【正文】 簡(jiǎn)化假設(shè) 為簡(jiǎn)化模型作出以下假設(shè) : 1)循環(huán)各部分皆為等溫和完全回?zé)幔礋崆恢泄べ|(zhì)溫度 TE 選用 750K冷腔溫度界 TC 取為 373K。 圖 31 所示單缸自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，熱腔外圍受加熱器加熱，冷腔外圍與冷卻器相連，冷卻器對(duì)其冷卻，回?zé)崞鞑捎每p隙式回?zé)崞鳌? 動(dòng)力活塞和與之相連的彈簧組成的最大質(zhì)量震動(dòng)系統(tǒng)，其固有頻率即為自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率。 配氣活塞行程 配氣活塞掃氣容積為 VE 為 cm3，活塞行程 根據(jù)式 (34)求出配氣活塞行程 SD 為 。即 聯(lián)立式 ((31)和 ((32)可得發(fā)動(dòng)機(jī)熱腔容積嶺和無(wú)益容積嶺分別為 cm3，和 cm3。 c 材，系統(tǒng)最大體積與最小體積比 式中 :VE 為熱腔容積， VD 為無(wú)益容積。 結(jié)構(gòu)尺寸確定 Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的確定取決熱力學(xué)性能和機(jī)械性能兩方面的要求。 4)往復(fù)次數(shù)每分在 1800 次左右。因此，對(duì)于電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)的求解，不能直接套用以往的方法，需根據(jù)電機(jī)的具體 結(jié)構(gòu)和工作原理，找出適合其電磁場(chǎng)的求解方法。 3)在永磁體框架上使用不導(dǎo)磁材料，并且在框架中采用開槽的結(jié)構(gòu)，消除了電機(jī)工作時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的環(huán)流，從而減少了損耗，降低了動(dòng)子的溫升，提高了電機(jī)效率。 永磁直線發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn) 永磁直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)有很大不同，而使之具有以下特點(diǎn)。直線發(fā)電機(jī)工作時(shí)，是將自由活塞式 Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力活塞所連接的傳動(dòng)軸和發(fā)電機(jī)動(dòng)子的軸相連而帶動(dòng)動(dòng)子作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的速度和頻率則由自由活 塞式 Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力活塞速度和頻率決定。定子鐵心中開有兩個(gè)槽，槽中放有定子繞組，上下兩定子中繞組線圈采用串聯(lián)方式以提高輸出電壓。直線發(fā)電機(jī)按其結(jié)構(gòu)型式的不同，可以分為扁平型、圓筒型和圓盤型等。若負(fù)荷增大，活塞的行程便自動(dòng)縮短，作用力隨之增大。 6)密封可靠 自由活塞式 Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī)相比曲柄連桿式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，相比與內(nèi)燃機(jī)密封壓力小，所以密封問(wèn)題十分簡(jiǎn)單，通常只要將殼體密封即可滿足要求。啟動(dòng)加熱只需數(shù)秒鐘，熱氣機(jī)便能自行 起動(dòng)。 3)能使用多種能源 使用多種能源的能力與高效率同等重要。 自由活塞式 Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 系統(tǒng)之所以選用單缸自由活塞式 Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī)是因?yàn)樗幸韵绿攸c(diǎn) : 1)機(jī)械效率高 自由活塞式 Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī)相比較其他機(jī)械沒(méi)有連桿、軸或軸承，只有滑動(dòng)配合，由工質(zhì)本身作為潤(rùn)滑劑，因而有非常高的機(jī)械效率。為了實(shí)現(xiàn)等溫膨脹，即 T3T4TE，外源必須通過(guò)氣缸壁向工質(zhì)供給等溫膨脹熱縣同時(shí)系統(tǒng)向外界做等溫膨脹功 W34。在該過(guò)程中，因系統(tǒng)容積不變，故不做功，但工質(zhì)內(nèi)能增大。在這一等容過(guò)程中，壓縮腔的容積變到零，而膨脹腔容積開始由零逐漸增大，結(jié)果是壓縮腔中的工質(zhì)全部進(jìn)入到了膨脹腔。 2)等容加熱過(guò)程 等容加熱過(guò)程如圖 26 所示，從點(diǎn) 2 開始，至點(diǎn) 3 結(jié)束。隨著壓縮活塞向外止點(diǎn)方向移動(dòng)，系統(tǒng)容積逐漸縮小，工質(zhì)在壓縮腔中受到壓縮，壓縮結(jié)束后，如點(diǎn)2 所示，此時(shí)系統(tǒng)容積己從最大值 V1 縮小到最小值 V2。為說(shuō)明斯特林循環(huán)，將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸簡(jiǎn)化為如圖 4 所示，壓縮腔活塞遠(yuǎn)離冷卻器時(shí)為其運(yùn)動(dòng)內(nèi)止點(diǎn)，與冷卻器接觸時(shí)為其運(yùn)動(dòng)外止點(diǎn) 。其運(yùn)行 時(shí)工質(zhì)被封閉在膨脹腔、回?zé)崞骱蛪嚎s腔組成的循環(huán)回路中，通過(guò)配氣活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整氣缸容積的變化，控制工質(zhì)在閉式循環(huán)中的流動(dòng)方向 。 自由活塞式 Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī)及其工作原理 基于 Stirling 循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)主要采用的是單作用活塞一配氣活塞式結(jié)構(gòu)，其起到將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要作用。永磁直線發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過(guò)充電回路整流為直流 12 后充入蓄電池組，系統(tǒng)完成從熱能到電能的轉(zhuǎn)化。 發(fā)電系統(tǒng)工作原理 本發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是將外部熱源轉(zhuǎn)化為蓄電池組中的電能，其工作流程如圖 22 所示。 課題研究?jī)?nèi)容 本文對(duì)基于 Stirling 循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)和運(yùn)行特性的數(shù)值模擬，具體工作如下 : 1)單缸自由活塞式 Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī)幾何尺寸確定 。 5)可實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)，一次能源利用率可達(dá) 90%以上。 2)高效率 :由于在加熱器和冷卻器中間設(shè)有蓄熱式換熱器，從理 論上可接近卡諾循環(huán)，為效率最高的熱機(jī)。以色列魏茲曼科學(xué)院建立了一個(gè)“ Big Dish”發(fā)電單元，并進(jìn)行了高溫集熱器 /燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)。 1992 年，德國(guó) SHP 建立了 3 套 的裝置 。美國(guó) SAIC 建造了 25kW 的碟式斯特林樣機(jī)，具備了大批量生產(chǎn)和商業(yè)化的條件 。當(dāng)入射光輻照度為 1000kW/m2 時(shí)，凈輸出 53kW，效率達(dá) %。 美國(guó) Advanced Corporation 于 1984 年建立了一套 25kW 碟式斯特林太陽(yáng)熱發(fā)電系統(tǒng)，從太陽(yáng)能到電能的最高轉(zhuǎn)換效率是 %。該工程證實(shí)了利用廢水站沼氣和其它熱電共生項(xiàng)目熱源的發(fā)電設(shè)備可進(jìn)行成功的商業(yè)應(yīng)用，并提供了一種在有豐富生物能源的地區(qū)可廣泛應(yīng)用的可再生能源利用技術(shù)【 1921】 。 4)因可采用其它能源，特別適用于沒(méi)有太陽(yáng)能的深空探測(cè)。 關(guān)于本文提出的單缸自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)直線發(fā)電機(jī)工作的運(yùn)行方式，還未見國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究的報(bào)道。李鑫、李斌等以能量守恒方程為 基礎(chǔ)，結(jié)合拋物面光學(xué)特性，建立了設(shè)計(jì)計(jì)算聚光器的一個(gè)數(shù)學(xué)模型，并采用試算和迭代核算相結(jié)合的方法，對(duì)碟式斯特林太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)聚光器的尺寸進(jìn)行了計(jì)算。經(jīng)過(guò)約 3 年的開發(fā)，試制出的 4臺(tái)樣機(jī)于 1984 年在國(guó)立機(jī)械研究所進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，功率和熱效率均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，改進(jìn)加熱器、換熱器和活塞環(huán)密封后，發(fā)電用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)亦基本上達(dá)到了規(guī)定的目標(biāo)。 法國(guó) ECA 公司開發(fā)的熔鹽蓄熱器為熱源的直列雙向型發(fā)動(dòng)機(jī)，供潛艇動(dòng)用，德國(guó)的 MAN 公司和本茨公司亦在開發(fā)類似的發(fā)動(dòng)機(jī)供車用。該公司亦參加了美國(guó)能源部組織的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)項(xiàng)目，其主力發(fā)動(dòng)機(jī) 為 22kW 混合型，由于采用了太陽(yáng)能輔助加熱，熱效率可達(dá) 38%，并制造了數(shù)十臺(tái)樣機(jī)。 進(jìn)入八十年代以來(lái)，第二次石油危機(jī)又引起各國(guó)對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)心，后石油供應(yīng)雖有緩和，但從環(huán)保和能源角度出發(fā)各國(guó)又竟相進(jìn)行斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)工作。主要因?yàn)槊芊獾墓べ|(zhì)為空氣，加熱溫度較低，只有幾百度，致使機(jī)構(gòu)龐大使用不便。為各類型汽車所廣泛采用的摩擦離合器，實(shí)際上是一種依靠其主、從動(dòng)部分間的摩擦來(lái)傳遞動(dòng)力且能分離的機(jī)構(gòu)。 permanent mag linear generator。 這是一種跨電工和熱工學(xué)科研究，以上結(jié)果不僅對(duì)特種永磁式直線發(fā)電機(jī)，而且對(duì)自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)均有一定的參考價(jià)值。 全套圖紙，加 153893706 建立基于 Stirling 循環(huán)的直線發(fā)電系統(tǒng)，其主要由單缸自由活塞式Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī)和直線發(fā)電機(jī)構(gòu)成，對(duì)單缸自由活塞式 Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何尺寸進(jìn)行了初步設(shè) 計(jì)，運(yùn)用等溫分析法對(duì) Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能進(jìn)行了仿真分析，得到了 Stirling 發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)冷腔壓縮 pv 圖、熱腔膨脹 pv 圖和發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹功和壓縮功相減后的 pv 圖等，并由此計(jì)算了單缸自由活塞式 Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī)功率和效率。本文所進(jìn)行的自由活塞式 Stirling 發(fā)電機(jī)的概念設(shè)計(jì)就是為了對(duì)大型運(yùn)載工具所排出的廢熱的回收所做的一種嘗試。同時(shí)，求解并分析了永磁直線發(fā)電機(jī)定子對(duì)自由活塞式 Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁反作用力。仿真分析 關(guān)鍵詞： 自由活塞式 Stirling 發(fā)動(dòng)機(jī) ； 永磁直線發(fā)電機(jī) ； 仿真分析 2 Abstract The linear power generation system based on the Stirling cycle has many advantages such as high efficiency, long life, high reliability as well as applicable to wide rang of energy. In many applications the system has the potential to replace the traditional power generation systems and has a wide range of applications, especially in the deep space exploration and military purposes. In this dissertation, the concept design of the free piston Stirling engine is an attempt on the large vehicle waste heat recovery. A linear power generation system based on the Stirling cycle is discussed,which mainly consists of the free piston Stirling engine and the permanent mag linear generator. Parts dimensions of the single cylinder free piston Stirling engine are determined, the Stirling engine performances with the isothermal analysis method analyzed and the Stirling engine cooler pression pv diagram, heater expansion pv diagram and the pv diagram of the engine obtained using subtracting cooler pv diagram from heater pv diagram: So the free piston Stirling engine power and efficiency are calculated. Key words: free piston Stirling engine。離合器通常裝在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間，其主動(dòng)部分與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪相連，從動(dòng)部分與變速器相連。斯特林發(fā)明，又稱“熱空氣發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)時(shí)已生產(chǎn)出數(shù)干臺(tái)，后由于蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)而被冷落，到二十世紀(jì)初己基本消失。由于高溫、高壓產(chǎn)生的高效率和高轉(zhuǎn)矩，在以氫氣為工質(zhì)時(shí)達(dá)到了高速度，初步顯示有可能成為比內(nèi)燃機(jī)效率高的外燃式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力。以后又改進(jìn)為雙曲軸型，進(jìn)一步擴(kuò)大了其用途。與其美國(guó)的子公司共同開發(fā)出 1