CL02-028@基于Stirling循环的直线发电系统
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机械毕业设计全套
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CL02-028@基于Stirling循环的直线发电系统,机械毕业设计全套
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- 1 - 摘 要 基于 Stirling 循环的直线发电系统具有可采用多种能源、效率高、寿命长和可靠性高等优势，在许多应用领域有取代传统发电系统的潜力和广泛的应用前景，尤其在深空探测和军事上有不可替代的优势。本文所进行的自由活塞式 Stirling 发电机的概念设计就是为了对大型运载工具所排出的废热的回收所做的一种尝试。 建立基于 Stirling 循环的直线发电系统，其主要由单缸自由活塞式Stirling 发动机和直线发电机构成，对单缸自由活塞式 Stirling 发动机的几何尺寸进行了初步设计，运用等温分析法对 Stirling 发动机运行性能进行了仿真分析，得到了 Stirling 发电机运行时冷腔压缩 p-v 图、热腔膨胀 p-v 图和发动机膨胀功和压缩功相减后的 p-v 图等，并由此计算了单缸自由活塞式 Stirling 发动机功率和效率。此外，运用电磁场有限元法对直线发电机定子绕组通一定电流时的恒稳磁场进行了分析，计算出了穿过绕组内部的磁链值，进而求出了发电机定子绕组电感 ;运用场路祸合时步有限元法对永磁直线发电机空载运行、负载运行进行了瞬态仿真分析，得到了永磁直线发电机空载磁场、空载电动势和负载运行时电压电流值等参数，计算了永磁直线发电机带适当 负载时可得到最大电功率。同时，求解并分析了永磁直线发电机定子对自由活塞式 Stirling 发动机的电磁反作用力。 这是一种跨电工和热工学科研究，以上结果不仅对特种永磁式直线发电机，而且对自由活塞式发动机的设计均有一定的参考价值。 关键词自由活塞式 Stirling 发动机 ;永磁直线发电机 ;仿真分析 关键词： 自由活塞式 Stirling 发动机 ； 永磁直线发电机 ； 仿真分析 nts - 2 - Abstract The linear power generation system based on the Stirling cycle has many advantages such as high efficiency, long life, high reliability as well as applicable to wide rang of energy. In many applications the system has the potential to replace the traditional power generation systems and has a wide range of applications, especially in the deep space exploration and military purposes. In this dissertation, the concept design of the free piston Stirling engine is an attempt on the large vehicle waste heat recovery. A linear power generation system based on the Stirling cycle is discussed,which mainly consists of the free piston Stirling engine and the permanent magnet linear generator. Parts dimensions of the single cylinder free piston Stirling engine are determined, the Stirling engine performances with the isothermal analysis method analyzed and the Stirling engine cooler compression p-v diagram, heater expansion p-v diagram and the p-v diagram of the engine obtained using subtracting cooler p-v diagram from heater p-v diagram: So the free piston Stirling engine power and efficiency are calculated. Key words: free piston Stirling engine; permanent magnet linear generator; simulation nts - 3 - 目 录 摘 要 . - 1 - 目 录 . - 3 - 第 1 章 绪 论 . - 5 - 1.1 课题背景 . - 5 - 1.2 斯特林发动机 . - 5 - 1.3 国内外研究状况 . - 6 - 1.3.1 国内研究现状 . - 6 - 1.3.2 国外研究现状 . - 7 - 1.4 课题的来源及意义 . - 9 - 1.5 课题研究内容 . - 10 - 第 2 章发电系统的结构及工作原理 . - 11 - 2.1 发电系统结构、原理和特点 . - 11 - 2.1.1 发电系统结构 . - 11 - 2.1.2 发电系统工作原理 . - 11 - 2.2 自由活塞式 Stirling 发动机及其工作原理 . - 12 - 2.2.1 自由活塞式 Stirling 发动机的结构 . - 13 - 2.2.2 自由活塞式 Stirling 发动机的原理 . - 13 - 2.2.3 自由活塞式 Stirling 发动机的特点 . - 16 - 2.3 永磁直线发电机及其工作原理 . - 17 - 2.3.1 永磁直线发动机结 构 . - 17 - 2.3.2 永磁直线发动机工作原理 . - 19 - 2.3.3 永磁直线发动机特点 . - 19 - 第 3 章 自由活塞式 Stirling 发动机的 尺寸设计和运行性能分析 - 21 - 3.1 自由活塞式 Stirling 发动机设计要求 . - 21 - nts - 4 - 3.2 工质选择 . - 21 - 3.3 结构尺寸确定 . - 22 - 3.3.1 汽缸直径 . - 22 - 3.3.2 热腔、冷腔和无益容积 . - 22 - 3.3.3 缝隙式回热器和配气活塞尺寸 . - 23 - 3.3.4 配气活塞行程 . - 23 - 3.3.5 动力活塞尺寸和质量 . - 23 - 3.3.6 缓冲腔容积 . - 24 - 3.4 基于等温分析法的动力特性数值模拟 . - 24 - 3.4.1 简化假设 . - 24 - 3.4.2 冷腔压力、热腔压力和容积计算 . - 25 - 3.4.3 系统功率和效率 . - 29 - 3.5 本章小结 . - 29 - 第 4 章永磁直线发电机空载磁场 . - 30 - 及电动势计算 . - 30 - 4.1.1 数学模型建立 . - 30 - 4.1.2 有限元计算 . - 31 - 4.1.3 空载磁场分布 . - 33 - 4.2 空载电动势计算 . - 35 - 4.3 带负载时磁场分析 . - 40 - 结 论 . - 42 - 致 谢 . - 43 - 参 考 文 献 . - 44 - nts - 5 - 第 1章 绪 论 1.1 课题背景 离合器是汽车传动系中与发动机直接联系的重要部件。对于以内燃机作为动力的机械传动汽车中，离合器是作为一个独立的总成而存在的。离合器通常装在发动机与变速器之间，其主动部分与发动机飞轮相连，从动部分与变速器相连。为各类型汽车所广泛采用的摩擦离合器，实际上是一种依靠其主、从动部分间的摩擦来传递动力且能分离的机构。离合器的主要功用是切断和实现发动机对传动系的动力传递，保证汽车起步时将发动机与传动系平顺 地接合，确保汽车平稳起步；在换挡时将发动机与传动系分离，减少变速器中换档齿轮间的冲击；在工作中受到较大的动载荷时，能限制传动系所承受的最大转矩，以防止传动系各零部件因过载而损坏；有效地降低传动系中的振动和噪音。 1.2 斯特林发动机 1816 年由苏格兰牧师雷伯尔特斯特林发明，又称“热空气发动机，当时已生产出数干台，后由于蒸汽机和内燃机的出现而被冷落，到二十世纪初己基本消失。主要因为密封的工质为空气，加热温度较低，只有几百度，致使机构庞大使用不便。 1930 年荷兰菲利蒲公司欣赏它外燃式静止发动机的特点，做为无线 电用发电机的动力而重新开发，但不久由于电子器件的晶体管化而停顿。以后又做为汽车用发动机重新开发，试制了换置式和斜板回转式双向型发动机，并做了装车试验。由于高温、高压产生的高效率和高转矩，在以氢气为工质时达到了高速度，初步显示有可能成为比内燃机效率高的外燃式汽车发动机的潜力。 进入八十年代以来，第二次石油危机又引起各国对斯特林发动机的关心，后石油供应虽有缓和，但从环保和能源角度出发各国又竟相进行斯特林发动机的开发工作。 菲利浦公司研究斯特林发动机的核心人物 R.J.密吉尔在菲利浦中止开发后即赴美自行开办了 STM 公司继续进行开发工作，并很快试制成功STM-120 型斯特林发动机，回转斜板式双向型，采用了热管加热器、可变行程等新技术，功率达到 40kW，在 2800 转每分钟时，热效率达 45%，在技术上有重大突破。 nts - 6 - 瑞典的 USAB 公司自 1968 年购入菲利浦公司技术后，在菲利浦回转斜板式基础上，开发出 V4 曲轴双向型斯特林发动机，并在客车和卡车上做了试验，其优点是可利用原来内燃机的相关部件。以后又改进为双曲轴型，进一步扩大了其用途。该公司亦参加了美国能源部组织的汽车发动机开发项目，其主力发动机为 22kW 混合型，由于采用了太阳能辅 助加热，热效率可达 38%，并制造了数十台样机。据计算如将受热部改为陶瓷时，热效率可达 50%，此机若用于太阳能发电，则每千瓦时电的成本仅 5 美分，因此重点转向太阳能发电的开发。另外还开发出以纯氧燃烧柴油为热源的V4-275R 型斯特林发动机供法国潜艇和瑞典海军使用。与其美国的子公司共同开发出 1 SKW 级二级活塞型 V 160 发动机，供热泵和小型发电机用。 法国 ECA 公司开发的熔盐蓄热器为热源的直列双向型发动机，供潜艇动用，德国的 MAN 公司和本茨公司亦在开发类似的发动机供车用。由美国 MTI 公司和太阳能公司共同开发的 llOkW 级自由活塞式发动机可供热泵和小型发电机用。 日本 19761981 年进行了船用发动机的开发，只做了些基础工作。从1982 年起列入目前计划大型节能技术开发项目，计划投资 100 亿日元，到1987 年开发出民用 3kw 和 30kW 发动机。经过约 3 年的开发，试制出的 4台样机于 1984 年在国立机械研究所进行了运行试验，功率和热效率均达到设计要求，改进加热器、换热器和活塞环密封后，发电用斯特林发动机亦基本上达到了规定的目标。 最近几十年，随着能源问题和环境问题的日益突出，国内外广大学者对斯特林发动机兴趣逐渐增加并进行 了广泛的研究。 1.3 国内外研究状况 现阶段，斯特林机已在太阳能热发电、水下动力等多个领域得到运用，但还存在热交换、密封等问题制约着斯特林机的发展和运用。 1.3.1 国内研究现状 国内许多学者对利用太阳能的斯特林发电系统展开了较多研究，如姚睿， 吴克奇提出了空间太阳能发电系统中采用四缸自由活塞式斯特林发动机发电 nts - 7 - 装置的概念设计模型，确定了整个概念设计的框架，并对自由活塞式斯特林发动机作了初步设计，同时对相关问题进行了探讨，提出了未来的发展方向。李鑫、李斌等以能量守恒方程为基础，结合抛物面光学特性，建立了设计 计算聚光器的一个数学模型，并采用试算和迭代核算相结合的方法，对碟式斯特林太阳能发电系统聚光器的尺寸进行了计算。还对此系统的经济性进行了分析。黄护林对太阳能斯特林发动机的性能进行了模拟，考虑太阳辐射强度的变化，模拟了一天中太阳能斯特林发动机的输出功率和系统效率曲线。崔海亭、袁修干等，根据国外研究经验，提出了发展中国空间太阳能热动力发电系统研究的建议。 关于本文提出的单缸自由活塞式斯特林发动机带动直线发电机工作的运行方式，还未见国内学者对其进行研究的报道。 1.3.2 国外研究现状 现阶段采用斯特林发动机的发电系 统主要应用在以下几个方面 : 一、空间发电应用 美国 MTI 公司和瑞典公司为 NASA 共同开发了宇航用的 25kWSPDE型自由活塞式 Stirling 发动机发电系统，并通过了地面测试工作，由于可用太阳能和核能为热源，相比空间运行的其它发电系统具有以下优点 : 1)降低了怀的使用量 ; 2)系统具有高于其它系统 4 倍的效率 ; 3)相同质量下要比其他系统发电功率大 ; 4)因可采用其它能源，特别适用于没有太阳能的深空探测。 由于具有上述优点，此系统引起各方的广泛关注。 二、生物质斯特林发电系统 地处美国密歇根州安阿伯市的 STM Powe:公司已成功开发出 25kw 和SSkw 商用 Stirling 发电机，所利用生物质燃料 18。 美国俄勒冈州科瓦利斯市废水处理厂于 2004年应用 SSkw商业 Stirling发动机建立了一座利用废水处理中产生的沼气发电的示范工程，解决了当地因担心使用内燃机发电系统会带来新的空气污染而不能被利用的沼气的问题。该工程证实了利用废水站沼气和其它热电共生项目热源的发电设备可进行成功的商业应用，并提供了一种在有丰富生物能源的地区可广泛应用的可再生能源利用技术【 19-21】。 三、蝶式聚光太阳能热发电系统 nts - 8 - 20 世纪 70 年代末到 80 年代初由瑞典 USAB、美国 Advanced corporation,MDAC， NASA 及 DOE 等开始对现代碟式太阳能热发电技术进行研究，大都采用 Silver/glass 聚光镜，管状直接照射式集热器及 USAB4-95型斯特林发动机。 目前，因碟式发电装置的聚光系统与理想抛物面形状的偏差易造成焦斑直径过大和受到镜面和结构方面的限制，所以容量范围一般在 5-SOkW之间。点聚焦系统聚光比 C=1000-40000 聚光镜开口直径一般限制在 10-20米之间。 美国 Advanced Corporation 于 1984 年建立了一套 25kW 碟式斯特林太阳热发电系统，从太阳能到电能的最高转换效率是 29.4%。以后， MDAC建立了 8 套碟式斯特林热发电系统，系统净效率大于 30%，后来 MDAC将硬件和技术全部转让给 Southern California Edison(SEC) o SEC 在 1986-1988 年间进行了试验，年平均效率达 12%。德国 SBP 公司于 1984 年至 1988 年间建造了两套大型碟式太阳热发电装置，安装在沙特阿拉伯的利亚德附近。采用张膜结构的聚光镜，直径 17 米，用 USAB4-275型斯特林发动机，氢气 工作平均温度 620 0C，工作平均压力 15 兆帕。当入射光辐照度为 1000kW/m2 时，净输出 53kW，效率达 23.1%。 鉴于碟式太阳热电技术具有较高的热电转换效率和广阔的应用前景，上世纪 90 年代以来，美德等国的若干企业和研究机构在政府部门资助下，以项目或计划方式加快了碟式太阳热电技术的研发步伐，以推动其商业化应用进程。例如 :美国 Cummins 公司开始了自由活塞式的碟式斯特林热发电系统的研究工作，与 Sun Lab 合资开发了 5-IOkW 碟式斯特林热发电系统，并于 1992 年率先把自由活塞式斯特林发动机一直线发电 机组应用于碟式太阳热发电系统，建造了 3 套设计功率为 7.SkW 的示范装置 ;美国STM/SAIC 联合开发了并网 25kW 碟式斯特林太阳热发电系统 (USJVP 计划 );美国 SAIC 建造了 25kW 的碟式斯特林样机，具备了大批量生产和商业化的条件 ;美国能源部与 Boeing Corp 等公司签约合作开发碟式斯特林热发电系统 ;美国桑地亚国家实验室 (SNL)研制了第一套 l 0kW 碟式斯特林遥控太阳能发电系统的样机，并已运行了 500 多小时，达到了功率、效率和自动运行等所有的性能指标 ;美国 SAC, STM 及 Arizona Public Service 三方合作安装了 5 套 25kW 系统，用于进行性能评价及寿命试验。 1992 年，德国 SHP 建立了 3 套 7.SkW 的装置 ;1997 年，德国 SBP 在西班牙完成了 DSTAL II 项目，建立了 3 套 9KW 的装置， DSTAL II 项目由SBP 提供聚光镜及结构， Solo 提供发动机。双方联合承担建立 3 套碟式斯特林发电系统，聚光镜采用张膜式结构，斯特林发动机型号为 Solo-V 161，nts - 9 - 实现全天候 (从日出到日落 )自动控制运行，对性能、可靠性及寿命的评价提供了数据，为日后大批量生产成套设备做技术准备。澳大利亚 AIVU 在Pacific Powe:参与下与 DLR 和 Sun Lab 联合进行了 AIVU400m2 Big Dish”大型化研究，为在澳大利亚的 Tennant Creek 建一太阳能热电站作技术准备工作，在此期间取得了驱动机构简化，镜体改进，蒸汽接收器支撑结构改变等许多技术突破。以色列魏兹曼科学院建立了一个“ Big Dish”发电单元，并进行了高温集热器 /燃气轮机试验。 1.4 课题的来源及意义 本课题来源国家自然科学基金面上项目 :基于电流体力学的强化冷凝换热机理及应用研究 (资助项目号 :No.50076011) 基于 Stirling 循环的直线发电系统的原动机采用斯特林发动机，斯特林发动机属于外部燃烧加热式发动机。它是对封入内部的气体工质从外部进行加热和冷却，从而推动活塞往复做功，与内燃机的气缸内燃烧的方式有着明显的区别。 由于本系统采用斯特林发动机直接带动永磁直线发动机工作，相比较与内燃机为原动机的发电系统，它具有以下优点 : 1)燃料多样化 :由于是外燃机，可使用多种燃料，从传统的化石能源、生物质燃料、低温余热到太阳能等均可利用。 2)高效率 :由于在加热器和冷却器中间设有蓄热式换热器，从理论上可接近卡诺循环，为效率最高的热机 。 3)低污染 :没有进排气阀门，内部压力变化平稳，噪音和振动小 ;且由于连续燃烧易实现自节能技术和自动控制，燃烧完全，排烟污染较小。 4)结构简单，寿命长 :采用单杠自由活塞式 Stirling 发动机直接与直线发电机相连的结构，一方面因为单杠自由活塞式 Stirling 发动机运行时没有磨损部分而具有非常长的使用寿命，另一方面使用直线发电机与发动机动力活塞直接相连缩小了系统整体体积。 5)可实现冷热电联产，一次能源利用率可达 90%以上。因具有上述优点，对于基于 Stirling 循环的直线发电系统的研究具有如下意义 : 1)作为传统电网的补充，为不方便架设输电线路的地区，提供一种可利用当地能源的发电设备。 2)替代传统内燃机发电系统，降低其污染特性，减少对空气的排污。 3)因为其低噪音和可采用多种能源的优点，在军事上是潜艇的 AIP(Air nts - 10 - Independent Propulsion System)化中一种很实用的选择。 1.5 课题研究内容 本文对基于 Stirling 循环的发电系统进行了概念设计和运行特性的数值模拟，具体工作如下 : 1)单缸自由活塞式 Stirling 发动机几何尺寸确定 ; 2)单缸自由活塞式 Stirling 发电 机运行特性数值分析 ; 3)永磁直线发电机结构设计及运行特性数值分析。 nts - 11 - 第 2 章发电系统的结构及工作原理 2.1 发电系统结构、原理和特点 2.1.1 发电系统结构 本发电系统由单缸自由活塞式 Stirling 发动机、永磁直线发电机、充电回路和蓄电池组组成，如图 2-1 所示，自由活塞式 Stirling 发动机动力活塞与永磁直线发动机的动子直接相连，永磁直线发电机绕组出线与充电回路相连，充电回路起到将交流整流为直流的作用，蓄电池组将系统发出的电能储存起来，可供随时使用。 2.1.2 发电系统工作原理 本发电系统实现的是将外部热源转化为蓄电池组中的电能，其工作流程如图 2-2 所示。 外部热源包括太阳能、生物质燃料、地热和余热等，为单缸自由活塞式 Stirling 发动机加热器提供热量。从外部热源获得热能后，单缸自由活塞式 Stirling 发动机开始工作，其气体工质的膨胀和压缩使动力活塞获得机械能 ;动力活塞带动永磁直线发电机动子做往复运动，动子的往复运动使得永磁直线发电机定子中的绕组相对动子中的磁极作切割磁力 线的运动，从而产生感应电动势 ;永磁直线发电机发出的交流电通过充电回路整流为直流nts - 12 - 后充入蓄电池组，系统完成从热能到电能的转化。 配气活塞将汽缸分为膨胀腔和压缩腔两部分，起到分配膨胀腔和压缩腔内气体工质比例的作用。配气活塞通过弹簧与汽缸相连，弹簧对配气活塞的运动起到一定的控制作用，动力活塞除与发动机负载相连外还与自己的储能弹簧相连，弹簧和动力活塞的重量形成最大质量震动系统，使动力活塞的运动接近于简谐运动。回热器为一种类似金属丝网状结构，其作用相当于热力海绵，根据工质温度能吸收或放出热量。 2.2 自由活塞式 Stirling 发动机及其工作原理 基于 Stirling 循环的发电系统主要采用的是单作用活塞一配气活塞式结构，其起到将热能转化为机械能的重要作用。 nts - 13 - 2.2.1 自由活塞式 Stirling 发动机的结构 自由活塞式 Stirling 发动机结构如图 2-3 所示，由加热器、回热器、冷却器、配气活塞、动力活塞和汽缸组成。气体工质在膨胀腔、回热器和压缩腔内流动。 2.2.2 自由活塞式 Stirling 发动机的原理 自由活塞式 Stirling 发动机，是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机。其运行时工质被封闭在膨胀腔、回热器和压缩腔 组成的循环回路中，通过配气活塞的往复运动来调整气缸容积的变化，控制工质在闭式循环中的流动方向 ;作为发动机其要求工质在较低的温度和压力下被压缩，并在较高的温度和压力下膨胀，即膨胀功大于压缩功。从而获得正的循环功。 Stirling 发动机的热力循环遵循的是斯特林循环，斯特林循环由等温压缩过程、等容加热过程、等温膨胀过程和等容冷却过程四步组成。为说明斯特林循环，将斯特林发动机气缸简化为如图 4 所示，压缩腔活塞远离冷却器时为其运动内止点，与冷却器接触时为其运动外止点 ;膨胀腔活塞靠近加热器时为其运动外止点，远离加热器时 为其运动内止点。其具体循环过程如下 : 1)等温压缩过程 循环开始时，压缩腔活塞处于内止点，压缩腔容积最大，膨胀腔活塞处于外止点并仅靠加热器，膨胀腔容积为最小。 因此，工质全部在压缩腔内，工质为冷腔温度即循环最低温度 TC，nts - 14 - 工质在循环中所处状态如图 2-5 中点 1 所示。随着压缩活塞向外止点方向移动，系统容积逐渐缩小，工质在压缩腔中受到压缩，压缩结束后，如点2 所示，此时系统容积己从最大值 V1 缩小到最小值 V2。压缩过程中，压缩热 QC 由气缸壁从系统内部逐渐导出，同时外界在整个压缩过程中得到系统做功 W 1-2。在理想状 态下，压缩热 Oc 等于压缩功 W1-2。即 式中 :R 为气体常数。 2)等容加热过程 等容加热过程如图 2-6 所示，从点 2 开始，至点 3 结束。过程开始时，压缩活塞从点 2 继续向外移动，到达外止点时过程结束 ;与此同时，膨胀活塞开始由外止点向内止点移动。两个活塞做相反运动使压缩腔容积的缩小值等于膨胀腔容积的增大量，系统总容积不变，即 V2 = V3，过程是等容的。在这一等容过程中，压缩腔的容积变到零，而膨胀腔容积开始由零逐渐增大，结果是压缩腔中的工质全部进入到了膨胀腔。工质从压缩腔到膨胀腔前，通过流经回热 器并得到回热器的加热，热量 QR 从回热器传给工质，工质温度从最低循环温度 TC 上升到最高循环温度 TE 后流入膨胀腔。所以，这一过程称为等容加热过程。在过程结束时，工质全部处于膨胀腔，且温度为 TE，同时压力也上升到最高压力，如图 2-5 中的 P-V 图所示。在该过程中，因系统容积不变，故不做功，但工质内能增大。在理想状态下，热能 QR 为 式中 CV 为 TC 一 TE 温度范围内工质的平均等容比热。 nts - 15 - 3)等温膨胀过程 在等温膨胀过程中，压缩活塞在外止点保持不动，膨胀活塞继续向其内止点移动，结 果系统容积增大，压力下降，待膨胀活寨移动到内止点时过程结束。此时，系统容积已从最小容积 3 扩大到最大容积气。为了实现等温膨胀，即 T3-T4-TE，外源必须通过气缸壁向工质供给等温膨胀热县同时系统向外界做等温膨胀功 W3-4。在理想状态下，外界向系统榆入的等温膨胀热能 QE 应等于等温膨胀功 W3-4，即 4)等容冷却过程 在这一过程中，压缩活塞从其外止点移动到内止点，同时膨胀活塞从其内止点移动到外止点，结果将膨胀腔中一器时，回热器从工质中吸走热能鸟 ,R，使口低循环温度 Tc 后流入压缩腔。两个活塞 f 积 V4 = V 下得到冷却，故叫做等容冷却过的热能 QR为 nts - 16 - 斯特林循环的 4 个过程全部结束，工质状态回复到循环始点的状态。自由活塞式 Stirling 发动机的热力循环与上述理想斯特林循环有所区别，因为现在还不能制作间断性运动的活塞传动机构，所以并没有能进行理想斯特林循环的 Stirling 发动机，实际运行中的斯特林发 动机的热力循环只能接近上述理想热力循环。 2.2.3 自由活塞式 Stirling 发动机的特点 系统之所以选用单缸自由活塞式 Stirling 发动机是因为它有以下特点 : 1)机械效率高 自由活塞式 Stirling 发动机相比较其他机械没有连杆、轴或轴承，只有滑动配合，由工质本身作为润滑剂，因而有非常高的机械效率。一台榆出功率为 1 kw 的自由活塞式热气机，机械效率可达 99%，特别是部分负荷时，自由活塞式 Stirling 发动机的有效热效率也相对较高【 30】。 2)热效率高 曲柄连杆式热气机通常采用改变工质的平均压力来调 节输出功，但自由活塞式 Stirling 发动机的平均循环压力是不变的，输出功的变化主要是靠改变行程来达到。因此，在部分负荷时，仍可保持其总的热效率基本不变。 3)能使用多种能源 使用多种能源的能力与高效率同等重要。连续外燃加热允许使用最广泛的燃料和能源，包括所有气体、液体和固体燃料。 4)自起动 设计正确的自由活塞式热气机，只要在冷热端之间建立起足够的温差nts - 17 - 便能自行起动，这是其它动力装置不可比拟的。因此其结构相对简单，使用更为可靠，对维修保养的要求也不高，可用于无人管理的场所。启动加热只需数秒钟，热气机便能自行 起动。随后便可全功率运行。 5)不需要液体润滑 和内燃机相比较，由于自由活塞式 Stirling 发动机的机械损失非常小，其不需要液体润滑剂来润滑和冷却有关部件。所以，发动机结构和维修保养很简单。 6)密封可靠 自由活塞式 Stirling 发动机相比曲柄连杆式斯特林发动机没有复杂的传动机构，相比与内燃机密封压力小，所以密封问题十分简单，通常只要将壳体密封即可满足要求。 7)振动小、噪音低 自由活塞式 Stirling 发动机的工作腔内没有爆燃并与大气隔绝，所以压力上升的速率没有内燃机高，特别是没有传动机构，因此，运转 十分安静，不必使用隔音或消音装置【 31】。 8)有自动调节功能 自由活塞式 Stirling 发动机有根据外界负荷的变化自动调节输出功的能力。如果外界的负荷不大，活塞的行程会变得比较长，行程往返期间作用力的差也比较小。若负荷增大，活塞的行程便自动缩短，作用力随之增大。输出功基本不变。 2.3 永磁直线发电机及其工作原理 直线发电机可以认为是传统旋转发电机在结构方面的一种演变，它可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，转子的旋转运动变为了动子的往复直线运动。直线发电机较旋转式发电机磁路结构容易 改变，因此，其结构型式比普通感应电机和同步电机有更多的式样。直线发电机按其结构型式的不同，可以分为扁平型、圆筒型和圆盘型等。而扁平型直线发电机是最有代表性，且应用最为广泛。本发电系统采用的就是双边扁平型永磁直线发电机，如下介绍其结构、工作原理和特点。 2.3.1 永磁直线发动机结构 发电系统中永磁直线发电机的基本结构如图 2-10 所示，发电机为双边nts - 18 - 扁平型结构，由动子和定子组成。定子铁心中开有两个槽，槽中放有定子绕组，上下两定子中绕组线圈采用串联方式以提高输出电压。定子采用模块式设计，可根据实际需求，串联更多的定 子模块和延长动子长度以增加输出功率。动子结构如图 2-9 所示，动子由磁极和动子框架组成，选用永磁铁为动子磁极，固定在不导磁的铝框内，铝框中间开槽以防止运行时在铝框上形成大的环流损耗，相邻的永磁体磁极相反放置，有利于永磁体通过定子铁心形成磁回路。 nts - 19 - 2.3.2 永磁直线发动机工作原理 由上述结构可见，本系统采用的直线发电机的工作原理与以往旋转式发动机有很大不同。直线发电机工作时，是将自由活塞式 Stirling 发动机动力活塞所连接的传动轴和发电机动子的轴相连而带动动子作往复运动，动子运动的速度和频率则由自由活 塞式 Stirling 发动机的动力活塞速度和频率决定。永磁直线发电机动子磁极通过定子铁心形成磁回路，穿过定子绕组的磁链大小与动子的位置有关，如图 2-9 所示，动子在初始位置，即最左端时，磁链由动子永磁体中 N 极发出，经过气隙、定子铁心和气隙回到动子永磁体中 S 极，定子绕组线圈中形成了向上的磁通分布，动子开始往复运动后，动子永磁体 N 极发出的磁链与定子铁心相交联部分逐渐减小 ;当动子运动到最右端位置时，处在定子中间铁心齿上的永磁体 S 极向上，所以定子绕组线圈中形成了向下的磁通分布，随着动子的往复运动，动子中永磁体在铁心绕组 线圈中形成的磁通分布由上到下，再由下到上不断变化。 根据法拉第电磁感应定律得定子绕组内磁链的变化引起的定子绕组线圈两端的感应电动势 式中 :为穿过定子绕组线圈中的磁通量 .N 为定子绕组匝数。 2.3.3 永磁直线发动机特点 永磁直线发电机结构相对于传统旋转发动机有很大不同，而使之具有以下特点。 1)永磁直线发电机采用永磁体进行励磁，所以无需电流励磁，没有易损坏的电刷和滑环等结构，因此使用寿命长，可靠性高。 2)采用永磁体励磁，简化结构的同时也使得永磁直线发电机动子上无励磁损耗，无电刷和滑环之间的摩擦损耗和接 触电损耗。因此，永磁直线发电机的机械效率比电励磁式同步电机要高。 3)在永磁体框架上使用不导磁材料，并且在框架中采用开槽的结构，消除了电机工作时往复运动而产生的环流，从而减少了损耗，降低了动子的温升，提高了电机效率。 nts - 20 - 4)发电机的极距与活塞的冲程相等。动子极距与定子槽宽相配合，使磁路在动子两端位置均能闭合，并关于动子运动左右止点位置对称。 由于永磁直线发电机的特殊结构，使其工作原理不同于旋转发电机，即使与普通的直线电机相比也有很大的不同。因此，对于电机内电磁场的求解，不能直接套用以往的方法，需根据电机的具体 结构和工作原理，找出适合其电磁场的求解方法。 nts - 21 - 第 3章 自由活塞式 Stirling 发动机的尺寸设计和运行性能分析 3.1 自由活塞式 Stirling 发动机设计要求 为与永磁直线发电机相配合，自由活塞式 Stirling 发动机的设计技术指标为 : 1)输出功率不低于 1kW; 2)所带负载重量 O.5kg 左右 ; 3)活塞行程为 7cm; 4)往复次数每分在 1800 次左右。 3.2 工质选择 从表 3-1 可以看出氢气在性能方面优于空气和氦气，但氢气和空气的混合物在空气占 5%-J75%的范围内有着火危险。空气是最易得到的气体，但热力性能较差。在低速小功率斯特林发动机中，使用氢或氦在热力学效nts - 22 - 果上并不比空气优越多少，然而用空气作为工质可大大降低密封的要求，同时为以后工质的补充也十分方便，故对于寿命要求长或设计要求不是很高的低功率小型发电系统，综合考虑热力性能和使用方便性，选择空气作为斯特林发动机工质。 3.3 结构尺寸确定 Stirling 发动机结构尺寸的确定取决热力学性能和机械性能两方面的要求。 3.3.1 汽缸直径 为了降低活塞一汽缸组的往复穿梭传热损失，同时限制活塞平均速度，汽缸直径与活 塞行程之比应限制在 1.5-2.0 的范围内。本模型选DC/SC=1.80 由斯特林发动机所带的直线发电机要求动力活塞行程为 7cm，所以汽缸直径 DC 为 12.6cm。 3.3.2 热腔、冷腔和无益容积 冷腔容积耳为动力活塞扫气容积 SPrr -872.4 c 材，系统最大体积与最小体积比 式中 :VE 为热腔容积， VD 为无益容积。在斯特林发动机中压缩比一般为 2.0 左右，大于 2.5 以上，系统将无法工作，本模型压缩比选为 1.32。 无益容积比 KD 定义为 VD/VE,一般在 0.5-2.0 之间。由经验可知，其值越大发动机效率越 接近等温分析法的计算值，本模型选择无益容积比KD 为 1.5。即 联立式 (3-1)和 (3-2)可得发动机热腔容积岭和无益容积岭分别为1308.6 cm3，和 1962.9 cm3 。 nts - 23 - 3.3.3 缝隙式回热器和配气活塞尺寸 在采用缝隙式回热器的自由活塞式斯特林发动机中，缝隙式回热器容积 VR 无益容积为 VD，即珠为 1962.9 cm3。 回热器容积 VR 表示为 式中 :RD 为配气活塞半径， LD 为配气活塞长度。将回热器容积 VR 和汽 缸直径 DC 带入式 (3-3)可得出配气活塞半径 RD 和配气活塞长度 LD 分别为 5cm 和 28.4cm,即缝隙式回热器的环隙长 Lh 和环隙宽 Dh 分别为28.4cm 和 1.3cm。 3.3.4 配气活塞行程 配气活塞扫气容积为 VE 为 1308.6 cm3，活塞行程 根据式 (3-4)求出配气活塞行程 SD 为 16.7cm。 3.3.5 动力活塞尺寸和质量 动力活塞直径即为汽缸内径，所以动力活塞半径 RP 为 6.3cm。动力活塞两侧分别为冷腔和缓冲腔，二者压强差不断变化对动力活塞气密性要求较高，所以厚度不能太小，动力活塞厚度 HP 取 6cm。 为使运行稳定，自由活塞式斯特林发动机的固有频率应接近或等于运行频率。 动力活塞和与之相连的弹簧组成的最大质量震动系统，其固有频率即为自由活塞式斯特林发动机的固有频率。 式中 :fn 为运转频率， C 为常数，一般为 0.7-1.0,CK 为弹簧刚度， MP为动力活塞质量。取 C 为 0.8，选择弹簧刚度为 1.40625N/mm，即得出动nts - 24 - 力活塞和其所带负载的质量共为 lkg。 3.3.6 缓冲腔容积 缓冲腔由配气活塞和配气活塞杆的内部空间和动力活塞下方空间组成，其内部压强为动力活塞定位的基准压强，要求其压强受动力活塞引起的体 积变化的影响要小，所以缓冲腔体积为 4500cm3。 图 3-1 所示单缸自由活塞式斯特林发动机结构尺寸，热腔外围受加热器加热，冷腔外围与冷却器相连，冷却器对其冷却，回热器采用缝隙式回热器。缝隙式回热器即利用动力活塞和缸壁之间的缝隙实现回热功能。 3.4 基于等温分析法的动力特性数值模拟 实用等温计算法，作为斯特林发动机功率和效率的初步估算是最适合的一种方法，既简单又较准确，适用于各种传动机构，不必使用经验修正系数。实用等温计算法是模拟计算程序的最直接理论模型。 3.4.1 简化假设 为简化模型作出以下假设 : 1)循环各部分皆为等温和完全回热，即热腔中工质温度 TE 选用 750K冷腔温度界 TC 取为 373K。即冷腔和热腔温度 为 0.516; 2)工质空气为理想气体 36.37，无泄漏 ; nts - 25 - 3)活塞运动为简谐运动。 3.4.2 冷腔压力、热腔压力和容积计算 冷腔压力、热腔压力和容积在循环中的变化。采用实用等温分析法进行计算，可求得如下运行性能参数 : 1)冷、热腔瞬态容积 由假设 3 知，瞬时热腔容积 VE 可表示为 式中 : 为简谐运动的角速度， t为从配气活塞上止点起算的时间，V0 为热腔的最大容积。 瞬时冷腔容积 v 表示为 其中， K 为活塞行程容积比，即配气活塞行程和动力活塞行程之比， dr 为配气活塞领先于动力活塞运行的活塞领先角， VL 为配气活塞和动力活塞的行程重叠容积。活塞行程的重叠是自由活塞式斯特林发动机的特点之一，可以在活塞行程和汽缸直径不变的情况下，选择适当的行程重叠容积，使热性能 达到最佳 38。由于行程重叠容积的存在，可使冷腔容积为零 ;则在冷腔容积为零时， dK/dt =0，即 由此引出容积相位角，容积相位角 V0 定义为热腔容积变化领先于冷腔容积变化的角度，它与活塞领先角是不等的。当热腔容积 VE 为零时，有 t=0 0 由式 (3-8)可知，当 时，冷腔容积 VC = 0，可得容积相位角 活塞行程重叠容积 VL 可以 分成两部分，即 VL = VA + VB 其中 VA 为配气活塞从冷腔容积为零时到其下止点的行程容积， VB 为动力活塞从其nts - 26 - 上止点到冷腔容积最小时的行程容积，所以 式 (3-14)由式 (3-13)代入式 (3-7)得 将 VE 改写为 式中 :t 为从配气活塞下止点起算的时间。这样就得出了冷腔容积和热腔容积随时间的变化，如图 3-2 所示。 2)冷、热腔瞬态压力 因为工质假定为理想气体，所以工质总质量可以通过理想气体状态 方程导出 式中 :MT 为工质总质量， ME ,MC、 MD 分别为热腔、冷腔和无益容积nts - 27 - 中工质的质量 ;R 为气体常数 ;VD 为无益容积 ;TE , TC 和 TD 分别为热腔、冷腔和无益容积处的平均温度。热气机的输出功率 51.52可用下式表示 : 式中 :P 为输出功率 (W)， Pmean 为平均循环压力 (MPa),伪循环频率 (Hz), V 为汽缸排气量。 由式 (3-17)算出，功率 1 kW，频率 30Hz，汽缸排量 2180cm，的斯特林发动机需要的平均循环压力为 1.5M
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