“冷水”袭来，一“冷”到底

为了设计有史以来功率密度最高的转子发动机， Orbital Power的工程师需要充分冷却外壳，才能延长转子叶尖区的使用寿命。通过采用ANSYS软件来优化水冷套的设计，他们成功实现了这一目标。与使用构建-测试方法相比，这种方法所需的时间不足三分之一。

我们中的大多数人都熟悉活塞变换方向、来回运动的内燃机。但在转子发动机 （或根据其发明人命名的汪克尔发动机）中，部件只在一个方向上转动和移动。在位于花生状机壳内的燃烧室中以四冲程运行的工作周期可驱动三叶转 子。吸入、压缩、点火和排气都在外壳内旋转转子限定的四个密室中发生。与活塞发动机相比，转子发动机通常更简单、更平稳，同时也更紧凑。它们每分钟不仅拥有前所未有的高转速，而且还具有高动力重量比，是需要高功率轻重量等便携式应用的理想选择。

Orbital Power始终致力于为发电机组和无人机等应用生产2.5马力至40马力的转子发动机。公司的最新款ORB-20A转子发动机具有极高的动力重量比，一个人用背包就能带走500瓦特的发电机。之所以其功率密度高，一部分原因是新款发动机以煤油等重油为燃料，这种燃料的热值比汽油高。此外，重油还具有成本更低、处理更安全、存储和运输更便捷以及润滑品质更高等优势。另一款Orbital Power发动机/发电机组合可使用40马力的发动机提供10KVA的电力，该发动机重17磅，是同类竞争产品重量的五分之一。

另一方面，重油设计也提出了严峻的设计挑战，这是因为重油会产生更多热量，而且轨道发动机具有逐渐发热的自然趋势。燃烧会发生在靠近转子叶尖的地方，在这里转子叶尖能烫开外壳，而且温度将超过所有可用转子叶尖材料的极限。借助ANSYS CFX计算流体动力学(CFD)软件，Orbital Power研发出了一款能让叶尖温度保持在安全水平的独特水冷系统，从而克服了这一问题。

通用转子发动机的四冲程工作周期图。图片来源：Y_tambes文件授权 =GFDL

”在ANSYS仿真工具的引导下，Orbital Power成本降低达93%，设计时间缩短70%。”

散热设计挑战

在初期研发设计上，整个水套上的温度分布都存在红色的热点。

早期研发设计的另一个温度分布视图显示，左侧的温度高于右侧。左侧核心位于进气口和第一个火花塞之间，进气口到该火花塞之间存在大约20度的温差。

最终设计的另一个温度分布视图显示了较低的温度和更加均匀的温度分布。

ORB-200L的最初概念设计使用空气冷却，但Orbital Power的工程师很快判定需要水冷才能保持安全的工作温度。他们研发了一款初始设计，将水泵送至水套中的内部通道，以带走燃烧过程中所产生的热量。转子发动机的大部分热 量都产生于靠近点火室和排气室的地方，因而冷却系统的另一个目的是尽量让热量散布在整个外壳上。

Orbital Power工程师在计算机辅助设计(CAD)中定义了发动机的几何模型并将模型导入ANSYS Workbench。该几何模型存在众多缺陷，例如与流体分析无关的微小缝隙和重叠。消除这些缺陷通常能完善后续的网格划分，缩短生成解决方案所需的时间。工程师采用ANSYS SpaceClaim来去除这些不必要的特性，通过自带的自动工具纠正缺陷，并直接编辑和修改表面。这一切都能在没有重构错误的情况下实时完成。他们使用ANSYS网格划分功能创建了一个具有3000多万个单元的网格，并使用CFD对发动机性能进行了仿真。

所得到的温度分布表明存在大量温度高达212华氏度的热点，这对于在发动机中使用的材料而言是无法接受的。仿真显示：不仅温度最高的区域与阻止冷水进入的再循环区域对应，而且出口温度高于190华氏度，发动机左侧温度远远高于其右侧温度。

迭代至优化设计

根据仿真结果，Orbital Power工程师创建了使用散热翅片和弯曲壁面的设计，以改变流体流经水套的方向，起到消除热点、在水套上均衡温度的作用。工程师不仅进行了大约40次的设计迭代，同时还手动调整了导流板的方向和角度、入口和排气流的大小和角度以及基于之前设计迭代结果的其它变量。此外，他们还改变了穿过水套实现油冷的油管的位置，油管不仅会造成阻碍，而且还会释放热量，从而会对水套造成间接影响。

该团队得到的最终设计在整个水套上实现了更加均匀的流体分布。水套左侧最热的点可使用低压泵将最高温度控制在大约190华氏度，这是可接受的值。在水套中不存在陡峭的温度梯度，出口温度低于180华氏度。火花点火区域的冷却效果也非常好。

在使用高压水泵（和重载荷应用的使用情况相同）的条件下，这款新水套设计能工作在甚至更低的温度下。水套中各点的温度均低于160华氏度，温度最高的区域靠近左核心一侧。整个水套上的温度分布也较为均匀，而且火花点火区域也得到良好的冷却效果。油管吸收的热量经过冷却液后降至最低，从而显著降低燃油的温度。经过物理测试检查后，工程师在拥有动态压力水泵的受控发动机测功计测试设备中验证了该优化结构。结果显示该水冷系统的最高有效温度低于185华氏度，而且整个水套上的温度分布也较为均匀。

“优化的水冷系统所带来的温度比风冷低35%，比原始水冷设计低20%。”

仿真外壳中的温度梯度

Orbital Power工程师随后使用ANSYS CFX和ANSYSMechanical解决了靠近排气口的温度梯度问题。初始概念设计显示：靠近排气口右侧的外壳截面上存在450华氏度至131华氏度的温度梯度。在该区域，排气口和冷却通道之间的最小壁厚仅为2mm，因而具有超过25W/mm2的热通量，相比之下，周边区域的热通量不足15W/mm2。这有可能导致冷却剂沸腾，产生可能会损害整个冷却系统性能的气泡。Orbital Power工程师使用ANSYS Mechanical对改变最小壁厚的效果进行了评估。他们最终得到的最小壁厚为5mm，将热通量降低到了11W/mm2（初始值的42%)。

Orbital Power估计，使用传统构建-测试方法设计该水套需要花费大约60万美元的资金以及大约40周的时间。在ANSYS仿真工具的指导下，Orbital Power的工程师以12周、每周25个人的工程工作量迭代出了一项优化的设计。公司投入的仿真工作总成本为4万美元，包括人工开支、软件开支和计算费用。这相当于成本降低了93%，设计时间缩短达70%。优化后的水冷系统所带来的温度比风冷低35%，比原始水冷设计低20%，从而确保了长期可靠的发动机使用寿命。