基于stirling循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)概念設(shè)計[斯特林]【全套cad圖紙和畢業(yè)答辯論文】

1、<p><b>　　摘　　要</b></p><p>　　基于Stirling循環(huán)的直線發(fā)電系統(tǒng)具有可采用多種能源、效率高、壽命長和可靠性高等優(yōu)勢，在許多應(yīng)用領(lǐng)域有取代傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的潛力和廣泛的應(yīng)用前景，尤其在深空探測和軍事上有不可替代的優(yōu)勢。本文所進(jìn)行的自由活塞式Stirling發(fā)電機(jī)的概念設(shè)計就是為了對大型運(yùn)載工具所排出的廢熱的回收所做的一種嘗試。</p><

2、;p>　　建立基于Stirling循環(huán)的直線發(fā)電系統(tǒng)，其主要由單缸自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)和直線發(fā)電機(jī)構(gòu)成，對單缸自由活塞式 Stirling發(fā)動機(jī)的幾何尺寸進(jìn)行了初步設(shè)計，運(yùn)用等溫分析法對Stirling發(fā)動機(jī)運(yùn)行性能進(jìn)行了仿真分析，得到了Stirling發(fā)電機(jī)運(yùn)行時冷腔壓縮p-v圖、熱腔膨脹p-v圖和發(fā)動機(jī)膨脹功和壓縮功相減后的p-v圖等，并由此計算了單缸自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)功率和效率。此外，運(yùn)用電磁場有限

3、元法對直線發(fā)電機(jī)定子繞組通一定電流時的恒穩(wěn)磁場進(jìn)行了分析，計算出了穿過繞組內(nèi)部的磁鏈值，進(jìn)而求出了發(fā)電機(jī)定子繞組電感;運(yùn)用場路禍合時步有限元法對永磁直線發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行、負(fù)載運(yùn)行進(jìn)行了瞬態(tài)仿真分析，得到了永磁直線發(fā)電機(jī)空載磁場、空載電動勢和負(fù)載運(yùn)行時電壓電流值等參數(shù)，計算了永磁直線發(fā)電機(jī)帶適當(dāng)負(fù)載時可得到最大電功率。同時，求解并分析了永磁直線發(fā)電機(jī)定子對自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的電磁反作用力。</p><p&g

4、t;　　這是一種跨電工和熱工學(xué)科研究，以上結(jié)果不僅對特種永磁式直線發(fā)電機(jī)，而且對自由活塞式發(fā)動機(jī)的設(shè)計均有一定的參考價值。 關(guān)鍵詞自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī);永磁直線發(fā)電機(jī);仿真分析</p><p>　　關(guān)鍵詞：自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)；永磁直線發(fā)電機(jī)；仿真分析</p><p>　　Abstract </p>&l

5、t;p>　　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 sys

6、tem 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

7、the free piston Stirling engine is an attempt on the large vehicle wa</p><p>　　A linear power generation system based on the Stirling cycle is discussed,which mainly consists of the free piston Stirling engi

8、ne 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 Stir

9、ling 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</p><p>　　Key words: free piston Stirling engine; perma

10、nent magnet linear generator; simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘　　要- 1 -</p><p>　　目 錄- 3 -</p><p>　　第1章 緒 論- 6 -</p><p>　　1.1

11、 課題背景- 6 -</p><p>　　1.2斯特林發(fā)動機(jī)- 6 -</p><p>　　1.3國內(nèi)外研究狀況- 7 -</p><p>　　1.3.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀- 7 -</p><p>　　1.3.2國外研究現(xiàn)狀- 8 -</p><p>　　1.4課題的來源及意義- 10 -</p>

12、<p>　　1.5課題研究內(nèi)容- 11 -</p><p>　　第2章發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理- 12 -</p><p>　　2.1發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理和特點- 12 -</p><p>　　2.1.1發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- 12 -</p><p>　　2.1.2發(fā)電系統(tǒng)工作原理- 12 -</p><p&

13、gt;　　2.2自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)及其工作原理- 13 -</p><p>　　2.2.1自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)- 14 -</p><p>　　2.2.2自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的原理- 14 -</p><p>　　2.2.3自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的特點- 17 -</p><p>

14、　　2.3永磁直線發(fā)電機(jī)及其工作原理- 19 -</p><p>　　2.3.1永磁直線發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)- 19 -</p><p>　　2.3.2永磁直線發(fā)動機(jī)工作原理- 20 -</p><p>　　2.3.3永磁直線發(fā)動機(jī)特點- 21 -</p><p>　　第3章 自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的尺寸設(shè)計和運(yùn)行性能分析- 22

15、-</p><p>　　3.1自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)設(shè)計要求- 22 -</p><p>　　3.2工質(zhì)選擇- 23 -</p><p>　　3.3結(jié)構(gòu)尺寸確定- 23 -</p><p>　　3.3.1汽缸直徑- 23 -</p><p>　　3.3.2熱腔、冷腔和無益容積- 24 -</p

16、><p>　　3.3.3縫隙式回?zé)崞骱团錃饣钊叽? 24 -</p><p>　　3.3.4配氣活塞行程- 25 -</p><p>　　3.3.5動力活塞尺寸和質(zhì)量- 25 -</p><p>　　3.3.6緩沖腔容積- 25 -</p><p>　　3.4基于等溫分析法的動力特性數(shù)值模擬- 26 -<

17、/p><p>　　3.4.1簡化假設(shè)- 26 -</p><p>　　3.4.2冷腔壓力、熱腔壓力和容積計算- 26 -</p><p>　　3.4.3系統(tǒng)功率和效率- 30 -</p><p>　　3.5本章小結(jié)- 31 -</p><p>　　第4章永磁直線發(fā)電機(jī)空載磁場- 32 -</p>&

18、lt;p>　　及電動勢計算- 32 -</p><p>　　4.1.1數(shù)學(xué)模型建立- 32 -</p><p>　　4.1.2有限元計算- 33 -</p><p>　　4.1.3空載磁場分布- 35 -</p><p>　　4.2空載電動勢計算- 37 -</p><p>　　4.3帶負(fù)載時磁場分析

19、- 42 -</p><p>　　結(jié) 論- 44 -</p><p>　　致 謝- 45 -</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)- 46 -</p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p

20、><p>　　離合器是汽車傳動系中與發(fā)動機(jī)直接聯(lián)系的重要部件。對于以內(nèi)燃機(jī)作為動力的機(jī)械傳動汽車中，離合器是作為一個獨立的總成而存在的。離合器通常裝在發(fā)動機(jī)與變速器之間，其主動部分與發(fā)動機(jī)飛輪相連，從動部分與變速器相連。為各類型汽車所廣泛采用的摩擦離合器，實際上是一種依靠其主、從動部分間的摩擦來傳遞動力且能分離的機(jī)構(gòu)。離合器的主要功用是切斷和實現(xiàn)發(fā)動機(jī)對傳動系的動力傳遞，保證汽車起步時將發(fā)動機(jī)與傳動系平順地接合，確保

21、汽車平穩(wěn)起步；在換擋時將發(fā)動機(jī)與傳動系分離，減少變速器中換檔齒輪間的沖擊；在工作中受到較大的動載荷時，能限制傳動系所承受的最大轉(zhuǎn)矩，以防止傳動系各零部件因過載而損壞；有效地降低傳動系中的振動和噪音。</p><p><b>　　1.2斯特林發(fā)動機(jī)</b></p><p>　　1816年由蘇格蘭牧師雷伯爾特·斯特林發(fā)明，又稱“熱空氣發(fā)動機(jī)，當(dāng)時已生產(chǎn)出數(shù)干臺，

22、后由于蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)而被冷落，到二十世紀(jì)初己基本消失。主要因為密封的工質(zhì)為空氣，加熱溫度較低，只有幾百度，致使機(jī)構(gòu)龐大使用不便。1930年荷蘭菲利蒲公司欣賞它外燃式靜止發(fā)動機(jī)的特點，做為無線電用發(fā)電機(jī)的動力而重新開發(fā)，但不久由于電子器件的晶體管化而停頓。以后又做為汽車用發(fā)動機(jī)重新開發(fā)，試制了換置式和斜板回轉(zhuǎn)式雙向型發(fā)動機(jī)，并做了裝車試驗。由于高溫、高壓產(chǎn)生的高效率和高轉(zhuǎn)矩，在以氫氣為工質(zhì)時達(dá)到了高速度，初步顯示有可能成為比內(nèi)燃機(jī)效

23、率高的外燃式汽車發(fā)動機(jī)的潛力。</p><p>　　進(jìn)入八十年代以來，第二次石油危機(jī)又引起各國對斯特林發(fā)動機(jī)的關(guān)心，后石油供應(yīng)雖有緩和，但從環(huán)保和能源角度出發(fā)各國又竟相進(jìn)行斯特林發(fā)動機(jī)的開發(fā)工作。</p><p>　　菲利浦公司研究斯特林發(fā)動機(jī)的核心人物R.J.密吉爾在菲利浦中止開發(fā)后即赴美自行開辦了STM公司繼續(xù)進(jìn)行開發(fā)工作，并很快試制成功STM-120型斯特林發(fā)動機(jī)，回轉(zhuǎn)斜板式雙向型，

24、采用了熱管加熱器、可變行程等新技術(shù)，功率達(dá)到40kW，在2800轉(zhuǎn)每分鐘時，熱效率達(dá)45%，在技術(shù)上有重大突破。</p><p>　　瑞典的USAB公司自1968年購入菲利浦公司技術(shù)后，在菲利浦回轉(zhuǎn)斜板式基礎(chǔ)上，開發(fā)出V4曲軸雙向型斯特林發(fā)動機(jī)，并在客車和卡車上做了試驗，其優(yōu)點是可利用原來內(nèi)燃機(jī)的相關(guān)部件。以后又改進(jìn)為雙曲軸型，進(jìn)一步擴(kuò)大了其用途。該公司亦參加了美國能源部組織的汽車發(fā)動機(jī)開發(fā)項目，其主力發(fā)動機(jī)為2

25、2kW混合型，由于采用了太陽能輔助加熱，熱效率可達(dá)38%，并制造了數(shù)十臺樣機(jī)。據(jù)計算如將受熱部改為陶瓷時，熱效率可達(dá)50%，此機(jī)若用于太陽能發(fā)電，則每千瓦時電的成本僅5美分，因此重點轉(zhuǎn)向太陽能發(fā)電的開發(fā)。另外還開發(fā)出以純氧燃燒柴油為熱源的V4-275R型斯特林發(fā)動機(jī)供法國潛艇和瑞典海軍使用。與其美國的子公司共同開發(fā)出1 SKW級二級活塞型V 160發(fā)動機(jī)，供熱泵和小型發(fā)電機(jī)用。</p><p>　　法國ECA公司

26、開發(fā)的熔鹽蓄熱器為熱源的直列雙向型發(fā)動機(jī)，供潛艇動用，德國的MAN公司和本茨公司亦在開發(fā)類似的發(fā)動機(jī)供車用。由美國MTI公司和太陽能公司共同開發(fā)的l}lOkW級自由活塞式發(fā)動機(jī)可供熱泵和小型發(fā)電機(jī)用。</p><p>　　日本19761981年進(jìn)行了船用發(fā)動機(jī)的開發(fā)，只做了些基礎(chǔ)工作。從1982年起列入目前計劃大型節(jié)能技術(shù)開發(fā)項目，計劃投資100億日元，到1987年開發(fā)出民用3kw和30kW發(fā)動機(jī)。經(jīng)過約3年的開

27、發(fā)，試制出的4臺樣機(jī)于1984年在國立機(jī)械研究所進(jìn)行了運(yùn)行試驗，功率和熱效率均達(dá)到設(shè)計要求，改進(jìn)加熱器、換熱器和活塞環(huán)密封后，發(fā)電用斯特林發(fā)動機(jī)亦基本上達(dá)到了規(guī)定的目標(biāo)。</p><p>　　最近幾十年，隨著能源問題和環(huán)境問題的日益突出，國內(nèi)外廣大學(xué)者對斯特林發(fā)動機(jī)興趣逐漸增加并進(jìn)行了廣泛的研究。</p><p>　　1.3國內(nèi)外研究狀況</p><p>　　現(xiàn)階段

28、，斯特林機(jī)已在太陽能熱發(fā)電、水下動力等多個領(lǐng)域得到運(yùn)用，但還存在熱交換、密封等問題制約著斯特林機(jī)的發(fā)展和運(yùn)用。</p><p>　　1.3.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　國內(nèi)許多學(xué)者對利用太陽能的斯特林發(fā)電系統(tǒng)展開了較多研究，如姚睿，</p><p>　　吳克奇提出了空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)中采用四缸自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)發(fā)電</p><p>

29、;　　裝置的概念設(shè)計模型，確定了整個概念設(shè)計的框架，并對自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)作了初步設(shè)計，同時對相關(guān)問題進(jìn)行了探討，提出了未來的發(fā)展方向。李鑫、李斌等以能量守恒方程為基礎(chǔ)，結(jié)合拋物面光學(xué)特性，建立了設(shè)計計算聚光器的一個數(shù)學(xué)模型，并采用試算和迭代核算相結(jié)合的方法，對碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)聚光器的尺寸進(jìn)行了計算。還對此系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。黃護(hù)林對太陽能斯特林發(fā)動機(jī)的性能進(jìn)行了模擬，考慮太陽輻射強(qiáng)度的變化，模擬了一天中太陽能斯特林發(fā)動

30、機(jī)的輸出功率和系統(tǒng)效率曲線。崔海亭、袁修干等，根據(jù)國外研究經(jīng)驗，提出了發(fā)展中國空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)研究的建議。</p><p>　　關(guān)于本文提出的單缸自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)帶動直線發(fā)電機(jī)工作的運(yùn)行方式，還未見國內(nèi)學(xué)者對其進(jìn)行研究的報道。</p><p>　　1.3.2國外研究現(xiàn)狀</p><p>　　現(xiàn)階段采用斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用在以下幾個方面:<

31、;/p><p><b>　　一、空間發(fā)電應(yīng)用</b></p><p>　　美國MTI公司和瑞典公司為NASA共同開發(fā)了宇航用的25kWSPDE型自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，并通過了地面測試工作，由于可用太陽能和核能為熱源，相比空間運(yùn)行的其它發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:</p><p>　　1)降低了懷的使用量;</p><

32、;p>　　2)系統(tǒng)具有高于其它系統(tǒng)4倍的效率;</p><p>　　3)相同質(zhì)量下要比其他系統(tǒng)發(fā)電功率大;</p><p>　　4)因可采用其它能源，特別適用于沒有太陽能的深空探測。</p><p>　　由于具有上述優(yōu)點，此系統(tǒng)引起各方的廣泛關(guān)注。 </p><p>　　二、生物質(zhì)斯特林發(fā)電系統(tǒng)</p><p&g

33、t;　　地處美國密歇根州安阿伯市的STM Powe:公司已成功開發(fā)出25kw和SSkw商用Stirling發(fā)電機(jī)，所利用生物質(zhì)燃料[18]。</p><p>　　美國俄勒岡州科瓦利斯市廢水處理廠于2004年應(yīng)用SSkw商業(yè)Stirling發(fā)動機(jī)建立了一座利用廢水處理中產(chǎn)生的沼氣發(fā)電的示范工程，解決了當(dāng)?shù)匾驌?dān)心使用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)會帶來新的空氣污染而不能被利用的沼氣的問題。該工程證實了利用廢水站沼氣和其它熱電共生項目

34、熱源的發(fā)電設(shè)備可進(jìn)行成功的商業(yè)應(yīng)用，并提供了一種在有豐富生物能源的地區(qū)可廣泛應(yīng)用的可再生能源利用技術(shù)【19-21】。</p><p>　　三、蝶式聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　20世紀(jì)70年代末到80年代初由瑞典USAB、美國Advanced corporation,MDAC，NASA及DOE等開始對現(xiàn)代碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行研究，大都采用Silver/glass聚光鏡，管狀

35、直接照射式集熱器及USAB4-95型斯特林發(fā)動機(jī)。</p><p>　　目前，因碟式發(fā)電裝置的聚光系統(tǒng)與理想拋物面形狀的偏差易造成焦斑直徑過大和受到鏡面和結(jié)構(gòu)方面的限制，所以容量范圍一般在5-SOkW之間。點聚焦系統(tǒng)聚光比C=1000-40000聚光鏡開口直徑一般限制在10-20米之間。</p><p>　　美國Advanced Corporation于1984年建立了一套25kW碟式斯特

36、林太陽熱發(fā)電系統(tǒng)，從太陽能到電能的最高轉(zhuǎn)換效率是29.4%。以后，MDAC建立了8套碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)凈效率大于30%，后來MDAC將硬件和技術(shù)全部轉(zhuǎn)讓給Southern California Edison(SEC) o</p><p>　　SEC在1986-1988年間進(jìn)行了試驗，年平均效率達(dá)12%。德國SBP公司于1984年至1988年間建造了兩套大型碟式太陽熱發(fā)電裝置，安裝在沙特阿拉伯的利亞德附近。

37、采用張膜結(jié)構(gòu)的聚光鏡，直徑17米，用USAB4-275型斯特林發(fā)動機(jī)，氫氣工作平均溫度620 0C，工作平均壓力15兆帕。當(dāng)入射光輻照度為1000kW/m2時，凈輸出53kW，效率達(dá)23.1%。</p><p>　　鑒于碟式太陽熱電技術(shù)具有較高的熱電轉(zhuǎn)換效率和廣闊的應(yīng)用前景，上世紀(jì)90年代以來，美德等國的若干企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在政府部門資助下，以項目或計劃方式加快了碟式太陽熱電技術(shù)的研發(fā)步伐，以推動其商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

38、例如:美國Cummins公司開始了自由活塞式的碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)的研究工作，與Sun Lab合資開發(fā)了5-IOkW碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)，并于1992年率先把自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)一直線發(fā)電機(jī)組應(yīng)用于碟式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)，建造了3套設(shè)計功率為7.SkW的示范裝置;美國STM/SAIC聯(lián)合開發(fā)了并網(wǎng)25kW碟式斯特林太陽熱發(fā)電系統(tǒng)(USJVP計劃);美國SAIC建造了25kW的碟式斯特林樣機(jī)，具備了大批量生產(chǎn)和商業(yè)化的條件;美國能源部與Bo

39、eing Corp等公司簽約合作開發(fā)碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng);美國桑地亞國家實驗室(SNL)研制了第一套l 0kW碟式斯特林遙控太陽能發(fā)電系統(tǒng)的樣機(jī)，并已運(yùn)行了500多小時，達(dá)到了功率、效率和自動運(yùn)行等所有的性能指標(biāo);美國SAC, STM及Arizona Public Service三方合作安裝了5套25kW系統(tǒng)，用于進(jìn)行性能評價及壽命試驗。</p><p>　　1992年，德國SHP建立了3套7.SkW的裝置;1

40、997年，德國SBP在西班牙完成了DSTAL II項目，建立了3套9KW的裝置，DSTAL II項目由SBP提供聚光鏡及結(jié)構(gòu)，Solo提供發(fā)動機(jī)。雙方聯(lián)合承擔(dān)建立3套碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)，聚光鏡采用張膜式結(jié)構(gòu)，斯特林發(fā)動機(jī)型號為Solo-V 161，實現(xiàn)全天候(從日出到日落)自動控制運(yùn)行，對性能、可靠性及壽命的評價提供了數(shù)據(jù)，為日后大批量生產(chǎn)成套設(shè)備做技術(shù)準(zhǔn)備。澳大利亞AIVU在Pacific Powe:參與下與DLR和Sun Lab聯(lián)合

41、進(jìn)行了AIVU"400m2 Big Dish”大型化研究，為在澳大利亞的Tennant Creek建一太陽能熱電站作技術(shù)準(zhǔn)備工作，在此期間取得了驅(qū)動機(jī)構(gòu)簡化，鏡體改進(jìn)，蒸汽接收器支撐結(jié)構(gòu)改變等許多技術(shù)突破。以色列魏茲曼科學(xué)院建立了一個“Big Dish”發(fā)電單元，并進(jìn)行了高溫集熱器/燃?xì)廨啓C(jī)試驗。</p><p>　　1.4課題的來源及意義</p><p>　　本課題來源國家自然

42、科學(xué)基金面上項目:基于電流體力學(xué)的強(qiáng)化冷凝換熱機(jī)理及應(yīng)用研究(資助項目號:No.50076011)</p><p>　　基于Stirling循環(huán)的直線發(fā)電系統(tǒng)的原動機(jī)采用斯特林發(fā)動機(jī)，斯特林發(fā)動機(jī)屬于外部燃燒加熱式發(fā)動機(jī)。它是對封入內(nèi)部的氣體工質(zhì)從外部進(jìn)行加熱和冷卻，從而推動活塞往復(fù)做功，與內(nèi)燃機(jī)的氣缸內(nèi)燃燒的方式有著明顯的區(qū)別。</p><p>　　由于本系統(tǒng)采用斯特林發(fā)動機(jī)直接帶動永磁

43、直線發(fā)動機(jī)工作，相比較與內(nèi)燃機(jī)為原動機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)，它具有以下優(yōu)點:</p><p>　　1)燃料多樣化:由于是外燃機(jī)，可使用多種燃料，從傳統(tǒng)的化石能源、生物質(zhì)燃料、低溫余熱到太陽能等均可利用。</p><p>　　2)高效率:由于在加熱器和冷卻器中間設(shè)有蓄熱式換熱器，從理論上可接近卡諾循環(huán)，為效率最高的熱機(jī)。</p><p>　　3)低污染:沒有進(jìn)排氣閥門，內(nèi)部壓力

44、變化平穩(wěn)，噪音和振動小;且由于連續(xù)燃燒易實現(xiàn)自節(jié)能技術(shù)和自動控制，燃燒完全，排煙污染較小。</p><p>　　4)結(jié)構(gòu)簡單，壽命長:采用單杠自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)直接與直線發(fā)電機(jī)相連的結(jié)構(gòu)，一方面因為單杠自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)運(yùn)行時沒有磨損部分而具有非常長的使用壽命，另一方面使用直線發(fā)電機(jī)與發(fā)動機(jī)動力活塞直接相連縮小了系統(tǒng)整體體積。</p><p>　　5)可實現(xiàn)冷熱

45、電聯(lián)產(chǎn)，一次能源利用率可達(dá)90%以上。因具有上述優(yōu)點，對于基于Stirling循環(huán)的直線發(fā)電系統(tǒng)的研究具有如下意義:</p><p>　　1)作為傳統(tǒng)電網(wǎng)的補(bǔ)充，為不方便架設(shè)輸電線路的地區(qū)，提供一種可利用當(dāng)?shù)啬茉吹陌l(fā)電設(shè)備。</p><p>　　2)替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，降低其污染特性，減少對空氣的排污。</p><p>　　3)因為其低噪音和可采用多種能源的優(yōu)點

46、，在軍事上是潛艇的AIP(Air Independent Propulsion System)化中一種很實用的選擇。</p><p><b>　　1.5課題研究內(nèi)容</b></p><p>　　本文對基于Stirling循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了概念設(shè)計和運(yùn)行特性的數(shù)值模擬，具體工作如下:</p><p>　　1)單缸自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)

47、幾何尺寸確定;</p><p>　　2)單缸自由活塞式Stirling發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性數(shù)值分析;</p><p>　　3)永磁直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)行特性數(shù)值分析。</p><p>　　第2章發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　2.1發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理和特點</p><p>　　2.1.1發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</

48、p><p>　　本發(fā)電系統(tǒng)由單缸自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)、永磁直線發(fā)電機(jī)、充電回路和蓄電池組組成，如圖2-1所示，自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)動力活塞與永磁直線發(fā)動機(jī)的動子直接相連，永磁直線發(fā)電機(jī)繞組出線與充電回路相連，充電回路起到將交流整流為直流的作用，蓄電池組將系統(tǒng)發(fā)出的電能儲存起來，可供隨時使用。 </p&g

49、t;<p>　　2.1.2發(fā)電系統(tǒng)工作原理</p><p>　　本發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)的是將外部熱源轉(zhuǎn)化為蓄電池組中的電能，其工作流程如圖2-2所示。</p><p>　　外部熱源包括太陽能、生物質(zhì)燃料、地?zé)岷陀酂岬?，為單缸自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)加熱器提供熱量。從外部熱源獲得熱能后，單缸自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)開始工作，其氣體工質(zhì)的膨脹和壓縮使動力活塞獲得機(jī)械能;動

50、力活塞帶動永磁直線發(fā)電機(jī)動子做往復(fù)運(yùn)動，動子的往復(fù)運(yùn)動使得永磁直線發(fā)電機(jī)定子中的繞組相對動子中的磁極作切割磁力線的運(yùn)動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢;永磁直線發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過充電回路整流為直流后充入蓄電池組，系統(tǒng)完成從熱能到電能的轉(zhuǎn)化。</p><p>　　配氣活塞將汽缸分為膨脹腔和壓縮腔兩部分，起到分配膨脹腔和壓縮腔內(nèi)氣體工質(zhì)比例的作用。配氣活塞通過彈簧與汽缸相連，彈簧對配氣活塞的運(yùn)動起到一定的控制作用，動力活塞除

51、與發(fā)動機(jī)負(fù)載相連外還與自己的儲能彈簧相連，彈簧和動力活塞的重量形成最大質(zhì)量震動系統(tǒng)，使動力活塞的運(yùn)動接近于簡諧運(yùn)動?；?zé)崞鳛橐环N類似金屬絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其作用相當(dāng)于熱力海綿，根據(jù)工質(zhì)溫度能吸收或放出熱量。</p><p>　　2.2自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)及其工作原理</p><p>　　基于Stirling循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)主要采用的是單作用活塞一配氣活塞式結(jié)構(gòu)，其起到將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能

52、的重要作用。</p><p>　　2.2.1自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，由加熱器、回?zé)崞?、冷卻器、配氣活塞、動力活塞和汽缸組成。氣體工質(zhì)在膨脹腔、回?zé)崞骱蛪嚎s腔內(nèi)流動。</p><p>　　2.2.2自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的原理</p><p>　　

53、自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)，是一種外部加熱的閉式循環(huán)活塞式發(fā)動機(jī)。其運(yùn)行時工質(zhì)被封閉在膨脹腔、回?zé)崞骱蛪嚎s腔組成的循環(huán)回路中，通過配氣活塞的往復(fù)運(yùn)動來調(diào)整氣缸容積的變化，控制工質(zhì)在閉式循環(huán)中的流動方向;作為發(fā)動機(jī)其要求工質(zhì)在較低的溫度和壓力下被壓縮，并在較高的溫度和壓力下膨脹，即膨脹功大于壓縮功。從而獲得正的循環(huán)功。</p><p>　　Stirling發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)遵循的是斯特林循環(huán)，斯特林循環(huán)由等溫壓

54、縮過程、等容加熱過程、等溫膨脹過程和等容冷卻過程四步組成。為說明斯特林循環(huán)，將斯特林發(fā)動機(jī)氣缸簡化為如圖4所示，壓縮腔活塞遠(yuǎn)離冷卻器時為其運(yùn)動內(nèi)止點，與冷卻器接觸時為其運(yùn)動外止點;膨脹腔活塞靠近加熱器時為其運(yùn)動外止點，遠(yuǎn)離加熱器時為其運(yùn)動內(nèi)止點。其具體循環(huán)過程如下:</p><p><b>　　1)等溫壓縮過程</b></p><p>　　循環(huán)開始時，壓縮腔活塞處于內(nèi)

55、止點，壓縮腔容積最大，膨脹腔活塞處于外止點并僅靠加熱器，膨脹腔容積為最小。</p><p>　　因此，工質(zhì)全部在壓縮腔內(nèi)，工質(zhì)為冷腔溫度即循環(huán)最低溫度TC，工質(zhì)在循環(huán)中所處狀態(tài)如圖2-5中點1所示。隨著壓縮活塞向外止點方向移動，系統(tǒng)容積逐漸縮小，工質(zhì)在壓縮腔中受到壓縮，壓縮結(jié)束后，如點2所示，此時系統(tǒng)容積己從最大值V1縮小到最小值V2。壓縮過程中，壓縮熱QC由氣缸壁從系統(tǒng)內(nèi)部逐漸導(dǎo)出，同時外界在整個壓縮過程中得到

56、系統(tǒng)做功W 1-2。在理想狀態(tài)下，壓縮熱Oc等于壓縮功W1-2。即</p><p>　　式中:R為氣體常數(shù)。</p><p><b>　　2)等容加熱過程</b></p><p>　　等容加熱過程如圖2-6所示，從點2開始，至點3結(jié)束。過程開始時，壓縮活塞從點2繼續(xù)向外移動，到達(dá)外止點時過程結(jié)束;與此同時，膨脹活塞開始由外止點向內(nèi)止點移動。兩個

57、活塞做相反運(yùn)動使壓縮腔容積的縮小值等于膨脹腔容積的增大量，系統(tǒng)總?cè)莘e不變，即V2 = V3，過程是等容的。在這一等容過程中，壓縮腔的容積變到零，而膨脹腔容積開始由零逐漸增大，結(jié)果是壓縮腔中的工質(zhì)全部進(jìn)入到了膨脹腔。工質(zhì)從壓縮腔到膨脹腔前，通過流經(jīng)回?zé)崞鞑⒌玫交責(zé)崞鞯募訜?，熱量QR從回?zé)崞鱾鹘o工質(zhì)，工質(zhì)溫度從最低循環(huán)溫度TC上升到最高循環(huán)溫度TE后流入膨脹腔。所以，這一過程稱為等容加熱過程。在過程結(jié)束時，工質(zhì)全部處于膨脹腔，且溫度為TE，

58、同時壓力也上升到最高壓力，如圖2-5中的P-V圖所示。在該過程中，因系統(tǒng)容積不變，故不做功，但工質(zhì)內(nèi)能增大。在理想狀態(tài)下，熱能QR為</p><p>　　式中CV為TC一TE溫度范圍內(nèi)工質(zhì)的平均等容比熱。</p><p><b>　　3)等溫膨脹過程</b></p><p>　　在等溫膨脹過程中，壓縮活塞在外止點保持不動，膨脹活塞繼續(xù)向其內(nèi)止點

59、移動，結(jié)果系統(tǒng)容積增大，壓力下降，待膨脹活寨移動到內(nèi)止點時過程結(jié)束。此時，系統(tǒng)容積已從最小容積}3擴(kuò)大到最大容積氣。為了實現(xiàn)等溫膨脹，即T3-T4-TE，外源必須通過氣缸壁向工質(zhì)供給等溫膨脹熱縣同時系統(tǒng)向外界做等溫膨脹功W3-4。在理想狀態(tài)下，外界向系統(tǒng)榆入的等溫膨脹熱能QE應(yīng)等于等溫膨脹功W3-4，即</p><p><b>　　4)等容冷卻過程</b></p><p&

60、gt;　　在這一過程中，壓縮活塞從其外止點移動到內(nèi)止點，同時膨脹活塞從其內(nèi)止點移動到外止點，結(jié)果將膨脹腔中一器時，回?zé)崞鲝墓べ|(zhì)中吸走熱能鳥,R，使口低循環(huán)溫度Tc后流入壓縮腔。兩個活塞f積V4 = V下得到冷卻，故叫做等容冷卻過的熱能QR’為</p><p>　　斯特林循環(huán)的4個過程全部結(jié)束，工質(zhì)狀態(tài)回復(fù)到循環(huán)始點的狀態(tài)。自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)與上述理想斯特林循環(huán)有所區(qū)別，因為現(xiàn)在還不能制作間

61、斷性運(yùn)動的活塞傳動機(jī)構(gòu)，所以并沒有能進(jìn)行理想斯特林循環(huán)的Stirling發(fā)動機(jī)，實際運(yùn)行中的斯特林發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)只能接近上述理想熱力循環(huán)。</p><p>　　2.2.3自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的特點</p><p>　　系統(tǒng)之所以選用單缸自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)是因為它有以下特點:</p><p><b>　　1)機(jī)械效率高</b

62、></p><p>　　自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)相比較其他機(jī)械沒有連桿、軸或軸承，只有滑動配合，由工質(zhì)本身作為潤滑劑，因而有非常高的機(jī)械效率。一臺榆出功率為1 kw的自由活塞式熱氣機(jī)，機(jī)械效率可達(dá)99%，特別是部分負(fù)荷時，自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的有效熱效率也相對較高【30】。</p><p><b>　　2)熱效率高</b></p>

63、<p>　　曲柄連桿式熱氣機(jī)通常采用改變工質(zhì)的平均壓力來調(diào)節(jié)輸出功，但自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的平均循環(huán)壓力是不變的，輸出功的變化主要是靠改變行程來達(dá)到。因此，在部分負(fù)荷時，仍可保持其總的熱效率基本不變。</p><p><b>　　3)能使用多種能源</b></p><p>　　使用多種能源的能力與高效率同等重要。連續(xù)外燃加熱允許使用最廣泛的燃

64、料和能源，包括所有氣體、液體和固體燃料。</p><p><b>　　4)自起動</b></p><p>　　設(shè)計正確的自由活塞式熱氣機(jī)，只要在冷熱端之間建立起足夠的溫差便能自行起動，這是其它動力裝置不可比擬的。因此其結(jié)構(gòu)相對簡單，使用更為可靠，對維修保養(yǎng)的要求也不高，可用于無人管理的場所。啟動加熱只需數(shù)秒鐘，熱氣機(jī)便能自行起動。隨后便可全功率運(yùn)行。</p>

65、;<p><b>　　5)不需要液體潤滑</b></p><p>　　和內(nèi)燃機(jī)相比較，由于自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的機(jī)械損失非常小，其不需要液體潤滑劑來潤滑和冷卻有關(guān)部件。所以，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和維修保養(yǎng)很簡單。</p><p><b>　　6)密封可靠</b></p><p>　　自由活塞式Stirlin

66、g發(fā)動機(jī)相比曲柄連桿式斯特林發(fā)動機(jī)沒有復(fù)雜的傳動機(jī)構(gòu)，相比與內(nèi)燃機(jī)密封壓力小，所以密封問題十分簡單，通常只要將殼體密封即可滿足要求。</p><p><b>　　7)振動小、噪音低</b></p><p>　　自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的工作腔內(nèi)沒有爆燃并與大氣隔絕，所以壓力上升的速率沒有內(nèi)燃機(jī)高，特別是沒有傳動機(jī)構(gòu)，因此，運(yùn)轉(zhuǎn)十分安靜，不必使用隔音或消音裝置【

67、31】。</p><p><b>　　8)有自動調(diào)節(jié)功能</b></p><p>　　自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)有根據(jù)外界負(fù)荷的變化自動調(diào)節(jié)輸出功的能力。如果外界的負(fù)荷不大，活塞的行程會變得比較長，行程往返期間作用力的差也比較小。若負(fù)荷增大，活塞的行程便自動縮短，作用力隨之增大。輸出功基本不變。</p><p>　　2.3永磁直線發(fā)電機(jī)及

68、其工作原理</p><p>　　直線發(fā)電機(jī)可以認(rèn)為是傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，它可以看作是將一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，然后將電機(jī)的圓周展成直線，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)榱藙幼拥耐鶑?fù)直線運(yùn)動。直線發(fā)電機(jī)較旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)容易改變，因此，其結(jié)構(gòu)型式比普通感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)有更多的式樣。直線發(fā)電機(jī)按其結(jié)構(gòu)型式的不同，可以分為扁平型、圓筒型和圓盤型等。而扁平型直線發(fā)電機(jī)是最有代表性，且應(yīng)用最為廣泛。本發(fā)電系統(tǒng)采用的

69、就是雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)，如下介紹其結(jié)構(gòu)、工作原理和特點。</p><p>　　2.3.1永磁直線發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)</p><p>　　發(fā)電系統(tǒng)中永磁直線發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖2-10所示，發(fā)電機(jī)為雙邊扁平型結(jié)構(gòu)，由動子和定子組成。定子鐵心中開有兩個槽，槽中放有定子繞組，上下兩定子中繞組線圈采用串聯(lián)方式以提高輸出電壓。定子采用模塊式設(shè)計，可根據(jù)實際需求，串聯(lián)更多的定子模塊和延長動子長度以增加輸

70、出功率。動子結(jié)構(gòu)如圖2-9所示，動子由磁極和動子框架組成，選用永磁鐵為動子磁極，固定在不導(dǎo)磁的鋁框內(nèi)，鋁框中間開槽以防止運(yùn)行時在鋁框上形成大的環(huán)流損耗，相鄰的永磁體磁極相反放置，有利于永磁體通過定子鐵心形成磁回路。</p><p>　　2.3.2永磁直線發(fā)動機(jī)工作原理</p><p>　　由上述結(jié)構(gòu)可見，本系統(tǒng)采用的直線發(fā)電機(jī)的工作原理與以往旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機(jī)有很大不同。直線發(fā)電機(jī)工作時，是將自

71、由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)動力活塞所連接的傳動軸和發(fā)電機(jī)動子的軸相連而帶動動子作往復(fù)運(yùn)動，動子運(yùn)動的速度和頻率則由自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的動力活塞速度和頻率決定。永磁直線發(fā)電機(jī)動子磁極通過定子鐵心形成磁回路，穿過定子繞組的磁鏈大小與動子的位置有關(guān)，如圖2-9所示，動子在初始位置，即最左端時，磁鏈由動子永磁體中N極發(fā)出，經(jīng)過氣隙、定子鐵心和氣隙回到動子永磁體中S極，定子繞組線圈中形成了向上的磁通分布，動子開始往復(fù)運(yùn)動后，動子

72、永磁體N極發(fā)出的磁鏈與定子鐵心相交聯(lián)部分逐漸減小;當(dāng)動子運(yùn)動到最右端位置時，處在定子中間鐵心齒上的永磁體S極向上，所以定子繞組線圈中形成了向下的磁通分布，隨著動子的往復(fù)運(yùn)動，動子中永磁體在鐵心繞組線圈中形成的磁通分布由上到下，再由下到上不斷變化。</p><p>　　根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得定子繞組內(nèi)磁鏈的變化引起的定子繞組線圈兩端的感應(yīng)電動勢</p><p>　　式中:Φ為穿過定子繞組線

73、圈中的磁通量.N為定子繞組匝數(shù)。</p><p>　　2.3.3永磁直線發(fā)動機(jī)特點</p><p>　　永磁直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)有很大不同，而使之具有以下特點。</p><p>　　1)永磁直線發(fā)電機(jī)采用永磁體進(jìn)行勵磁，所以無需電流勵磁，沒有易損壞的電刷和滑環(huán)等結(jié)構(gòu)，因此使用壽命長，可靠性高。</p><p>　　2)采用永磁體

74、勵磁，簡化結(jié)構(gòu)的同時也使得永磁直線發(fā)電機(jī)動子上無勵磁損耗，無電刷和滑環(huán)之間的摩擦損耗和接觸電損耗。因此，永磁直線發(fā)電機(jī)的機(jī)械效率比電勵磁式同步電機(jī)要高。</p><p>　　3)在永磁體框架上使用不導(dǎo)磁材料，并且在框架中采用開槽的結(jié)構(gòu)，消除了電機(jī)工作時往復(fù)運(yùn)動而產(chǎn)生的環(huán)流，從而減少了損耗，降低了動子的溫升，提高了電機(jī)效率。</p><p>　　4)發(fā)電機(jī)的極距與活塞的沖程相等。動子極距與定

75、子槽寬相配合，使磁路在動子兩端位置均能閉合，并關(guān)于動子運(yùn)動左右止點位置對稱。</p><p>　　由于永磁直線發(fā)電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，使其工作原理不同于旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，即使與普通的直線電機(jī)相比也有很大的不同。因此，對于電機(jī)內(nèi)電磁場的求解，不能直接套用以往的方法，需根據(jù)電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)和工作原理，找出適合其電磁場的求解方法。</p><p>　　自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的尺寸設(shè)計和運(yùn)行性能分析&

76、lt;/p><p>　　3.1自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)設(shè)計要求</p><p>　　為與永磁直線發(fā)電機(jī)相配合，自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)為:</p><p>　　1)輸出功率不低于1kW;</p><p>　　2)所帶負(fù)載重量O.5kg左右;</p><p>　　3)活塞行程為7cm;</

77、p><p>　　4)往復(fù)次數(shù)每分在1800次左右。</p><p><b>　　3.2工質(zhì)選擇</b></p><p>　　從表3-1可以看出氫氣在性能方面優(yōu)于空氣和氦氣，但氫氣和空氣的混合物在空氣占5%--J75%的范圍內(nèi)有著火危險?？諝馐亲钜椎玫降臍怏w，但熱力性能較差。在低速小功率斯特林發(fā)動機(jī)中，使用氫或氦在熱力學(xué)效果上并不比空氣優(yōu)越多少，然而

78、用空氣作為工質(zhì)可大大降低密封的要求，同時為以后工質(zhì)的補(bǔ)充也十分方便，故對于壽命要求長或設(shè)計要求不是很高的低功率小型發(fā)電系統(tǒng)，綜合考慮熱力性能和使用方便性，選擇空氣作為斯特林發(fā)動機(jī)工質(zhì)。</p><p><b>　　3.3結(jié)構(gòu)尺寸確定</b></p><p>　　Stirling發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的確定取決熱力學(xué)性能和機(jī)械性能兩方面的要求。</p><p

79、><b>　　3.3.1汽缸直徑</b></p><p>　　為了降低活塞一汽缸組的往復(fù)穿梭傳熱損失，同時限制活塞平均速度，汽缸直徑與活塞行程之比應(yīng)限制在1.5-2.0的范圍內(nèi)。本模型選DC/SC=1.80由斯特林發(fā)動機(jī)所帶的直線發(fā)電機(jī)要求動力活塞行程為7cm，所以汽缸直徑DC為12.6cm。</p><p>　　3.3.2熱腔、冷腔和無益容積</p>

80、;<p>　　冷腔容積耳為動力活塞掃氣容積SP}rr' -872.4 c材，系統(tǒng)最大體積與最小體積比</p><p>　　式中:VE為熱腔容積，VD為無益容積。在斯特林發(fā)動機(jī)中壓縮比一般為2.0左右，大于2.5以上，系統(tǒng)將無法工作，本模型壓縮比選為1.32。</p><p>　　無益容積比KD定義為VD/VE,一般在0.5-2.0之間。由經(jīng)驗可知，其值越大發(fā)動機(jī)效率越

81、接近等溫分析法的計算值，本模型選擇無益容積比KD為1.5。即 </p><p>　　聯(lián)立式((3-1)和((3-2)可得發(fā)動機(jī)熱腔容積嶺和無益容積嶺分別為1308.6 cm3，和1962.9 cm。</p><p>　　3.3.3縫隙式回?zé)崞骱团錃饣钊叽?lt;/p><p>　　在采用縫隙式回?zé)崞鞯淖杂苫钊剿固亓职l(fā)動機(jī)中，縫隙式回?zé)崞魅莘eVR無益容積為VD，即珠為

82、1962.9 cm3。</p><p>　　回?zé)崞魅莘eVR表示為</p><p>　　式中:RD為配氣活塞半徑，LD為配氣活塞長度。將回?zé)崞魅莘eVR和汽缸直徑DC帶入式(3-3)可得出配氣活塞半徑RD和配氣活塞長度LD分別為5cm和28.4cm,即縫隙式回?zé)崞鞯沫h(huán)隙長Lh和環(huán)隙寬Dh分別為28.4cm和1.3cm。</p><p>　　3.3.4配氣活塞行程<

83、/p><p>　　配氣活塞掃氣容積為VE為1308.6 cm3，活塞行程</p><p>　　根據(jù)式(3-4)求出配氣活塞行程SD為16.7cm。</p><p>　　3.3.5動力活塞尺寸和質(zhì)量</p><p>　　動力活塞直徑即為汽缸內(nèi)徑，所以動力活塞半徑RP為6.3cm。動力活塞兩側(cè)分別為冷腔和緩沖腔，二者壓強(qiáng)差不斷變化對動力活塞氣密性要求

84、較高，所以厚度不能太小，動力活塞厚度HP取6cm。</p><p>　　為使運(yùn)行穩(wěn)定，自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)的固有頻率應(yīng)接近或等于運(yùn)行頻率。</p><p>　　動力活塞和與之相連的彈簧組成的最大質(zhì)量震動系統(tǒng)，其固有頻率即為自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)的固有頻率。</p><p>　　式中:fn為運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，C為常數(shù)，一般為0.7-1.0,CK為彈簧剛度，MP為動力活塞質(zhì)量

85、。取C為0.8，選擇彈簧剛度為1.40625N/mm，即得出動力活塞和其所帶負(fù)載的質(zhì)量共為lkg。</p><p>　　3.3.6緩沖腔容積</p><p>　　緩沖腔由配氣活塞和配氣活塞桿的內(nèi)部空間和動力活塞下方空間組成，其內(nèi)部壓強(qiáng)為動力活塞定位的基準(zhǔn)壓強(qiáng)，要求其壓強(qiáng)受動力活塞引起的體積變化的影響要小，所以緩沖腔體積為4500cm3。</p><p>　　圖3-1

86、所示單缸自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，熱腔外圍受加熱器加熱，冷腔外圍與冷卻器相連，冷卻器對其冷卻，回?zé)崞鞑捎每p隙式回?zé)崞鳌？p隙式回?zé)崞骷蠢脛恿钊透妆谥g的縫隙實現(xiàn)回?zé)峁δ堋?lt;/p><p>　　3.4基于等溫分析法的動力特性數(shù)值模擬</p><p>　　實用等溫計算法，作為斯特林發(fā)動機(jī)功率和效率的初步估算是最適合的一種方法，既簡單又較準(zhǔn)確，適用于各種傳動機(jī)構(gòu)，不必使用經(jīng)驗修正系數(shù)。

87、實用等溫計算法是模擬計算程序的最直接理論模型。</p><p><b>　　3.4.1簡化假設(shè)</b></p><p>　　為簡化模型作出以下假設(shè):</p><p>　　1)循環(huán)各部分皆為等溫和完全回?zé)?，即熱腔中工質(zhì)溫度TE選用750K冷腔溫度界TC取為373K。即冷腔和熱腔溫度為0.516;</p><p>　　2)工

88、質(zhì)空氣為理想氣體[36.37]，無泄漏;</p><p>　　3)活塞運(yùn)動為簡諧運(yùn)動。</p><p>　　3.4.2冷腔壓力、熱腔壓力和容積計算</p><p>　　冷腔壓力、熱腔壓力和容積在循環(huán)中的變化。采用實用等溫分析法進(jìn)行計算，可求得如下運(yùn)行性能參數(shù):</p><p>　　1)冷、熱腔瞬態(tài)容積</p><p>

89、　　由假設(shè)3知，瞬時熱腔容積VE可表示為</p><p>　　式中:為簡諧運(yùn)動的角速度，t’為從配氣活塞上止點起算的時間，V0為熱腔的最大容積。</p><p>　　瞬時冷腔容積v表示為</p><p>　　其中，K為活塞行程容積比，即配氣活塞行程和動力活塞行程之比，dr為配氣活塞領(lǐng)先于動力活塞運(yùn)行的活塞領(lǐng)先角，VL為配氣活塞和動力活塞的行程重疊容積?；钊谐痰闹丿B

90、是自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)的特點之一，可以在活塞行程和汽缸直徑不變的情況下，選擇適當(dāng)?shù)男谐讨丿B容積，使熱性能達(dá)到最佳[38]。由于行程重疊容積的存在，可使冷腔容積為零;則在冷腔容積為零時，dK/dt’=0，即</p><p>　　由此引出容積相位角，容積相位角V0定義為熱腔容積變化領(lǐng)先于冷腔容積變化的角度，它與活塞領(lǐng)先角是不等的。當(dāng)熱腔容積VE為零時，有t'=0 0</p><p>

91、　　由式(3-8)可知，當(dāng)</p><p>　　時，冷腔容積VC = 0，可得容積相位角</p><p>　　活塞行程重疊容積VL可以分成兩部分，即VL = VA + VB其中VA為配氣活塞從冷腔容積為零時到其下止點的行程容積，VB為動力活塞從其上止點到冷腔容積最小時的行程容積，所以</p><p>　　式(3-14)由式(3-13)代入式(3-7)得</p&

92、gt;<p><b>　　將VE改寫為</b></p><p>　　式中:t為從配氣活塞下止點起算的時間。這樣就得出了冷腔容積和熱腔容積隨時間的變化，如圖3-2所示。</p><p>　　2)冷、熱腔瞬態(tài)壓力</p><p>　　因為工質(zhì)假定為理想氣體，所以工質(zhì)總質(zhì)量可以通過理想氣體狀態(tài)方程導(dǎo)出</p><p&

93、gt;　　式中:MT為工質(zhì)總質(zhì)量，ME ,MC、MD分別為熱腔、冷腔和無益容積中工質(zhì)的質(zhì)量;R為氣體常數(shù);VD為無益容積;TE , TC和TD分別為熱腔、冷腔和無益容積處的平均溫度。熱氣機(jī)的輸出功率[51.52]可用下式表示:</p><p>　　式中:P為輸出功率(W)，Pmean為平均循環(huán)壓力(MPa),偽循環(huán)頻率(Hz), V為汽缸排氣量。</p><p>　　由式(3-17)算出，

94、功率1 kW，頻率30Hz，汽缸排量2180cm，的斯特林發(fā)動機(jī)需要的平均循環(huán)壓力為1.5MPa。將Pmean帶入式(3-16)確定工作工質(zhì)為l.lkg。將容積相位角代入式(3-16)，并令C=MT2RTc/(VE)和TD=(TR + TC )/2化簡整理后得循環(huán)瞬時壓力</p><p>　　由循環(huán)瞬時壓力表達(dá)式計算出穩(wěn)定運(yùn)行時一個周期的壓力變化波形，如圖3-3所示。</p><p>　　

95、由圖3-3可以看出，當(dāng)t=2時，即t =48.20o，循環(huán)壓力最小</p><p>　　Pmin=1.18Mpa。</p><p>　　當(dāng)t =2+時，即t =228.2o，循環(huán)壓力最大環(huán)壓力</p><p>　　PMax=1.82MPa。</p><p>　　壓力比 </p><p>　　平均循環(huán)壓力

96、Pm為 </p><p>　　緩沖腔壓力設(shè)置為與平均循環(huán)壓力相等，這樣可以通過中點放氣法來輔助調(diào)整活塞的位置。</p><p>　　3)冷腔、熱腔和總?cè)莘e的P-V圖</p><p>　　根據(jù)簡諧運(yùn)動等效角度與循環(huán)容積和壓力波關(guān)系，做出循環(huán)P-V圖，其中a), b)和c)分別為熱腔p-v圖、冷腔p-v圖和循環(huán)總p-v圖。</p><

97、p>　　由圖3-4可以看出設(shè)計的自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)運(yùn)行時壓力和容積的變化接近于理想斯特林循環(huán)，壓力變化勻稱，無尖峰，流阻損失小。</p><p>　　3.4.3系統(tǒng)功率和效率</p><p>　　熱腔p-v圖面積表示熱腔膨脹所做的功，為正功。冷腔p-v圖面積表示冷腔壓縮功，為負(fù)功。二者相減即為循環(huán)功。</p><p>　　對循環(huán)總p-v圖進(jìn)行面積積分，求出

98、循環(huán)功NCT=99J。</p><p>　　系統(tǒng)功率PW=fNCT=2.9KW。</p><p>　　每循環(huán)熱腔工質(zhì)吸收的熱量QEC=206J。</p><p>　　循環(huán)效率C=NCT/QEC=48%</p><p><b>　　3.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對發(fā)電系統(tǒng)中自由活塞

99、式Stirling發(fā)動機(jī)進(jìn)行了設(shè)計和仿真，得到以下結(jié)論:</p><p>　　1)根據(jù)熱力學(xué)性能和機(jī)械性能兩方面的要求。綜合考慮了活塞穿梭傳熱、壓縮比、無益容積比和掃氣容積比等參數(shù)對性能的影響和動力活塞氣密性要求，確定了自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸。</p><p>　　2)理論分析了自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)循環(huán)過程并編制計算機(jī)程序仿真了循環(huán)過程。得到了發(fā)動機(jī)循環(huán)p-v圖、功率和效率。

100、其功率和效率滿足發(fā)電系統(tǒng)的要求。</p><p>　　第4章永磁直線發(fā)電機(jī)空載磁場及電動勢計算</p><p>　　永磁直線發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)的定子繞組開路，電機(jī)處于空載狀態(tài)，由自由活塞式Stirling發(fā)動機(jī)驅(qū)動而作往復(fù)直線運(yùn)動，永磁體產(chǎn)生的磁場和電機(jī)的定子繞組之間有相對運(yùn)動，在電機(jī)的電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，但不形成電流，沒有電樞反應(yīng)對主磁場的影響，從而發(fā)電機(jī)的磁場完全由永磁體建立

101、。永磁體產(chǎn)生的空載主磁場強(qiáng)度究竟有多大，永磁體形成的磁場空間分布規(guī)律如何，對發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電勢影響極為重要。所以，獲得正確的磁場分布是準(zhǔn)確計算永磁發(fā)電機(jī)參數(shù)和性能的重要前提。</p><p>　　4.1.1數(shù)學(xué)模型建立</p><p>　　為了建立合適的電磁場分析模型，根據(jù)永磁直線發(fā)電機(jī)的特點和實際計算需要，將其作如下假設(shè):</p><p>　　1)在動子中不存在構(gòu)成

102、回路的導(dǎo)體，因而忽略了動子上的渦流損耗;</p><p>　　2)沿鐵心疊片方向的磁場強(qiáng)度都相同;</p><p>　　3)忽略初級繞組中的電阻;</p><p>　　4)定子鐵心內(nèi)表面光滑，動子運(yùn)動時無摩擦阻力。</p><p>　　根據(jù)以上假設(shè)條件和電機(jī)的幾何尺寸，建立的永磁直線發(fā)電機(jī)的二維有限元模型如圖4-1所示，整個圖示區(qū)域皆為場求解

103、范圍，1為空氣所占區(qū)域，3表示永磁體磁極，求解區(qū)域外圍邊框為求解邊界條件，5所占區(qū)域為定子硅鋼片，6表示定子繞組線圈，繞組線圈為漆包銅線，8代表定子鋁框，圖示中間條形區(qū)域為動子運(yùn)動范圍。</p><p>　　4.1.2有限元計算</p><p>　　(1)賦予材料屬性樣機(jī)所包含的材料有:</p><p>　　1)氣隙及樣機(jī)外圍為空氣，相對磁導(dǎo)率,Ur=1。</

104、p><p>　　2)定子鐵心沖片選用DW315號硅鋼片，材料屬性用B-- H曲線表示，如圖4-2所示。</p><p>　　3)定子繞組為銅，相對磁導(dǎo)率Ur =1，電導(dǎo)率 =5.8e7s/m。</p><p>　　4)永磁體為永磁材料，其相對磁導(dǎo)率Ur =1.O5，剩磁密度Br為1.25T，內(nèi)稟矯頑力H為947kA/m和極化強(qiáng)度994 kA/m。</p>

105、<p>　　5)槽楔為非導(dǎo)磁性槽楔，材料Ur=1。</p><p>　　定義完材料屬性之后分別將各種材料賦給模型中的不同部分，使模型中各個部分具有了實際的意義。</p><p><b>　　(2)網(wǎng)格剖分</b></p><p>　　電機(jī)的各種場量值在不同媒質(zhì)中的變化程度不同，因此在剖分的過程中對電機(jī)中場量變化較大的部分，網(wǎng)格面積相對

106、其他部分要取的小一些，以提高計算精度，如對氣隙部分及槽附近進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)剖。圖4-3是對電機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的單元剖分圖，永磁體周邊的區(qū)域進(jìn)行了細(xì)剖。</p><p><b>　?。?）控制方程</b></p><p>　　在有限元計算中，永磁體工作在回復(fù)線上，回復(fù)線為一直線。回復(fù)線和退磁線重合時，永磁體工作點的B和H關(guān)系為</p><p>　

107、　式中:U=U0Ur；H為計算矯頑力;Ur為相對回復(fù)磁導(dǎo)率;U0為真空磁導(dǎo)率。</p><p>　　采用矢量磁位A為求解函數(shù)，根據(jù)麥克斯韋方程，永磁電機(jī)的電磁場邊值問題可以表述為</p><p>　　式中:JS為電流源區(qū)電流密度;1為非永磁區(qū)域;2為永磁區(qū)域。</p><p>　　此邊值問題的等價變分問題表述為</p><p>　　在二維場中

108、，矢量A,JS只有軸向分量，用A, JS表示。HC可表示為</p><p>　　式中:為磁化方向和x軸的夾角。這就得到了關(guān)于永磁體的控制方程。</p><p>　　麥克斯韋方程的微分形式表示為</p><p>　　式中:HC是永磁體的矯頑力:V是運(yùn)動物體的速度;A是磁矢量;JS是電流密度，為電導(dǎo)率。</p><p>　　瞬態(tài)求解時使用參考框架

109、，固定模型一部分，使其速度為零。運(yùn)動物體固定在自身坐標(biāo)系，偏時間導(dǎo)數(shù)變成A的全時間導(dǎo)數(shù)，因而運(yùn)動方程變?yōu)?lt;/p><p>　　從而得到了速度，電流和磁場的關(guān)系，求解此方程就可得到運(yùn)動中任意時刻每一點的磁矢量值，由此就可推得電磁場其他場量。</p><p>　　4.1.3空載磁場分布</p><p>　　圖4-4所示為初始時刻永磁體產(chǎn)生的磁力線分布，磁力線都源自于永磁

110、體，經(jīng)過氣隙，到達(dá)定子鐵心，依次經(jīng)過定子齒一定子轆一定子齒一氣隙回到永磁體，定子中的磁力線分布數(shù)明顯多于其余各處的磁力線數(shù)。</p><p>　　圖4-5為用彩色云圖表示的磁密分布，紅色表示磁密最大，藍(lán)色表示最小，其他顏色介于最大值和最小值之間。從圖中可以看出，齒部和扼部磁導(dǎo)率大而磁密較大，輛部因較窄而磁密最大，而繞組和動子鋁框架磁密很小。</p><p>　　永磁體形成的磁密分布用矢量圖