斯特林发动机原理简介.pdf

讲座斯特林发动机原理简介1.从卡诺循环说起卜诺循环是大家早已熟知的热力学中的理 想循环,它是 由四个 相继发 生的热力过程组成的,即等温放热、绝热压缩、等温吸热和绝热膨胀由理论分析 得知,在相 同的温 度界限内,采用卡诺循环的热机具有最高的热效率但是很遗憾,至今人 们尚不能造出一 台卡诺机然而,一 百多年来,卡诺定理却给人们指明 了改进 热机的方 向,成为提 离一切热和j热效 率的准绳,其意义早已超出了卡诺机本身的是否存在如果用二个等容过程 代替二个绝热过程,则 由此得 ! 生’r 巨 V5到的新循环由等温压缩、等容加热、等温膨胀、等容放热四个 过 程 组成,如 图1中的1一2一3一4一1所示该 循环在相 同温 限内可以得到比卡诺循环大 得多的功量,但热效率却比卡诺循环 低,和汽油机采用的“奥托 循环”相 近有鉴于 此,苏格兰人罗 伯特、斯特林想到了采用回热器,以提 高此 循环的热效率采用回热器时,在 理想 的情况下,把4一1定容放热过程放出的热能,按不同温度储存起 来,而在2一3定容吸热过程中让工质 依次吸 收于是 在整个循环中,只有3一4等温吸热、1一2等温放热过程和外界有热交换,若回热 完全成功的 话,则这 种有回热措施 的理 想循环,便和卡诺循环有同样的热效 率,这就是热力学中阐述的概括性卡诺循环。

这种有 定客回热的概括性卡诺循环,因为是 斯特 林首先提出的,所以也 常称为斯特林 循环采 用正 向斯特 林循环 工作的机器 叫做斯特林发动机,或 称为热气机;采用逆 向斯 特林循环工 作的机器叫做斯特林 制冷机或斯特林热泵无论 斯特林是正循环还是逆循环 均 可 采 用氢、氦、氮、空气、甘油等作为工质由于斯特林发动机是外部燃烧 闭式循环热机,理论热效率高,所以一 百 多年来,它始终吸 引着广 大热机工作者在新材料、新技术不 断发展而石油资源日益短缺 的今日,能燃用多种类型燃 烧的斯特林发动机又被各国政府及一些公 司 重新重视显然,在 斯特林 循环中的等容回热过程,也可由其它 回热过程所代 替,织 成新的循环,如用二个等压回热过程组 成等等,在此不 一 一阐述2.实现 斯特林循环 的理想 方法实现斯特林 循环的发 动机有较多的结构型 式,常 见的有 配气活塞式、双活塞式,自由活塞 式等类型现以双活 塞式发动机为例提供一简化物 理模型,说明实现 斯特林 循环 的理想方法参见图2,在一个装有对 置活塞的气缸中设 置有回热器,把气 缸分 成二个空 间其 一称为热缸,也 叫膨胀缸,气缸中的活塞称为热缸 活塞,热缸始 终保持高温T。

、;另一缸 称为冷缸,也 叫压缩缸,气缸中的活塞称为 冷缸居塞,冷缸始终保持低温T回热器一般是 由不锈钢 丝网片构成 的多孔 基体,此处可抽象地认为它是一块“热力海棉”,它交替地吸热或放热,工质进行周期往复流 动时进行热交换同时,为分析问 题方便起见,假设 回热器无 轴向导热,所以两端总维持温度梯度循环开始时,冷缸活塞处于外止点,热缸活塞处于内止点,紧靠回热器,如图2中的1位置所示此 时,可认为工质全部集中在冷缸中,工质的压力、温度均为最小值等温 压缩过 程i一2热缸 活塞在内止点不动,冷缸 活塞由外止点向内止点移动,热缸活塞和冷缸活塞之间形成 的上作腔,由V;=V二 二减小 到VZ二V此时,工质被压缩,因压缩而产生的热 量通过缸壁传给环境,从而使工质温度保持不变等容加热 过程2一3冷缸活塞运动到位置2以后,压力上 升到p:,热缸 活塞开 始 由内止点向外止点和冷缸 活塞一起同步移动,以保持容积不变工质通过 回热器 时吸热,温度 上升到团团熬,一 几濡、币币一仁仁 白白白白(l)l -~⋯‘ 傲黝‘下 臀事一~(卫、. ~ 一区}宜⋯鞭廷二 二〔3, 粼犷二石一厂厂厂习习j i_预预} } } } } } }} } }{/ / / / / 一一门门/ / /一一‘一一 / / / / / / /亘, , l l l⋯⋯ 套套套套合合合{ { { \\\\\\\\\\\\! ! !图2T二。

二,压力上 升到Pm此过程一直 进行到冷缸活塞处于内止点,如图2中的3位置等 温膨胀过 程3一4冷缸 活塞移动到3位 置后,在内止点处不动,热缸活塞继续左移,工 质在热缸中 从外部热源一面吸热一面膨胀,从而保持温度不变,但工质压力因膨胀作 功而下降这个过程一直进行到热缸活塞移动至外止点,如图2中的4位置等 容放热过程4一1从4位置开始,冷缸活塞和热缸活 塞同步右移,以工 作腔各积保持不变,从而实现等容过程工质从热缸进入冷 缸工质通过回热器时,依次把不 同温度的热能传给回热 器基体,工质的温度从T二 二下降到T二 ;至内止点,冷 缸活塞移到外止点,回复到1位置这个过程一直进行到热缸活塞 移以上分析均是理想情 况,当周而复始地进行 上述四个热力过程时,环3.斯 特林发动 机 的实 际环循便 是理 想斯 特 林循理想循环是实际循环的高 度概括和 抽象,在实际 工程中是不可能完全 实现的图3及图4为并列式 及V型 双活塞式斯特林发动机结构示意图由图中可以看 出,两气缸之 间还布置有加热 器和冷却器,这便增加了发动机的无益容积(也称“死容积”)所谓发动机的无益容积,指的是两个活 塞都未扫 到的部 分冷却器的通流容积以及联接通道和孔口的内部 容积。

它 包括余 隙容积加 热器、死客积的大小对发动机的性能有 重要 影响‘因此,双活塞式 斯特林发动机的实际 循环 与理 想循环有 很大 区别由于压缩和膨胀过程加热旦以道迎一厂 悬\八冷却肠甸热肠.二一/图4不仅在热缸而且在冷缸也会发生,因此能绘出三个示功图,即发动机的热缸示功图、冷缸示 功图和包括无益容积在内的总 的工作腔示功图,参见图5实际循环偏离理想循环的原因有许多,除了上面提到的无益容积的影响之外,还在于压缩和膨胀都难以达到等温其次,不能忽略气体动力摩擦损失第三,不可能做到完全回热,即回热器的效率不可能达到10 0%第四,对 工质加热不仅发生在工质从回热器流向热缸的过程中,而且工质从热缸流 向 回热器 的过程中也被加热;同样,工质从回热 器流向冷缸时,由于穿过冷却器 也会被冷却第五,活塞不是缓慢地、间歇 地 运 动,而是快速、连续地 运动,再加 上工质的漏 泄等多 方面 的原因,所以斯特林实际循环便严 重地偏 离斯特林理想循环了然而,理想循环为人们提供了一个分析循环的模式,仍有指导意义4.斯特林循环的分析计算迄今为止,典型 的斯特林循环分析计算方法有三刹分到称为 第一计算法、第二计算法和第 三计算法:第一计算法即经典循环分析法—施密特等温循环 分析法。

该分析法是施密特于187 1年首先提出的施密特等温循环分析法的一 些假定仍十分理想化,如等温 膨胀、等温压缩、完全回热,工作腔容积按正弦曲线 变化、往复部件作简谐运动,工质没 有漏 泄等P卜卜图5等这 些都与斯特林发动机的实际循环有相当大的差距,以致实际发动机的指示性能最多不超过施 密特循环 分析计算值的3 0~6 0%但是,作为方案设计、初步设计阶段,由于 该分析计算法较为简便,国内外 工 程技术人员都乐于采用.第二 计算法 即劳克斯坦 通用分 析法—绝热循环分析法该分析法是劳克斯坦 于1960年首先提 出 的绝热 循环 分析 法的主 要特征是用绝热过程来代替等温过程,因之它较为接近实际循环第 三计算法 即劳克斯坦节点分析法该分 析法是劳克斯坦于1 975年首先提 出的.随着电子计算机技术的发展,7 0年代末期,国外发表了许多用节点分析法进行斯特林循环电子计算机模 拟计算的研 究论文节点分析法是一 种求解偏微分方程组的数值解法,在对斯特林 循环进 行分析计算时,必须事先假定其结构形式及基本参数,然后将它分割成许多小网格或控制单元,分别列出质量、动量、能量守 恒等偏微分方程,最后运用节点法编 制程序进行电算求解。

节点分析法比较 逼近实际循环,且可进行优化设计,是当代流 行的斯特林循环分析计算 法若要进一 步了解上述三 种计算方法 的具体计算步骤,请参阅有关参考文献5.斯 特林循环发动 机所采用的工质前已提 到,斯特林循 环发动机是闭式循环外部燃烧类型的发动机,它可采 用多种工质常用 的有氦、氢、氮、空气、水、煤油、甘油 及复合工 质,化学反应 工质等梅杰(Meije r)在《菲利浦技术评论》Vo l.3 1上提出空气不 宜作为高速、高比功率发动机的工质,但在低速 及小比功率的情况下,即使采用氢或氦作工质,在总效率方 面 并不比采用空气时提高多少然而,采 用空气作为工 质,却有一系列的优点,诸如一补充方 便 ,可 降低对密封的要求等不同的工质对斯特林发动机输出功及总效率的影响,日本造船研究协会于197 9年也提出过实验报告,与梅杰提出的 结论一致实验 结果 见表1表一工初一’氦⋯‘ 氢叮氮「 ⋯空”气输 出功jl⋯1.11{·52⋯0·‘9急效率. ⋯. ‘L ⋯:‘·03⋯:“·57:. ⋯,_r·5员:那么,为什么 一种工质比另一种工质的性能好呢?答案是工质热功转换时 的“传递特性”不一样影响“传递特性”的 根本原因取决于工质自身的热物理性质,它包括粘度卜、导 热系数入、比热。

密度P ’··⋯优良的斯特林发动机工质应具有较高的传热 系数和较低 的 流体动力摩擦损失综合考查结果,得出氢具有最佳的“传递特性”组 合值,氦次之因此,用氢作为斯特林发动机的工质,对人们具有极大的吸引力但是,氢也有不足 之处,这 表现在¹安全性—氢 容易着火;º 渗透性—任何金属,氢都能很方便地 透过;»相容性—金属材料与氢接触会产生“氢脆”,影响强度;¼经济性—氢的价格比较贵因此,目前所发表的资料中,斯特林发动机多以氦作为工质,即使采用氦气作为斯特 林发动 的工质,但如何防止泄漏及价高仍是从事斯特林发动机研制 的工程技术人员感到头痛的二大难题在小型机或热力参数不太高的场合,常用 氮、空气作为工质结束语斯特林循环发动机这种古老的机型,当时 由于材料及电动机、内燃机的竞争没有得到发展,后来由于石油 供应日益紧张,且由于新技术、新材料、新工艺、新设备的不断涌现,使得理论热效率高、排气污染小,可采用多种燃料的斯特林发动机又进入 一个新的发展阶段目前世界各国都投入一定的 人力物力开发斯特林发动机,已研制成功的有11 5 马力和17 0马力车用 斯特林发动机、20 0马力船用斯特林发动机、7马力/30 0orpm人造卫星用斯特 林发动机到设计精良的微型人工 心脏。

1982年曾在英 国的Re ading大学召开了第一届 国际斯 特林发动机会议19 8 4年6月又在我国上海召开第二 届 国际斯特林发动机会议我国对斯特林发 动机的 研制 尚处在初期阶段上海 船用 柴油机研究 所1981年底已研制成功R4 5小型单缸 配气活塞式斯特林发动机,设计功率为2 00 w/150 0“rpm我院8 4年研制成功WZR一7 5型斯特林发动机模拟性能试验台,为研制、分析斯特林发动机提供了实验手段,我院并试制了微型斯特林发动机教具、录制了斯特林发动机工作原理与结构教学录相片,可提供有关单位参考,武汉水运工程学院吴扯明蒋立 平。