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1、工程设计导论课程学习总结报告题 目斯特拉热机小车系 别机械工程系专 业机械工程及自动化级 别2013小组成员指导老师组别系主任 2013年11月23日摘 要随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。研究能以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，具有重要的意义。斯特林发动机作为外燃机具有的燃料多样化、效率高、噪音和污染小等特点，适于利用农村薪材、桔杆和太阳能进行发电。斯特林发动机得天独厚的优势，以及各种新材料新技术的出现，斯
2、特林发动机必将代替内燃机为21世纪提供主要动力。斯特林发动机的广泛应用，必将使我国的能源利用效率得到大幅度提高，无沦是对环境保护还是节能减排，都有着非常重要的积极意义，也将会为我国的经济又好义快的发展提供充足动力。本文通过研究斯特林发动机的性能特性，讲述了斯特林发动机的结构类型与主要分析方法，总结了斯特林发动机的关键技术，阐述了斯特林发动机的特点及主要应用，设计制造了斯特林发动机模型，并对该模型进行了实验分析，得出的结论和模拟性能基本一致。关键词:斯特林发动机；小车；设计实验AbstractWith the growing shortage of oil prices gradually ri
3、se, conventional internal combustion engine using petroleum resources and the environment caused by pollution, energy use and other social problems is extremely uneven petroleum resources has become increasingly prominent. Research can be natural gas, biomass and other related technology as an engin
4、e fuel for the promotion of energy utilization, improve the use of petroleum resources in the current state of the single and reduce environmental pollution, and create a conservation-oriented society has important significance. As an external combustion Stirling engine having a fuel diversification
5、, high efficiency, noise and pollution, etc., suitable for use in rural firewood, straw and solar energy to generate electricity. Stirling engine appears unique advantages, as well as a variety of new materials, new technologies, the Stirling engine will replace the internal combustion engine to pro
6、vide the main impetus for the 21st century. Stirling engines are widely used, will make our energy efficiency has been greatly improved, no perish is environmental protection or energy conservation, has a very important positive significance, but also will be good for Chinas economic justice provide
7、 sufficient power to develop fast. In this paper, the performance characteristics of the Stirling engine, the Stirling engine about the type of structure and main analysis, summarized the key technologies of the Stirling engine, describes the Stirling engine characteristics and the main application,
8、 design and manufacture Stirling engine model, and the model was experimental analysis, conclusions and analog performance results are basically the same.Key Words:Stirling engine; car; design experiments目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 斯特林发动机的背景及意义11.2 斯特林发动机国内外研究动态21.2.1 国内发展状况21.2.2 国外发展状况21.3 本文的主要研究内容4
9、2 斯特林发动机组成及理论分析52.1 斯特林发动机的组成52.2 斯特林发动机的工作原理62.3 斯特林发动机热效率分析92.4 小结93 斯特林发动机性能分析103.1 斯特林发动机实际循环性能分析计算103.1.1 数学模型的建立103.2 斯特林发动机性能模拟及影响性能因素133.2.1 膨胀腔、压缩腔示功图和总示功图143.2.2温度、压力、转速等因素对斯特林发动机性能影响153.3 结论164 斯特林发动机模型设计制作164.1 斯特林发动机的设计类型164.2 斯特林发动机设计参数的选择及确定174.3 斯特林发动机的具体尺寸及制作184.3.1 斯特林发动机模型外型184.3.
10、2 制作方法及制作工序184.3.3 组装次序及注意事项244.3.4 试运行244.4 小结255 个人小结和整组总结报告1 绪论在当今世界科学技术的迅速发展，人们在不断完善现有动力机的同时，还在努力探索开发新型的动力机，外燃机就是在这样的背景下设计成功的，随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。研究能以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一的石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，从而促进经济的可持续发展和社会进步，具有重要的意义。斯特林发动机(Stifl
11、ing engine，又名热气机)是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，它理想的热力循环称作斯特林循环(即：概括性卡诺循环)。因此，同温度下其理论效率最高，更吸引人的是它具有两个明显优于内燃机的特点：一是能利用各种能源，无论是常用的液体燃料，还是气体燃料或固体燃料，甚至太阳能、化学反应能和放射性同位素能源，只要是能产生一定温度的热量，斯特林发动机就可以工作；二是振动噪音低、排放污染小，具有良好的环境特性。斯特林发动机是一种利用燃料的热能来工作的动力机，因为燃料在缸外燃烧所以也叫外燃机。外燃机采用往复活塞式，燃料燃烧对加热装置内的气体释放热能，被压缩的气体接受热能后进入缸内膨胀，推动活塞式曲
12、轴带动外界负荷而旋转。斯特林发动机工作时，里面有气体工质作功，用于作功的气体可采用具有比功率高，流阻损失小的特种气体，其质量可以灵活调动，一般比内燃机吸入缸内的气体质量大的多；做功气体温度一般在700以下，比内燃机爆发时2000以上低的多，因此作功气体传给冷却介质被带出机外的热能相对很少。它是二行程发动机，工作时，将导热率高的气体(如：氦气、氢气、蒸汽、复合气、空气等)密封，由活塞的运动来实现气体的流动，使气体在高温条件下膨胀，在较低湿度下压缩，膨胀后的气体被重新压回加热腔，使气体在气缸和加热装置内实施热力循环，不需换气，达到热能对机械能的连续转换。斯特林发动机是由多种不同功能的配件系统组成(
13、如：外部供热系统、热能转换系统、动力转动系统、气体控制系统、润滑系统、起动系统、机体等)涉及到多方面的技术，但这些技术又基本上属于已知的内燃机的技术范畴，是我们已经掌握的相对成熟的技术。1.1 斯特林发动机的背景及意义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”，当时已生产出数千台。后由于蒸汽机和内燃机的出现而被冷落，到二十世纪初已基本消失，主要由于封入的工质为空气，加热温度仅几百度，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，采取700以上
14、的加热520MPa的氢气和氮气为工质，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。该公司将液氨用发动机商品化，将其余的发动机制造技术于19571967年陆续转让给西德和瑞典的有关公司。1973年世界性石油危机后，节油和油的替代提上重要议事日程。菲利蒲公司重新和美国福特公司合作共同开发了127kw的回转斜板式双向型42150A发动机。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，后来石油供应虽有缓和，但从环保和能源角度出发各国又竞相进行斯特林发动机开发
15、工作。斯特林发动机的一个突出优点是可以利用多种分散的能源。我国是一个农业大国，农业是国民经济的基础。我国农村有丰富的生物质能资源，但品种、分布不均，具有季节性、间歇性分散性的特点。用旧式炉灶直接燃烧，热效率很低，一般为1015。如果用斯特林发动机将农村烧掉的生物质能(按1987年的328Mtce计算)，以同样的效率(1015)转换为电能，则可为农村提供260400kwh电，相当于同年农村用电量的23倍。我国太阳能资源比较丰富。目前我国太阳能热水器和太阳灶使用较普遍，但光电池应用很少。在太阳能资源丰富的地区，可通过斯特林发动机将太阳能转换成电能或机械能。美国喷气推进实验室开发的15KW太阳能自由
16、活塞式斯特林发动机发电机组，已投入运行，美国斯特林热力发动机公司(Stirling)开发的STMO-120型斯特林发动机(功率为25kW，采用直径11m的抛物面聚光器)即将商品化；美国太阳动力公司制成一种自由气缸式太阳能水泵，功率仅150W，聚光器直径为1.7m，与同样功率的其他类型太阳能水泵相比，效率高510倍。中国还有3500万人口完全没有电力供应，更多的人口没有持续可靠的电力供应。这些地区多在边远的地区、山区和荒漠，以及海岛等地区，架设电网的投资太大，采用柴油发电成本太高，而斯特林外燃机可以利用太阳能、沼气、植物垃圾热解气体的特性，可以较好的解决这一难题。1.2 斯特林发动机国内外研究动
17、态1.2.1 国内发展状况我国从七十年代末即开始斯特林发动机的研究开发工作，已设计出功率150W-IOkW发动机11种，多数已在实验室正常运转。现从事此项工作的约300人，并正筹建中国热气机研究会。北京农业工程大学凌泽芝同志在能源政策研究通讯1991年第一期“发展热气机、促进农村电气化”一文中介绍国内外斯特林发动机的发展概况及其特点后建议：“充分利用我国农村丰富的生物质能源和部分地区丰富的太阳能资源以解决农业用电问题”。并希望纳入国家“八五”科技规划和组织有关单位联合攻关。上海711研究所研制出热气机，是一种具有国际水准的科研成果，而排放的污染气体比目前市面上的其它发动机都要小，达到欧洲排放标
18、准。1.2.2 国外发展状况1用于热电联产型充分利用它环境污染小的特点，在大城市里可以以天燃气作燃料，通过斯特林发动机的内部的冷却装置，冷却水被加热并回收烟气，即可采暖。1台25kW的斯特林外燃机完全可以满足5001500建筑平方米采暖。这种使用斯特林发动机的热电联产装置实际上相当于一台副产电力的供热锅炉，一般情况下是根据供热需求来确定其运行状态的，其电力系统可以与电网连接，多余的电力通过配电盘向外界供电。如果配备相应的热水型吸收式制冷机的话，夏季就可以利用热能制取空调所需的冷却水，从而部分地取代目前广泛使用的耗电量可观的蒸汽压缩式空调制冷装置。显然，不仅在冬季的供暖期，而且在夏天的供冷期，热
19、电联产装置都能发挥重要的作用。目前，农用动力斯特林发动机，已引起各国的极大兴趣。在农村，可以燃烧各种物质如木屑、米糠、棉秆、椰子皮壳和谷壳等进行工作的。以空气为工质，运转时，噪音低，振动小，无污染。不用润滑，即可取暖，又可发电，非熟练工人也能操作。2斯特林太阳能发电装置利用斯特林发动机外燃的特性，将多面反光镜聚焦在发动机的热腔，利用太阳的能量加温热腔发电，发电功率达到20kW，设备可以自动跟踪太阳旋转。它还可以有另一个独具匠心的设计是在太阳落山后或阳光不足以发电时，自动合闭热腔，利用燃料燃烧发电，一机两用，节省了蓄电池投资，提高了能源供应设备的利用效率。而造价仅仅为硅晶光伏电池的三分之一，投资
20、效益极好。3低能级的余热回收利用型斯特林发动机的另一优势是余热回收，而且大大简化了工艺技术。利用热腔温度达到700即可发电的特性，不需要任何介质或热能转换装置，直接将热腔伸入热源之中，将余热转换成高价值的电能。例如：炼油厂、化工厂、焦化厂、冶炼厂等，均可使用。每个外燃机可以回收25kW电能和44kW热能。4推进车用动力型利用斯特林发动机的排气污染低以及多种燃料的高度适应性的优点，美国机槭技术公司(MTI)在执行ASE计划期间共发展了两代样机。以小型汽车为例，电机的功率约为40kW左右，而斯特林发动机的功率只需15kW左右，两者的连接既可串联，又可并联。在城市内，用电机推进；在高速公路上，主要靠
21、斯特林发动机推进，辅之于电机。混合推进的优点是：在市内，完全是电动汽车，最大限度地保护了环境；在郊区，依然具有斯特林发动机汽车的全部优点(良好的经济性、污染少和适应多种燃料)，同时简化了控制系统，使其在成本上更具竞争力。5低温差发电动力型近几年来，比较热门的研究领域就是低温差斯特林发动机。日前，已有很多低温差模型斯特林发动机问世，最著名的当属美国威斯康辛大学Senft教授研制的Ringbom斯特林发动机，只需0.5的温差就能以60r/min的速度运转。日本人研制出150W低温差斯特林发动机，工作温差为100。指示效率为50。低温差斯特林发动机由于工作参数低，因此结构简单、造价便宜、寿命长，适合
22、于作废热回收发电动力。这样，100300的废热均可用来发电。6其他利用型斯特林发动机可用在汽车、潜水艇、宇宙飞船、人造心脏等等上，充分发挥其体积小、排热量低、噪音小等特点，研究应用十分广泛。1.3 本文的主要研究内容1从斯特林发动机的特点出发，对斯特林发动机的原理和组成进行了详细分析。2从Stirling热力学循环理论入手，讨论了热气机的功率、效率及热损失计算，定性分析了影响热气机输出性能的各种因素，提出了改进热气机性能的若干措施。根据自己编写的斯特林发动机性能模拟软件的模拟结果基础上，以斯特林发动机技术的理论为指导，对斯特林发动机的性能进行预测。3根据斯特林发动机性能模拟分析，对所要求的斯特
23、林发动机模型进行初步设计计算和加工制造。4建立了斯特林发动机实验台，完成了发动机模型的运行实验和加热运行的初步实验，测试了不同转速和温度条件下斯特林发动机模型的做功能力，验证了所设计样机热力学循环系统的合理性5利用斯特林发动机的外燃特性和可回收余热优势，通过从热力学的角度进行分析计算，得出了联合循环有意义的结论，从而为斯特林发动机在余热利用研究方面提供指导思想。2 斯特林发动机组成及理论分析斯特林引擎的基本工作原理是，通过工作气体的的加热膨胀、冷却收缩来做功实现的，通过气缸的外部对密闭空间内的工作气体进行控制，加热时活塞下降，冷却时活塞上升。实用性斯特林引擎是通过配置多个活塞和热交换器，从外部
24、连续加热冷却使工作气体的压力发生变化来实现高速运转。本章将介绍斯特林发动机的基本组成、运动形式和配气活塞式斯特林引擎的工作原理。2.1 斯特林发动机的组成斯特林发动机是一种热机械能的转换装置，因此，他的主要组成与内燃机等热机是类似的，即由热的发生系统、热机械能转换系统、动力传递系统以及其他的保证发动机正常运转的一些辅助系统。一台能独立工作的斯特林发动机由下列系统组成：外部供热(燃烧)系统、闭式循环系统(热机械能转换系统)、动力传动系统(包括工质密封系统)、负荷控调系统以及辅传动、冷却、起动等的辅助系统。斯特林发动机区别内燃机根本所在是外部供热(燃烧)系统和闭式循环系统。如图2l所示。外部燃烧系
25、统的作用是给闭式循环系统提供能源，因此，凡是温度在450以上的任何发热装置都可以成为斯特林发动机的外部热源，例如：各种矿物燃料的燃烧装置、原子反应堆(可控核裂变热装置和放射性同位素的衰变热装置)、化学反应生成热装置、各种形式的蓄热装置、太阳能和激光能都可以作为斯特林发动机的外部热源。闭式循环系统的功能是在较低的温度和压力水平下压缩闭式循环回路中的工质，并在较高的温度和压力下进行膨胀，获得正的膨胀功。在现代斯特林发动机中，闭式循环回路由冷腔、冷却器、回热器、加热器和热腔组成，并按上述顺序依次串联在一起，冷腔和冷却器处于循环的低温部分，压缩热量由冷却器导至外界；热腔和加热器处循环的高温部分，膨胀热
26、由加热器供给。工质在系统中来回流动一次，完成一个循环，循环周期为2。1热膨胀腔在循环过程中膨胀腔永远处于高温状态，在膨胀时相当部分的工质居于热膨胀腔。根据热气机的循环特性，膨胀腔必须能承受高温和高压，对它的要求比柴油机的燃烧室高的多，有相当一部分的热损失是由热的膨胀腔传出的。2冷压缩腔在循环过程中冷压缩腔始终处于比环境温度，或比冷却水温度稍高一些的温度下，在压缩过程中有相当一部分工质居于压缩腔。3加热器加热器的职能是将外部热源的热能传给系统，达到对工质加热膨胀的目的。加热器管的一端与膨胀腔联通，另一端与回热器沟通。4回热器回热器串联在加热器和冷却器之间，是循环系统的一个内部换热器，它交替地从工
27、质吸收和向工质释放热量，使工质反复地受到冷却和加热。从完成热力循环的箔度来说，回热器并不是不可缺少的，但是，从运行经济性来看，回热器是一个极其重要的不可缺少的组件，是一个重要的节能装置。在性能较高的实际热气机中，回热器的蓄放热能力，约为加热器传热能力的35倍，为冷却器冷却能力的810倍。因此，如果取消回热器，在保证膨胀温度和压缩温度不变的情况下，不仅会导致加热器和冷却器容量大幅度增大，而且会使发动机的功率和效率降到不能接受的程度。5冷却器冷却器位于回热器和压缩腔之问，其功能是将压缩热导到外界，保证工质在较低的温度下进行压缩。凡是柴油机或汽油机能利用的传动系统，例如普通的曲柄连杆机构、斜盘或摆盘
28、机构和液压传动机构等均可用于斯特林发动机。图2-1斯特林发动机结构示意图2.2 斯特林发动机的工作原理由于是对小功率的斯特林发动机的研究，所以本文重点是研究单作用配气活塞式斯特林发动机，下面就重点介绍配气活塞式斯特林发动机的工作原理。配气活塞式斯特林发动机只有一个气缸，其内置有两个活塞。靠近加热器一侧的活塞叫配气活塞，靠近冷却器一侧的活塞叫动力活塞。配气活塞的上方叫热腔(膨胀腔)，配气活塞下方与动力活塞上方所组成的腔室叫冷腔(压缩腔)。热腔、加热器、回热器、冷却器和冷腔串联在一起，形成一个完整的循环回路。如图22所示。同样，热腔和加热器处于循环的最高温度下，叫热区；冷腔和冷却器处于循环的低温区
29、，叫冷区。因为配气活塞上下端的压力是一致的，所以它既不向外界输出功，也不从外界接受功，其功用是使工质在循环回路中来回流动，故有配气活塞之称。因为工质的来回流动是由配气活塞完成的，所以称为配气活塞式斯特林发动机。这类斯特林发动机的一个特点是，热腔是由配气活塞(热活塞)单独控制的，而冷腔则是由配气活塞和动力活塞联合控制的。图2-2 单缸单作用斯特林发动机结构简图图2-3 斯特林发动机热力循环的p-v图与T-S图斯特林发动机的热力过程是按斯特林循环进行的。如图23所示。斯特林循环是由两个等温过程和两个等容过程组成的。1等温压缩过程12。压缩开始时，动力活塞处于下止点，配气活塞位于上止点，此时工作腔容
30、积最大，温度最低，压力最小，即V1=Vmax，T1=Tmin=TC，P1=Pmin 。在压缩过程1-2的期间内，配气活塞在上止点保持不动，动力活塞从下止点向上止点运动，工作腔容积随着动力活塞的向上运动而逐渐变小，工质被压缩，压力也随之逐渐增大。压缩热由冷却器导至外界，而保持温度TC不变，实现等温压缩。待动力活塞运动到上止点后压缩过程结束，此时工作腔容积最小，即V2=Vmin。为在恒定的温度TC下实现等温压缩，工质必须通过冷却器向外界释出压缩热QC；同时，在压缩过程中外界必须对工质做功，外界所输入的压缩W1-2等于工质在等温压缩下向外界释出的热量QC，工质内能不变，而熵减小。2等容加热过程23。
31、在这一过程中动力活塞在上止点保持不动，配气活塞向下止点运动。由于动力活塞保持不动，不论配气活塞如何运动，工作腔容积始终不变(配气活塞向下移动式，活塞上端增大的容积等于下端减少的容积，即热腔所增加的容积等于冷腔缩小的容积)，即V3=V2=Vmin。配气活塞从上止点向下止点运动的结果，工质从冷腔流入热腔，在流经回热器获得热量QR，使工质温度从T2升高到T3，而T3=TE，压力也相应地从p2升高到p3，但容积不变，实现了等容加热。在这一过程中，工质与外界无热交换，也不做功，但工质的内能和熵都增大。3等温膨胀过程34。在这一过程中，工质在最高循环温度TE下完成等温膨胀，并向外界做功。膨胀开始时，配气活
32、塞继续向下止点运动，而动力活塞也从其上止点向下止点运动，过程结束时两个活塞同时到达下止点。由于动力活塞从上止点运动到下止点，工作腔容积从V3=Vmin增大到V4=Vmax。工质在最高的循环温度T3=T4=TE=Tmax的状态下完成等温膨胀，必须由加热器从外界向工质提供热量QE。工质在膨胀过程中向外界做功，其值W3-4。等于外界供给工质的热量QE。工质内能不变，但熵增大。4等容冷却过程41。配气活塞从下止点迅速返回上止点，而动力活塞在下止点保持不动，待配气活塞到达上止点后过程结束，完成一个循环。由于配气活塞从下止点返回上止点，其结果是使工质从热腔返回冷腔；流经回热器时，回热器吸收了工质的部分热量
33、，使工质的温度从循环最高温度T4=TE=Tmax下降到最低温度TC=Tmax=T1。因为动力活塞不动，故工作腔容积不变，V4=V1=Vmin，过程是等容的。循环压力也由P4下降到P1。至此，全部参数回复到循环的起始状态。回热器将从工质中吸收的热量贮存起来，在下一个循环的等容加热过程23中再传给工质。在等容冷却过程中，工质与外界无热交换，也不做功，但内能和熵均下降。2.3 斯特林发动机热效率分析依据上述循环系统的热力分析，和参考文献1得：斯特林发动机的循环效率为： (2-1)其中，回热器有效性定义为：=(TE-TC)(TE-TC)；系数=TCTE；=CP/CV；V0=V1/V2；由此可以看出若回
34、热器工作不完善时，1，循环效率C(卡诺效率)；但当回热器工作完美时，有=1，即，=C =1-。则在理论上斯特林发动机的循环效率与卡诺循环的效率是相等的。一般回热器的效率=0.980.99，所以斯特林发动机有较高的热效率。并且由图2-3所示，用两条等容线代替了卡诺循环的两条等熵线(33，11)斯特林循环具有大的示功面积，在压力、温度和容积变化的上下限相同的情况下斯特林循环要比卡诺循环多做功，因此，斯特林发动机高的行程容积功率是普通的活塞式内燃机所望尘莫及的。2.4 小结本章节主要就斯特林发动机的组成及原理进行了分析阐述。从理论上来说，斯特林引擎与卡诺循环一样拥有高的热效率。作为外燃机不选择热源，
35、因此可利用燃料或者太阳能，生物能的余热，而且燃料的充分燃烧使得废气较为清洁。但是一内燃机相比，每个单位输出功率的重量、容积及成本都显劣势，所示暂时还不能代替内燃机，但作为一种环保引擎，其拥有广阔的发展空间。本章通过对组成和原理的学习，对斯特林发动机进行了进一步的了解，为下一步引擎的性能分析做好了准备。3 斯特林发动机性能分析斯特林发动机作为动力装置，评价其性能好坏的主要指标是其输出功率和效率。从发动机的组成来看，尽管影响发动机性能的因素很多，但是主要的影响因素还是闭循环系统的设计参数(包括加热器、回热器、冷却器的参数、传动机构的参数等)和运行条件参数(包括转速、工作介质的平均压力、加热温度和冷
36、却温度等)。在发动机实际循环稳态性能的分析中，目前主要以G.Schmidt提出的施密特循环理论为依据，在此基础上，M.R.Martini提出了等温分析法。等温分析法则考虑了工作介质的损失，假定气缸内的换热过程是等温的，计算一个循环的基本功，并假定各种损失互不影响，分别考虑工质的流阻损失、活塞的穿梭损失，泵气损失、各部件的导热损失、回热器的补热损失等，再修正基本功的计算公式，进而计算出输入热量、指示功、指示效率。确定机械摩擦损失后，可计算出发动机的有效功率和有效效率。本文结合施密特循环理论和等温分析法，对斯特林发动机的功率、效率以及各种损失的计算、结构参数和运行条件对性能的影响等问题进行分析，通
37、过模拟发动机的性能特性，从而得到提高发动机性能的途径，为发动机的设计提供指导性意见。3.1 斯特林发动机实际循环性能分析计算3.1.1 数学模型的建立实用等温分析法，之所以强调实用两字，是因为它与别的计算方法比较，即简单又较精确，作为斯特林发动机功率和效率的初步估算是最合适的一种方法。此外，这种方法实用之所在，还在于它适用与各种传动机构，不必使用经验修正系数，而所谓的经验修正系数往往是有局限的，缺乏普遍指导意义。对热气机热力性能计算采用的是Martini实用等温分析法，且是基于下列条件进行的：热气机的结构型式是配气活塞式单缸发动机机：传动机构采用曲柄连杆式；加热器、冷却器采用管式；回热器用环形
38、结构；工质为空气；燃料为生物质。图3-1 曲轴运动示意图(1)对曲柄连杆式传动机构进行运动学分析，确定连杆之间的关系式，推导出各个活塞的位移方程，及膨胀腔容积、压缩腔容积随曲轴转角的变化公式。由图3-1可知：膨胀活塞的行程Sex为：Sex=LCR+RC-RCcos-LCRcos (3-1)压缩腔活塞行程SCX为：SCX=2RC-S ex=90 (3-2) 膨胀腔容积Vex： Vex =D cy 2 Sex (3-3)压缩腔容积Vcx：Vcx=(D cy 2-DDp)Scx(3-4)其中：Dcy气缸直径；DDp活塞杆直径。(2)根据加热器、冷却器和回热器的实际结构形式，建立计算其工作容积、冷热区
39、容积和工作腔总容积随曲轴转角的变化公式。热区容积VH为：VH=Vex+VHD (3-5)冷区容积VC为：VC=Vcx+VKD (3-6)循环系统总容积VT为：VT=VH+VC+VRD (3-7)其中：加热器组的通流容积；VKD冷却器组的通流容积；VRD回热器组的通流容积； (3)根据计算出的冷热腔容积、冷热区容积和工作腔总容积，考虑各区温度，推导出计算循环压力、循环功随曲轴转角的变化公式。a循环压力为：= (3-8)b工质的平均循环压力为：=()24 (3-9)其中：=0.8(-)/ln；c循环功求出了循环压力和循环容积后，即可用梯形法算初总循环功，即= (3-10)=（-） (3-11)其中
40、=1.045(单位换算系数)。、分别是点和点的压力，、点的总体积(冷腔体积，热腔体积和死容积的和)本文将一个循环360角度作24等分，每等分15曲柄转角，因而角度增量为15。单缸循环功率：=60 (3-12)其中：n发动机的转速；(4)根据热区檬冷区的压力、容积和温度，算出各区工质质量百分比随曲轴转角的变化值，推导出流过加热器、冷却器和回热器的质量流率。由参考文献1可得。(5)流阻损失计算流阻损失其实是一种摩擦损失，由于实际热力循环与理想斯特林循环的不同，工质通过加热器、冷却器和回热器时必然产生压力降，由此造成热腔与冷腔之间的压力差，压力下降的结果导致膨胀功减小、压缩功升高。根据工质通过的区域
41、，流阻损失可分为回热器流阻损失、加热器流阻损失和冷却器流阻损失。首先推导出三个换热器的压降，再推出其流阻损失功率计算式。(6)热损失热气机中的热损失情况比较复杂，主要的热损失包括热传导损失、回热器的补热损、活塞的穿梭损失、泵气损失等。除上述主要的热损失之外，还有其它方面的热量损失。由于热损失情况的复杂性，目前只能对主要的热损失进行近似计算，其它方面的热损失相对较小，可以不予考虑。具体计算公式见参考文献1。(7)热量计算基本输入热量：=(1-)； (3-13)需要的净热量：-2； (3-14)其中，；。(8)循环效率：/； (3-15)(9)有效效率和有效功率：=(3-16) (3-17)其中，
42、外燃系统效率；机械效率。3.2 斯特林发动机性能模拟及影响性能因素从等温分析法的功率计算可知，实际的输出功率为理论循环功率与各项流阻损失的差。影响理论循环功率的因素有平均工质压力、行程容积、温度比、行程容积比、死容积比、转速、工质的质量、热交换器的换热面积、热交换长度等。从等温分析法总效率的计算公式(3-17)可以看出，总效率为燃烧室效率、理论效率、循环效率和机械效率的乘积。人们对燃烧系统和机械摩擦方面的认识已比较充分，一般将外部燃烧系统的效率和工作机构的机械效率取为一估计值，而把研究的重点放在热力循环部分。由于Stirling循环的理论效率与热腔和冷腔的有效温度有关，而影响循环效率的主要因素
43、是流阻损失和热损失的大小。这两部分效率都与热气机的结构参数和运行体积有关。影响回热器补热损失的主要因素有回热器的温差、回热器芯的换热面积、回热器中的工质质量、回热器长度、丝网金属丝直径、单位面积流量等：影响活塞穿梭损失的主要因素有配气活塞行程、工质的导热率、冷腔直径、气隙长度、配气活塞长度、热腔温度、冷腔温度等：影响泵气损失的主要因素包括缸径、热帽长度、热腔温度、冷腔温度、工质的最大和最小压力、热帽间隙、等容比热等；而导热率又分别指气缸壁、活塞壁、回热器芯、回热器壁、工质的导热率，与材料类型或工质类型有关，温差主要是这些部件冷热两端的温度差，而导热面积则是这些部件的截面积，与部件的形状和结构尺
44、寸有关。在这里，本文主要研究热力特性(如温度、压力、转速)对斯特林发动机工作性能的影响。热区容积、冷区容积、总容积、循环平均压力均是曲柄转角的函数，其变化趋势是正弦曲线。3.2.1 膨胀腔、压缩腔示功图和总示功图图3-2膨胀腔的示功图图3-3压缩腔的示功图图3-4总示功图如图3-4可知，示功图的面积表示膨胀腔和压缩腔的膨胀功与压缩功，总工作腔面积表示发动机的指示功，它实际上完全等于膨胀腔和压缩腔的示功图面积之差。总工作腔的示功图面积应是发动机主要的判定标准，面积越大，发动机越好。3.2.2温度、压力、转速等因素对斯特林发动机性能影响1当温度一定时，功率、效率随压力的变化关系众所周知，平均循环压
45、力是活塞式发动机气缸做功能量的衡量标准。如图39所示，可以看出，在转速不变的情况下，工质的压力与发动机的输出功率成正比；并且热端温度越高，输出功率越高。因为在转速不变的情况下，发动机的周期换热功率损失、流动阻力损失功率和机械损失等与工质的压力成正比，因而功率曲线为一直线。发动机效率则随工质压力的增大而增大；热端温度越高，循环效率越大。这是因为发动机循环系统热损失与工质压力基本无关，在转速不变的情况下热损失率为一定值，而功率却随工质压力成比例增大，故循环热效率随工质压力得增大而增大。2当压力一定时，功率、效率随热端温度的变化关系提高加热器温度或降低冷却器温度都能使斯特林发动机的功率和效率提高。图
46、中很清晰地表明了实际发动机的功率和效率随热端温度的增大而增大，随冷却器(冷却水进口温度)温度的下降而增大的关系。并且可以得出，增加热端温度比降低冷端温度更具有明显的效果，但基于材料属性的限制，所以提高热端温度也受到一定的限制，因此，在考虑提高热端温度的同时，也可以考虑同时降低冷端的温度。3发动机转速与功率、效率的关系在理论上，当工质压力一定时，发动机循环功不变，而斯特林发动机的功率和效率与转速成正比，但在高转速区和低转速区稍有下降，在高转速区功率下降的主要原因时工质的流阻急剧增大之故，在低转速区下降的主要原因是工质相对泄漏率增大和机械效率下降所引起的。因而存在一个最佳转速值。4工质的变化与发动
47、机功率、效率的关系在相同运行条件下，氦气比空气有更高的输出功率。这是因为氦气具有良好的热物理特性，如高的换热率和较低的流动阻力损失等。在高压和高转速下运转的高比功率和高热效率的斯特林发动机必须使用氦气或氢气作工质，以期达到必需的传热传质率和低的流阻损失，但密封却是个严重的问题。这就需要增大成本。来解决密封问题。而对于空气作工质的发动机，工质易于从大气补给，密封不成问题，机器机构简单，便宜、可靠。3.3 结论总结本章内容，可以得到一下结论：1在等温分析法的基础上，建立了数学模型. 2对斯特林发动机性能进行探究，发动机性能随运行条件的变化具有如下特点：(1)随加热温度，介质压力的增大，输出功率和循环压力也相应提高；(2)一般来说，温度、压力和转速均较低时，随着运行条件的变化，输出功率变化的绝对值较大，而在温度、压力和转速均较高时，输出功率随运行条件变化的幅值较小。但是