空间高温区自由活塞斯特林发电机工作特性试验研究

测试了不同冷端温度下,外负载、运行压力和加热功率对高温区自由活塞斯特林发电机的热端温度、电电效率、输出功率、频率的影响。研究结果表明,在同一冷端温度时,加热功率的增加使发电机的电电效率、输出功率、热端温度上升,而外负载、运行压力的增加则起相反作用;发电机的频率与外负载呈负相关变化,与运行压力、加热功率呈正相关变化。提升冷端温度使发电机的输出功率、电电效率和频率下降,热端温度上升。在三种不同冷端温度下,外负载、加热功率和运行压力对发电机输出特性的影响规律不变。经过测试,发电机在运行温区为495~1058 K时,最大输出功率103.681 W,电电效率20.5%。

自由活塞斯特林发电机设计优化方法

基于未来太阳能应用的重大需求及国内斯特林发电技术较为落后的现状,提出一种自由活塞斯特林发电机的设计优化方法。使用Sage软件建立发电机的热力学模型,利用软件的优化功能进行参数优化,同时结合直线电机的力学平衡方程修正优化结果。利用该方法优化设计新实验样机,同时获得冷端温度、动力活塞板簧刚度和运行压力等参数对发电机输出性能的影响规律,并与实验进行对比。实验结果表明,各参数对发电机输出性能的影响与模拟基本一致。新实验样机在热端温度865 K、冷端温度300 K条件下输出136.6 W的电功率,热电效率达到27.8%,较旧样机提升10.4%,与模拟值误差为6.0%。

自由活塞斯特林发电机启动特性实验研究

启动是开展自由活塞斯特林发电机实验研究的前提,为更系统研究发电机的启动特性,搭建相关实验测试系统并开展实验。发现发电机在激励过后,只有热端温度超过一定值才能成功启动,并以此定义发电机的启动温度。然后以启动温度为评价指标,探究充气压力,配气活塞板弹簧刚度等参数对发电机启动的影响规律。实验结果表明:随着充气压力增加,发电机对应的启动温度逐渐降低。配气活塞板弹簧刚度只有在一定范围内,发电机才能成功启动,并存在最优值。同时,减小外负载阻值以及通过串连电容增加系统的谐振都有利于发电机的启动。

空间百瓦自由活塞斯特林发电机的实验研究

搭建了实验测试系统并对研制的百瓦自由活塞斯特林发电机进行性能优化实验,探究了板簧刚度、运行压力、外负载和冷端温度等因素对发电机输出功率、热电效率、运行频率、热端温度等输出特性的影响。结果表明:同一工况下,配气、动力活塞板簧刚度均存在最佳值使得发电机的输出功率与热电效率最高,运行频率对前者的变化更为敏感。运行压力和外负载的增加有效降低稳定热端温度,而冷端温度的提升则起相反作用。冷端温度的增加提升了发电机的整体运行温区,导致输出性能下降。经过实验优化,发电机在热端温度890 K,冷端温度298.5 K时,最大输出功率125.2 W,热电效率为25.4%。

自由活塞斯特林发动机运行频率

自由活塞斯特林发动机运行频率是发动机的关键参数。区别于传统的曲柄连杆斯特林发动机,自由活塞斯特林发动机的运行频率由系统充气压力、动质量、弹簧刚度、阻力系数等热动力学参数耦合确定,因此确定自由活塞斯特林发动机的运行频率较为复杂。为了能够定量计算自由活塞斯特林发动机的运行频率,笔者建立了耦合发动机热动力学参数的数值模型。首先,在模型中对压力波进行线性化处理,得到了自由活塞斯特林发动机运行频率的计算公式;然后,运用模型分析了主要参数对发动机运行频率的影响规律,并与实验结果相对比,发现模型计算结果较为准确;最后,分析了当板弹簧刚度大幅度增加时,发动机的运行频率却变化较小,主要原因在于原有板弹簧的最高自然频率较低。结果表明:优化设计了新的板弹簧,使发动机运行频率大幅度升高,在采用新的板弹簧之后发动机的运行频率从原来的35Hz提高到60Hz。

250 W空间自由活塞斯特林发电机模拟与实验研究

为建设高效的空间能源系统,利用Sage软件设计了一台250 W空间自由活塞斯特林发电机,并对其进行了模拟研究,然后搭建了实验系统对其性能进行了测试,并与模拟结果进行了对比,研究了关键参数对发电机输出性能和稳定运行特性的影响规律。研究结果表明,发电机的输出功率和效率随加热功率的增加而增大,随充气压力、配气活塞板簧刚度、配气活塞杆直径以及膨胀腔初始长度的增加而减小,而发电机的热端温度和运行频率随上述参数的改变则均呈现单调的趋势。经过初步的优化,该发电机的最高输出功率达到275.1 W,热电转换效率达到23.14%。

间隙密封高频往复运动活塞偏移特性研究

在间隙密封下的高频往复运动活塞组成的热力机械中,活塞平衡位置发生偏移的现象称为活塞偏移现象,这一现象普遍存在。对于线性压缩机和自由活塞斯特林发电机,活塞偏移将导致板簧容易断裂、输出效率下降甚至发生撞缸等严重后果。为研究间隙密封活塞偏移的内部机制以及其影响因素,建立间隙流场的流动泄漏模型,并通过数值模拟验证模型准确性。以百瓦级自由活塞斯特林发电机活塞的密封结构为研究对象,建立热力学和动力学耦合模型,分析间隙和外力对活塞偏移的影响规律。研究表明:一个周期内通过间隙的净泄漏量大于0是导致间隙密封活塞发生偏移的根本原因;在一定条件下,间隙和外力越大,活塞偏移越明显。

自由活塞斯特林发动机相位特性

为了研究自由活塞斯特林发动机的振动位移相位特性,建立了耦合发动机热力学和动力学的计算模型.在模型中对压力波进行了线性化处理,得到了自由活塞斯特林发动机两个活塞振动位移之间相位的计算公式.分析了主要参数对发动机相位角的影响规律,发现:自由活塞斯特林发动机必须在一定的充气压力范围内才满足发动机启动的配气活塞位移领先动力活塞位移的相位关系;负载电阻的变化会使电磁阻尼系数发生改变,进而影响相位关系;动力活塞板簧刚度对相位角影响较小,而配气活塞板簧刚度对相位角影响较大.

空间自由活塞斯特林发电机启动温度研究

为确定空间自由活塞斯特林发电机的启动温度,提出一种结合动力学模型预测启动温度的简单方法.首先建立了包含热力学和动力学的发电机线性模型,利用根轨迹技术并依据系统的不稳定性判定方法预测发电机的启动温度.运用该模型分析了实验样机的启动温度以及配气活塞板簧刚度和外负载对启动温度的影响,并进行实验验证.结果表明:发电机的启动温度与配气活塞板簧刚度成正相关关系,而与外负载成负相关关系,模拟结果与实验有较好的一致性.但由于模型的理想化,模拟结果存在误差且该误差随着热端温度的升高而增加.此外,利用该模型预测发电机的运行频率,结果表明误差低于5.9%.

自由活塞斯特林发动机活塞位移测量

自由活塞斯特林发动机活塞往复振动位移对研究发动机特性具有重要意义,然而该类发动机活塞位于高压封闭腔体内且结构较为紧凑,其活塞往复振动位移难于直接进行测量。加速度传感器具有尺寸小、安装方便和工作稳定等特点,提出了采用加速度传感器测量活塞位移的方法。根据加速度传感器测量位移的原理,建立了一套加速度传感器测量自由活塞斯特林发动机活塞位移的标定试验系统,以位移传感器为基准测试并分析了不同活塞振幅和不同振动频率下加速度传感器测量位移的误差大小。实验结果表明,在活塞振幅小于8 mm,振动频率大于20 Hz条件下,加速度传感器测量位移的误差小于5%。因此加速度传感器可以用于测量自由活塞斯特林发动机的活塞往复运动位移。最后成功把加速度传感器测量的自由活塞斯特林发动机活塞振动位移用于发动机循环指示功的实验研究。

5 kW自由活塞斯特林发电机动磁直线电机冷却

为解决大功率直线电机的温升问题,设计了匹配自由活塞斯特林发电机用的动磁直线电机,并建立电机的三维温度场分析模型.该模型考虑实际电机中铜耗、铁耗、涡流损耗等因素,对线圈绕组进行了等效分析,模拟计算结果和实验结果符合较好,表明了模型的准确性.结合一台输出功率为5kW的斯特林发电机结构特性,设计了一种既满足冷端换热器换热需要又实现直线电机冷却的双用式冷却结构.利用该模型计算得到了电机各个部件的温度分布情况,并与实验结果进行对比验证,具有较好的一致性.与常规冷却结构进行比较分析,结果表明该双用式冷却结构对于线圈、磁铁等结构冷却性能更优.

自由活塞斯特林发电机气体轴承实验研究

为研究和解决自由活塞斯特林发电机活塞偏移所引起的磨损问题,首先通过有限元软件模拟得到了偏移引起磁性侧向力变化的规律,发现动子所受的径向力随着偏移距离和偏移角度的增长线性增加,其斜率分别为1997 N/mm和1535 N/(°),且受力的方向与偏移的方向相同.然后针对动力活塞设计了用以支撑的气体轴承结构,并搭建了一套基于静动摩擦力理论的测试发电机活塞气体轴承性能的实验台,开展了不同气体轴承孔径、孔数、腔内压力和轴承载荷对实际轴承耗气量和承载力的影响规律研究,结果表明:活塞偏移越大,活塞所受的摩擦力越大,相应所需的浮起压力也越大;同时轴承承载力和耗气量都与气体轴承孔径、孔数及腔内压力呈正相关,实际应用中须要综合考虑实际轴承载荷和效率损失来选择合适的匹配值.