6kw斯特林发电机设计及方案.docx

1、6kw斯特林发电机设计及方案6kw斯特林发电机设计及方案 6KW斯特林发电机设计方案1. 斯特林发动机技术现状斯特林发动机始于1816年。其后的若干年内，斯特林发动机的开发都没有实质进展。直到上世纪30年代，具有实用价值的现代斯特林发动机才问世。但结构复杂、体积庞大、密封困难等缺陷严重阻碍了其应用推广。只用于潜艇等特殊领域！瑞典考库姆公司在该技术领域居领先地位。装备世界海军的斯特林发动机都是采用该公司的技术方案。美国STM公司选择斜盘输出的技术路线，也成功开发出斯特林发动机。应用范围仍然有限。自从上世纪三十年代荷兰菲利蒲斯发明现代斯特林发动机以来，通用汽车公司、福特公司、瑞典斯特林联合公司和德

2、MAN公司分别于六十年代、七十年代购买此项专利。在轿车和公共汽车上进行了大量试验，都因经济原因无法推广。但是，斯特林发动机的发展潜力一直受到高度重视。早在1974年，美国人R.W.Richardson分析比较了各类发动机的优缺点后的预言：斯特林发动机是很有前途的发动机！斯特林发动机的发展期待着结构的重大突破！2007年12月19日，结构更合理的斯特林可逆热机申报中国发明专利，2011年6月15日获中国发明专利（专利号200710050949.2）。清除了阻碍斯特林发动机推广应用的所有障碍，使斯特林热机全面取代内燃机可以成为现实。2011年1月31日申请中国发明专利的一种斯特林热机工况控制器（申

3、请号201110035499.6）为斯特林发动机提供了可靠的控制系统。新型斯特林发动机设计理论研究一文针对斯特林可逆热机的结构，采用施密特分析法，建立了相应设计理论模型，推导出了准确进行理论计算的功率计算公式；提出了停机角、运转角等技术新概念；从输出功和停机角、运转角差值的正负，确定斯特林可逆热机是用于发动机或制冷机，从理论上阐明了斯特林可逆热机的可逆性。斯特林发动机极限压力与平均温度关系探析解决了施密特分析法理论计算必须的平均温度理论计算难题。在这种技术条件下，相同功率的斯特林发动机比内燃机体积小，零件减少40%以上。噪声低、适应高海拔高寒条件等固有优势充分发挥，使用性能优于内燃机、制造成本

4、低于内燃机的技术条件已经成熟。取代内燃机毫无悬念，只是时间问题。上世纪三十年至七十年代，斯特林发动机在同内燃机的竞争中败北，其原因就是内燃机的体积小、密封容易。斯特林可逆热的体积比内燃机更小，密封问题也解决了。在新一轮竞争中，斯特林发动机将处于优势地位。国际斯特林发动机业界关于“二十一世纪是斯特林发动机的世纪。”的论断很有科学预见性。该6KW斯特林发电机设计方案采用斯特林可逆热机的结构，按照施密特分析法进行理论计算。斯特林可逆热机在结构上与美国STM公司的斜盘输出结构有相似性，都是四个工作腔均匀分布在园周上，相邻活塞组的冷区热区气缸相连，形成热区气缸容积变化超前冷区气缸容积变化90度的相位关系

5、。图一就清楚描述了这种相位关系。虽然美国STM公司的斜盘输出结构相对菱形结构、双曲柄结构空间利用率高，但是密封、冷却、相邻工作腔之间窜气等问题同样导致其可靠性低。斯特林可逆热机结构较斜盘输出结构的突出优点在于：1、独特的两级密封结构，使工作腔与二级密封腔的压差很小，动密封转成了静密封。同时解决了四个工作腔工作不平衡问题。2、冷区气缸集中在一起，便于冷却，不必采用水冷，直接风冷。3、热区气缸冷区气缸完全分开，杜绝了同一缸套内热区向冷区传热的现象。4、发电机在二级密封腔内，和热机一体化程度高，更紧凑，体积更小。5、采用工质调节输出功的控制系统，功率控制范围更大，更灵敏。6、回热器外置，合理利用机体

6、侧面空间。斯特林可逆热机与现代内燃机相比，空间利用率高、零部件少、燃烧过程更易组织、强化程度不受大气压限制、燃料来源广、控制更容易。就6KW斯特林发电机而言，采用斯特林可逆热机的整机体积完全可控制在直径350mm，长800mm内；6KW的柴油发电机就很难办到。 图一 斜盘结构斯特林发动机相位关系图2. 斯特林发动机工作原理2.1 斯特林循环斯特林可逆热机工作原理同以前各种类型的斯特林发动机工作原理完全一样，按照由两个恒温过程和两个恒容过程组成的斯特林循环运行。但实际循环与理论循环有差别。图二是两者比较图。 图二 斯特林循环比较图在斯特林可逆热机的结构确定后。合理设计发动机参数，描述发动机工作状

7、态的理论也趋于成熟。该理论揭示了热与功转换的实质；提出了停机角和运转角等新概念；设立了发动机和制冷机判定标准。为斯特林可逆热机应用于发动机和制冷机两大领域提供了实用的设计理论。2.2 斯特林可逆热机的热流向斯特林可逆热机的热流向遵循从高温区自发向低温区运移的规律，但不是简单地从热区流向冷区。而是经过由热转换为功，有部份能量以功的形式输出；有部分功又还原为热，在冷区散失。理论上讲，斯特林循环的两个恒温过程涉及到热与功转换，两个恒容过程只涉及到热量交换。热量从热区流向冷区是靠两个恒温过程的热功和功热转换来完成的。两个换热过程只是将上一循环工质余热回收，用于一下循环。是内部的热交换。既不从环境吸热，

8、也不向环境放热！实际应用中的斯特林循环，恒容过程有功输出，恒温过程也有热交换。任何热力学过程都只是部分工质参与其所处的热力学过程。2.3 斯特林可逆热机的功输出在两个恒温过程中，吸收的热量始终大于放出的热量。两者的差额转换成了机械能。斯特林可逆热机有4个完全相同的工作腔。每个工作腔的容积由热区气缸容积V2、冷区气缸容积V1、回热器容积V0、加热器容积VH组成。V2、V1随着输出轴转角变化而变化；V0、VH是恒定值。V0、VH内工质的平均温度为T0；热区气缸内工质温度T2；冷区气缸内工质温度T1。向工作腔内注入工质量n。在热区内的工质量n2,在冷区气缸内的工质量n1,在回热器内的工质量n0，在加

9、热器内的工质量nH。设工质为理想气体，处于热区气缸、冷区气缸、回热器、加热器的工质都满足理想气体状态方程。回热器，加热器不好截然分开，作整体考虑。设工作腔内压力为P，R为理想气体常数。则有方程组I 工作腔输出功W包含热区气缸和冷区气缸容积变化的输出功。设热区气缸输出功为W2，冷区气缸输出功为W1，热区活塞截面积A2，冷区活塞截面积A1。以热力学过程起点为基准，活塞位移相对输出轴转角为，若活塞位移相对于输出轴转角呈正弦函数关系。规定容积膨胀对外作功为正。则有V2=A2L(1+Sin) (1) V1=A1L(1-Cos) (2)= (3)由方程组I解出n2 代入（3）= (4)同理= (5)工作腔

10、的输出功W为热区气缸输出功W2与冷区气缸输出功W1之和。 (6)令WA、WB、WC、WD分别代表恒温膨胀过程、恒容放热过程、恒温压缩过程、恒容加热过程的容积功。 (7) (8) (9) (10)斯特林可逆热机一个斯特林循环的输出功是4个工作腔输出功之和。 4 (11)2.4停机角和运转角的定义斯特林可逆热机输出功在4个热力学过程中都有体现。将恒温过程和恒容过程的容积功分别相加。设 、分别代表、的分母。 (12) (13)热冷区温差消失，发动机将停止运转。在公式（12）、（13）中表现为 (14) (15)该角度客观反映了发动机或制冷机处于停机状态时，工作腔所处热力学过程点相对于热力学过程起点的

11、位置。定义为停机角。用表示。而发动机或制冷机处于运转状态时，恒温过程输出功为零的条件是 (16) (17)该角度客观反映了热区、冷区工质温差导致发动机或制冷机偏离停机状态的程度。定义为运转角。用表示。2.5斯特林发动机极限压力与平均温度的关系斯特林发动机运行的压力极小值出现在等容放热过程与等温压缩过程交汇点；压力极大值出现在等容加热过程与等温膨胀过程交汇点。为便于理解，以工作腔结构简单的斯特林可逆热机为例阐述。在压力极小值点，热区容积是气缸容积的一半，冷区容积是整个气缸容积。工作腔工质量n是处于热区容积内、冷区容积内、通流容积内的工质量之和。压力极小值Pmin与工作腔工质量n、热区气缸截面积A

12、2、冷区气缸截面积A1、冲程长度L、通流容积V0、平均温度T0、热区温度T2、冷区温度T1、理想气体常数R存在如下关系： (18) 在压力极大值点，热区容积是气缸容积的一半，冷区容积为零。工作腔工质量n仅处于热区容积内和通流容积内。同理，压力极大值Pmax与相应参数间有如下关系式： (19)由公式(18)、公式(19)解得： (20)将公式(20)代入公式(19)则有： (21)由公式(18)、公式(19)可得压力极值与平均温度的直接关系式： (22) 此式表明：在热区冷区气缸容积及工作温度已定的前题下，压力极限值比取决于平均温度和通流容积。2.6斯特林发动机平均温度计算平均温度不仅与通流容积

13、的大小有关，还与通流容积的结构有关。通流容积V0由加热器容积VH、回热器容积VRD、冷却器容积VC组成。即有： (23)加热器温度为热区温度T2，回热器平均温度TRD，冷却器温度为冷区温度T1。热机在任何压力为P的工况点都有： (24)而回热器容积是通流容积的中间部分，两者结构相似。回热器平均温度TRD与通流容积的平均温度T0数值很接近，实际应用中都没严格区分。以T0替代的TRD误差很小。就数值而言，完全可认为： (25)结合公式(23) 、公式(24)、公式(25)，可解得： (26)此式表明：平均温度由加热器容积、冷却器容积、回热器容积及其分配比例和热区冷区温度决定。2.7斯特林发动机极限

14、压力和平均温度的应用斯特林发动机设计，准确计算输出功是关键。有四个工作腔的斯特林可逆热机，一个工作腔的一个工作循环输出功W为： (27)式中是以等温膨胀过程起点为起始的转角。公式(27)中，平均温度T0和工作腔工质量n是两个重要参数。过去没有准确的计算方法，只能依靠经验公式估算。现在根据通流容积结构参数和热区冷区温度，就能用公式(26)计算出平均温度T0，再结合给定压力极大值Pmax，用公式(22)求出压力极小值Pmin，最后由公式(21)计算工作腔工质量n值。将求得的平均温度T0值和工质量n值代入公式(27) 计算输出功W。 由此可见，极限压力和平均温度是设计斯特林发动机计算的重要参数。3.

15、 6KW斯特林发动机设计理论计算 将输出功公式(27)、平均温度公式(26)、极限压力公式(22)、各热力学过程相应参数写入计算机，得一个工作腔的计算结果。图三是计算过程。图三 单工作腔热力计算图 通过计算得出如下结果：6KW斯特林发动机缸径为40，冲程长度为30，转速3000转/分钟，最高工作压力9MPa，单缸输出功率为1.676KW，每工作循环吸热111.731J，,放热78.212J，回热209.724J。考虑各种功率损失和驱动附属机构所需功率，工作压力在9MPa能保证整机输出功率达6KW。4. 6KW斯特林发动机整体设计 根据以上计算的参数组合，确定整机体积为在直径400mm，长800

16、mm。其中加热端为200mm，机体为100mm，冷却端为150mm，电机长为3500mm。回热器和控制系统布置在机体侧面。图三是整体布置图。左边是包含加热器和热区气缸的加热端；依次是包含热机转子、定向块、回热器的机体；再次是冷却端和电机。 图三 整体布置图。定向块的两端连杆连接热区活塞和冷区活塞，构成活塞组。机体内有四组活 图四 活塞组图塞组，相应的热区或冷区气缸底部与相邻活塞组对应的冷区或热区气缸底部，经回热器连通，构成四个工作腔。所以，热区活塞的相位超前冷区活塞90度，整个工作腔的容积变化按斯特林循环进行。图四是活塞组图。 机体内部是转子支撑架固定的转子，定向槽内的定向块。图五是将这些部件

17、移出机体腔的结构图。 图五 机体内部结构图。 5.关键技术问题及解决办法 整体结构设计完成后，还必须妥善解决发动机运行过程中遇到的各类问题。其中关键的是密封问题、润滑问题、控制问题。5.1密封问题密封问题是阻碍斯特林发动机推广应用的首要问题，一直没有解决。斯特林可逆热机的两级密封技术完美地解决了这个难题。具体方案就是将整个发动机内部密封，形成二级密封腔。所有气缸的工质只能向二级密封腔泄漏。二级密封腔内的工质压力保持在工作腔最高工作压力与最低工作压力之间，使工作腔和二级密封腔之间压差很小，减少泄漏量。即使在工作腔压力高于二级密封腔压力时泄漏，在工作腔压力低于二级密封腔压力时也能自动回补。只要保证

18、二级密封腔的静密封可靠就行。而现代静密封技术是可以做到完全密封的。对静密封微量泄漏，还可以通过补充工质的办法解决。5.2润滑问题 6KW斯特林发动机的摩擦副有活塞与缸套、转子与支撑架、滚子与斜盘、定向块与定向槽等。活塞与缸套之间的活塞环选用有自润滑效果的材料，活塞设计为头部是绝热好的材料，尾部是导热好的材料。使活塞环上产生的热量及时散失，保证活塞环自润滑功能不丧失。转子与支撑架之间选用带润滑脂的主轴承和止推轴承，现代电机的轴承就能满足使用要求。滚子与斜盘之间是滚动，接触面涂高粘润滑脂，滚子内设储润滑脂内空。定向块与定向槽之间是滑动摩擦，在定向块的两端摩擦面上设储润滑脂空间，定向块往复运动将润滑

19、脂带到整个摩擦面。5.2控制问题 斯特林发动机的控制包括起动制动及工况控制。控制系统由高压工质罐、起动制动控制器、工质均衡器室、减速阀、加速阀、减压阀一、减压阀二、回压阀、 图六 斯特林发动机控制系统低压工质罐、工质增压泵等10个部件组成，由起动制动控制信号、转子相位信号、工况控制信号等3个信号源控制，完成起动、加速、减速、停机等4种操作。各部件的连接关系如图六所示。方框代表部件或信号，箭头方向代表工质流动方向或信号传递方向。各部件的构成及功能列入表一。 表一 斯特林发动机控制系统各部件构成及功能序号部件 构成及功能1起动制动控制器根据所给信号和转子相位信号，向指定工作过程工作腔注入工质的控制

20、装置。起动时向处于等温膨胀过程的工作腔注入工质；制动时向处于等温压缩过程的工作腔注入工质。2工质均衡器室将所有工质均衡器封装在内的密闭容器，其压力值控制燃油和空气供给量以及工作腔内工质数量，其压力值的变化控制发动机输出功率增减。3减速阀阀门，该阀处于开启状态，加速阀关闭，向低压工质罐泄减工质，工质均衡器室压力降低，工质经工质均衡的安全阀由工作腔进入工质均衡器室，发动机输出功率减小。该阀处于关闭状态，若加速阀关闭，发动机输出功率处于稳定；若加速阀开启，发动机输出功率增大。减速阀和加速阀不能同时开启。4加速阀阀门，该阀处于开启状态，减速阀关闭，向工质均衡器室注入工质，工质经工质均衡的单向阀进入工作

21、腔，发动机输出功率增大。该阀处于关闭状态，若减速阀关闭，发动机输出功率处于稳定；若减速阀开启，发动机输出功率减小。5减压阀 二减压阀，将高压工质降至加速阀额定压力。6低压工质罐低压罐体，储存低压工质。7工质增压泵增压泵，将低压工质加压、注回高压工质罐。8回压阀阀门，一直保持关闭，只有检修或换工质时开启。9高压工质罐耐高压罐体，储存高压工质。10减压阀 一减压阀，将高压工质降至二级密封腔额定压力。高压工质罐有3个流出端口和1个流入端口。1个流出端口与起动制动控制器连接；1个流出端口与减压阀二连接；1个流出端口与减压阀一连接；流入端口与工质增压泵连接。起动制动控制器由4个单向阀和1个接收转子相位信

22、号和起动制动控制信号、控制4个单向阀开关的装置组成。4个单向阀的进口端连接高压工质罐，出口端分别连接4个工作腔。工质均衡器室是将4个工质均衡器封闭在内的1个密闭容器，分别与减速阀的进口端和加速阀的出口端连接，并有1 个控制燃油量和空气量的压力信号输出口。4个工质均衡器分别连接4个工作腔。减速阀是进口端与工质均衡器室连接，出口端与低压工质罐连接的阀门。开闭受工况控制信号控制。加速阀是进口端与减压阀二连接，出口端与工质均衡器室连接的阀门。开闭受工况控制信号控制。减压阀一的进口端与高压工质罐连接，出口端与二级密封腔连接。减压阀二的进口端与高压工质罐连接，出口端与加速阀连接。回压阀的进口端与二级密封腔

23、连接，出口端与低压工质罐连接。低压工质罐分别与减速阀的出口端、回压阀的出口端、工质增压泵的进口端连接。工质增压泵的进口端与低压工质罐连接，出口端与高压工质罐连接。工质均衡器室的压力成了四个工作腔工质量和燃油空气量的控制基准，与二级密封腔压力已经没有关系。工质均衡器室可以安装在二级密封腔外，与工作腔的接口开在回热器的低温端。回热器是斯特林发动机的关键部件，工质在回热器内的流变特性，对斯特林发动机性能影响很大8。现代斯特林发动机回热器都是采用金属丝网蓄热的设计方式9。没有充分利用四缸斯特林发动机在同一时间，各工作腔分别处于不同的热力学过程，既有处于放热过程的，又有处于吸热过程的，且工质流向相反的特

24、点。也就是没有利用逆流换热效果最好的客观规律10。其实，只要将每个工作腔的两气缸用若干根金属管连接，四个工作腔的金属管中部均匀分散紧贴，熔为一体，彼此之间能进行热交换，再外包绝热层。就是热交换式回热器。用于大功率发动机，热交换式回热器比蓄热式回热器更省料、高效、低成本，工质流变性也会更好。也有利于控制系统的运行。该斯特林发动机控制系统部件体积小，便于布置，易于操控。工质是完成起动制动及工况控制的执行者。起动，工质由高压工质罐流入处于等温膨胀过程的工作腔；制动，工质由高压工质罐流入处于等温压缩过程的工作腔；加速，工质由高压工质罐经减压阀二、加速阀、工质均衡器单向阀流入4个工作腔；减速，工质从4个

25、工作腔经工质均衡器安全阀、减速阀流入低压工质罐。工质经减压阀一流入回压阀关闭的二级密封腔，压力值由减压阀一设定，并和4个工作腔内的压力达到动态平衡，实现可靠密封。这是起动制动及工况控制有效进行的保证。起动运行时，给起动制动控制器输入向处于等温膨胀过程相位的工作腔注入工质的信号。起动制动控制器根据转子相位信号，确认处于等温膨胀过程相位的工作腔，并开启相应阀门。工质从高压工质罐流入处于等温膨胀过程相位的工作腔，腔内压力升高，推动活塞运动，发动机起动。制动运行时，给起动制动控制器输入向处于等温压缩过程相位的工作腔注入工质的信号。起动制动控制器根据转子相位信号，确认处于等温压缩过程相位的工作腔，并开启

26、相应阀门。工质从高压工质罐流入处于等温压过程相位的工作腔，腔内压力升高，阻止活塞运动，发动机制动。加速运行时，开启加速阀，工质流入工质均衡器室，压力升高，自动打开工质均衡器的单向阀，工质流入工作腔。与此同时，压力升高的信号传到燃油和空气供给系统，燃油和空气供给量同步增加，发动机加速。减速运行时，开启减速阀，工质由工质均衡器室流入低压工质罐，工质均衡器室的压力降低。压力降低到工质均衡器的安全阀开启所需压差时，工作腔内的工质从安全阀溢流到工质均衡器室。与此同时，压力降低的信号传到燃油和空气供给系统，燃油和空气供给量同步减少，发动机减速。6. 6KW斯特林发动机设计方案的技术先进性该6KW斯特林发动机设计方案是直接采用2011年6月15日授权的专利技术，控制系统的核心部件工况控制器也在专利实审过程中。其结构处于国际领先水平。设计理论是应用施密特分析法，针对该结构建立的一套完整计算公式，比传统经验公式更准确。