比，图10给出气体泄 漏的各个因素，图11给出了泄漏总量。可见径向密封片处是漏气最大的地方。同时当径向密封片经 过火花塞孔时，火花塞腔的漏气是不可忽略的。 1000rpm (Cakulated) 录用稿供 Spark plug hole Apex seal Spark plug hole T Side seal Bottom Dead Center Top Dead Center Bottom Dead Cente 图10不同位置的气体泄漏率示意图即 Fig.10 The gas leakage rate at different piston position
积，Δθ 为偏心轴转角分度间隔，p 为各个间隔上的压力值，n 为偏心轴转速。同样可以推导出漏气 量与转速之间为反比例关系。 马重芳等[17]给出美国 RC-60 转子机在不同径向密封片以及 BM450-Ⅲ 型转子机工作腔内气体质 量百分数随转速的变化曲线，可以反映不同情况下的漏气情况。如下图 9 所示，存气量与转速基本 呈现线性递增关系，BM450-Ⅲ 冷机工作腔存气量在转速 200rpm 时为 54.5%，1000rpm 时增加到 78.4%，5000rpm 时为 93.6%。对于 RC-60 转子发动机，组合式径向密封片的密封性能优于整体式， 特别是在低速情况下，组合式径向密封片有利于发动机启动。 图 9 工作腔内存气量随转速的变化[17] Fig.9 Variation of air volume in chamber with rotating speed[17] 关于漏气量随转速的变化规律，潘奎润等[17]随着转速的增加，当量漏气面积增加，但转速增加 速度比当量漏气面积增长更快，气体泄漏的时间更短，因此漏气量随转速增加而减小。 许右龙[18]利用 UAV 转子机进行台架实验，通过改变发动机转速，分析了不同转速下汽缸压力 的变化，并估计转子径向密封片的漏气间隙变化主要发生于压缩过程与膨胀过程。发动机转速越高 ， 漏气间隙也会越小，泄漏程度越低；反之，转速越低漏气间隙越大，气体泄漏越严重。 Nagao 等[19]分析了影响气体泄漏的各个因素以及各因素在总漏气量中的占比，图 10 给出气体泄 漏的各个因素，图 11 给出了泄漏总量。可见径向密封片处是漏气最大的地方。同时当径向密封片经 过火花塞孔时，火花塞腔的漏气是不可忽略的。 图 10 不同位置的气体泄漏率示意图[19] Fig.10 The gas leakage rate at different piston position 录用稿件，非最终出版稿 [19]
图11不同位置的总漏气量示意图 Fig.11 Total gas leakage at different position! Picard等Pol提出了一种考虑径向密封片受力情况和窜动的估算转子机径向密封和角部密封气体 泄漏的建模方法。结果表明，径向密封片处主要泄漏组成为：角密封间隙处的泄漏：通过火花塞孔 腔时径向密封片顶部的泄漏：高速下径向密封片侧面处的泄漏。其中角密封处的泄漏是主要泄漏部 位，随着间隙的增大漏气量增大：前火花塞腔处的漏气是其次重要的泄漏部位：径向密封片侧面的 泄漏在低速时可以忽略不计，但随着转速增加而随之增加：后火花塞腔处和径向密封片顶部的泄漏 量很小。图12给出火花塞处的漏气路径示意。 Rotor Spark plug 稿 图12火花塞腔处的漏气 Fig.12 Gas leakage in the spark plug cavity 范宝伟等四在研究天然气/氢气转子机氢气喷射策略及径向泄漏对燃烧性能的影响时，建立 了带有漏气间隙的三维仿真模型并进行了数值模拟研究。张耀元在此基础上进一步研究了径向漏 气对转子机燃烧性能的影响。漏气气流的强度随漏气间隙增大而增大，随转速降低而降低。小的漏气 间隙不会改变流场的基本结构，而大的漏气间隙则会致变流场的基本结构，使燃烧室前部的气流变 成了滚流形式。同时漏气存在使得充量效率和缸内都会降低，也会降低进气冲程前期的平均湍 动能。 X 针对火花塞处的漏气，Yamaoka4指出火花塞处的漏气还会导致火花塞腔处的积碳，为了减小 火花塞腔处的漏气，文献中给出优化方案，如阁」3示，将火花塞移向缸体短轴同时改变火花塞的 角度和腔室的形状来减小该处漏气。 Position of spark plug hol Edge shape of spark plug hole Original shape 录用稿件 Improved NO.2 Improved Configuration 图13火花塞腔形状的优化网 Fig.13 The form optimization of spark plug cavity 根据这些研究，可以发现转子机漏气位置较多，密封难度较大，且在低速运行时漏气严重，转 子机漏气最多的位置是径向密封片处，漏气最严重的阶段发生在压缩与燃烧阶段，这一阶段也是振 拍最严重的阶段，也对应着缸体振纹出现的位置，该处漏气量较多与径向密封片的振拍存在着联系。 2.4径向密封片的唐损 转子机经一段时间的运转后，径向密封片顶部圆弧会发生磨损。磨损会影响转子机的气缸几何 精度、密封的性能和发动机的使用寿命。因此一般在设计转子机之初，会模拟仿真发动机密封片的磨
图 11 不同位置的总漏气量示意图[19] Fig.11 Total gas leakage at different position[19] Picard 等[20]提出了一种考虑径向密封片受力情况和窜动的估算转子机径向密封和角部密封气体 泄漏的建模方法。结果表明，径向密封片处主要泄漏组成为：角密封间隙处的泄漏；通过火花塞孔 腔时径向密封片顶部的泄漏；高速下径向密封片侧面处的泄漏。其中角密封处的泄漏是主要泄漏部 位，随着间隙的增大漏气量增大；前火花塞腔处的漏气是其次重要的泄漏部位；径向密封片侧面的 泄漏在低速时可以忽略不计，但随着转速增加而随之增加；后火花塞腔处和径向密封片顶部的泄漏 量很小。图 12 给出火花塞处的漏气路径示意。 图 12 火花塞腔处的漏气 Fig.12 Gas leakage in the spark plug cavity 范宝伟等[21][22]在研究天然气/氢气转子机氢气喷射策略及径向泄漏对燃烧性能的影响时，建立 了带有漏气间隙的三维仿真模型并进行了数值模拟研究。张耀元[23]在此基础上进一步研究了径向漏 气对转子机燃烧性能的影响。漏气气流的强度随漏气间隙增大而增大，随转速降低而降低。小的漏气 间隙不会改变流场的基本结构，而大的漏气间隙则会改变流场的基本结构，使燃烧室前部的气流变 成了滚流形式。同时漏气存在使得充量效率和缸内压力都会降低，也会降低进气冲程前期的平均湍 动能。 针对火花塞处的漏气，Yamaoka[24]指出火花塞处的漏气还会导致火花塞腔处的积碳，为了减小 火花塞腔处的漏气，文献中给出优化方案，如图 13 示，将火花塞移向缸体短轴同时改变火花塞的 角度和腔室的形状来减小该处漏气。 图 13 火花塞腔形状的优化[24] Fig.13 The form optimization of spark plug cavity[24] 根据这些研究，可以发现转子机漏气位置较多，密封难度较大，且在低速运行时漏气严重，转 子机漏气最多的位置是径向密封片处，漏气最严重的阶段发生在压缩与燃烧阶段，这一阶段也是振 拍最严重的阶段，也对应着缸体振纹出现的位置，该处漏气量较多与径向密封片的振拍存在着联系。 2.4 径向密封片的磨损 转子机经一段时间的运转后，径向密封片顶部圆弧会发生磨损。磨损会影响转子机的气缸几何 精度、密封的性能和发动机的使用寿命。因此一般在设计转子机之初，会模拟仿真发动机密封片的磨 录用稿件，非最终出版稿
损过程并对密封片的接触应力进行校核。 贺泽龙等s采用准静态的方法，利用UGGrip建立磨损仿真模型进行数值模拟。如图l4示，径 向密封片顶部圆弧中部磨损量较小，而两边磨损量较大。此外，贺泽龙等得出径向密封片中部的 油膜厚度较大，两边油膜厚度较小，油膜厚度分布情况见图15示，径向密封片的两边相对于中间 更容易磨损。与径向密封片实际磨损情况相吻合。 14 ◆一300h 12 600h 10 一900h 8 6 4 2 -0.75 非最终版稿 -0.5-02500.25 0.5 0.75 Apex seal width/mm 图14径向密封片不同时间的磨损量四 Fig.14 The wearing capacity of apex seal at diff 14 1.2 1 0.8 080.6-0.4 02 0.4 0.6 0.81 Apex seal width/mm 《厨向密封片最小油膜度分 Fig.15 Minimum oil film thickness distribution of apex seal roof 北京理工大学Hanying Jiang等P通过数值模拟研究了混合润滑情况下径向密封片顶部工作面的 磨损情况，见图16所示， 径向密封片顶部磨损最严重的部位对应最大摆动角附近，且随着发动机 运行时间的增加各摆动角对应的磨损深度趋于一致。同样可以认为径向密封片磨损最严重的地方位 于径向密封片顶部工作面的两侧，且随着发动机运转时间的增加顶部各处的磨损趋于均匀。 -l2 cireles --1.8x10'circles -◆24xl0 circles 36- 20 1001020 0() 图16不同旋转圈数下径向密封片的磨损深度
损过程并对密封片的接触应力进行校核。 贺泽龙等[25]采用准静态的方法，利用 UG Grip 建立磨损仿真模型进行数值模拟。如图 14 示，径 向密封片顶部圆弧中部磨损量较小，而两边磨损量较大。此外，贺泽龙等[25]得出径向密封片中部的 油膜厚度较大，两边油膜厚度较小，油膜厚度分布情况见图 15 示，径向密封片的两边相对于中间 更容易磨损。与径向密封片实际磨损情况相吻合。 图 14 径向密封片不同时间的磨损量[22] Fig.14 The wearing capacity of apex seal at different time[22] 图 15 向密封片最小油膜厚度分布[23] Fig.15 Minimum oil film thickness distribution of apex seal roof 北京理工大学 Hanying Jiang 等[26]通过数值模拟研究了混合润滑情况下径向密封片顶部工作面的 磨损情况，见图 16 所示，径向密封片顶部磨损最严重的部位对应最大摆动角附近，且随着发动机 运行时间的增加各摆动角对应的磨损深度趋于一致。同样可以认为径向密封片磨损最严重的地方位 于径向密封片顶部工作面的两侧，且随着发动机运转时间的增加顶部各处的磨损趋于均匀。 图 16 不同旋转圈数下径向密封片的磨损深度[26] 录用稿件，非最终出版稿