斯特林发动机毕业论文的设计

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斯特林发动机，又称外燃式发动机。它依靠封闭在气缸内的气体热胀冷缩产生的力工作。与传统的蒸汽机和内燃机相比，它没有复杂的配气系统，能使用各种能源。它的工作介质(一般情况下用空气即可)在封闭的气缸内往复流动，既不象蒸汽机那样需要高压水蒸汽和消耗水，也不象内燃机那样爆炸燃烧，因此制作容易，成本低廉，安全环保，作为热机教学内容的知识拓展和辅助教具是很合适的，职业学校的机械班学生自己制作实验，也是很好的项目。

图1 实物图

制成的简易斯特林发动机实物图如图1。工作原理请参看图2和图3：发动机在受到热源加热时，封闭在热置换气缸和动力气缸内的空气，受热膨胀推动动力活塞上升，动力活塞运动时带动曲轴旋转，曲轴带动热置换活塞向上运动，空气穿过热置换活塞流向热置换气缸的热端，继续膨胀推动动力活塞上升;动力活塞上升到上止点时被飞轮的惯性带动通过上止点，此时在冷端经过冷却的热置换活塞已开始向下运动，空气流经低温的热置换活塞到达冷端受冷收缩，拉动力动力活塞下降。热置换活塞和动力活塞相互配合，使发动机持续运转下去。

图2 斯特林发动机剖面图

①热置换气缸 ②热置换活塞 ③动力气缸 ④动力活塞⑤支架 ⑥曲轴 ⑦飞轮

图3 斯特林发动机工作过程

材料和工具：

铁质八宝粥易拉罐3个。自行车辐条3根，要求辐条帽能在辐条杆上自由滑动。空牙膏管一个。废旧的光盘3张。气球一个。有韧性的泡沫塑料一块(如拖鞋底)。大头针一个，直径2毫米铁丝20厘米。透明胶布。废圆珠笔管。

使用的工具为钳子，剪刀，电烙铁和焊锡(没有电烙铁也可以使用二合一强力胶)，锥子或钻，直尺，圆规。

制作方法：

本设计使用的是八宝粥罐易拉罐，因为它的开口是一个大圆形，而饮料易拉罐的开口较小，需要扩口。文中所给尺寸没有严格要求，并尽量说明设计原理，以便读者可以用其它容器自行设计制作。

一、加工支架易拉罐

取一个易拉罐，在距罐口2厘米处左右对称地钻两个孔，孔的直径略大于自行车辐条的直径。这两个孔是曲轴主轴(参见图1图2图5)运转孔。

在此易拉罐的底部正中钻一个孔，插入自行车辐条帽。为了保证辐条帽的螺孔和易拉罐的轴心同心，在易拉罐塑料盖的中心钻一个小孔，盖在罐口。用一根辐条穿过辐条帽，再从塑料盖的小孔伸出，用电烙铁将辐条帽和罐底焊在一起。见图4。此孔是热置换活塞杆滑道。

图4 支架易拉罐底部图

二、制作热置换气缸和动力气缸

1.制作热置换气缸。

在一个易拉罐壁距罐口4厘米处钻一个直径4毫米左右的孔。此孔最好从罐内向罐外钻，钻好后毛刺朝处，不必处理。

2.制作动力气缸。

取半个易拉罐作为动力气缸。在距罐底1.5厘米的罐壁上钻一个直径4毫米左右的孔，用于连接热置换气缸。

3.连接热置换气缸和动力气缸。

用铁皮卷一个直径1厘米、长2厘米的圆筒，把接缝焊牢。把热置换气缸、圆筒和动力气缸焊接在一起。这样两气缸通过壁上的孔和圆筒，形成了一个空气流通的通道。热置换气缸和动力气缸之间的连接筒做得较粗，是为了增加强度。

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斯特林发动机，又称热气机，是一种外燃（或外部加热）封闭循环活塞式发动机，即依靠外部热源对密封在机器中的气体工质加热，使其不断热胀冷缩，进行闭式循环，推动活塞做功。斯特林发动机具有不受热源形式限制、运行噪声低、热效率高等突出优点。太阳能斯特林发动机应用于碟式太阳能热电系统中，由太阳能斯特林发动机和太阳能聚光器相互配合，以太阳能为热源，通过一系列的热电转换装置把光能转换为电能。在石化能源短缺与环境污染问题日益严重的今天，太阳能斯特林发动机的研发和应用具有重大意义。太阳能斯特林发动机研发的关键技术主要包括：分析方法、接收器的设计等。 1分析方法根据马提尼[1]的命名规则，斯特林循环的分析法可以分为零级分析法、一级分析法、二级分析法、三级分析法和四级分析法5类。 1.1零级分析法零级分析法并没有对斯特林循环进行分析，而是根据斯特林发动机的实验结果引入经验因子，归纳出斯特林发动机实际功率与效率的经验关系式。该方法简单实用，一般可用于定性分析，不适合做斯特林发动机的优化设计。 1.2一级分析法一级分析法是考虑了斯特林循环的最基本分析方法，该方法主要假设热腔和冷腔工质的循环温度恒定，因此又称为等温分析法。由于一级分析法的等温假设过于理想，不符合实际情况，因而分析结果存在较大的理论误差，一般也只用于定性分析。 1.3二级分析法二级分析法假设热腔和冷腔内的工质温度在循环的过程中是变化的。因此基于二级分析法所建的数学模型一般为常微分方程组，结合理想气体状态方程以及边界条件可进行数值求解。最常用的二级分析法是绝热分析法。相对一级分析法而言，二级分析法更接近实际，具有更为重要的应用价值[3]。 1.4三级分析法三级分析法又称为节点分析法，对工质作一维流动假设，在每个节点处对工质的传热和气体动力学过程用质量、动量和能量守恒的偏微分方程进行描述。三级分析法解决了一级分析法和二级分析法的空间误差问题，得到了广泛的应用和发展。 1.5四级分析法四级分析法又称为多维CFD分析法，是在三级分析法的基础上将维数增加到二维甚至是三维，其计算过程极其复杂，往往需求于商业化的CFD软件。多维CFD分析法已成功应用于内燃机和燃气轮机的设计，但在斯特林发动机上的应用还很不完善。四级分析法的精度比较高，作为研发的重点，随着各种辅助工具的不断改善，四级分析法终将成为斯特林循环的主要分析法。 2接收器设计接收器是太阳能斯特林发动机特有的核心部件，它包括直接照射式和间接受热式。前者是将太阳光聚集后直接照在斯特林发动机的换热管上；后者则通过某种中间媒介将太阳能传递到斯特林发动机。 2.1直接照射式太阳光直接照射到换热管上是太阳能斯特林发动机最早使用的太阳能接收方式。图1中的直接照射式接收器是将斯特林发动机的换热管簇弯制组合成盘状，聚集后的太阳光直接照射到这个盘的表面（即每根换热管的表面），换热管内工作介质高速流过，吸收了太阳辐射的能量，达到较高的温度和压力，从而推动斯特林发动机运转。由于太阳辐射强度具有明显的不稳定性，以及聚光镜本身可能存在一定的加工精度问题，导致换热管上的热流密度呈现明显的不稳定与不均匀现象，从而使多缸斯特林发动机中各气缸温度和热量供给的平衡难以解决。 2.2间接受热式间接受热式接收器是根据液态金属相变换热性能机理，利用液态金属的蒸发和冷凝将热量传递至斯特林发动机的接收器。间接受热式接收器具有较好的等温性，从而延长了斯特林发动机加热头的寿命，同时提高了发动机的效率。在对接收器进行设计时，可以对每个换热面进行单独的优化。间接受热式接收器包括池沸腾接收器、热管式接收器以及混合式热管接收器等。 2.2.1池沸腾接收器池沸腾接收器通过聚集到吸热面上的太阳能加热液态金属池，产生的蒸汽冷凝于斯特林发动机的换热管上，从而将热量传递给换热管内的工作介质，冷凝液由于重力作用又回流至液态金属池，即完成一个热质循环。池沸腾接收器结构简单，加工成本较低，适应性强，适合于在较大的倾角范围内运行，金属蒸汽直接冷凝于热机换热管，效率较高，但要求工质的充装量较大，一旦发生泄漏将非常危险。 2.2.2热管接收器热管接收器采用毛细吸液芯结构将液态金属均布在加热表面。图2为由美国Thermalcore公司设计制造的热管接收器，受热面一般被加工成拱顶形，上面布置有吸液芯，这样可以使液态金属均匀的分布于换热表面。吸液芯结构可有多种形式，如不锈钢丝网、金属毡等。分布于吸液芯内的液态金属吸收太阳能量之后产生蒸汽，蒸汽通过斯特林发动机机换热管将热量传递给管内的工作介质，蒸汽冷凝后的冷凝液由于重力作用又回流至换热管表面。由于液态金属始终处于饱和态，使得接收器内的温度始终保持一致，从而使热应力达到最小。 2.2.3混合式热管接收器太阳能热发电系统若要连续而稳定的发电，必须考虑阳光不足时或夜间运行的能量补充问题，其解决方案有蓄热和燃烧2种。在碟式太阳能热发电系统中多采用燃料燃烧的方式来补充能量，即在原有的接收器上添加燃烧系统。混合式热管接收器就是由热管接收器改造而成的以气体燃料作为能量补充的接收器。DLR开发出了第二代混合式热管接收器（图3），该接收器设计功率为45kW，设计工作温度为700～850℃。混合式热管接收器的开发有利于提高碟式太阳能热发电系统的适应性，实现连续供电，但是由于加入了燃烧系统，使得结构变得非常复杂，加工制造难度大大增加，同时成本大幅提高也是一个不容忽视的问题。 3结论对太阳能斯特林发动机的关键技术进行归纳总结，得出如下结论：（1）分析方法主要是对实际的斯特林循环进行模拟仿真，目前国际上应用较多的是二级分析法和三级分析法（节点分析法），基于这两种分析法建立的模型虽然考虑到了斯特林发动机各部分状态参数的变化，但与实际工作过程还有很大差别。因此精度比较高、建立了更接近实际的CFD模型的四级分析法，将成为斯特林循环的主要分析法。（2）直接照射式接收器结构简单，加工容易，且成本低廉，但换热管内工作流体温度难以均衡，会使热机运行效率和稳定性明显下降；池沸腾接收器由于换热管与金属蒸汽直接换热，温度均匀性好，运行效率高，但是对传热机理研究相对缺乏，许多传热问题还未真正的解决；热管接收器虽然在加工上增加了一定的难度，但是可将液态金属充装量降低到很小，同时由于对高温热管的研究资料较为丰富，给设计也带来了很大方便，运行可靠性较高；混合式热管接收器可以满足系统连续运行的需求，但由于结构复杂，成本较高，无论是设计制造还是实际运行中都还存在许多问题亟待研究。随着研究开发的不断深入，热管式接收器以及混合式热管接收器将成为未来解决碟式太阳能热发电热能接收的主要方案。