斯特林发动机循环分析方法、内部振荡流换热和整机试验的研究

摘要

斯特林发动机由于具有热效率高、热源适应性好、运转平稳等优点，在水下动力、热电联供技术、太阳能热发电等领域有非常好的应用前景。
　　本文提出了一种改进型Simple分析模型，该模型以理想绝热分析为基础，充分考虑各个部件的功损/热损情况（导热损失、回热损失、穿梭热损、流阻损失、气流滞后损失、泄漏损失），模型在2500r/min以内，误差小于20％。但由于斯特林发动机管内特殊的振荡流换热和流动影响，其误差会随着转速升高而变大。通过对斯特林发动机管内振荡流换热特性的初步实验研究发现，其内部振荡流换热性能与稳态流相比有明显提高，实验所得斯特林发动机管内振荡流换热经验公式如下：
　　此处为公式
　　结合改进型Simple模型分析结果，我们自主设计并制造了一台100W级β型斯特林发动机，并对其进行系统性的实验研究，进一步证明改进型Simple模型的可靠性和精度：氮气工质下模型误差约为1%-7.1%，氦气约为4.3%-13.4%。结合发动机功损/热损分析，我们进一步探究了转速、压强和工质对斯特林发动机内部循环做功（PV图）的影响及内在机理。转速的增大会导致压缩和膨胀过程中气体无法及时进行热量交换，导致循环PV图变“瘦”，指示功逐渐减小：氦气工况下，当转速从260r/min升至1380r/min，其指示功从6.6J降至5.2J，循环输出功从28.8W升至120W。随着压强增大，循环工质量不断增多，其指示功、循环输出功、循环效率、轴功率及电功率均随之增大。结合改进型Simple模型的功损/热损分析发现，当发动机工作压强和转速升高时，流阻损失、回热损失和泄漏损失会急剧增大并占据主导地位，由于氦气的流阻损失和回热损失较氮气小，且换热性能较好，在高工况下氦气工质性能优势会愈加明显：在2.9MPa和1120r/min工况下，氦气的循环输出功和循环效率分别为165 W和16.5%，而氮气仅为139 W和12.2%。工质物性参数的差异及各功损/热损随转速/压强的变化速率的不同，最终导致不同工质斯特林发动机性能的差异。

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术语表

1. 绪论

1.1斯特林发动机概述

1.2斯特林发动机循环分析方法

1.3斯特林发动机内部振荡流换热

1.4本文研究目的及主要工作

2. 改进型Simple模型

2.1模型简介

2.2热损/功损校核及换热校核模块

2.3模型的初步验证及比较——GPU-3斯特林发动机

2.4小结

3. 斯特林发动机加热器管内振荡流换热性能的实验研究

3.1实验装置及方法

3.2实验结果与讨论

3.3小结

4. β型斯特林发动机的设计及实验研究

4.1 实验装置及方法

4.2 实验结果与讨论

4.3 小结

5. 结论与展望

5.1主要内容及总结

5.2本文主要创新点

5.3展望

参考文献

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