100W自由活塞斯特林发动机理论分析和实验测试

B yN in gC h e n gA D isse r ta tio n S u b m itte dtoG r a d u a t eU n iv e r sityo fC h in e seA c a d e m yo fS c ie n c e sInp a r tia lf u lf illm en t o fth er e q u ir e m e n tF o rth ed e g r e eo fM a stero fE n g in e e r in gT e c h n ic a l In stitu teo fP h y sic sa n dCh e m istr y ，C h in e seA c a d e m yo fS c ie n c e sM a y2 0 12 致谢致谢回首在中国科学院理化技术研究所攻读硕士的时光， 有学习带来的辛勤和充实、 与所里同学共同生活的爽朗和快乐， 而感受最深的是来自实验室老师们对我的谆谆教诲， 让我受益匪浅。本文是在我的导师洪国同研究员的悉心指导下完成的， 在整个学习期间， 洪老师以其严谨的科研态度、 一丝不苟的工作作风以及高屋建瓴的学术思想对我进行了精心的培养和指导。 同时， 洪老师在为人处事、 生活态度等方面对我进行了深切的教导， 这些都让我受益终生。 在整个学习期间， 洪老师为人师表， 不仅对我的课题进行悉心的指导， 更是从科研态度、 科研习惯、 科研作风等方面对我进行深切的教导。 这些体现出洪老师作为导师科研、 教学和育人的优秀品质。 在整个学习期间， 我所取得的每一点进步都包含着洪老师的智慧和汗水， 在此谨向洪老师表示深深的敬意和衷心的谢意。感谢梁惊涛研究员、 蔡京辉研究员、 杨鲁伟研究员以及田长青研究员在学习上给我的指导和帮助。 梁老师渊博的学术知识、 深厚的理论素养给了我很火影响并使我受到很大启发。 蔡老师丰富的工作经验、 平易近人， 在实验方面给了我很多的帮助和指导。 杨老师和田老师严谨的治学态度和深厚的科研功底在我的开题报告和中期考核时给了我很多指导和帮助。感谢闫涛老师、 陈厚磊老师、 赵密广老师、 罗宝军老师、 李建国老师、 赵冠丹老师、 李亚丽老师对我实验的指导和帮助; 感谢刘彦杰博士、 苟玉强博士、 王娟博士对我实验的关心和帮助; 感谢包日品老师、 费卿生老师对我实验台搭建的帮助; 感谢加工车间的张玉、 翟贵、 孟凡良、 胡海宝、 李涛、 王永召、 王浩等师傅对我实验加工和装配方面的帮助; 感谢贾红书、 赵雅楠、 吕君、 杨俊玲、 庞卫科、 徐圣亚、 尹传林、 徐娜娜、 戴群特、 李薇、 张斌、 周振君、 秦宁、 王传奇、王兆利、 张洋洋、 全加、 唐清君、 林文野、 张冲等师兄弟姐妹的帮助和鼓励以及我们美好的4 3l实验室时光; 感谢我的同窗好友、 李培培、 狄德瑞、 徐国栋等，我们相互支持和勉励， 走过人生这一段。特别感谢我的家人。 感谢我的父母对我的养育和教导， 感谢我的妹妹对我的关心和支持。感谢我的亲朋好友， 感谢所有帮助我的人! 原书空白页不缺内容 摘要摘要自由活塞斯特林发动机是斯特林发动机的一种结构形式， 它取消了传统的斯特林发动机的曲轴连杆结构， 具有结构简单、 高可靠性、 长寿命、 效率高、 可利用多种能源等优点。 随着当前能源紧缺、 环境污染严重等问题日益严重， 自由活塞斯特林发动机具有很大的研究意义和应用价值。 本文围绕一台IO O W 自由活塞斯特林发动机驱动一直线电机进行了理论分析和实验测试， 具体从以下几方面展开:1. 运用多种热力循环分析方法针对IO O W 自由活塞斯特林发动机进行了分析和计算。针对lO O W 自由活塞斯特林发动机进行了等温循环分析和绝热循环分析， 并根据等温循环与绝热循环提出了用于表达多变循环的混合循环分析法， 在此基础上做了分析和计算。 对三种循环分析方法做了对比， 发现用绝热循环分析法计算得到的循环功最大， 等温循环分析法得到的循环功最小， 混合循环分析法得到的循环功介于二者之间。 运用等温循环分析法得到的膨胀腔和压缩腔内工质温度保持不变， 绝热循环和混合循环分析法膨胀腔和压缩腔内工质温度在一定范围内连续变化， 而用混合循环法得到的膨胀腔和压缩腔内工质温度变化范围小于绝热循环得到的膨胀腔和压缩腔内工质温度变化范围。2. 针对IO O W 自由活塞斯特林发动机进行了动力学建模和计算。将自由活塞斯特林发动机动力学模型简化为两自由度机械振动系统， 运用振动系统的旋转矢量法对该模型进行了分析和计算， 得出了该自由活塞斯特林发动机在设定的结构参数和运行参数下的矢量图解， 发现在设定的结构参数和运行参数下， 发动机不能稳定运行， 原因在于配气活塞受到的弹簧力过小以及配气活塞受到的来自工作腔气体推动力较小， 并针对该问题对配气活塞弹簧刚度和配气活塞杆的杆直径进行了修改， 得到了IO O W 自由活塞斯特林发动机在设定的运行参数下的稳定运行的矢量图解。3. IO O W 自由活塞斯特林发动机实验台搭建和性能测试实验针对IO O W 自由活塞斯特林发动机进行了实验台的搭建和性能测试实验， 并对该自由活塞斯特林发动机动力活塞和配气活塞的谐振频率及二者之间的动态响应做了测试和分析， 发现动力活塞和配气活塞谐振频率存在较大差异， 并分析该自由活塞斯特林发动机未稳定运用的原因， 为自由活塞斯特林发动机的修改及优化以达到稳定运行的目的提供了依据。4 . 10 0 W 自由活塞斯特林发动机换热器的改进和优化对10 0 W 自由活塞斯特林发动机的加热器、 回热器、 冷却器分别进行了修改III IO O W 自由活塞斯特林发动机理论分析和实验测试和优化。 针对该自由活塞斯特林发动机热力学基本设计参数得出加热器所需的热容量、 冷却器所需的热容量; 同时， 根据该自由活塞斯特林发动机热力学基本设计参数， 对回热器进行了优化， 得到了最佳回热器的长度。5. 深入研究自由活塞斯特林发动机间隙密封泄漏特性建立自由活塞斯特林发动机双边运动一维层流模型， 结合等温分析法对不同间隙尺寸进行了泄漏率和单循环泄漏量的计算; 建立更接近实际的带有进出口的二维间隙流动模型， 运用f lu en t进行了数值仿真计算， 得出与一维层流模型很接近的泄漏率。 说明了一维层流模型具有较好的计算精度。关键词: 自由活塞斯特林发动机; 直线电机; 热力循环; 实验测试IV A b str a c tA b str a c tAf reep isto n S tif lin g e n g in eis a v a r ia b le f o r m o fS tir lin gm a c h in e sb yelim in a tin gth e cra n k —sh a f t d e v ic eo ftr a d itio n a lS tirlin g e n g in e . T 11issty leo fS tirlin ge n g in e is eq u ip p ed 埘tll llig h relia b ility ，h ig h ef f icien cya n dc o m p a c tsiz e . A s th ee n e r g y sh o r ta g ea n d e n v ir o n m e n t p r o b le ma r em o r ese r io u s， stu d y in gf r e ep isto nS tir lin g e n g in eth a t c a nu s em a n y ty p e se n e r g yh a sg r e a t sig n if ica n cea n da p p lic a tio nv a lu e . T h ef o llo w in gw o r k f o c u se s o n a 10 0 W a tt f reep isto n S tir lin g en g in e、 Ⅳithalin ea r electricm o to rin th is d isserta tio n :1. T h r e e m e th o d s o fth e r m a lc y c lea r eu se d toa n a ly sisa n dc o m p u tea 10 0 W a ttf r e ep isto nS tif lin gen g in e.S c h m id t Isotherm a la n a ly sism e th o da n d F in k e lste in a d ia b a tica n a ly sism e th o da r eb o th u se d toc o m p u teth e 1 0 0 W a tt f reep isto n S tirlin g e n g in ea n dam ix e dc y c lea n a ly sism e th o d b a se d o n S c h m id t isotherm a l a n a ly sisa n d F in k e lste in a d ia b a tica n a ly sisis r a ise d toc o m p u teth e 1 0 0 W a tt f reep isto n S tirlin g e n g in e . C y c lew o r ku se dm ix e da n a ly sism e th o d is b e tw e e nisotherm a la n a ly sisa n da d ia b a tica n a ly sisa n dth ew o r k in g g a s tem p er a tu r e r e m a in in th e ex p a n sio n c h a m b e r o r c o m p r e ssio nc h a m b e rc o m p u te d b ym ix e da n a ly sis m e th o disless th a n th e w o r k in g g a stem p er a tu r er e m a inin th eex p a n sio nch a m ber o rc o m p r e ssio nch a m berc o m p u te db ya d ia b a tica n a ly sism e th o d .2. D yna m ica lm o d e l o fth e 1 0 0W a tt f reep isto nS tirlin g e n g in eis e sta b lish e da n dco m p u ted .D yna m ica l m o d el. o fth ef r e e - p isto nS tirlin g e n g in e issim p lif ie da s ab n do fm e c h a n ic a lv ib r a tin g sy ste mw ith tw od eg r eeso f f r eed o m . T h is m o d e l isa n a ly zeda n d c a lc u la te db yth e r o ta tio n v e c to r . T h e n th e v e c to rd ia g ra mis o b ta in edb yth estr u ctu r a lparam etersa n do p e r a tin gp a r a m eter sw h ic hw e r e c h o se n in asettin gv a lu e.F r o mth e v e c to rd ia g r a mit is f o u n dth a t th ee n g in ec o u ld n ＇t r u nste a d ilyu n d e rth esettin g v a lu e . B y a n a ly zin gth is， th e m a in c a u s e is th esh o r ta g eo f f o r c e w h ic h th ed isp la c e ris d r iv e n f r o mth esp r in g sa n dw o r k in gg a s. Ino r d e rto so lv e th isp ro b lem ，th esp r in gr a teo fd isp la c e p isto na n dth ea reao fd isp la c e p isto nr o da rem o d if ied ， a n dth ev e c to rd ia g ra mm o d if ie dw ithth esettin gv a lu eis o b ta in ed .3. E x p e r im e n tta b le is c o n str u c te da n dp erf o rm a n ceo fth e 10 0 W a tt f r e ep isto nS tir lin ge n g in eis te ste db yth ee x p e r im e n tta ble.E x p e r im e n tta b le is co n str u cted a n dperf o rm a nceo f th e 1 0 0 W a tt f reep isto nV IO O W 自由活寨斯特林发动机理论分析和实验测试S tif lin g e n g in eis te ste d b yth ee x p e r im e n tta b le a n df o u n dth e 10 0 W a tt f reep isto ne n g in eC 1121’ to p e r a te stea d ily . n lec a u s eisa n a ly z e da n dth e reso n a n tf r e q u e n c yo fth ed isp la c e ra n dp isto niste ste d . L a r g ed if f eren ce o f r e so n a n tf r e q u e n c yb e tw e e nd isp la cera n dp isto nis f o u n d . A ll o fth ew o r k isg o o db a sis o fste a d yo p e r a tio no fth e10 0 W a ttf r e ep isto nS tif lin g en g in e.4 . O p tim iz a tio no fh e a tex ch a n g ero fth e 10 0 W a tt f reep isto n S tir lin g e n g in eisd o n etoim p r o v e m e n t p erf o rm a n ceo fth e 10 0 W a ttf r e ep isto n S tif lin gen g in e.h e a te r a n d c o o le r o f th e 10 0 W a tt f reep isto n S tif lin g e n g in ea r ec o m p u te da c c o r d in gtoth eb a sicth e r m o d y n a m ic s p a r a m e te r so fth e 10 0W a tt f r e ep isto nS tif lin ge n g in ea n dan e w h e a te r str u c tu r e is r a ise d tom a tc h th e 10 0 W a tt f reep isto n S tif lin ge n g in e . A lso ， r e g e n e r a to ro fth e1 0 0 W a tt f r e ep isto n S tir lin g e n g in eisc o m p u te da n dab e stle n g tho fth er e g e n e r a to risg o t.5. S tu d yo fth eclea r a n cesea lsle a k a g ech a ra cter inf reep isto nS tir lin gen g in e.A k in d o fo n e- d im en sio n a l lam inar m o d e lw ith b ila ter a l m o v e m e n t o fsea lg a pf o r f r e ep isto n S tirlin g e n g in e sis e sta b lish e d a n dc o m b in e d w ith S c h m id t isotherm a la n a ly sistog e tm a ssle a k a g er a te a n d m a sslea k a g e p e r c y c leo f th e 10 0 W a tt f reep isto n S tif lin g en g in es. M ea n w h ile， d if f eren tsea lg a pw id th sa rec o m p a r e dino r d e rtostu d yth eim p a c tf r o mth e sea llea k a g ea n dala r g e stsea lg a pw id tha llo w e disg o t.T w o —d im e n sio n a l m o d e l o fsea lg a p 、 析thth eim p o r ta n de x p o r tf o rf r e ep isto n S tif lin ge n g in e sis a lso e sta b lish e dtog e tm o r ep r e c isem a sslea k a g e. N u m erica lsim u la tio nm e th o dis u se dtoc o m p u teth is tw o - d im en sio n a l m o d e l a n dg e tasim ila rm a sslea k a g era te.K e yw o r d s: f r eep isto n S tif lin g e n g in e ; lin e a relectric m o to r; th erm a l cy cle;e x p e r im e n t stu d yV I 目 录目录!i!i: 谢……………. ……. ………. ………………. ……. . …. . ……. ……. ……. ………………. ……. ………. …. I摘要…………………………………………………………………………………. IIIA b str a ct…………………………………………………………………………………………………………. V主要符号表……………………………………………………………………………IX第一章绪论…………………………………………………………………………. 11. 1研究背景……………………………………………………………………. 11. 2斯特林发动机简介…………………………………………………………. 31. 3国内外研究现状……………………………………………………………. 61. 3. 1斯特林发动机实验研究……………………………………………。 61. 3. 2斯特林发动机理论研究……………………………………………. 71. 3. 3斯特林发动机应用研究…………………………………………一!111. 4 斯特林发动机关键技术研究………………………………………………141. 5自由活塞式斯特林发动机研究进展………………………………………171. 6 本文研究内容………………………………………………………………. 19第二章10 0 W 自由活塞斯特林发动机系统循环分析……………………………2l2. 1等温循环分析法………………………………………………………………2l2. 1. 1等温循环法理论分析………………………………………………2l2. 1. 210 0 W 自由活塞斯特林发动机等温循环法计算结果……………242. 2绝热循环分析………………………………………………………………272. 2. 1绝热循环法理论分析……………………………………………. . 272. 2. 210 0 W 自由活塞斯特林发动机绝热循环法计算结果……………302. 3混合循环分析法……………………………………………………………. 332. 3. 1混合循环法理论分析……………………………………………. . 332. 3. 210 0 W 自由活塞斯特林发动机绝热循环法计算结果……………342. 4小结…………………………………………………………………………………………………36第三章10 0 W 自由活塞斯特林发动机动力学分析………………………………393. 1振动系统简述………………………………………………………………393. 2振动系统中的旋转矢量法…………………………………………………4 03. 3自由活塞斯特林发动机振动系统………………………………………. . 4 23. 3. 1自由活塞斯特林发动机振动系统模型……………………………4 2V n IO O W 自由活塞斯特林发动机理论分析和实验测试3. 3. 2IO O W 自由活塞斯特林发动机振动系统模型求解………………4 43. 4小结…………………………………………………………………………………………………48第四章lO O W 自由活塞斯特林发动机实验测试…………………………………4 94. 1 IO O W 自由活塞斯特林发动机实验系统的建立…………………………. 4 94. 1. 1IO O W 自由活塞斯特林发动机的组装……………………………4 94. 1. 2IO O W 自由活塞斯特林发动机实验台的搭建……………………504 . 2实验步骤……………………………………………………………………554 . 3实验结果……………………………………………………………………554 . 4 原因分析……………………………………………………………………584. 5小结…………………………………………………………………………………………………58第五章lO O W 自由活塞斯特林发动机换热器改进和优化………………………6 15. 1斯特林发动机热流分布……………………………………………………6 l5. 2换热器优化…………………………………………………………………一6 25. 2. 1加热器的优化……………………………………………………. . 6 25. 2. 2回热器的优化………………………………………………………6 45. 2. 3冷却器的优化………………………………………………………7 15. 2. 4IO O W 自由活塞斯特林发动机换热器优化结果…………………7 25. 3小结…………………………………………………………………………7 2第六章自由活塞斯特林发动机的间隙密封泄漏特性分析……………………一7 56 . 1间隙密封概述…………………………………………‰…………………7 56 . 2间隙密封的数学描述…………………………………………………7 66. 3 IO O W 自由活塞斯特林发动机循环泄漏量计算……………………. 7 86. 4 IO O W 自由活塞斯特林发动机循环泄漏量数值模拟………………. 8 06. 5小结…………………………………………………………………………………………………84第七章总结与展望…………………………………………………………………. 8 57 . 1主要结论……………………………………………………………………8 57 . 2展望…………………………………………………………………………………………………86参考文献………………………………………………………………………………8 7个人简历………………………………………………………………………………9 3攻读硕士学位期间研究成果……...