1kWα型斯特林发动机的改造及性能测试
α型太阳能斯特林发动机模型设计
科技 因向导
２ ０ １ ４ 年０ ３ 期
型太阳能斯特林发动机模型设计
阳 涛 张 应 曾 杰 ｆ 重庆大学 中国 重 庆 ４ ０ ０ ０ ４ ４ ）
【 摘 要】 随 着能源和环境 问题 的 日益严 峻， 太阳能等可再 生能源越来越 受到人 们的关注。 斯特林发动机 作为外燃机具有的燃料 多样化 、 效
【 关键词 】 型斯特林发 动机 ： 施 密特模 型 【 Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ］ Ｗｉ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ｌ ａ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｓ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｅ ｉ ｒ ｏ ｕ ｓ ｌ ｙ ｉ ｎ ｒ ｅ ｃ ｅ ｎ ｔ ｙ ｅ ａ ｒ ｓ ， ｒ ｅ ｎ ｅ ｗ ａ ｂ ｌ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｅ ｎ ｅ ｒ ｙ ｇ ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖ ｅ ｄ ｍ ｏ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ
【 Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ 】 Ｓ ｔ ｉ ｒ ｌ ｉ ｎ ｇ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ； Ｓ ｃ ｈ ｍ ｉ ｄ ｔ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ
Hale Waihona Puke ０ ． 引言 随着社会 的不断发展 ． 化石燃料 的消耗量 １ ３ 益增大 ． 传统燃料 的 内燃 机将面临严重的能源危机 ． 而积极解决这个 问题的有效途径之一 是 开发一种可 以使用各种燃料 ． 如天然 气 ． 沼气 ． 生物质等 ． 或能利用 其 它清洁能源如太 阳能等 的动力装置 ． 斯特林发 动机则 是 目前可行 的 最 佳途径之一 斯 特林 发动机 （ ｓ ｔ ｎ ｇ ｅ ｎ ｎ ｅ ） 是一种 封闭式外燃机 ， 具有燃料 来源广 ， 热效率高 ， 排气污染少 ． 噪音低 ， 运转 特性 好 ． 结构简 单． 维修 方便 等优点 研究斯特林发动机对于促进社会 能源的综合利 用、 改善 当前主要使 用石油 的状况并减 少环境污染 ． 创造 资源节约型 社会 ， 从 而促 进经济的可持续发展和社会进步 ． 具有重要意义 斯特林 引擎是利用气缸内被密封的工作流体 （ 氦． 氢等 ） 从外部加 热 和冷却使其产 生压力变化输出得到动能输 出的外燃机 ． 它理想的热 力循环称作斯特林循 环（ Ｓ Ｚ 称概括性卡诺循环 ） 因此 同温度下其理论 效率最高 ． 更 吸引人 的是它有两个明显优于 内燃机 的特点 是能利用各 种能源 ． 无论 是常用 的液体燃料 ． 还是气体燃 料或 固体燃料 ， 甚至太 阳能 、 化学反应 能 ． 只要 是能产生一 定温度 的热 量 ， 斯特林发动机就 可以工作 二是振动噪音低 、 排放 污染小 ． 具 有 良好 的环境特性 斯特林发动 机是…种利用燃料 的热 能来工作 的动力机 ． 因为燃料在缸外燃 烧所以 也 叫外燃机
斯特林发动机
斯特林发动机斯特林发动机是一种闭循环活塞式热机,闭循环的意思是工作燃气一直保存在气缸内,而开循环则如内燃机和一些蒸气机需要与大气交换气体。
斯特林发动机一般被归为外燃机。
切图以外的菱形驱动器测试配置斯特林发动机的设计：* 粉红-热筒壁* 深灰色-冷筒壁（与冷却进排气管在黄色）* 暗绿色-热绝缘分开的两个汽缸结束* 浅绿色-置换活塞* 深蓝色-功率活塞* 淡蓝色-曲柄连杆和飞轮没有表明：热源和热汇。
在此设计了置换活塞构造没有专门建造的再生。
介绍斯特林发动机在热机中的效率目前是最高的，有时可以达到80%。
In the conversion of heat into mechanical work, the Stirling engine has the potential to achieve the highest efficiency of any heat engine. It can theoretically perform up to the full Carnot efficiency, although not yet in practice. The practical limitations include the non-ideal properties of the working gas, and material properties such as friction, thermal conductivity, tensile strength, creep, rupture strength, and melting point. The Stirling engine can run on any heat source, including chemical, solar, geothermal and nuclear. There are many possible implementations of the Stirling engine. Most fall into the category of reciprocating piston engine.In contrast to internal combustion engines, Stirling engines have the potential to use renewable heat sources more easily, to be quieter, and to be more reliable with lower maintenance. They are preferred for applications that value these unique advantages, particularly if the the cost per unit energy generated ($/kWh) is more important than the capital cost per unit power ($/kW). On this basis, Stirling engines are cost competitive up to about 100 kW.[3]Compared to an internal combustion engine of the same power rating, Stirling engines currently have a higher capital cost and are usually larger and heavier. Their lower maintenance requirements make the overall energy cost comparable. The thermal efficiency is also comparable (for small engines), ranging from 15%-30%.[3]For applications such as micro-CHP, a Stirling engine is often preferable to an internal combustion engine. Other applications include water pumping, space-based astronautics, and electrical generation from plentiful energy sources that are incompatible with the internal combustion engine, such as solar energy, and biomass such as agricultural waste and other waste such as domestic refuse. Stirlings have also been used as a marine engine in Swedish Gotland class submarines. [4]However Stirlings are generally not price-competitive as an automobile engine, due to high cost per unit power, low power density and high material costs.In recent years, the advantages of Stirling engines have become increasingly significant, given the rise in liquid fuel prices and concerns such as peak oil and climate change. Stirling engines address these issues by being very compatible with all renewable energy and fuel sources. These growing interests in Stirling technology have fostered the ongoing research and development of Stirling devices, and R&D breakthroughs have in turn increased interest in the technology.If supplied with mechanical power, Stirlings can function in reverse as a heat pump for heating or cooling. Experiments have been performed using wind power driving a Stirling cycle heat pump for domestic heating and air conditioning. In the late 1930s, the Philips Corporation of the Netherlands successfully utilized the Stirling cycle in cryogenic applications.[5]Basic analysis is based on the closed-form Schmidt analysis{google翻译:}斯特林发动机是一个封闭的循环蓄热式发动机，气体工质。
斯特林发动机说明书精品文档7页
目录一斯特林发动机简介二斯特林发动机研究设计的意义三该款斯大林发动模型结构四该款斯特林发动机工作原理五创新点分析六方案可行性分析七八一斯特林发动机简介1斯特林发动机性质斯特林发动机是伦敦的牧师罗巴特斯特林（Robert Stirling）于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”（Stirling engine）。
斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。
斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。
这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程2斯特林发动机原理斯特林发动机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机。
斯特林发动机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。
在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。
气缸一端为热腔，另一端为冷腔。
工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。
已设计制造的斯特林发动机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。
试验斯特林发动机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。
按缸内循环的组成形式分，斯特林发动机主要有配气活塞式和双作用式两类。
在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。
热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程3斯特林发动机的发展斯特林循环热空气发动机不排废气，除燃烧室内原有的空气外，不需要其他空气，所以适用于都市环境和外层空间。
18世纪末和19世纪初，热机普遍为蒸汽机，它的效率是很低的，只有3％一5％左右，即有95％以上的热能没有得到利用。
易拉罐制作斯特林发动机
易拉罐制作斯特林发动机斯特林发动机大致分为四类，α，β，γ，和自由活塞四种，今天要做的是γ型。
具体工作方式可以在网上自己查一下。
α型β型γ型自由活塞材料准备：工具准备：零件制作：1.支架制作：1.1在易拉罐的侧面开一个大孔1.2在上端两侧各开一个小孔，孔径根据铁丝直径确定。
1.3在下端中心点开一个小孔，孔径略大于钢丝直径。
1.4在下端小孔侧面开一个孔，孔径根据笔筒而定。
1.5再在侧面开一个孔，保证带气管可以穿出。
2.活塞缸制作：2.1将易拉罐上部剪掉，剪口尽量平滑，保证密封3.曲轴制作：3.1如图折弯铁丝，两个折弯之间的夹角为90°。
4.曲柄制作：4.1曲柄根据两端的两个孔刚好能穿过铁丝为最佳，在曲柄中间制作一个闪电形折弯方便装配时调整曲柄长度。
5.导气管制作：5.1用火烤一下根据开孔情况折弯成一个Z字形。
6.冷却活塞缸制作：6.1在瓶盖下方钻一个孔，孔径、位置根据笔筒而定。
7.换气活塞制作：7.1将气球嘴剪掉在顶端打个孔，用螺丝和垫片加紧，同时将换气活塞曲柄加紧。
注意垫片尺寸小于饮料瓶盖尺寸。
8.飞轮制作：8.1将螺柱均匀安装在面包板上，光盘的话可以省略。
然后再中间打一个孔可以刚好穿过铁丝。
9.活塞杆的制作：9.1将铁丝这完成一个L形。
插入易拉罐后基本与易拉罐平齐，或者略高于易拉罐。
10.挡片制作：10.1剪两个圆形贴片，在中心打孔，孔径却大于铁丝直径。
垫片外径小于易拉罐直径。
11.活塞制作：11.1将钢丝棉卷成一个圈，尽量紧密适中，外径略大于易拉罐直径。
宽度=易拉罐孔深度—10mm—10mm。
12.挡圈制作：12.1将油笔芯剪成2mm长小段。
组装零件：1.支架组装1.1用AB胶粘接导气管、瓶盖。
1.2将曲轴转过支架上端小孔，同时将曲柄及垫片穿过，将曲柄调整到正确位置。
1.3将飞轮用AB胶粘在曲轴上1.4将垫片用AB胶水粘在活塞杆上，钢丝棉放在两垫片之间。
1.5将活塞杆穿过支架下端小孔，与曲轴连接，然后放入活塞缸，将气球套在瓶盖上。
基于创新方法的斯特林发动机改进概要
本科毕业设计（论文）基于创新方法的斯特林发动机改进学院机电工程学院专业机械设计制造及其自动化（机械电子工程方向）年级班别2008级（2）班学号学生姓名指导教师2012年6 月基于创新方法的斯特林发动机改进机电工程学院摘要斯特林发动机由于具有燃料来源广、低噪声、低污染、安全性能高等诸多优点而受到越来越广泛的重视。
但由于斯特林发动机在功率效率及结构的技术和发展还不是特别地成熟，还不能成为完全替代内燃机的新型动力机器，需要对斯特林发动机进行改进设计。
本文在介绍了基于TRIZ理论的机构创新设计方法的基础上，针对现有斯特林发动机工作效率低、功率不高、结构庞大等方面问题，应用TRIZ理论的技术矛盾矩阵法对斯特林发动机进行创新设计，利用TRIZ法40条原理中的嵌套原理提出了β型斯特林发动机结构、分离与分开原理提出γ型斯特林发动机结构和周期性作用原理提出了复动型发动机结构，从结构、原理和工作循环方法上实现了产品不同角度的创新设计。
用TRIZ 理论改进所得出的方案为斯特林发动机的发展方向提供实用价值的参考。
关键词：TRIZ，机构创新设计，斯特林发动机AbstractThe Stirling engine gets more and more extensive attention，because it has a lot of advantage such as the wide fuel source, low noise , low pollution, high thermal efficiency and higher safety. The technology and development of Stirling engine in power efficiency and structure is not particularly mature, which can not completely replace the internal combustion engine and become the new dynamic machine. It need to improve the design of the Stirling engine. This paper introduces the institutional innovative design method on the basis of the TRIZ theory. Since the low efficiency of the existing Stirling engine power structure low thermal efficiency and huge structure, the Author applyed technical contradiction matrix method of TRIZ on the Stirling engine to innovative design. The structure of the β-type Stirling engine, γ-type Stirling engine structure and the complex dynamic engine structure turned out. It bring about the product of innovative design from the structure, principle and duty cycle method. The improved program that obtained by TRIZ theory provide a reference of practical value for the development direction of the Stirling engine.Key words:TRIZ, Institution innovation design, The Stirling engine目录第一章绪论 (1)1.1 斯特林发动机的历史和现状 (2)1.2 机构创新设计国内外的研究现状 (2)1.3 TRIZ理论的发展及其应用状况 (3)1.4 本文的研究内容 (5)第二章TRIZ理论 (6)2.1 TRIZ理论的核心思想 (6)2.2 TRIZ理论的基本原理 (6)2.3 TRIZ理论技术矛盾解决问题的一般过程 (7)第三章斯特林发动机的工作原理及其改进方案 (8)3.1 斯特林发动机结构分析 (8)3.2 工作原理分析 (9)3.3 基于TRIZ的斯特林发动机的创新设计 (11)3.3.1 热效率的改进 (11)3.3.2 功率的改进 (12)3.3.3 结构的改进 (16)总结 (19)参考文献 (20)致谢 (21)第一章绪论本论文主要选择斯特林发动机进行机构创新设计。
斯特林发动机
图!
热声发动机结构简图
!; 主冷却器；"; 热声回热器；(; 加热器；4; 热缓冲管；7; 副冷却器及导流器； :; 反馈管路；?; 声容管路；=; 喷射泵；9; 谐振直路。
实物照片。该热声发动机长 !"# $，高 %"&# $，设计最大输入功率 # ’(。它不仅可以用于行波与驻波混合型热声发动机实验，还可以 单独进行行波环路实验及热声发动机驱动脉管制冷机实验。 总体上看，该发动机由行波环路和驻波谐振直路两部分组成。 环路是产生和放大声功的核心部件，其内运行的是行波成分。如果 把行波环路看作是行波反馈回路，系统就可以认为是在驻波热声发 动机谐振管速度波节（压力波腹）处引入行波反馈，这样做既利用 了行波的压力、速度同相振动关系形成的具有高效率的斯特林循 环，同时又利用驻波增大了板叠处的 ! " #$ 值，从而大大提高整机 热效率。因此这台发动机在工作循环中兼具了纯驻波发动机和纯行 图 ! 行波环路实物照片 波发动机的优点。 从系统组成部件看，该发动机主要包括：主冷却器、热声回热器、加热器、热缓冲管、 副冷却器、导流器、反馈管路、声容、喷射泵、谐振直管、消振锥管、消振直管等构件。下 面逐一介绍： （%）主冷却器。主冷却器位于回热器（ &）的上方， 其作用是在回热器室温端带走热量、冷却气体工质，以 建立热声回热器上的温度梯度。主冷却器采用自行设计 的壳管式结构和水冷方式，工质气体走管程，冷却水走 壳路。其外观如图 ) 所示。它通过把 %*+ 根 !# , % 的不 锈 钢 管 焊 接 在 两 块 平 行 不 锈 钢 薄 板 上 做 成， 管 长 不锈钢薄板与该处的法兰氩孤焊接，水路通过 )+"# $$， 法兰外缘各分三路引入引出。 （&）热声回热器。热声回热器是产生并强化热声效 应的关键构件，此处发生的热声效应使声功产生或增强。
斯特林发动机加热器的设计和研究
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6 斯特林发动机加热管热应力分布
热力耦合模块连接方式
加热管三维模型图
加热管网格划分图
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6 斯特林发动机加热管热应力分布
加热管温度分布
从图中可以看出加热管的外壁温度恒定在450℃左右，并且温差 变化不大，这可以说明工质在加热管中所受到的热量是均匀的， 换热效果可以得到保证。
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5 斯特林发动机加热器的设计参数选择与计算
原有斯特林发动机参数如下， 2Kw的斯特林发动机循环系统采用空气作为工质，工质 的工作压力为0.8-1MPa,过量空气系数ɑ=1.4，额定输出功率为2Kw，该发动机的发电 效率并不是很高，其发电效率只有25%，2Kw斯特林发动机采用配气活塞式（β型）斯 特林发动机,其活塞直径为102mm，活塞行程为5.65cm，转速为1200r\min，频率为 20Hz，在最大程度保持原有参数不变的情况下，现对斯特林发动机加热管进行初步参 数设计：
斯特林发动机加热器的设计及 其性能研究
指导教师：李琦芬 学生姓名：苏磊 专业：热能与动力
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目录
1
斯特林发动机介绍
2
3 4 5
斯特林发动机基本特点
斯特林发动机的应用
斯特林的加热器
斯 特林加热器参数选择与计算
斯特林发动机加热管热应力分布 总结
6
7
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1 斯特林发动机介绍
斯特林发动机是一种外部燃烧的往复活塞式发动机，它做功的工 质通常为气体，通过闭式回热循环的方式来改变密封在机体内部 工质压力和体积从而获得能量
6 斯特林发动机加热管热应力分布
热应力分布
从图上可以看出，加热器所受的最大应力值发生在筒体内表面与加热管相接 触的部分，为85.1065MPa，其余部分并未受到较大应力的作用。由于加热器整 体材料的许用应力值为137MPa，因此，根据热应力模拟分布显示，加热器的最 大应力值小于材料的许用应力，所以可以得到，加热管的结构强度符合设计的应 用条件，满足强度要求
自制斯特林发动机制作教程及斯特林发动机原理、图纸
自制斯特林发动机制作教程及斯特林发动机原理、图纸一杯咖啡不能化身为一杯汽油，但是它一样可以用来驱动一个发动机，只不过这个发动机有点特别，是用硬纸板做成的小型发动机，当然也不是全部用硬纸板做成，还包括黄金冲件，激光切割的铝片，低摩擦的塑料轴承以及弹性钢丝。
来自德国一家叫作Astromedia，以硬纸板小发明和小玩意为主的公司。
这个能在一杯热咖啡上就能转起来的发动机，正是斯特林发动机（Stirling engine），由于能源，环境和可持续发展等人类问题的影响，人们开始热衷发展斯特林发动机，由Robert Stirling（罗伯特斯特林）在1816年发明的外燃发动机。
前不久我们网络文摘收过一篇文章，讲著名的发明家Dean Kamen（Segway的发明者）也在挪威成立一个公司，投身于他的下一个大项目，就是使用斯特林发动机的交通工具的计划。
斯特林发动机是活塞式热气发动机，在外部加热密封气室，里面的气体（氢气或氦气）膨胀推动活塞做功，膨胀后的气体在冷气室冷却，然后进入下一个流程。
同样只要有一定值的温度差存在，都可以形成斯特林发动机，比如上面这个咖啡杯上的斯特林发动机，如果下面是冰块，它也能转起来，而且比里面是热咖啡（或热水）还要持久，一个小时左右。
斯特林发动机可以使用多种的燃料，各种可燃气体估计是最佳材料，Dean Kamen还用牛粪来作过燃料。
而且排气洁净，还有一个优势相对于内燃机来说，因为没有气体爆炸，所以大大降低了噪音污染。
这个“玩意”是不是设计也没什么值得讨论的，以前人们总是很难分辨设计师或者发明家，但现在来说好像足够分明了，设计师是明星，艺术家……，而在国内发明家基本都是农民。
如果你既是设计师，又是发明家，那么肯定会得到更多人的敬佩(人人喜欢hardcore)，如果你还有商业头脑，那你就是下一个Dyson了。
虽然说学科细分很难让普通人精通几般武艺，但这不是100%的，因为一方面设计本来就是知识面广泛的学科，有深入钻研的机会，另外还有想成为非普通人的普通人呢。