双作用式斯特林发动机系统的设计与优化

论文摘要

碟式太阳能斯特林热发电技术是未来最经济、最具发展潜力的太阳能热发电技术。斯特林发动机作为碟式发电系统的关键部件，它的研究和发展已经越来越受到人们的关注和重视。本文对一台25KW级双作用式斯特林发动机进行了设计。首先确定了循环压力、发动机频率、行程、缸径、热交换系统无益容积等参数，进而对发动机换热系统、气缸、活塞等零部件进行了结构和尺寸设计。并利用等温分析法对斯特林发动机性能进行了验证，分析了斯特林发动机工作过程中存在的各种热量损失和阻力损失。利用商业流体软件FLUENT的动网格技术对斯特林机的膨胀腔活塞和压缩腔活塞进行模拟，实现回热器内部流场的交变流动。获得了不同长径比、不同孔隙率条件下，回热器有效性与压降的变化，拟合了压降与长径比之间的关系。结果显示，孔隙率增加到0.76左右时，有效性开始迅速下降。利用ASPEN HTFS+的Design模块对冷却器进行了结构尺寸的设计优化。得到了不同管数、管径、管间距条件下冷却器的流动性能参数，分析了流体在微小型冷却器中的流动特点。依据加工工艺复杂程度、冷却器性能、经济性择优选取了冷却器的形式。最后，采用传统热力学分析方法对软件设计结果进行了验证，两种方法计算结果基本吻合。证明将ASPEN HTFS+这种通常用来设计化工生产中的大中型换热器的软件用于斯特林发动机冷却器的热力设计是可行的。设计了斯特林机活塞的无油润滑密封结构，建立了活塞的二维轴对称模型，通过计算获得了活塞的温度分布，为设计活塞环、导向环的轴向宽度、径向宽度、自由间隙、侧向间隙、背向间隙等结构尺寸和配合尺寸参数提供了参考依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 斯特林发动机关键技术
• 1.2.1 加热器
• 1.2.2 回热器
• 1.2.3 冷却器
• 1.2.4 活塞和密封
• 1.3 国内外研究状况
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 国外研究
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 斯特林发动机的设计与计算
• 2.1 斯特林发动机的初步设计
• 2.2 无益容积的选定
• 2.3 加热器的设计计算
• 2.3.1 加热器基本尺寸设计
• 2.3.2 加热管有效换热长度
• 2.3.3 加热管与集气管的布置和焊接
• 2.4 冷却器的设计
• 2.5 回热器的设计
• 2.5.1 回热器长径比与孔隙率
• 2.5.2 回热器基体与壳体
• 2.6 气缸与活塞
• 2.6.1 气缸壁厚度
• 2.6.2 活塞设计及活塞与气缸间的配合间隙
• 2.7 斯特林发动机的总装配
• 2.8 斯特林发动机功率与效率的校核计算
• 2.8.1 有效功率计算
• 2.8.2 回热器流阻损失功率
• 2.8.3 加热器和冷却器流阻损失功率
• 2.8.4 指示功率
• 2.8.5 活塞的穿梭传热损失
• 2.8.6 活塞的泵气损失
• 2.8.7 活塞壁的导热损失
• 2.8.8 气缸壁导热损失
• 2.8.9 回热器壳体导热损失
• 2.8.10 回热器的补热损失
• 2.8.11 回热器基体的导热损失
• 2.8.12 基体温度不均匀损失
• 2.8.13 总热损失
• 2.8.14 示功循环效率
• 2.8.15 有效效率和有效功率
• 2.9 本章小结
• 第三章 冷却器与回热器的优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 冷却器设计优化步骤
• 3.2.1 设计要求
• 3.2.2 输入参数
• 3.3 ASPEN HTFS+计算结果与比较优化
• 3.3.1 不同结构尺寸设计结果的比较
• 3.3.2 冷却器结构尺寸的选择
• 3.4 冷却器的校核
• 3.5 回热器交变流动计算模型与计算方法
• 3.5.1 斯特林机发动机计算模型
• 3.5.2 斯特林发动机运行环境
• 3.5.3 活塞速度模型处理
• 3.5.4 回热器计算模型与数值方法
• 3.5.5 工质物性
• 3.5.6 初始条件
• 3.6 计算结果与分析
• 3.6.1 回热器内温度场变化规律
• 3.6.2 孔隙率对回热器压降和有效性的影响
• 3.6.3 长径比对回热器压降和有效性的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 活塞与气缸的无油润滑密封设计
• 4.1 双作用式无油润滑活塞密封结构
• 4.2 密封材料的选取
• 4.3 活塞环的设计
• 4.3.1 活塞环 pv 值
• 4.3.2 磨损与使用寿命
• 4.3.3 活塞环结构组成形式
• 4.4 导向环设计
• 4.4.1 轴向高度的设计
• 4.4.2 径向厚度
• 4.4.3 径向间隙
• 4.4.4 轴向间隙
• 4.4.5 开口热间隙
• 4.4.6 开口角度与卸载槽角度
• 4.5 活塞及活塞环温度分布
• 4.5.1 活塞边界条件
• 4.5.2 活塞及活塞环温度分布
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录