自由活塞斯特林热气机(研究荟萃)

斯特林发动机设计制作

[摘要] 热气机可用氢、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。已设计制造的热气机有多种结构，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。试验热气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，热气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。

发动机的分类有1.按使用燃料分:汽油机、柴油机等;2.按工作循环分:四冲程发动机、二冲程发动机;3.按气门位置分:顶置气门式发动机、侧置气门式发动机;4.按气缸排列分:直列式发动机、V型发动机;5.按气缸数分:单缸发动机、双缸发动机。

斯特林发动机是罗巴特.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，又称热气机(Stirling

Engine)是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的闭式循环往复式发动机。相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点热气机又被称作外燃机。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。课题论述重点在于利用斯特林循环的工作原理，如何小组自主完成:任务的分配;设计造型结构;绘制生产图纸;零件选材;加工工艺制定;零件制造和装配调试。制作出能在酒精灯加热下，借助连杆与活塞之间的运动，能自行完成斯特林循环，自行工作的斯特林外燃机。

斯特林发动机配气活塞气体的作用效应

第37卷第3期 2017年6月振动、测试与诊断Journal of Vibration, Measurement & DiagnosisVol. 37 No. 3 Jun. 2017doi：10. 16450/j. cnki. issn. 1004-6801. 2017. 03. 023斯特林发动机配气活塞气体的作用效应！李薇1!，牟健1!，洪国同1(1.中国科学院理化技术研究所北京，100190) (2.中国科学院大学北京，100049)摘要为了能够深人认识自由活塞斯特林发动机配气活塞的运动特性，对动力活塞固定不动时的配气活塞的气体作用效应进行了分析，并设计了配气活塞的单独运动实验，在此基础上提出了配气活塞固有频率的计算式。分析了工作腔压力波超前与滞后配气活塞位移两种情况下受到的气体力的作用情况，采用旋转矢量法阐述了气体力的作用机理。当压力波超前或滞后活塞位移小于90°时，认为一部分气体力发挥了气体弹簧的作用，使系统固有频率增大；当压力波超前或滞后活塞位移大于90°但小于180°时，认为一部分气体力发挥了惯性力的作用，使系统固有频率减小。热源温度越高，系统的固有频率越小。利用本实验室的一台自由活塞斯特林发动机进行实验，验证了上述气体力作用的效应与规律，且利用此理论计算了系统固有频率的准确性。关键词斯特林发动机（自由活塞（配气活塞（气体作用效应（固有频率中图分类号 TH113.1(TK441+.1引言随着空间技术的发展，进人21世纪后，美国、俄罗斯、日本以及欧洲的主要航天大国纷纷提出了一系列深空探测的任务计划，而这些计划的实施也对空间电源提出了新的要求[13]。利用斯特林循环将热能转化为电能的自由活塞斯特林发电机，因其具有热电转化效率高、质量轻及体积小等优点，越来越受到航天大国们的重视，纷纷开展相关研究）7]。自由活塞斯特林发动机是斯特林发动机的一种结构形式，其动力活塞和配气活塞运动没有机械结构的限制，因而被称为“自由活塞”[8]。自由活塞斯特林发动机不仅具有传统斯特林发动机理论效率高、外燃型等优点，还因为取消了传统斯特林发动机的曲轴连杆结构，具有噪声和振动小、寿命长等优点)]。对于自由活塞斯特林发动机而言，如果简单地对发动机整机进行系统实验，只能测试到整机的系统热力学和动力学参数，而忽略了各部件的动力学特性及其相互之间的影响规律，相关的特性信息会被丢失，很难深人研究发动机的内在动力学特性、耦合过程及其对启动运行的影响规律。笔者在对配气活塞单独进行动力学特性实验研究的过程中，发现系统的固有频率会随着热源温度的升高而降低。由于固有频率对改善系统稳定性和快速响应性起到至关重要的作用，长期以来一直被各行业作为研究的热点问题[1011]。对于自由活塞斯特林发动机而言，配气活塞的固有频率对整机的运行频率起到关键性作用。针对这个问题，对配气活塞振动系统的固有频率进行了较深人的理论与实验研究。1配气活塞振动系统的动力学模型配气活塞单独动力学实验装置由气缸、配气活塞、动力活塞、加热器、回热器、冷却器和配气活塞驱动电机等组成，具体结构如图1所示。配气活塞上端为热腔，通过高温换热器与热源（加热棒）交换热量。配气活塞下端为冷腔，通过冷却器向外界散热。热腔和冷腔之间通过回热器连接，回热器为环状，位于配气气缸的外侧，与其同轴。冷腔下端是动力活塞，动力活塞固定在实验装置缸体上，处于轴向某个位置，保持不动。动力活塞下端是缓冲腔，配气活塞的驱动电机固定在缓冲腔内，通过配气活塞杆(从动力活塞中间穿过)与配气活塞相连。自由活塞斯特林发动机配气活塞的动力学模型可以用机械振动系统来诠释，其受力分析如图2所示。运动方程为mdxd + Cd#d+Kdxd + Fd=FEM (1) 其中：为配气活塞的质量为配气活塞运动加! 收稿日期2015-03-19 ;修回日期：

自由活塞斯特林直线发电机结构设计

摘要：斯特林发动机是一种以气体作为工作介质的外部加热活塞式发动机。其对燃料的品质要求不高，太阳能、地热能、生物化学能等可再生能源均可作为斯特林发动机的燃料。本文根据自由活塞斯特林发电机的动子运动近似正弦的特点，分别对单相、三相电机在均匀速度和正弦速度下的运动情况进行分析，从提高电机效率和降低电能后处理难度的角度出发，提出了一种单相双定子结构的横向磁通永磁直线电机，并对电机的磁场分布、感应电势、定位力等性能进行了研究和分析。根据电机的设计要求，对电机的结构和性能参数进行了优化，最后确定了电机的尺寸和参数。

关键词：波浪发电；直线电机；伺服电机；测试平台

山东省大学生创新创业训练计划项目：用于深空探测的自由活塞斯特林发电机设计（项目编号：S202210449097）

0 引言

斯特林发动机是一种以气体作为工作介质的外部加热活塞式发动机。斯特林发动机对燃料的品质要求不高，太阳能、地热能、生物化学能等可再生能源均可作为斯特林发动机的燃料。自由活塞发电机系统采用自由活塞发动机和直线发电机直接结合，改变了传统的先将直线运动转换为旋转运动、再带动旋转发电机的发电方式，省去了曲轴连杆等传动环节，使系统发电效率得到较大提高。斯特林发动机在工作循环过程中，其工质是封闭在一个独立的区域内，与外部气体没有交换，这使得斯特林发动机可以工作在真空环境中。这为航天领域深空探测的能源供给问题提供了一种解决方案。

1自由活塞斯特林发电系统运动特性分析

自由活塞斯特林发电机系统包括自由活塞斯特林发动机和直线发电机两部分[1]。自由活塞斯特林发动机主要由加热器、冷却器、回热器、配气活塞和动力活塞等部件组成。发动机内部的气体通过回热器在热端和冷端之间循环。在图1中，靠近冷却器一侧的空腔称为压缩腔，靠近加热器一侧的空腔称为膨胀腔。冷腔、冷却器、回热器、加热器和膨胀腔连接在一起，构成了完整的工作气体循环回路。直线发电机部分主要由发电机定子和发电机动子两大部分组成。发电机定子上嵌有绕组，发电机动子上装有永磁体。

斯特林发动机研究发展

关于斯特林发动机的研究与发展

学号：13015218

姓名：彭俊图

摘要:简述了斯特林发动机的发展历史及研究现状，介绍了斯特林循环并归纳了斯特林循环的分析方法，阐述了斯

特林发动机的特点和应用，并展望了斯特林发动机的发展前景。

关键词:斯特林发动机;斯特林循环;碟式太阳能热发电系统

随着社会的不断发展，化石燃料的消耗量日益增大，传

统燃料的内燃机将面临着严重的能源危机，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与传统内燃机不同的燃料的动力装置，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(Stirling engine) 又叫热气机，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，并且在太阳能碟式发电系统中有着重要的应用，越来越受到人们的关注。国外一些专家预言， 21 世纪将是斯特林发动机的

世纪。

1 斯特林发动机的发展

1816 年，罗伯特·斯特林 (Robe Stirling) 发明了闭式循

环的热气机一一斯特林发动机。在当年的第 4081 号专利

中，罗伯特·斯特林在历史上第一次描述了回热器的结构和

应用，并对第一台闭式循环热气机的构造进行了描述

斯特林发动机是一种外部燃烧(加热)的封闭式活塞发

动机。自罗伯特·斯特林于 1816 年发明斯特林循环以来，限于当时条件，大部分发动机的功率和效率都很低，逐渐被

比其发明晚半个多世纪的内燃机所替代。 1916 年最后一台

老式斯特林发动机出厂，斯特林发动机的发展告一段落[1 3J

近几十年来，随着能源问题和污染问题日益突出，以及斯特林发动机的一些关键技术问题的解决和它所特有的优

空间自由活塞斯特林热电转换装置和热声发电

1. 简介

空间自由活塞斯特林热电转换装置和热声发电是当前研究的热电领域的一个重要主题。从简单到复杂，从浅显到深刻地探讨这个主题，有助于我们更好地理解这一新兴技术的工作原理和应用前景。

2. 空间自由活塞斯特林热电转换装置

空间自由活塞斯特林热电转换装置利用斯特林循环原理，通过热源和冷源之间的温差来驱动活塞运动，从而实现热能向机械能的转换。相比传统的热电技术，空间自由活塞斯特林热电转换装置具有更高的热电转换效率和更广泛的适用范围。它可以利用太阳能、地热能等恒定的热源来进行能量转换，具有较强的可再生能源利用潜力。

3. 热声发电

热声发电是一种基于热声效应的新型能量转换技术，通过热源和冷源之间的温差产生声波振动，然后将其转换为电能。热声发电不需要传统的机械运动部件，因此具有结构简单、可靠性高、维护成本低等优点。热声发电可以与其他热电技术相结合，形成混合能源系统，提高能量利用效率。

4. 应用前景

空间自由活塞斯特林热电转换装置和热声发电技术在航天航空、新能源领域、环境监测等方面具有广阔的应用前景。在太空探索中，它可以为航天器提供稳定可靠的能源来源；在新能源领域，它可以实现太阳能、风能等不稳定能源向电能的高效转换；在环境监测中，它可以为遥感设备和传感器提供持续、稳定的能量保障。

5. 总结与回顾

通过对空间自由活塞斯特林热电转换装置和热声发电技术的探讨，我们可以得出结论，这些新型的热电转换技术具有较高的能量转换效率、广泛的能源适用范围和广阔的应用前景。未来，随着科学技术的不断发展，这些技术必将在能源利用和环境保护方面发挥重要作用。

6. 个人观点与理解

在我看来，空间自由活塞斯特林热电转换装置和热声发电技术代表了热电领域的创新与进步。它们不仅有望改变传统能源利用模式，还能为人类社会的可持续发展作出重要贡献。我对这些新兴技术充满期待，并期待它们能够尽快投入实际应用，为我们的生活带来便利和改善。

斯特林发动机循环分析工程热力学资料

斯特林发动机循环分析

(北京交通大学机电）

摘要：斯特林发动机不仅理论热效率高，等于卡诺循环效率，而且作为外燃机其排放特性非常好，所以近三十年来一直是研究的热点。本文介绍了斯特林发动机的装置特点、动力性能等，并对理论循环进行了分析，提出了提高循环热效率的方法及措施。

关键词：斯特林发动机，斯特林循环，热效率

1.斯特林发动机介绍

1.1斯特林发动机的装置特点

热气机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机。

热气机可用氢、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。

已设计制造的热气机有多种结构，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。试验热气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，热气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。

1.2斯特林发动机的应用现状

1.2.1 国内发展状况

我国从七十年代末即开始斯特林发动机的研究开发工作，已设计出功率150W-IOkW发动机11种，多数已在实验室正常运转。现从事此项工作的约300人，并正筹建中国热气机研究会。北京农业工程大学凌泽芝同志在能源政策研究通讯1991年第一期“发展热气机、促进农村电气化”一文中介绍国内外斯特林发动机的发展概况及其特点后建议：“充分利用我国农村丰富的生物质能源和部分地区丰富的太阳能资源以解决农业用电问题”。并希望纳入国家“八五”科技规划和组织有关单位联合攻关。上海711研究所研制出热气机，是一种具有国际水准的科研成果，而排放的污染气体比目前市面上的其它发动机都要小，达到欧洲排放标准。

高温超导用自由活塞斯特林制冷机理论研究

王波;叶重;朱魁章;杨坤

【期刊名称】《低温与超导》

【年(卷),期】2012(040)008

【摘要】制冷机是制约高温超导器件的瓶颈.文中针对自由活塞式斯特林制冷机进行了理论研究,建立了自由活塞斯特林制冷机的热声模型,对充气压力、活塞的位移振幅、热端换热器温度和密封间隙进行了模拟.模拟结果显示,以最大制冷量为目标最佳充气压力为1.9MPa,增加活塞位移振幅、降低回热器热端温度以及减小密封间隙可提高制冷机的性能.

【总页数】5页(P7-11)

【作者】王波;叶重;朱魁章;杨坤

【作者单位】中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043;中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043;中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043;中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043

【正文语种】中文

【相关文献】

1.自由活塞式斯特林制冷机压缩活塞间隙密封泄漏的数值模拟 [J], 马诗旻;陈曦;李静;张华;袁重雨;祁影霞

2.斯特林制冷机与高温超导滤波器集成及降温试验 [J], 许国太;王田刚;孙述泽;李元明

3.高温超导滤波器用斯特林制冷机温度控制算法设计 [J], 魏广;马少君;闫春杰 4.自由活塞斯特林制冷机动力吸振器设计及实验研究 [J], 倪贤灿;陈曦;凌飞;郑朴;洪昊

5.10W@77K自由活塞斯特林制冷机的设计和实验研究 [J], 祁云;孙大明;乔鑫;沈惬;章杰;汪乘红;丁海威

因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买

斯特林发动机基础研究与优化设计

斯特林发动机是一种热机，利用外部热源和内部工作物质的循环变化完成能量转换，实现动力输出。与内燃机相比，斯特林发动机具有结构简单、噪音低、排放少、维护成本低等优点，而且可以使用多种燃料，因此备受研究者和工程师的关注。本文将介绍斯特林发动机的基础原理和优化设计方法。

一、斯特林发动机的基础原理

斯特林发动机的工作原理基于一个简单的热力学循环，称为斯特林循环。这个循环包括四个处理过程：加热、等容膨胀、冷却和等容压缩。斯特林发动机的关键组成部分包括热源、工作物质、热交换器、活塞、缸筒和阀门。

斯特林发动机的热源可以是任何方便的燃料，例如天然气、液化石油气和生物质。燃料在热源中燃烧，产生高温高压的气体。这些气体通过热交换器传递给工作物质，使工作物质的温度升高。

工作物质是斯特林发动机的动力源，通常是氢气、氦气或空气。当工作物质从温度低的热交换器进入温度高的热交换器时，它会被加热并膨胀。此时，压力在活塞的作用下推动活塞向外运动，这就是等容膨胀过程。等容膨胀完成后，工作物质从热交换器中流出，进入温度低的热交换器，被冷却并压缩。这就是等容压缩过程。最后，工作物质从压缩器流回膨胀室，完成一个斯特林循环，可以输出动力。

二、斯特林发动机的优化设计

虽然斯特林发动机具有许多优点，但是它也存在一些缺陷。例如，斯特林发动机的功率密度通常低于内燃机，而且在实际应用中具有较低的效率。因此，研究人员一直在进行斯特林发动机的优化设计，以提高功率密度和效率。

1. 优化工作物质为了提高斯特林发动机的功率密度和效率，研究人员通常会优化工作物质的选择和属性。例如，在高温下，氢气比空气更适合用作工作物质，因为它具有更高的热导率和更低的分子量。此外，添加适量的抑制剂可以减少工作物质的分子大小和热传导率，有助于提高发动机的效率。

2. 优化热交换器

热交换器是斯特林发动机中的一个重要组成部分，其性能对发动机的效率和功率密度有较大影响。因此，研究人员通常会优化热交换器的结构和材料。例如，增加热交换器的表面积可以提高热交换效率，并且使用陶瓷或高导热金属等材料可以改善热交换器的耐久性和传热性能。

斯特林热机的可行性分析与展望

0 前言

斯特林发动机（St ir ling engine）又叫热气机，是一种外部燃烧（加热）的封闭式活塞发动机，具有燃料来源广、效率高、污染小、噪音低和维修方便等优点，可以应用在许多领域内中作为清洁高效的动力机，对节能减排、保护环境有重要意义。斯特林发动机对燃料的适应性很强，可用能源除了煤、石油、天然气外，还可以利用太阳能、原子能、化学能以及木材、秸秆等农林废弃物燃烧所放出来的热能。斯特林发动机的热效率很高，理论上斯特林循环效率等于相同状态下的卡诺效率，实验表明斯特林发动机的实际有效效率可以达到32%～40%，最高甚至可达47%。斯特林发动机运行的污染物排放少，作为外燃机燃料可以在足够的空气下连续燃烧，燃烧比较充分，与内燃机相比，排放的一氧化碳和碳氢化合物等有害气体大大减少。斯特林发动机没有气阀机构，工质在汽缸内的压力变化接近正弦波形，而且燃烧不会产生的爆震和排气波，因而运转比较平稳，噪音比较小；例如STM生产的50kW的斯特林发动机在裸机工作时，1m处的噪音低于75dB。斯特林发动机的运转比较平稳，扭矩比较均匀，超负荷能力强（可以在超负荷50%的情况下仍然能正常运转），相比之下内燃机超负荷能力只有5%～15%。另外，斯特林发动机结构简单，比内燃机少40%的零部件，例如自由活塞式斯特林发动机只有密封的汽缸和两个活塞，没有容易出故障的气阀机构、高压喷油系统和需要良好润滑的活塞环，维修也比较方便。本文将对斯特林发动机的发展历史进行回顾，并对斯特林发动机的特点和分析方法进行分析，指出斯特林发动机的关键技术和发展前景。

1 三种基本结构形式

斯特林发动机主要由压缩腔、加热器、回热器、冷却器和膨胀腔组成，根据工作空间和回热器的配置方式上，可以分为，和三种基本类型，如图所示：

（a）α型斯特林发动机（b）β型斯特林发动机（c）γ型斯特林发动机

α型斯特林发动机的结构最简单，加热器、回热器、冷却器两侧配备了热活塞和冷活塞，热活塞负责工质的膨胀，冷活塞负责工质的压缩，当工质全部进入其中一个汽缸时，一个活塞固定，另一个活塞压缩或膨胀工质。

斯特林发动机研究发展 2