检索结果-内蒙古大学图书馆

工程热物理学报 2020年第2期41卷 285-292页

作者：牟健林明嫱池春云洪国同中国科学院理化技术研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

自由活塞斯特林发动机活塞往复振动位移对研究发动机特性具有重要意义,然而该类发动机活塞位于高压封闭腔体内且结构较为紧凑,其活塞往复振动位移难于直接进行测量。加速度传感器具有尺寸小、安装方便和工作稳定等特点,提出了采用加速... 详细信息

自由活塞斯特林发动机活塞往复振动位移对研究发动机特性具有重要意义,然而该类发动机活塞位于高压封闭腔体内且结构较为紧凑,其活塞往复振动位移难于直接进行测量。加速度传感器具有尺寸小、安装方便和工作稳定等特点,提出了采用加速度传感器测量活塞位移的方法。根据加速度传感器测量位移的原理,建立了一套加速度传感器测量自由活塞斯特林发动机活塞位移的标定试验系统,以位移传感器为基准测试并分析了不同活塞振幅和不同振动频率下加速度传感器测量位移的误差大小。实验结果表明,在活塞振幅小于8 mm,振动频率大于20 Hz条件下,加速度传感器测量位移的误差小于5%。因此加速度传感器可以用于测量自由活塞斯特林发动机的活塞往复运动位移。最后成功把加速度传感器测量的自由活塞斯特林发动机活塞振动位移用于发动机循环指示功的实验研究。

关键词：自由活塞斯特林发动机加速度传感器活塞位移循环功

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自由活塞斯特林发动机运行频率

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振动．测试与诊断 2020年第5期40卷 859-864,1019页

作者：牟健林明嫱池春云洪国同陈厚磊中国科学院空间功热转换技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

自由活塞斯特林发动机运行频率是发动机的关键参数。区别于传统的曲柄连杆斯特林发动机,自由活塞斯特林发动机的运行频率由系统充气压力、动质量、弹簧刚度、阻力系数等热动力学参数耦合确定,因此确定自由活塞斯特林发动机的运行频率较... 详细信息

自由活塞斯特林发动机运行频率是发动机的关键参数。区别于传统的曲柄连杆斯特林发动机,自由活塞斯特林发动机的运行频率由系统充气压力、动质量、弹簧刚度、阻力系数等热动力学参数耦合确定,因此确定自由活塞斯特林发动机的运行频率较为复杂。为了能够定量计算自由活塞斯特林发动机的运行频率,笔者建立了耦合发动机热动力学参数的数值模型。首先,在模型中对压力波进行线性化处理,得到了自由活塞斯特林发动机运行频率的计算公式;然后,运用模型分析了主要参数对发动机运行频率的影响规律,并与实验结果相对比,发现模型计算结果较为准确;最后,分析了当板弹簧刚度大幅度增加时,发动机的运行频率却变化较小,主要原因在于原有板弹簧的最高自然频率较低。结果表明:优化设计了新的板弹簧,使发动机运行频率大幅度升高,在采用新的板弹簧之后发动机的运行频率从原来的35Hz提高到60Hz。

关键词：自由活塞斯特林发动机运行频率线性化动力学模型

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自由活塞斯特林发动机动力学特性研究

自由活塞斯特林发动机动力学特性研究

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作者：李薇中国科学院大学

学位级别：博士

自由活塞斯特林发动机是斯特林发动机的一种类型，它取消了传统斯特林发动机的曲轴连杆结构，具有结构简单、可靠性高、寿命长、效率高等优点。自由活塞斯特林发动机内有两个自由活塞，两个活塞除了各自固有的动力学特性之外，两者之间... 详细信息

自由活塞斯特林发动机是斯特林发动机的一种类型，它取消了传统斯特林发动机的曲轴连杆结构，具有结构简单、可靠性高、寿命长、效率高等优点。自由活塞斯特林发动机内有两个自由活塞，两个活塞除了各自固有的动力学特性之外，两者之间还存在复杂的动力学耦合关系，两活塞之间只依靠工作腔内的气体力联系在一起，无任何机械连接。如果简单地对发动机整机进行系统分析，只能得到整机的系统热力学和动力学参数，而忽略了各部件的动力学特性及其相互之间的影响规律，相关的特性信息会被丢失，很难深入研究发动机的内在动力学特性、耦合过程及其对启动运行的影响规律。为此，本文从运动部件着手，分别开展了配气活塞动力学、动力活塞动力学和两个活塞相互耦合的动力学理论分析与实验研究，具体从以下几方面展开:　　1.自由活塞斯特林发动机动力学特性实验装置的研制　　在实验室已有100W级发动机原理样机基础上，重新进行设计改进，增加能够单独开展配气活塞或动力活塞以及发动机整机动力学实验的功能，方便更换不同结构与大小的零部件。设计中首先利用比尔数的概念，初步确定了自由活塞斯特林发动机动力学特性实验装置的运行参数。然后，根据斯特林发动机常用的实用等温分析法和旋转矢量法，对前面初步确定的运行参数进行热力学与动力学方面的核算、优化，给出了最终的运行参数与结构参数。　　该部分还对实验装置的三大换热器，即加热器、回热器和冷却器进行了流阻损失和换热能力的计算，最终确定三大换热器的结构尺寸。根据材料力学、电磁学和电机学的知识，设计了适用于该装置的板弹簧和直线电机。　　2.自由活塞斯特林发动机动力学特性实验装置的测试系统　　在此基础上，对发动机动力学特性实验装置进行了结构设计、加工，组装、搭建了自由活塞斯特林发动机动力学特性实验装置的实验台。该实验台既可以对配气活塞和动力活塞进行单独的动力学实验，也可以将两活塞耦合，开展整机的动力学实验。　　针对自由活塞斯特林发动机动力活塞测量难题，提出应变片位移测量方法，对自由活塞斯特林发动机的活塞位移进行了动态与静态标定试验。试验结果表明，应变片位移测量的静态标定和动态标定虽然存在差别;静态测量的线性度好，动态测量的线性度较差;但当应变片粘贴在板弹簧的涡旋臂中间位置时，可用静态标定代替动态标定。　　3.配气活塞动力学特性研究　　首先，针对配气活塞动力学的物理模型，借鉴斯特林发动机的Schmidt模型，推导了配气活塞运动的气体压力表达式，并分析了热端温度、活塞行程对系统压比和压差的影响规律。其次，建立了配气活塞的动力学模型，得到动力学模型不再是标准的阻尼受迫振动，而需要在此基础上考虑气体力的作用，并首次提出气体惯性作用效应，结合气体弹簧力、气体阻尼力的概念，利用旋转矢量分析法，分析了压力波与位移在不同相位关系下的气体力作用情况。最后，根据所建立的配气活塞单独运动的动力学模型，开展了一系列配气活塞动力学实验，验证了配气活塞气体作用效应理论。通过实验进一步证明了，配气活塞动力学模型中质量、刚度、阻尼三项参数并不是传统意义的动力学参数，其中还应包含气体等效质量、气体弹簧刚度、气体等效阻尼。　　4.动力活塞动力学特性研究　　首先，针对动力活塞单独振动的物理模型，借鉴斯特林发动机的Schmidt模型，推导出压力表达式，并分析了热端温度、活塞行程等参数对系统压比和压差的影响。其次，建立了动力活塞的动力学模型，得到动力学模型不再是标准的阻尼受迫振动，而需要在此基础上考虑气体力的作用，利用旋转矢量分析法，得到了动力活塞的气体惯性力、气体弹簧力、气体阻尼力的作用结果。最后，同样开展了动力活塞的动力学试验研究，测量了活塞运动质量、刚度、阻尼和固有频率等系数，验证了动力活塞气体作用效应规律。　　5.两活塞耦合（即自由活塞斯特林发动机整机）的动力学特性研究　　首先，针对两活塞耦合振动的理论模型，借鉴斯特林发动机的Schmidt热力学理论，推导出两活塞耦合的气体压力表达式，并分析了热端温度、活塞行程等参数对系统压比和压差的影响。其次，建立了两活塞耦合的动力学模型，认为动力学模型不再是标准的阻尼受迫振动，而需要在此基础上考虑气体力的作用，并将气体惯性力、气体弹簧力、气体阻尼力应用于发动机整机动力学模型，利用旋转矢量分析法，分析了压力波与位移在不同相位关系下的气体力作用情况，得到了发动机正常启动与稳定运行的必要条件。最后，完成了两活塞耦合的整机动力学实验，成功实现了自由活塞斯特林发动机的启动，对发动机的运行结果进行了分析，得到的发动机启动的前提条件与理论分析结果完全一致。该发动机实验样机无负载启动运行参数为热源温度120℃，发动机充气压力0.5MPa，运行频率25Hz;在充气压力2MPa、热源温度350℃、输入热量300W时，输出电功14W。

关键词：自由活塞斯特林发动机动力学特性测试系统耦合作用

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自由活塞斯特林发动机配气活塞阻尼系数的试验研究

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低温工程 2015年第5期 39-44页

作者：李薇牟健洪国同中国科学院理化技术研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

为了研究自由活塞斯特林发动机配气活塞的摩擦学性能,在自由活塞斯特林发动机动力学模型的基础上,分析了动力学方程中阻尼项的组成。利用自由振动法,得到各阻尼项的阻尼率,进而得到配气活塞的阻尼系数。试验结果表明,实验系统中的阻尼... 详细信息

为了研究自由活塞斯特林发动机配气活塞的摩擦学性能,在自由活塞斯特林发动机动力学模型的基础上,分析了动力学方程中阻尼项的组成。利用自由振动法,得到各阻尼项的阻尼率,进而得到配气活塞的阻尼系数。试验结果表明,实验系统中的阻尼率均随活塞运动速度的增大而降低。配气活塞头与气缸壁之间和配气活塞杆与动力活塞内壁之间的摩擦阻尼率在0.01—0.02范围内;不同的充气压力下,配气活塞的阻尼率在0.04—0.07范围内;在不同的热源温度下,配气活塞的阻尼率在0.075—0.085范围内。

关键词：自由活塞斯特林发动机配气活塞阻尼系数自由振动法

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自由活塞斯特林发动机启动与运行特性研究及样机研制

自由活塞斯特林发动机启动与运行特性研究及样机研制

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作者：牟健中国科学院大学

学位级别：博士

自由活塞斯特林发动机是一种高效的外燃式热功转换机械，几乎可以利用现有的所有热源种类。其取消了传统斯特林发动机复杂的曲轴连杆机构，动力活塞和配气活塞相互之间没有机械结构的限制，运动相互独立，因此具有结构简单，热电效率高... 详细信息

自由活塞斯特林发动机是一种高效的外燃式热功转换机械，几乎可以利用现有的所有热源种类。其取消了传统斯特林发动机复杂的曲轴连杆机构，动力活塞和配气活塞相互之间没有机械结构的限制，运动相互独立，因此具有结构简单，热电效率高，噪声和振动小、自起动、可靠性高、寿命长等优点。自由活塞斯特林发动机有着十分广泛应用前景，主要包括空间深空探测器同位素电源、空间大型核电站、地面太阳能发电站、家用热电联产和国防应用等。世界各国都在进行大量的研究工作，少数国家也取得了一定的研究进展和初步工程化应用。但是目前依旧还有诸多科学问题没有研究清楚，并且由于国外的技术封锁和产品禁运，加上国内重视时间较晚，目前国内自由活塞斯特林发动机的研究还处于起步阶段，没有高性能、高可靠、长寿命的发动机产品，相关的技术难题没有得到解决，发动机的运行特性研究不够深入，内部工作机理不完全清楚，没有形成系统的理论来指导发动机样机设计。因此研究斯特林发动机具有重要的科研意义和实用价值。结合国外的研究现状和国内的实际情况本课题开展了自由活塞斯特林发动机启动和运行特性研究，具体的研究内容和研究成果主要包括以下几个方面。\n (1)自由活塞斯特林发动机的启动和稳定运行机理研究\n 分析了自由活塞斯特林发动机和传统曲柄连杆斯特林发动机的区别和联系。首次提出二者由于能量分配次数的不同导致二者的启动机理也不相同。然后基于能量守恒关系提出了自由活塞斯特林发动机启动的三个必要条件。运用能量传递关系和循环PV图对Alpha、Beta和Gamma型自由活塞斯特林发动机的启动特性进行了分析。最终得出结论Alpha型自由活塞斯特林发动机不同时满足三个启动条件，不可能启动;Beta和Gamma型自由活塞斯特林发动机在一定条件下满足三个启动条件下可以启动。最后提出了电反馈Alpha型自由活塞斯特林发动机，并在理论上证明了其可行性。\n (2)自由活塞斯特林发动机热力学特性研究\n 首先介绍了传统的等温模型和绝热模型的温度分布特点和计算方法，并分析了其和实际相差甚远的主要原因在于没有考虑各种热损失。因此分析了发动机的各种热损失，发现其热腔的热损失最大，并且热腔中的穿梭热损失又占了50％以上。结合等温模型和各种热损失建立了无量纲模型，并用无量纲模型分析了各个参数对发动机性能的影响。然后建立了基于能量守恒方程的热力学分析模型，用该模型和传统的模型进行了对比，发现其具更接近斯特林发动机实际的热力学过程。最后建立了回热器模型，并且用该模型分析了回热器对发动机启动特性、效率和输出功的影响。发现回热器的尺寸存在启动边界线，只有在边界以内发动机才能启动。\n (3)自由活塞斯特林发动机动力学特性研究\n 研究了自由活塞斯特林发动机的动力学特性。首先研究了其气体作用效应，通过分析得知，在理想条件下，不同的位移和压力波相位关系时，动力活塞和配气活塞的气体力的一部分用于克服阻尼对外做功，另一部分可能作为气体弹簧力或者气体惯性力。通过气体力的分析发现最优的相位角关系是，配气活塞位移领先动力活塞位移90°，压力波滞后动力活塞位移90°。在知道了理想条件下的最优相位关系后，建立了动力学模型。该模型对压力波进行了线性化处理，得到了位移相位角和发动机运行频率的计算表达式。\n (4)自由活塞斯特林发动机直线电机特性研究\n 建立了直线电机的模型，用该模型分析了不同条件下动圈式直线电机的输出能力，为线圈的设计改进提供理论指导。同时分析了直线电机的电磁阻尼，为动力学模型的计算提供了数据支持。由于线圈存在电感，导致负载电路处于非谐振状态，效率没有达到最高。因此本论文中采用了串联电容的方法使直线电机的负载电路达到了谐振状态。\n (5)自由活塞斯特林发动机样机及其实验系设计\n 经过理论计算，设计了自由活塞斯特林发动机的换热器、振动系统和直线电机等关键部件，接着对发动机进行了焊接组装，完成了百瓦级样机的研制。然后搭建了包括真空充气系统、负载激励系统和数据采集系统的实验台。最后对实验中用到的加速度传感器和压力传感器进行了实验标定。为后续的理论与实验研究工作打下了坚实的基础。\n (6)自由活塞斯特林发动机特性及整机实验研究\n 基于研制的自由活塞斯特林发动机对前面的启动机理、热力学特性、动力学特性和直线电机特性理论研究进行了实验验证和对比分析。然后对自由活塞斯特林发动机进行了整机的实验研究和优化。实验中首先研究了不同充气压力、加热功率、板弹簧刚度和配气活塞杆直径等重要参数对输出功和效率的影响，得到了每个参数的影响规律。然后对关键部件回热器进行了实验研究和优化，主要测试了回热器的长度、外径和填充丝网目数对输出功和效率的影响。经过大量实验优化最终发动机的输出功达到117W，热电效率为2

关键词：自由活塞斯特林发动机启动机理运行特性直线电机动力学特性

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自由活塞斯特林发动机的性能分析与优化

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低温与超导 2018年第12期46卷 1-5页

作者：陈曦崔浩上海理工大学能源与动力工程学院上海200093

设计了一台千瓦级自由活塞斯特林发动机,采用Sage软件模拟了自由活塞斯特林发动机的性能,当热源温度为930K时,该自由活塞斯特林发动机在吸热量为4064W时,输出PV功率可达1417W,热效率为34. 87%。对该发动机的回热器填料参数进行优化设计... 详细信息

设计了一台千瓦级自由活塞斯特林发动机,采用Sage软件模拟了自由活塞斯特林发动机的性能,当热源温度为930K时,该自由活塞斯特林发动机在吸热量为4064W时,输出PV功率可达1417W,热效率为34. 87%。对该发动机的回热器填料参数进行优化设计,在网片丝径为60μm、孔隙率为80%时,回热器的总损失最小。

关键词：自由活塞斯特林发动机模拟回热器

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自由活塞斯特林发动机热交换器的性能研究

自由活塞斯特林发动机热交换器的性能研究

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作者：亓宗磊南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着全球污染与能源枯竭两大问题的日益加剧,太阳能、风能、地热能等新兴可再生能源倍受人们的关注。斯特林发动机以其多种能源的广泛适用性和优良的热性能已越来越受到人们的重视。而热交换器作为斯特林发动机的关键部件,其性能直接影... 详细信息

随着全球污染与能源枯竭两大问题的日益加剧,太阳能、风能、地热能等新兴可再生能源倍受人们的关注。斯特林发动机以其多种能源的广泛适用性和优良的热性能已越来越受到人们的重视。而热交换器作为斯特林发动机的关键部件,其性能直接影响斯特林机的效率和功率比,因此对热交换器的研究具有重要的意义。因气体工质在自由活塞斯特林发动机加热器和冷却器内是往复流动的,因此,本文通过建立振荡流模型分析加热器和冷却器的流动和换热性能,为加热器和冷却器的理论研究以及设计优化提供参考。本文首先对小功率(300 W)自由活塞式斯特林发动机的尺寸和结构进行了初步的设计,对其功率进行了初步的估算和优化处理,获得了加热器和和冷却器的几何结构,并对其进行模型简化,利用GAMBIT软件进行物理建模,通过商业软件FLUENT进行数值求解。采用质量入口和压力出口边界条件,并添加UDF文件,实现加热器和冷却器内部工质的振荡流动,分析不同情况下的流动特性与换热特性。在加热器振荡流模型中,分别在热壁面上添加三角形环翅片、矩形环翅片和弧形环翅片以及使用泡沫金属多孔介质强化换热,分析了一个振荡周期内温度场以及流场的变化。研究结果发现:振荡流动下管道长度的选取要综合考虑流阻损失和换热量。翅片结构中三角形环翅片具有最优的强化换热效果,其次是弧形环翅片,矩形环翅片的强化效果最差;翅片高度越大,流场扰动越剧烈,换热量越大,但同时流动阻力损失也增大,综合考虑换热量以及Performance Evaluation Criteria(PEC)值,在宽度5 mm的通道内最优翅片高度为0.2-0.3 mm。使用泡沫金属多孔介质具有最优的强化换热效果,其PEC值明显大于翅片结构的,孔隙率增大,换热系数减小,压降也同时减小,在0.9左右时具有最大的PEC值。在冷却器振荡流模型中,分别使用三角形环翅片、矩形环翅片、弧形环翅片以及热管冷却的方式来达到强化冷却的目的,通过数值模拟得到了一个振荡周期内速度场以及温度场的变化。研究结果发现:振荡流动时,热流密度和热流量都随时间呈周期性的变化,热管冷却方式具有最好的换热效率E。热管叉排时的冷却效果优于顺排时的冷却效果,当迎风间距s为2 mm时,冷却效果最优,顺排间距l1的选取要综合考虑换热量、压降以及换热效率等因素。

关键词：自由活塞斯特林发动机加热器冷却器数值模拟 PEC

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自由活塞斯特林发动机启动与运行特性的理论分析及样机设计

自由活塞斯特林发动机启动与运行特性的理论分析及样机设计

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作者：李瑞杰中国科学院大学

学位级别：硕士

随着世界范围内的传统化石能源的日益枯竭、化石能源价格的日益高涨，以及各政府、民众、非政府组织对于全球变暖、大气污染的日益担忧;自由活塞斯特林发动机显示出良好的应用前景。自由活塞斯特林发动机具有效率高，可靠性强，低污染... 详细信息

随着世界范围内的传统化石能源的日益枯竭、化石能源价格的日益高涨，以及各政府、民众、非政府组织对于全球变暖、大气污染的日益担忧;自由活塞斯特林发动机显示出良好的应用前景。自由活塞斯特林发动机具有效率高，可靠性强，低污染、甚至无污染，容易维修，成本小，长寿命，可以利用多种热源的优点。显示出它在太阳能发电、余热利用、偏远地区发电以及空间应用的巨大价值。本文针对自由活塞斯特林发动机的启动与运行特性进行了理论分析和模拟计算，找出了各参数间的相互影响规律，在此基础上设计了一台百瓦级的alpha型自由活塞斯特林发动机样机，并搭建了实验台。主要研究工作及结果如下:\n (1)经过大量的文献调研，分析了国内外在自由活塞斯特林发动机领域的动态，确定了本文的研究内容。\n (2)提出了针对斯特林发动机的无量纲轴功的方法来比较发动机输出的好坏，并结合Senft的机械效率的概念对发动机的输出进行无量纲化。得出了热腔和加热器内死容积率、冷腔和冷却内死容积率、回热器内死容积率对无量纲轴功和机械效率的影响规律，并比较了他们影响的不同。同时得到了冷热腔容积比、活塞相位差、冷热腔温度比等对无量纲轴功和效率的影响规律，进而得到他们分别对应于最大无量纲轴功和机械效率的最优值。分析了最优值参数间的相互依赖规律，得到当冷热腔容积比、温度比、活塞相位差中一个参数变化时另外参数的最优值变化规律。同样在自己的最优条件下，beta型斯特林发动机有比alpha型更大的无量纲轴功和机械效率。\n (3)考虑工质与热源之间的热阻、回热器中的回热损失和热源之间的漏热等不可逆因素，建立了斯特林发动机有限时间热力学模型，在最大功率优化和最大效率两种准则下对模型进行了性能参数优化，推导出了功率、效率和熵产率在不同优化准则下的具体表达式。讨论了热漏系数、回热器有效性、回热器热导、低温换热器热导、高温换热器热导、压缩比、低温热源温度和高温热源温度在两种优化准则下对斯特林发动机功率、效率和熵产率的影响。\n (4)将矢量分析法引用到自由活塞斯特林发动机中，定性分析了自由活塞斯特林发动机的启动机理，对自由活塞斯特林发动机进行了动力学分析，建立了活塞运行的数学模型。在此模型基础上，采用数值方法求解分析，得到了活塞-板弹簧系统的匹配对发动机启动以及运行后状态的影响和配气活塞、动力活塞初始位置对机器稳定运行后的状态的影响规律也得到了kd/md不变时能使机器启动的kp/mp的变化范围以及kp/mp不变时能使机器启动的kd/md的变化范围。为指导自由活塞斯特林发动机的设计提供了依据。\n (5)描述了一台alpha型自由活塞斯特林发动机试验样机的设计思路。样机采用双驱动方式，冷热活塞都可以通过各自的电磁场力驱动而单独或同时运动。该样机包括加热器、冷却器、回热器、板弹簧和直线电机等主要部件。\n (6)对设计好的原理样机的换热器——加热器和冷却器进行了模拟。结果显示，设计好的加热器和冷却器一方面能满足机器的换热要求，使得气流从冷腔运动到热腔时能够被有效的加热，从热腔运动到冷腔时也能够被有效的冷却;另一方面，气流在经过加热器和冷却器时的压力损失比较小，在可以接受的范围;而且设计好的加热器和水冷的流动容积，即死容积比较小，有利于机器的启动和更好的运行。\n 分析了热腔温度和充气压力对启动的影响。结果显示，热腔温度越高从扰动开始过渡到机器稳定运行所花的时间越短;而当热腔温度过低的时候会出现机器不能启动的情况。对于热腔温度足够机器启动的情况，热腔温度越高，机器稳定运行时配气活塞和动力活塞的振幅越大。当充气压力越来越高时，稳定运行后机器的配气活塞和动力活塞的振幅却越来越小。\n (7)搭建了试验台，包括位移传感器、压力传感器、信号发生器、信号放大器等，并设计好了相关实验。

关键词：自由活塞斯特林发动机启动机理运行工况回热器动力学分析样机设计

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自由活塞斯特林发动机辐射冷却器的性能研究

自由活塞斯特林发动机辐射冷却器的性能研究

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作者：唐硕捷南京航空航天大学

学位级别：硕士

近年来随着新一轮空间探索热潮的兴起,空间探索任务要求执行的周期越来越长,这就使得执行空间探索任务的航天器对能源的需求越来越高。自由活塞斯特林发动机是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机,具有长寿命、高可靠性、高效率和高比... 详细信息

近年来随着新一轮空间探索热潮的兴起,空间探索任务要求执行的周期越来越长,这就使得执行空间探索任务的航天器对能源的需求越来越高。自由活塞斯特林发动机是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机,具有长寿命、高可靠性、高效率和高比功率等优点,特别适合于空间探索任务的需要。因此,对空间热发电应用的自由活塞斯特林发动机的研究具有十分重要的意义。本文首先对有效功率为200 W的自由活塞斯特林发动机进行初步设计,确定自由活塞斯特林发动机换热系统的基本参数。以自由活塞斯特林发动机的初步设计方法为基础,结合理想绝热模型与Simple分析法,完成了基于Matlab平台的自由活塞斯特林发动机参数设计可视化软件的开发。利用该软件对自由活塞斯特林发动机的主要参数进行了优化及分析,通过多目标优化设计方法得到其全局最优设计参数。为了减小数值计算中模型的网格量和缩短计算周期,设计了有效功率为15 W的斯特林发动机,其设计参数作为研究热管式辐射冷却器的依据。其次,建立了自由活塞斯特林发动机热管式辐射冷却器的物理模型。通过FLUENT软件的动网格技术模拟了自由活塞斯特林发动机内工质气体的振荡流动,分析辐射冷却器的动态换热特性及流动阻力特性。研究发现热管蒸发段总换热量周期性变化的相位总是略微滞后于平均速度的相位和略微超前于平均温度的相位;辐射冷却器热管在某一迎风间距与顺风间距下蒸发段的综合换热性能最好时,发动机的综合效率也最高;适当减小热管的迎风间距与顺风间距,有利于平衡每对热管蒸发段的换热能力,使蒸发段换热量均匀分布;热管对数越多,靠近冷却器出口处的热管蒸发段换热能力越差。最后,研究了表面发射率、辐射板厚度及材料对辐射冷却器辐射散热效率的影响。结果显示,单位面积的辐射散热量Qout/A随表面发射率的增加基本呈线性增加;而单位辐射散热量所需质量M/Qout与表面发射率呈反比。以固定散热量为约束条件,优化分析了辐射表面的温度分布及散热效率:当总散热量一定时,在优先考虑M/Qout最小的前提下,不同的辐射板厚度都有对应的最优辐射表面长宽比;相比钛合金与纯铝作为辐射板材料,镁合金材料辐射板的M/Qout是钛合金材料的一半,同时也小于纯铝材料。因此,辐射板采用镁合金材料最为合适。

关键词：自由活塞斯特林发动机辐射冷却器热管数值模拟换热性能

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自由活塞斯特林发动机及其排出器平衡装置

自由活塞斯特林发动机及其排出器平衡装置

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作者：陈远航陈燕燕余国瑶罗靖孙岩雷罗二仓 100190 北京市海淀区中关村东路29号

本发明涉及斯特林发动机技术领域，尤其涉及一种自由活塞斯特林发动机及其排出器平衡装置。本发明提供的自由活塞斯特林发动机的排出器平衡装置，设置于自由活塞斯特林发动机的气体弹簧组件上，包括：动磁组件，设置于弹簧活塞上；定磁... 详细信息

标准号: CN117329018A

本发明涉及斯特林发动机技术领域，尤其涉及一种自由活塞斯特林发动机及其排出器平衡装置。本发明提供的自由活塞斯特林发动机的排出器平衡装置，设置于自由活塞斯特林发动机的气体弹簧组件上，包括：动磁组件，设置于弹簧活塞上；定磁组件，设置于弹簧活塞气缸上；其中，动磁组件和定磁组件相互作用，适于形成作用于弹簧活塞的垂向作用力，垂向作用力与排出器的重力方向相同；且，弹簧活塞沿轴向偏离初始位置时，动磁组件和定磁组件相互作用，适于形成作用于弹簧活塞的轴向作用力，在轴向作用力下，弹簧活塞具有向初始位置运动的趋势。如此设置，能够避免排出器往复运动过程中排出器倾斜的问题，进而避免了排出器与气缸之间发生摩擦磨损的问题。

关键词：弹簧活塞排出器自由活塞斯特林发动机定磁组件动磁轴向作用力平衡装置垂向气缸初始位置运动气体弹簧组件斯特林发动机摩擦磨损重力方向轴向偏离

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