车辆工程毕业设计论文-基于stirling循环的直线发电系统(编辑修改稿)

车辆工程毕业设计论文-基于stirling循环的直线发电系统(编辑修改稿)内容摘要：

非常长的使用寿命，另一方面使用直线发电机与发动机动力活塞直接相连缩小了系统整体体积。 5)可实现冷热电联产，一次能源利用率可达 90%以上。 因具有上述优点，对于基于 Stirling 循环的 直线发电系统的研究具有如下意义 : 1)作为传统电网的补充，为不方便架设输电线路的地区，提供一种可利用当地能源的发电设备。 2)替代传统内燃机发电系统，降低其污染特性，减少对空气的排污。 3)因为其低噪音和可采用多种能源的优点，在军事上是潜艇的 AIP(Air 10 Independent Propulsion System)化中一种很实用的选择。 课题研究内容 本文对基于 Stirling 循环的发电系统进行了概念设计和运行特性的数值模拟，具体工作如下 : 1)单缸自由活塞式 Stirling 发动机几何尺寸确定。 2)单缸自由活塞式 Stirling 发电机运行特性数值分析。 3)永磁直线发电机结构设计及运行特性数值分析。 11 第 2 章发电系统的结构及工作原理 发电系统结构、原理和特点 发电系统结构 本发电系统由单缸自由活塞式 Stirling 发动机、永磁直线发电机、充电回路和蓄电池组组成，如图 21 所示，自由活塞式 Stirling 发动机动力活塞与永磁直线发动机的动子直接相连，永磁直线发电机绕组出线与充电回路相连，充电回路起到将交流整流为直流的作用，蓄电池组将系统发出的电能储 存起来，可供随时使用。 发电系统工作原理 本发电系统实现的是将外部热源转化为蓄电池组中的电能，其工作流程如图 22 所示。 外部热源包括太阳能、生物质燃料、地热和余热等，为单缸自由活塞式 Stirling 发动机加热器提供热量。 从外部热源获得热能后，单缸自由活塞式 Stirling 发动机开始工作，其气体工质的膨胀和压缩使动力活塞获得机械能。 动力活塞带动永磁直线发电机动子做往复运动，动子的往复运动使得永磁直线发电机定 子中的绕组相对动子中的磁极作切割磁力线的运动，从而产生感应电动势。 永磁直线发电机发出的交流电通过充电回路整流为直流 12 后充入蓄电池组，系统完成从热能到电能的转化。 配气活塞将汽缸分为膨胀腔和压缩腔两部分，起到分配膨胀腔和压缩腔内气体工质比例的作用。 配气活塞通过弹簧与汽缸相连，弹簧对配气活塞的运动起到一定的控制作用，动力活塞除与发动机负载相连外还与自己的储能弹簧相连，弹簧和动力活塞的重量形成最大质量震动系统，使动力活塞的运动接近于简谐运动。 回热器为一种类似金属丝网状结构，其作用相当于热力海绵，根据工质温度能吸 收或放出热量。 自由活塞式 Stirling 发动机及其工作原理 基于 Stirling 循环的发电系统主要采用的是单作用活塞一配气活塞式结构，其起到将热能转化为机械能的重要作用。 13 自由活塞式 Stirling 发动机的结构 自由活塞式 Stirling 发动机结构如图 23 所示，由加热器、回热器、冷却器、配气活塞、动力活塞和汽缸组成。 气体工质在膨胀腔、回热器和压缩腔内流动。 自由活塞式 Stirling 发动机的原理 自由活塞式 Stirling 发动机，是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机。 其运行 时工质被封闭在膨胀腔、回热器和压缩腔组成的循环回路中，通过配气活塞的往复运动来调整气缸容积的变化，控制工质在闭式循环中的流动方向。 作为发动机其要求工质在较低的温度和压力下被压缩，并在较高的温度和压力下膨胀，即膨胀功大于压缩功。 从而获得正的循环功。 Stirling 发动机的热力循环遵循的是斯特林循环，斯特林循环由等温压缩过程、等容加热过程、等温膨胀过程和等容冷却过程四步组成。 为说明斯特林循环，将斯特林发动机气缸简化为如图 4 所示，压缩腔活塞远离冷却器时为其运动内止点，与冷却器接触时为其运动外止点。 膨胀腔活塞靠近加热器时为其运动外止点，远离加热器时为其运动内止点。 其具体循环过程如下 : 1)等温压缩过程 循环开始时，压缩腔活塞处于内止点，压缩腔容积最大，膨胀腔活塞处于外止点并仅靠加热器，膨胀腔容积为最小。 因此，工质全部在压缩腔内，工质为冷腔温度即循环最低温度 TC， 14 工质在循环中所处状态如图 25 中点 1 所示。 随着压缩活塞向外止点方向移动，系统容积逐渐缩小，工质在压缩腔中受到压缩，压缩结束后，如点2 所示，此时系统容积己从最大值 V1 缩小到最小值 V2。 压缩过程中，压缩热 QC 由气缸壁从系统内部逐渐导出，同时外界在整个压缩过 程中得到系统做功 W 12。 在理想状态下，压缩热 Oc 等于压缩功 W12。 即 式中 :R 为气体常数。 2)等容加热过程 等容加热过程如图 26 所示，从点 2 开始，至点 3 结束。 过程开始时，压缩活塞从点 2 继续向外移动，到达外止点时过程结束。 与此同时，膨胀活塞开始由外止点向内止点移动。 两个活塞做相反运动使压缩腔容积的缩小值等于膨胀腔容积的增大量，系统总容积不变，即 V2 = V3，过程是等容的。 在这一等容过程中，压缩腔的容积变到零，而膨胀腔容积开始由零逐渐增大，结果是压缩腔中的工质全部进入到了膨胀腔。 工质从压缩腔到膨胀腔前，通过流经回热器并得到回热器的加热，热量 QR 从回热器传给工质，工质温度从最低循环温度 TC 上升到最高循环温度 TE 后流入膨胀腔。 所以，这一过程称为等容加热过程。 在过程结束时，工质全部处于膨胀腔，且温度为 TE，同时压力也上升到最高压力，如图 25 中的 PV 图所示。 在该过程中，因系统容积不变，故不做功，但工质内能增大。 在理想状态下，热能 QR 为 式中 CV 为 TC 一 TE 温度范围内工质的平均等容比热。 15 3)等温膨胀过程 在等温膨胀过程中，压缩活塞在外止点保持 不动，膨胀活塞继续向其内止点移动，结果系统容积增大，压力下降，待膨胀活寨移动到内止点时过程结束。 此时，系统容积已从最小容积 }3 扩大到最大容积气。 为了实现等温膨胀，即 T3T4TE，外源必须通过气缸壁向工质供给等温膨胀热县同时系统向外界做等温膨胀功 W34。 在理想状态下，外界向系统榆入的等温膨胀热能 QE 应等于等温膨胀功 W34，即 4)等容冷却过程 在这一过程中，压缩活塞从其外止点移动到内止点，同时膨胀活塞从其内止点移动到外止点，结果将膨胀腔中一器时，回热器从工质中吸走热能鸟 ,R，使口低循环温度 Tc 后流入压缩腔。 两个活塞 f 积 V4 = V 下得到冷却，故叫做等容冷却过的热能 QR’为 16 斯特林循环的 4 个过程全部结束，工质状态回复到循环始点的状态。 自由活塞式 Stirling 发动机的热力循环与上述理想斯特林循环有所区别，因为现在还不能制作间断性运动的活塞传动机构，所以并没有能进行理想斯特林循环的 Stirling 发动机，实际运行中的斯特林发 动机的热力循环只能接近上述理想热力循环。 自由活塞式 Stirling 发动机的特点 系统之所以选用单缸自由活塞式 Stirling 发动机是因为它有以下特点 : 1)机械效率高 自由活塞式 Stirling 发动机相比较其他机械没有连杆、轴或轴承，只有滑动配合，由工质本身作为润滑剂，因而有非常高的机械效率。 一台榆出功率为 1 kw 的自由活塞式热气机，机械效率可达 99%，特别是部分负荷时，自由活塞式 Stirling 发动机的有效热效率也相对较高【 30】。 2)热效率高 曲柄连杆式热气机通常采用改变工质的平均压力来调 节输出功，但自由活塞式 Stirling 发动机的平均循环压力是不变的，输出功的变化主要是靠改变行程来达到。 因此，在部分负荷时，仍可保持其总的热效率基本不变。 3)能使用多种能源 使用多种能源的能力与高效率同等重要。 连续外燃加热允许使用最广泛的燃料和能源，包括所有气体、液体和固体燃料。 4)自起动 设计正确的自由活塞式热气机，只要在冷热端之间建立起足够的温差 17 便能自行起动，这是其它动力装置不可比拟的。 因此其结构相对简单，使用更为可靠，对维修保养的要求也不高，可用于无人管理的场所。 启动加热只需数秒钟，热气机便能自行 起动。 随后便可全功率运行。 5)不需要液体润滑 和内燃机相比较，由于自由活塞式 Stirling 发动机的机械损失非常小，其不需要液体润滑剂来润滑和冷却有关部件。 所以，发动机结构和维修保养很简单。 6)密封可靠 自由活塞式 Stirling 发动机相比曲柄连杆式斯特林发动机没有复杂的传动机构，相比与内燃机密封压力小，所以密封问题十分简单，通常只要将壳体密封即可满足要求。 7)振动小、噪音低 自由活塞式 Stirling 发动机的工作腔内没有爆燃并与大气隔绝，所以压力上升的速率没有内燃机高，特别是没有传动机构，因此，运转 十分安静，不必使用隔音或消音装置【 31】。 8)有自动调节功能 自由活塞式 Stirling 发动机有根据外界负荷的变化自动调节输出功的能力。 如果外界的负荷不大，活塞的行程会变得比较长，行程往返期间作用力的差也比较小。 若负荷增大，活塞的行程便自动缩短，作用力随之增大。 输出功基本不变。 永磁直线发电机及其工作原理 直线发电机可以认为是传统旋转发电机在结构方面的一种演变，它可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，转子的旋转运动变为了动子的往复直线运动。 直线发电机较旋转式发电机磁路结构容易 改变，因此，其结构型式比普通感应电机和同步电机有更多的式样。 直线发电机按其结构型式的不同，可以分为扁平型、圆筒型和圆盘型等。 而扁平型直线发电机是最有代表性，且应用最为广泛。 本发电系统采用的就是双边扁平型永磁直线发电机，如下介绍其结构、工作原理和特点。 永磁直线发动机结构 发电系统中永磁直线发电机的基本结构如图 210 所示，发电机为双边 18 扁平型结构，由动子和定子组成。 定子铁心中开有两个槽，槽中放有定子绕组，上下两定子中绕组线圈采用串联方式以提高输出电压。 定子采用模块式设计，可根据实际需求，串联更多的定 子模块和延长动子长度以增加输出功率。 动子结构如图 29 所示，动子由磁极和动子框架组成，选用永磁铁为动子磁极，固定在不导磁的铝框内，铝框中间开槽以防止运行时在铝框上形成大的环流损耗，相邻的永磁体磁极相反放置，有利于永磁体通过定子铁心形成磁回路。 19 永磁直线发动机工作原理 由上述结构可见，本系统采用的直线发电机的工作原理与以往旋转式发动机有很大不同。 直线发电机工作时，是将自由活塞式 Sti。