机械制造原理：这发动机，一看就不简单

2017-07-11  by:CAE仿真在线  来源:互联网

一、斯特林发动机是如何出现的

17和18世纪是个天才辈出的时代,在巴黎,1个铜板可以买3个天才。瓦特给蒸汽机加上了调速器,人类进入了蒸汽时代,继而有了火车、轮船。只是这个蒸汽机太耗煤,当时有人认为,如果用热的气体来代替蒸汽,就可以避免蒸汽因冷凝造成的热损失。

英国的科学家罗伯特·斯特林(Robert Stirling)根据这一设想,于1816年发明了外部燃烧的闭式循环热空气机,即“斯特林发动机”(Stirling Engine)。由于当时缺乏良好地耐热材料,而且那时法国的工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺还没有提出卡诺循环,人们对热气机的性能了解很有限,已知机器的效率和功率都很低;19世纪中叶以后,随着高效率的内燃机的发明和石油的大量开采,斯特林发动机的研制工作就停止了。

1938年,随着荷兰飞利浦公司重新研制斯特林发动机,现代意义上的斯特林发动机出现了;不过一个做灯泡的公司研制发动机,有点难为他们了,如果是上汽做,肯定比他们做得好。随着技术的进步,人们采用了传热好、粘度小的氢气或氦气作为工质,研制成功了各种类型的斯特林发动机,将他们用于卫星、汽车、轮船、潜艇、甚至人造心脏上。

斯特林发动机是一种封闭循环回热式发动机,它由燃料在外部燃烧加热工质,工质吸热后膨胀推动活塞做功,工质被活塞压缩时冷却,如此循环。为保证发动机的连续工作,因此一般还需要一个配气活塞和回热器。根据这些零件的配置和结构,一般可分为α、β和γ型。

二、斯特林发动机的发明者

斯特林,英国物理学家,热力学研究专家。斯特林对于热力学的发展有很大贡献。他的科学研究工作主要是热机。热机的研制工作,是18世纪物理学和机械学的中心课题,各种各样的热机殊涌而出,不断互相借鉴,取长补短,热机制造业兴旺起来,工业革命处于高潮时期。

三、斯特林发动机的工作原理

1816年苏格兰人罗伯特?斯特林发明了斯特林发动机,是一种用外部热源加热使活塞往复运动的外燃机,外部热源连续加热发动机的热缸,外部冷源连续冷却发动机的冷缸,适用于各种热源,下面通过一个原理模型来介绍它的工作原理。

图1是该原理模型的结构,模型有一个热气缸与一个冷气缸(气缸为剖面表示),热气缸上有吸热片帮助吸热,冷气缸上有散热片帮助散热,两个气缸通过回热器连通;在气缸内充有气体作为工质,工质不会向外泄漏。热活塞可在热气缸中往复移动,冷活塞可在冷气缸中往复移动,热气缸外有加热源对气缸内气体进行加热,冷气缸外有冷却源吸收气缸内气体的热量。

图1 斯特林发动机原理模型

加热源由炉火表示,冷却源用风扇表示;回热器有较大的热容量与很好的导热性,比回热器温度高的气体通过回热器时,回热器吸收气体的热量;比回热器温度低的气体通过回热器时,气体吸收回热器的热量;对于该模型我们假设回热器空间容量很小(内部气体可忽略),假设气缸导热性能很好。

两个活塞通过一个机构相连接,按一定的规律移动。下面将演示模型是如何工作的,图2是运行第一阶段起始状态。

图2 斯特林循环——等温压缩

运行开始,机构推动冷活塞向左移动,热活塞不动,冷气缸中气体被压缩,向气缸外放出的热量由冷源吸收,气体温度不变。运行下一步进入第二阶段,图3是运行第二阶段起始状态。

图3 斯特林循环——等容升温

机构继续推动冷活塞左移,在气体压力与机构控制下热活塞与冷活塞同步左移,冷气缸中的气体通过回热器进入热气缸,气体在通过回热器时温度升高气压升高。运行下一步进入第三阶段,图4是运行第三阶段起始状态。

机构控制冷活塞不动,高压气体膨胀推动热活塞向左移动,向外部做功,加热源使热气缸中气体在膨胀做功时温度不变,减缓气压下降,热活塞移动到热气缸端头。运行下一步进入第四阶段,图5是运行第四阶段起始状态。

图5 斯特林循环——等容冷却

机构控制热活塞与冷活塞同步右移,气体通过回热器时把热量传给回热器,气体温度降低,气体压力下降,等到活塞移动到气缸端头,整个运行完成,四个阶段构成一个循环,然后又进入第一阶段起始状态,开始下一个循环,这个循环称为斯特林循环。

以下是斯特林循环模型的运行动画

斯特林循环模型工作原理

以上是理想的斯特林循环,理想的斯特林循环有很高的热效率,上例中加热源与冷却源间歇工作是为了表示理想斯特林循环的实现,实际上加热源与冷却源可连续工作,机构仍可工作,只不过循环曲线的拐角会变得园一些,效率会低一点。根据该原理有多种结构可近似实现斯特林循环,在后面将择主要介绍。

在实际应用中也有按照这个基本原理结构制成的斯特林发动机,输出往复的直线运动,可直接带动直线发电机发电。

在上面斯特林循环图的上方有一个热力状态坐标图,纵坐标p是气缸内气体的压力,横坐标v是气缸内气体的体积,称之为压容图或p-v图,是分析热机效率的主要图形之一。坐标内的闭环曲线就是气缸内气体的压力与体积的变化曲线,循环曲线的面积代表该斯特林机在一个循环所做的有用功,曲线上的红点位置对应活塞的运行状态与位置。

四、斯特林发动机分类

1、配气活塞式

配气活塞斯特林发动机分为β型和γ型两种。基本的β型斯特林发电机只有一个气缸,气缸内有一个配气活塞和一个动力活塞。配气活塞的作用是将气体按斯特林循环的规律在热腔和冷腔内转移。动力活塞的作用是在压缩过程中将气体压缩,在膨胀过程中受气体推动,输出机械功。两个活塞的协调运动产生了完整的斯特林循环所需的气体流动过程。

γ型斯特林发动机和β型相似,区别在于动力活塞和配气活塞分别在两个气缸内。两种发动机的配气活塞的两端压力差都接近零,因此不需要设计密封结构,但其活塞杆处有滑动密封的要求。动力活塞两端的压力差较大,靠近工质的一端压力最大值接近发动机循环压力最大值,必须采用密封结构以防止工质泄漏和压力损失。

2、双活塞式

一台完整的α斯特林发动机至少有两个气缸,每个气缸中各有一个活塞。推动工质做等温压缩的活塞称为冷腔活塞或压缩活塞;工质在等温膨胀时向外做工而推动的活塞称为热腔活塞或膨胀活塞。在实际的α型斯特林发动机做功时,两个活塞在循环过程中都承担着传递功率的功能;活塞两端压力差大,必须采用密封结构以防止工质泄露。但活塞杆或连杆则不需考虑密封。

五、斯特林发动机优点

1、污染水平低

该产品在生产过程污染排放被控制在最低水平。热气机运行时,由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧,可以和空气充分接触,燃烧比较完全,燃料的燃烧值比较高,和内燃机相比,大大降低了废气中CO、HC等有害气体的排放,减少环境污染。

2、模块化设计

该产品的模块化设置使得Cleanergy太阳能斯特林发电机能得到非常灵活的应用,不仅可以独立离网使用,还可集群成 100 兆瓦容量的发电机组,从而形成兆瓦级太阳能发电园区。

3、节省水资源

该产品利用气体循环压缩和扩张来发电,是无水消耗的发电技术,直接节省了水资源,而其他聚光太阳能热发电技术(CSP)则通过加热水或液体产生水蒸气带动汽轮机发电的技术,需要消耗大量水资源。

4、低成本发电

目前,该产品发电成本约为6欧分/度,仅为太阳光伏发电成本的二分之一,在所有太阳能发电解决方案中成本最低,随着规模化运营,发电成本尚存继续下降空间。和内燃机相比,斯特林发动机的结构简单,减少了40%以上的零部件。没有高精密的气阀机构、高压喷油系统,不用气化和点火系统,没有需要良好润滑的活塞环等,制造成本低,便于维修保养。

5、高发电效率

该产品能有效利用太阳热能产生高于太阳光伏发电(PV)两倍效率的发电产出。同时,该产品还能持续追踪太阳,每天发电峰值持续8小时,高于太阳光伏发电每天发电仅维持峰值5小时的水平。此外,该产品光电转换效率不会递减,而太阳光伏发电的光电转换效率每年都会衰减1%左右。

6、适用各种能源

无论是液态的、气态的或固态的燃料,当采用载热系统(如热管)间接加热时,几乎可以使用任何高温热源,如:

生物质能(柴火等)(太阳能放射性同位素和核反应等),而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改。同时热气机无需压缩机增压,使用一般风机即可满足要求,并允许燃料具有较高的杂质含量。

太阳能。这是斯特林发动机较为常见的用途之一。

放射性同位素。常见于用于潜艇、深空的AIP系统。

7、不受气压影响

这是由于斯特林闭循环中工质与大气隔绝产生的。这使得它非常适合于高海拔地区使用。

8、噪音小

热气机在运行时,由于燃料的燃烧是连续的,因此避免了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程,从而实现了低噪音的优势。这使得它可以用在潜艇上以得到较好的隐蔽性。热气机单机容量小,机组容量从20-50kw,可以因地制宜的增减系统容量。结构简单,零件数比内燃机少40%,降价空间大,同时维护成本也较低。

六、斯特林发动机组件

1、冷却器

位于回热器和冷腔之间,功能是将压缩热传到外界,保证工质在较低的温度下进行压缩。

2、加热器

加热器是将外部热源的热能传给工质,使其受热膨胀。加热器的一端与热腔联接,另一端与回热器联接。

3、回热器

串联在加热器和冷却器之间,是循环系统的一个内部换热器,它交替从工质吸热和向工质放热,使工质反复地受到冷却和加热。回热器并不是必需装置,但它对发动机的效率影响极大。

在往复式斯特林发动机中,回热器的使用既使斯特林循环的热效率明显提高,但又增加了工质的阻力和压力损失,工质吸热、散热交替进行,限制了斯特林发动机的转速,影响了功率的输出。因此,优化回热器的设计是斯特林发动机的核心技术问题。

4、热腔

始终处于循环的高温部分,连续地将外部热源传给工质,在膨胀时相当部分的工质居于热腔。因此其必须能承受高温和高压,大量的热损失是由热腔散失的。

5、冷腔

处于循环的低温部分,和冷却器联接,压缩热量由冷却器导至外界,在压缩过程中有相当一部分工质居于冷腔。

七、斯特林发动机如何自制

1、材料的准备和加工

要制作一个饮料罐斯特林发动机,你需要如下材料:10毫米厚的木板;10毫米厚的巴尔沙(轻木,做航模用的);1.5毫米直径的金属丝;钓鱼线;1个气球;5毫米边长的正方形木条;2个图钉;1个曲别针;粘土;1个200毫升的铁罐;硬纸板;蜡烛;钉子(或木螺钉);橡皮筋。

需要如下工具:钳子、剪子、锯、木胶、快干胶,润滑油。

它主要由木头框架,金属丝做的曲轴,铁罐做的气缸体,气球做的隔膜几部分组成。你可以很容易得到这些材料。木制的活塞通过鱼线与曲轴联接。

2、切割木板

你必须切割两块侧板,2块安装铁罐的木板和1块底板,都要厚10毫米。你必须在侧板打孔,使曲轴的金属丝能够穿过,且顺滑转动。

3、制作木制活塞

把几块轻木做的活塞用木胶粘在一起。用快干胶把一段鱼线粘在活塞的正中。

注意:我用的铁罐的直径大约是50毫米,高度大约100毫米。如果你使用其它尺寸的罐子,当然活塞的尺寸也要随着改动,活塞与罐子之间留2到3毫米的缝隙就可以了。

4、制作隔膜

你可以用气球来做隔膜。剪切气球,并在上面粘贴纸板增加强度。在正中剪一个小孔,用来穿过鱼线。注意小孔不可过大,鱼线刚好能穿过即可。

5、制作连接木条和曲轴

制作2根边长5毫米的方木条,上面穿过曲轴的小孔要比曲轴略粗,保证摩擦力足够小。用直径1.5毫米的金属丝弯曲成曲轴,可以直接比着木条来弯曲,保证尺寸一致。

6、组装隔膜和曲轴系统

把隔膜用2个图钉钉在木方底部。

7、组装框架

组装框架,要保证曲轴能够非常顺滑地转动。

8、组装木活塞和曲轴系统

把粘贴在活塞上的鱼线穿过隔膜,系在固定在曲轴上的曲别针上。

9、装配铁罐

把饮料罐的顶部切掉,紧紧安装在支架上。把隔膜用皮筋绑在罐子上。调整鱼线的长度,使活塞上下运动却碰不到罐子。最后在穿过曲轴的小孔里加一点润滑油。至此这个饮料罐斯特林发动机就完成了!

八、斯特林发动机的应用

1、斯特林太阳能发电装置

斯特林发动机另一个重要的应用领域是作为太阳能热发电的动力转换装置。太阳能是可再生能源,又是免费能源,是斯特林发动机的最佳动力源泉。

太阳能碟式发电系统利用斯特林发动机外燃的特性,使用抛物面碟式聚光器将太阳光汇聚在斯特林发动机的热腔,加热工质,使斯特林发动机工作,将太阳热转化为机械能,再经过发电机将机械能转化为电能。

斯特林发动机作为碟式太阳能热发电系统的核心组件,既适合分布式应用,又适合大规模兆瓦级并网。目前碟式系统太阳能转化电能效率达到了33%,高于光伏电池的18-20%的水平。

相较太阳能光伏发电板占用空间大,它更适合大型电力事业。采用太阳能光热发电技术,避免了昂贵的硅晶光电转换工艺,可以大大降低太阳能发电的成本,是新能源利用的一个重要方向。

2、分布式能源系统的利用

(1)热电联产。燃料来源广,环境污染小,非常适用于家庭热电联产。在大城市里可以以天然气作燃料。在农村可以燃烧如木屑、米糠、棉秆等各种农林废弃物,斯特林发动机和发电机组合,即可发电,又可利用冷却水系统供应热水和采暖。美国STM公司和日本各自开发成功了家用热电联产系统用于民用。

(2)远距离发电、备用电力、电网支持等。在偏远地区,直接使用斯特林发动机发电,可以大大降低架设网线的成本;在医院、机场、电信等,作为备用电力应急使用;电力系统在负荷高峰时,使用斯特林发动机发电作为电力补充,可以降低运行成本。

我国中航工业西航公司研发的兆瓦级碟式斯特林太阳能热发电站示范工程进入实施阶段,该兆瓦级太阳能热发电站由58台斯特林发动机组成,标志着我国太阳能光热发电进入实用阶段。

3、斯特林发动机在中国的应用

斯特林发动机使用普通热能,生产的是可再生能源,规模可大可小,功率和效率不受海拔影响,利用的自由度非常广,城市、农村、平原、山地皆可使用。太阳能直接、环保、免费和可再生等优点是斯特林发动机广泛应用的最佳动力。

中国太阳能资源非常丰富,理论储量达每年17000亿吨标准煤,中国大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上,与同纬度的其他国家相比,与美国相近,比欧洲、日本优越得多,因而有巨大的开发潜能。

4、斯特林发动机的其他应用

(1)生物质燃料能源发电。在瑞典,生物质燃料直燃发电技术已经基本成熟并得到规模化商业应用,斯特林发动机发电技术是目前生物质能源利用方面的研发重点。欧、美、日等国家都在积极性进行这方面的研发。

(2)低温差动力型。最先进的当属美国威斯康辛大学Senft教授研制的Ringbom斯特林发动机,只需0.5℃的温差就能以60r/min的速度运转。日本也研制出150W低温差斯特林发动机,工作温差为100℃。低温差斯特林发动机的特点适合于作废热回收发电动力。

(3)斯特林发动机还被广泛地应用在水下动力、空间站动力、热泵空调动力等方面。

九、盘点世界上的那些变态发动机

1、杜克发动机

3.0升5缸无气阀式结构,4500转时动力输出215匹马力,扭矩250磅英尺。功率输出略微大于两台传统3升发动机的输出功率之和,重量却只有1/5。革命性的无阀结构设计,让它的拥有超高的动力输出、更高的燃料利用率、更少的运动部件和更紧凑轻便的身形。五缸轴向设计,曲轴与活塞运动方向平行,五个活塞成星型通过往复机驱动主轴转动。往复机与主轴中心相同,运动方向相反,令整个发动机在高速运行时异常平稳,甚至不会颠翻放在上面的一枚竖立的硬币。

2、Duke无气阀五缸汽油发动机

来自新西兰的Duke无气阀五缸汽油发动机,五缸结构可以输出相当于传统汽油发动机六缸的动力。无气阀设计,取消了传统发动机复杂的气门、曲轴闭锁系统。重量更轻,只有相当功率传统发动机重量的70%。结构更简单,所需部件更少,制造成本更低。

3、星型发动机

星型发动机可靠性高,重量轻,功率提升潜力大,维修性和生存性也不错,一般星型发动机的汽缸组数是奇数个,有5缸,7缸,9缸,为了增加功率还可以将其多排叠加,将多个汽缸组排成好几排,最多竟然能到4排×7缸,普·惠公司的巨黄蜂 R-4360达到28个汽缸。

4、奎西发动机

奎西发动机是一种基于转子发动机的改进型发动机,与一般转子发动机的三叶片不同,奎西发动机使用了四部分组成的链条式转子,使得其具有四个冲程,兼顾了四冲程发动机和转子发动机的优点。是一种体积小、马力大、低转速、大扭矩,可使用多种新型能源的新型发动机。

5、潜式微型椭圆齿轮发动机

这个发动机重量仅有5.6公斤,采用四冲程,符合国际环保标准,封闭润滑系统,保证24小时运转,使用寿命6-10年,无需维护!广泛用于航空、船舶、汽车工业。

6、涡轮风扇发动机

是飞机发动机的一种,由涡轮喷气发动机(Turbojet)发展而成。 与涡轮喷气比较,主要特点是首级压缩机的面积大很多,同时被用作为空气螺旋桨(扇),将部分吸入的空气通过喷射引擎的外围向后推。发动机核心部分空气经过的部分称为内涵道,仅有风扇空气经过的核心机外侧部分称为外涵道。涡扇引擎最适合飞行速度400至1,000公里时使用,因此现在多数的飞机引擎都采用涡扇作为动力来源。

7、水平对置式发动机

水平对置发动机,发动机活塞平均分布在曲轴两侧,在水平方向上左右运动。使发动机的整体高度降低、长度缩短、整车的重心降低,车辆行驶更加平稳,发动机安装在整车的中心线上,两侧活塞产生的力矩相互抵消,大大降低车辆在行驶中的振动,使发动机转速得到很大提升,减少噪音。

8、转子发动机

一般发动机是往复运动式发动机,工作时活塞在气缸里做往复直线运动,为了把活塞的直线运动转化为旋转运动,必须使用曲柄滑块机构。转子发动机则不同,它直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。与往复式发动机相比,转子发动机取消了无用的直线运动,因而同样功率的转子发动机尺寸较小,重量较轻,而且振动和噪声较低,具有较大优势。

9、OPOC对置活塞对置汽缸发动机

OPOC对置活塞对置汽缸发动机其实就是一台有两个气缸但实际效果却有四个气缸的两冲程发动机,其中一个气缸内的活塞是相对运动的。

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