简易斯特林发动机制作原理.docx

1、简易斯特林发动机制作原理简易斯特林发动机制作原理史特灵引擎属於外燃引擎，只要高温热源温度够高，不管是利用太阳能、废热、核原料、牛粪、丙烷、天然气、沼气（甲烷）、丁烷与石油在内的任何燃料，皆可使之运转，不同於必需利用特定燃料的汽油引擎、柴油引擎等内燃引擎。A.基础篇A1气体的特性如图1把橡皮绑在容器口上，咱们能容易瞭解到受热时橡皮会膨胀(图2)，冷却时橡皮会缩收(图3)，这是加热时，内部气体压力作用在橡皮上(图2)，固然人的眼睛是无法看到气体压力的。A2移气器若是咱们放入一个移气器(Displacer)到容器内(图4)，而那个移气器的直径比容器的内径小一些，当移气器自由上下移动时，即能够把容器内

2、的气体挤下或挤上。那个时候，若是咱们在容器底端加热，而在容器上端冷却，使上下两头具有足够的温差，即可看见现在橡皮会不断膨胀及收缩。其原理如下：当移气器上移，容器内的气体被挤至容器底端，现在由於容器底端加热，因此气体受热，压力变大，此压力经由活塞与容器间的间隙传到橡皮，使得橡皮会膨胀(图5)。相反的，若施以适当的力量把移气器下移，则容器内的气体被挤至容器上端，现在由於容器上端为冷却区，因此气体被冷却，使气体温度降低，压力变小，而使得橡皮会缩收(图5)。如此，不断使移气器自由上下移动，即可看见现在橡皮会不断膨胀及收缩。由此，可知移气器的功用要紧在於移动气体，使气体在冷热两头之间来回流动。国立成功大

3、学航太系郑金祥教授把Displacer命名为”移气器”，实在更为贴切，也比较不容易混淆，比较可不能令人误以为它的作用跟输出功率的动力活塞一样。A3曲柄机构要让移气器上下移动，只要将移气器与一曲轴连结(图6)。当曲轴旋转时，移气器就会被带上及带下。将移气器与曲轴连结完毕以后，在容器底端加热上端冷却，只要用手转动曲轴，使得移气器移上及移下，现在橡皮便会重复膨胀及收缩(图7)。A4动力活塞橡皮的膨胀及收缩运动，能够转换为动力输出，现在，橡皮的作用即犹如一动力活塞。咱们能够另加一根连桿接到上述的曲轴上，即可将橡皮的膨胀及收缩运动转换为曲轴的旋转运动。连接到移气器的曲轴部位与连接到动力活塞的曲轴部位必需

4、呈固定的角度差，一样是90度(图8,9)。橡皮的膨胀及缩收所產生的曲轴的旋转运动提供了移气器上下移动的力量，多餘的力量则能够输出。必需注意的是，移气器本身可不能动，而是被曲轴带动，动力来源是动力活塞。为何相位角是90度?如图9当移气器移到最极点的位置时，底部加热空间最大，现在所產生的压力也最大，当移气器移到最底点的位置时，顶部冷却空间最大，现在所產生的压力也最小，如把动力活塞的曲柄连接到曲轴水平位置最远的地址时可產生最大的扭力，现在可看到连接到移气器的曲轴部位与连接到动力活塞的曲轴部位呈90度的角度差，该角度称为相位角。曲柄连接到曲轴水平的位置也决定了引擎旋转方向。上述的条件为静态环境的结果，

5、当随著引擎的转速、负载、温度及利用气体的不同则会有不同的最佳相位角，一样以90度作为通用的相位角。A5飞轮若是只有上述的零件，引擎仍是不能运转。因为利用橡皮的膨胀或收缩(图8,9)，并无法让曲轴旋转一整圈。因此，必需加上一个有旋转惯性的设备，即“飞轮”，才能达到持续的运转。一样採用的飞轮，最多见的是圆形飞轮，如图10所示。若是除惯性需求外，还要考虑平稳问题，则在曲轴旋转面的另一端加一配重物充当飞轮，即可解决平稳问题(图11)。B.进阶篇史特灵引擎是一种高效率的能量转换装置，係採用封锁气体循环（Closedgascycle）及再生器（Regenerator）设计。理论上，理想史特灵引擎的热效率(

6、Thermalefficiency)与卡诺引擎(Carnotengine)相当，二者皆属可逆热机（Reversiblecycle），具最高热力循环转换效率。史特灵引擎的利用的工作气体可为高压之空气、氮气、氦气、或氢气。一样而言，大致分为两种可能的配置：第一种配置利用一个动力活塞（Piston）紧缩或膨胀气体，另利用一个移气器（Displacer）使工作气体在气缸内来回流动；第二种配置则不用移气器，完全利用两个活塞来达到紧缩膨胀气体与来回驱逐气体的目的。当气缸内部气体被驱逐至加热部而受热时，即因膨胀推动动力活塞而对外作功。以气缸数与动力活塞及移气器的排列构型来区分，史特灵引擎又能够分为下列三种形

7、式：(1)型又称双气缸型（twin-cylinderStirlingengine），此型无移气器，然具有二个动力活塞，别离在二个独立的气缸内作动。(2)型又称为同轴活塞型（coaxialpiston-displacerStirlingengine），具有一动力活塞与一移气器，二者位於同一气缸，且沿相同轴移动。自由活塞式史特灵引擎即属此类。(3)型具有二个独立气缸，其中一气缸内设置动力活塞，另一气缸则设置一移气器，本模型则属於型。史特灵引擎在不同的额定功率下皆能表现出高效率，且因其乃属常压燃烧供热之外燃机，燃烧较为完全，故排气干净。最重要的是，它能够适用不同的热来源，包括汽油、天然气、太阳能、生

8、质能、废热利用等。最近几年来，能源工程技术相关的研究者对史特灵引擎的研究爱好正慢慢加温，极可能成为另一个以后可供选择的动力来源之一。配合上图，理想史特灵引擎的热力循环概念介绍如下：(1)ab进程中，工作流体等体积吸热升温；(2)bc进程中，工作流体等温吸热膨胀；(3)cd进程中，工作流体等体积冷却降温；(4)da进程中，工作流体等温冷却收缩。史特灵引擎与卡诺引擎比较，前者由两个等温进程和两个等体积进程所组成，而后者係由两个等温进程和两个绝热进程所组成。换言之，史特灵引擎循环以两个等体积的吸热与排热进程，取代卡诺循环的两个绝热进程。因此，若史特灵引擎循环欲达到卡诺引擎相同的热效率，必需将cd进程

9、中，工作流体等体积排热进程所排出的的热量，必需用来提供在ab进程中，工作流体等体积吸热升温所需的热量，那个步骤，叫作再生(Regeneration)，所利用的装置，称为再生器(Regenerator)。值得注意的是，事实上史特灵引擎内部工作流体的温度和压力，在循环转变进程中并非是完全均匀的。因此，体积和压力的转变也非如上图所示那样清楚分明。AIP发动机原理图潜水艇对动力系统的要求,超级苛刻.即要有壮大的动力.更要能超级的安安静静.尽可能是无声.AIP发动机确实是如此的发动机.再加上燃料电池驱动.更是完美的搭配.因为到目前为止.除声纳探测可发觉水下潜艇.还未有真正的探测技术,能发觉潜艇AIP发动

10、机原理图斯特林发动机系统斯特林发动机（SE/AIP）系统与闭式循环柴油机系统大致相同，最要紧的不同确实是发动机。SE/AIP系统利用的是热气机，而CCD/AIP系统利用的是闭式循环柴油机。热气机的构思是英国科学家罗伯特斯特林于1816年率先提出来的，它是一种由外部热源加热，并将热能转换为机械能的热机，其循环是一种闭式、采纳定容下回热的气体循环，简称斯特林循环，其具体工作原理是：斯特林发动机的活塞上室为热室，它与另一活塞的下室相连，四个缸彼此连接在一路，具体的是1号缸上部的热室与2号缸下部的冷室相连，2号缸上部的热室与3号缸下部的冷室相连，3号缸上部的热室与4号缸下部的冷室相连，4号缸上部的热室

11、与1号缸下部的冷室相连，相互差90角。它们使工作气体在热室和冷室之间来回移动，使活塞运动并带动曲柄转动。斯特林发动机主若是在水下续航状态下工作，与蓄电池并联，向推动电机、全艇辅机及其他用电设备供电。技术实现的难点和重点要紧在于斯特林发动机的水下燃烧系统，因为该系统所利用的氧化剂是纯氧，燃烧方式为燃气再循环，而且是在高于周围海水压力的高压情形下进行燃烧。要紧技术优势机械噪声与振动较小。因为斯特林发动机是一种从外部对内部气体工质持续加热使之做功的活塞式往复发动机，燃烧进程中没有柴油机的爆燃现象，燃烧进程平稳，因此发动机的噪声与振动较小，可是有些斯特林发动机的部件仍然采纳往复式运动机械，因此在装备潜

12、艇时仍要加装双层隔振系统以减小水下噪声。废气排放方便，当热气机的燃烧压力为22千克厘米2时，废气水下排放不需要闭式循环柴油机系统的庞大水治理系统，在潜深200米内能够自主排放，即便增加潜深也只需要小型紧缩机协助。当燃烧压力小于20千克厘米2时，废气水下自主排放的深度要相应减小。这种发动机的废气排放深度与燃烧压力有关，这也是技术实现的一个难点。缺点和不足功率较低，斯特林发动机由于其自身固有的低功率密度的特点，因此决定了整个AIP系统的功率密度小于CCD/AIP系统。若是要加大功率，需要配几台发动机，但这又阻碍到整个潜艇的布局与利用，实现功率冲破难度较大；燃油消耗量较大，目前要高于一般柴油机。当前

13、，在SE/AIP系统较有建树的国家是瑞典。瑞典考库姆公司从上世纪60年代末就开始斯特林发动机的研制工作，目前已经成功研制出71千瓦的V4-275R型斯特林发动机，装备于1995年2月2日下水的“哥特兰”号潜艇，并使之成为世界上第一艘装备SE/AIP系统的常规潜艇，这也标志着斯特林发动机进入了有历时期。最近几年来，日本也从瑞典引进了斯特林发动机的建造技术，用于装备或改装海上自卫队潜艇。闭式循环汽轮相系统闭式循环汽轮机系统（MESMA/IP）系统要紧由4个分系统组成：液氧贮存罐、燃料贮存罐及一、二回路系统。其中燃料通常选择乙醇，寄存在贮存罐中的橡胶袋中；一回路系统包括高压燃烧室、热互换机、冷凝器；

14、二回路系统包括蒸汽发生器、蒸汽轮机、冷凝器。具体工作原理及进程：将贮存在绝热罐中的低温液氧送到加热器中加温呈气态，乙醇和气态氧在高压燃烧室里燃烧，燃气通过蒸汽发生器后大部份被冷却，这些经冷却的燃气从头回到燃烧室，用于冷却烟道壁，调剂燃烧壁壁温，使其维持在1000以下，同时稀释乙醇氧气的混合气体，使其燃烧温度维持在700的最佳状态。一小部份未经冷却的燃气有些直接排出艇外，有些以液态方式贮存在艇内。水在蒸汽发生器吸收燃气热量后变成高温高压蒸汽，温度达500，压力大约为18千克厘米2，这些蒸汽推动蒸汽轮机做功，驱动交流发电机和整流机组产生直流电，为推动系统提供能量。水蒸汽冷凝成水后，返回蒸汽发生器，

15、完成循环进程。技术实现的难点和重点要紧在于此系统的液氧采纳的是高压贮存（60千克厘米2）或低温低压贮存（?185，2-10千克厘米2），不管液氧贮存罐置于何处，必需要经得起5g的冲击。因此液氧贮存罐应安装在低频率的弹性基座上，基座固有频率应小于5赫兹。要紧技术优势功率大，可知足潜艇水下航行需要，法国在为巴基斯坦建造的“阿戈斯塔”90B级潜艇上所安装的MESMA/AIP系统的功率为200千瓦；燃烧产物的排放超级隐蔽，由于燃烧时的压力较大，燃烧产物的压力也较大，不需要利用其他机械系统加压就能够自动排出艇外，相应也就减少了潜艇的自噪声；另外利用气泡*系统使排出的二氧化碳气泡减小，提高废气的海水溶解度

16、，若是情形危急，可将燃烧产物进行冷凝贮存在艇内，此举将大大提高潜艇的隐蔽性。缺点和不足整个系统超级庞大，辅助机械设备较多，此AIP系统要紧部件有燃烧室、蒸汽发生器、二氧化碳冷凝器、蒸汽冷凝器、涡轮交流发电机、各类泵，因此系统安装布置比较困难，需较大舱室空间，这直接阻碍此AIP系统的有效性；热效率低、经济性较差，此AIP系统的氧消耗量比闭式循环柴油机（CCD/AIP）系统要高15左右，同时在相同水下续航力的条件下，乙醇所占容积要比CCD/AIP系统多一倍，而且所有系统部件都需要特殊的设计，投资较大，经济性差。目前法国是在MESMA/AIP系统上取得进展最大的国家。1988年以来，法国就利用400

17、千瓦燃烧室平台进行该系统的实验，而且取得较大进展，已进入有历时期。1994年，巴基斯坦从法国舰艇建造局订购了3艘“阿戈斯塔”90B级潜艇，这三艘潜艇将安装法国自主研制的MESMA/AIP系统，这将大大提高巴基斯坦的水下作战能力。除此之外，德国MTU公司也在加大对MESMA/AIP系统的研究力度，其利用的燃料将是柴油，功率也会增大到700千瓦，一旦研制成功，将会大大提高MESMA/AIP系统在国际市场上的竞争能力。燃料电池系统燃料电池（FC/AIP）系统是最具竞争力的AIP系统，它是直接将反映物质化学能用电化学方式直接转换为电能的能量供给系统。要紧组成部份有燃料电池及其贮存设备和转换器、氧化剂及

18、其贮存设备和转换器、操纵装置。其中燃料电池要紧种类有碱性燃料电池、质子互换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸燃料电池、固体氧化物电解燃料电池等，其中最有前途的是质子互换膜燃料电池（PEMFC）。质子互换膜燃料电池系统中的氢氧燃料电池的工作原理事实上确实是电解水的逆进程。质子从阳极移到阴极，在阴极氧气反映形成阴离子，阴离子与透过薄膜的氢阳离子反映生成水。这种燃料电池采纳铂作催化剂的气体扩散电极，其负载量为4毫克/平方厘米，碳板用作导电体。电池双极板之间的冷却装置将水从系统中排出。必然数量的电池模块通过串、并联方式组成燃料电池装置，这只是一种单纯的能量转换装置。燃料电池系统组成与一样电池有专门大不

19、同。在此系统中，反映物质及其存储装置与能量转换装置是彼此独立的。燃料电池的大小决定系统的输出功率，与贮存能量多少无关；反映物质多少决定系统贮存能量，在必然的输出功率下若是要增大贮存能量，只需增大反映物质及其存储装置，不必增大能量转换装置，即燃料电池。反映物质用完后，补充反映物质即可，无需改换燃料电池。要紧技术优势能量转换效率很高，燃料电池通过电化学方式直接将化学能转变成电能，省去了热机发电时所必需通过的“燃料化学能热能机械能电能”复杂的转换进程，减少了能量损耗，理论上的能量转换效率能够达到100%，实际效率可达到70%；对外热辐射较少。由于能量转换进程中能量损耗较少，因此相应的散热也少，这就有

20、效的降低了潜艇的热辐射，减小被敌红外探测仪器发觉的概率；噪声较小，燃料电池系统由于直接进行能量转换，因此本身并无机械运动部件，因此工作进程中超级安静，能够使得潜艇在航行时取得极佳的隐蔽性；系统保护保养、制造加工很方便，由于系统无机械运动部件，因此就没有磨损造成的故障，同时关于零部件的加工要求低，也便于制造加工，通过集中操纵装置能够实现对各个辅助系统的操纵，便于实现自动化；过载能力强，燃料电池的短时过载能力可达额定功率的2倍，而柴油机等热机却没有这么大的过载能力，因此装备燃料电池AIP系统的潜艇可进行短时的加速航行；系统配置灵活，便于安装，燃料电池是由若干个电池单元串、并联而成，可依照潜艇内部布

21、置的需要，灵活选择燃料电池的配置方式；效率随输出功率转变特性较好，专门适合潜艇关于动力装置需要功率范围宽而效率高的要求。缺点和不足燃料危险性超级大，易发生险情，目前的燃料电池只能用纯氢作燃料，纯氢的加工提取工作异样复杂，且在潜艇狭小空间内，纯氢一旦发生泄漏，浓度超过极限易发生爆炸，危险性专门大；系统比功率较小，目前质子膜燃料电池的比功率只有100瓦千克，比之柴油机的300瓦千克相差较远，要想达到相同功率，燃料电池所需重量要大于柴油机等；工作寿命短、价钱较高，目前的质子膜燃料电池的工作寿命只有5000小时，距离40000小时的目标寿命相距较远，同时其价钱也是柴油发电机组的3-6倍，约为3000美

22、元千瓦，不是一样国家海军能够经受了的。潜艇用燃料电池（FC/AIP）系统的开发工作已经走过了三个历史时期。第一时期，随着1960年燃料电池在航天领域率先成功运用后，很多国家对其在潜艇上的运用产生了浓厚的爱好，美国、瑞典前后投入了大量的人力、物力、财力对此进行研究，但由于那时技术工艺水平尚不能达到有效要求，不久遂停止了研制工作。第二时期是1970-1980年，日本进行了大量的开发研制工作，后来也因各类缘故停止。第三时期是1980年以后，德国加大了此项研究力度，并成功地将燃料电池安装到潜艇上进行海上实验，引发全世界的关注，各国随后都加大了对FC/AIP系统的研究投入。另外，核电混合推动系统（SSN

23、/AIP）的研制工作也在不断推动和深切，加拿大在此类AIP系统的研究方面走在了世界各国的前面，其研制的AMPS型核电混合推动系统即将迈入有历时期，这种只需通过简单改装就可使常规潜艇变成小型核潜艇的动力系统日趋引发各国海军的注意。但必需指出的是，目前不管哪一种AIP系统，其输出功率均不能知足常规潜艇水下最大航速航行的需求。只有将AIP系统与当前潜艇的“柴电”动力装置组合在一路，组成混合推动装置才具有有效价值。AIP系统只有在作战情形下利用，作为辅助动力系统，延长潜艇水下续航时刻和航行距离，扩大水下活动范围。而在一样情形下，还需“柴电”动力装置作为要紧推动系统。不管如何，AIP系统使得常规潜艇能够

24、在敌情要挟严峻的情形下取消通气管状态，减少暴露概率，提高隐蔽性，一旦装备潜艇后，无疑将会使现代常规潜艇的攻防作战能力取得大幅提升。关于以后常规潜艇的AIP系统的选择，一直是大伙儿所关注的。从目前来看，燃料电池（FC/AIP）系统综合性能最佳，但危险性也相对较高，因此在解决燃料安全性的问题以后，这种系统无疑是潜艇的最佳选择。而其他三类AIP系统，不管从性能和安全性来讲，都相差不大，从技术实现难度来看，斯特林发动机（SE/AIP）系统也最小，因此能够作为当前的选择。加速大推力氢氧发动机研制加速大推力氢氧发动机研制 迎接21世纪摘要 回忆了各国氢氧发动机的进展概况,对我国的现状和差距作了比较。提出应

25、加速 我国大推力氢氧发动机的研制，并踊跃开展各项先进技术的预先研究工作。 关键词 氢氧发动机，运载火箭,综述。Speed up the Development of LOX/LH 2 Rocket Engine to Greet the 21st CenturyGu Mingchu(Beijing Institute of L iquid Rocket Engine,Beijing,100076） Abstract The development of LOXLH rocket engine in the world is reviewed, and the current situation

26、 and differences of the engines in China are analysed. The suggestion of speeding up the development of a large thrust LOXLH engine and taking vigorous action to research advanced propulsion technology are proposed. Key Words Hydrogen oxygen engine， Launch vehic1e,Summary. 1 前言 20世纪下半叶，人类在航天活动方面取得了非

27、常辉煌的成绩。1957年10月4日，前苏 联发射了世界上第1颗人造地球卫星，它标志着人类航天活动新纪元的开始。1969年7月20 日，美国的阿波罗飞船实现了使宇航员登上月球的目标，在人类征服宇宙的进程中迈出 了庞大的一步。迄今世界各国已向宇宙空间发射了一系列卫星和飞船，它们在通信、导航、 气象、地球资源勘探及深空探测等各个领域为世界经济的进展发挥了庞大的作用。 航天活动能取得如此的成绩是同液体火箭发动机技术的迅速进展紧密相关的。其中，氢 氧发动机技术的进展更是对人类航天活动的进展有着举足轻重的作用。因此，咱们必需加速 我国氢氧发动机技术的进展，以知足以后各类航天任务的需要，而且缩小与国际先进水

28、平的 差距，确保我国的航天大国地位。2 各国氢氧发动机进展概况 美 国 a) 1958年，美国开始研制它的第1台氢氧发动机RL10发动机，这也是世界上第1台 氢氧火箭发动机。它采纳膨胀循环，真空推力 t。该发动机1963年投入利用。它可用作 宇宙神、大力神、雷神及土星运载火箭上面级的动力装置，在美国的空间活 动中占有重要位置。 该发动机进行了不断改良，前后有RL10A-一、RL10A-3、RL10A-3-一、RL10A-3-3、RL10A- 3-3A、RL10A-3-3B、RL10A-4、RL10A-4-一、RL10A-5等型号。1995年6月，又开始研制用于 德尔它火箭上面级的RL10B-2

29、发动机。该发动机采纳由碳-碳材料制造的、可伸展的喷管 延伸段，真空比冲达 s。 b) J-2发动机是美国在1960年开始研制的大推力氢氧发动机。它采纳燃气发生器循环 ，发动机真空推力 t，真空比冲426 s。 J-2发动机用于美国为阿波罗登月任务而专门研制的土星B和土星大型运载火箭上。土星 B火箭的第2级用单台J-2发动机作其动力装置（第1级采纳8台H-1液氧煤油发动机，每台 发动机的海平面推力为93 t）；土星火箭的第2级用5台J-2发动机并联，第3级用单台J-2 发动机作为其动力装置(第1级采纳5台F-1液氧煤油发动机，每台发动机的海平面推力为691 t)。 土星B要紧用于载人和不载人的阿

30、波罗飞船的近地轨道飞行实验，自1966年2月至1968 年10月，共发射5次。1973年用土星B将3批宇航员送至天空实验室 。1975年又用于美、 苏两国联合进行的阿波罗-联盟号空间对接飞行。 土星火箭的要紧任务是将阿波罗载人飞船送入月球过渡轨道，并被用于发射天空实验室 。1967年11月1973年12月，该火箭共发射13次。 c) 1972年美国正式宣布开始研制新的空间运输系统航天飞机。它的轨道飞行器上装 有3台主发动机(SSME)。 SSME采纳液氢/液氧作推动剂，具有高燃烧室压力、分级燃烧循环、可重复利用等特 点。每台发动机的真空推力为213 t，可在65%109%范围内调剂。发动机利用

31、次数为55次。 1981年4月参加航天飞机首飞，至今，SSME已完成近百次飞行任务。 SSME的研制成功，标志着世界液体火箭发动机技术达到了一个新的高度。 前苏联 a) D-56(KVD-1)是前苏联为登月任务研制的氢氧发动机。它采纳分级燃烧循环，真空推 力 t，真空比冲461 s。发动机具有多次启动能力。 目前预备将该发动机用于新型的质子号M火箭的低温第4级上。并有资料报导，印度已 向俄罗斯购买了7台发动机，用作地球同步轨道卫星运载火箭(GSLV)的动力装置，打算于199 9年首飞。 b) 60年代，前苏联研制了D-57发动机。这是一台高性能氢氧发动机。它采纳分级燃烧循环 ，发动机真空推力40 t，真空比冲456 s。 该发动机原打算用作前苏联N-1登月火箭上面级发动机的备份方案。它已完成各类 地面实验。1969年1972年，N-1火箭的4次飞行均失败，而美国已实现阿波罗打算， 抢先登上了月球，前苏联只得宣布取消登月打算。 c) 鉴于N-1登月火箭失败的教训，前苏联于1974年开始研制能源号大型运载 火箭及它的两台大推力液体火箭发动机RD-170和RD-0120。 RD-0120是大推力氢氧发动机，能源号火箭芯级采纳4台RD-0120作为动力装置。每 台发动机的真空推力200 t，真空比冲455 s。它与美国航天飞机主发动机水平相当，