斯特林制冷机循环模拟及板簧参数化研究

摘要

斯特林低温制冷机在航空航天、红外探测等领域有着重要应用。若能在降低制造成本的前提下发挥其高效率、长寿命的优势,则有望开拓其在普冷、热泵领域的应用。开发者若能深入理解工质的热力及流动过程、使用常规材料和优化结构达到工艺要求,有望大幅降低斯特林制冷机的应用门槛,推动斯特林技术进入成熟期。在此背景下,本文主要开展了以下三方面的工作:
　　1.建立了斯特林制冷机的控制方程和不考虑压降的绝热数学模型,用Matlab建立仿真程序,得到了系统工作过程的一般规律:各部件内氢气的温度、压力和质量、系统内压力、循环功等随曲轴转角均按照正弦规律变化,压缩腔做功比膨胀腔要多,冷腔内氢气质量平均值约为压缩腔内氢气质量平均值的3.14倍,回热器内氢气质量平均值分别为冷量换热器和冷却器内氢气质量平均值的2.28倍和2.36倍。室温腔与冷量换热器交界面温度变化规律跟氢气流动的方向有关。
　　2.通过改变作用在板簧上的载荷、板簧厚度和沟槽宽度等参数,用有限元分析方法对3种板簧进行横向和纵向对比分析。分析结果表明:增加板簧厚度比减小沟槽宽度能得到更大弹性系数的板簧;在弹性限度内,轴向力、径向力分别与轴向位移、径向位移成正比;板簧的轴向刚度与厚度呈三次方变化关系,而径向刚度与厚度成线性变化。同时通过模态分析得到板弹簧的本征频率。最终得到:圆渐开线板簧可以提供较大的轴向刚度与径向刚度和较高的本征频率,有利于整机系统的轻量化。
　　3.通过实验测量的轴向位移比有限元分析结果小,误差在15％以内。实验研究了直线电机谐振特性。分析表明:随着充气压力增加,直线电机的谐振频率增加,活塞端面动态压力波振幅增加,谐振时活塞行程最大,电流与电压间的相位差趋近于0。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2斯特林制冷机热力学模拟综述

1.3板簧型线研究

1.4.本文主要工作介绍

2 斯特林制冷机理想绝热模型分析

2.1斯特林循环的分析方法

2.2理想绝热模型分析

2.3 本章小结

3 斯特林制冷机板簧型线及有限元分析

3.1 三种形式板弹簧的定义及构建方法

3.2 板弹簧有限元分析方法

3.3横向比较

3.4纵向比较

3.5 分析结果

3.6 板簧频率响应特性分析

3.7 本章小结

4 由板簧支撑的直线电机试验台及测试

4.1 试验台组成

4.2 实验板簧轴向刚度实验及分析

4.3 直线电机谐振特性研究

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文