斯特林机帽式密封性能分析及回归参数优化设计

为改善斯特林机活塞杆帽式密封性能,首先采用数值仿真分析了5 MPa工质压力下其静、动态力学特性,从而获取了O型圈内径尺寸L_(N)、C型环径向壁厚T和装配过盈量S这3个关键结构参数对密封性能的影响规律。在此基础上,利用回归设计法以配伍面最大接触压力平稳且密封可靠为优化目标,对密封结构的上述3个关键参数进行优化设计以确定其最佳匹配方案,最后通过密封试验台验证了本文优化设计方法的准确性和普适性。结果表明:活塞杆与C型环密封面中间区域上最大接触压力随L_(N)和S的增大而增大,但随T的增大而减小;通过估计回归系数和方差分析(ANOVA)发现,L_(N)对密封性能影响最为显著、S次之、T影响最小;L_(N)和T、L_(N)和S交互项对响应显著,而T和S交互项对响应不显著;当L_(N)为13.745 mm、T为0.40 mm和S为0.020 mm时,优化密封件对应的正行程最大接触压力为9.01 MPa、回程为9.75 MPa,较工程在用密封件(L_(N)=13.780 mm、T=0.50 mm、S=0 mm)最大接触压力分别降低了14.7%和25.5%。实验进一步验证了优化密封件的密封性能和使用寿命均优于工程在用密封件,并且在不同工质压力下优化密封件的接触压力均匀性更好,减摩延寿效果显著,充分证明本文性能分析与优化设计方法准确有效。

斯特林机活塞杆帽式密封结构改进研究

为解决斯特林机活塞杆处介质泄漏的问题,对其帽式密封结构进行改进,并利用有限元分析软件ANSYS建立其二维轴对称模型;基于实际运行工况,分析比较改进密封结构的性能指标,并通过改变边界条件,探究介质压力、摩擦因数及活塞杆运行速度对改进密封结构性能影响规律。结果表明:改进的密封结构消除了原有结构O形圈的应力集中问题,提高了最大接触应力,且在增加有效密封面积40%的同时又将O形圈的最大等效应力降低了近50%;3个关键参数中介质压力对密封性能的影响力最大,对于改进密封结构,在介质压力为6~8.5 MPa时其密封性能最佳。

应用斯特林机实现船舶废气热能利用的热电转换设备

随着国家碳中和及碳达峰战略目标的推进实施,航运节能减排的技术也被大众所关注。由于船舶机舱内部有大功率的发动机和发电机组,故在设备工作时产生的废气余热温度极高,可高达上千摄氏度。首先将废气余热通过斯特林机转化为机械能,再通过外接发电机转化为电能。整个工作过程在降低环境温度的同时产生了电能,提升废气余热的利用效率。据初步试验,在温度为433℃时即可产生约3.3 V的电能。该装置结构简单,没有复杂的机械结构,安全性较高、可靠性强,若能在船舶机舱中多设备同时使用,对于实现碳中和及碳达峰目标拥有积极的助力。

行波热声斯特林机中自激振荡的实验分析——利用相空间重构方法

一个由环形行波圈和谐振管组成的热声斯特林系统已成功的设计和建造 ,本文介绍了使用声信号的时间序列来进行相空间重构 ,用相空间重构方法来描述和分析行波热声系统中的自激振荡 。

自由活塞斯特林机动子运动阻尼特性研究

为准确描述自由活塞斯特林机动子的动力学特性,将黏性阻尼与库伦阻尼的分离计算法引入动子的运动阻尼分析中。通过理论分析和实验验证,并与等效黏性阻尼计算法进行对比,证明了分离计算法的正确性和实用性。研究结果表明:动子在往复运动中的接触摩擦与常规接触摩擦不同,其阻尼力既不只是一个定常摩擦力,也不只是速度的线性函数,而是由于往复运动,动子的局部接触情况随位移发生变化,表现为与位置相关的摩擦力。因此,动子往复运动中的阻尼特性应采用一个黏性阻尼系数与一个定常摩擦力共同描述。

α型斯特林机的不可逆分析及结构参数优化

基于施密特理论,根据是否考虑机械损失和死容积分配情况等不可逆因素的影响,对斯特林机建立A、B、C、D四个模型,并推导了α型斯特林机输出功关于行程容积比、相位角、死容积大小及配比等结构参数的计算方程;通过比较不同模型下斯特林机的工作曲线,总结输出功关于结构参数的一般变化特性,讨论结构参数的优化及合理取值范围,并分析各不可逆因素对计算结果的影响。研究发现,几个不可逆因素对行程容积比和相位角的优化影响不一,死容积大小和分配情况均影响输出功大小,且死容积大小存在上限。

斯特林机活塞杆帽式组合密封动密封性能分析

为研究斯特林发动机活塞杆无油润滑帽式组合密封的动密封性能,利用有限元分析软件Abaqus建立帽式密封的二维轴对称有限元模型,基于系统实际工况,研究工质压力对帽式密封性能的影响,得到不同压力下的有效密封区域。静态密封性能分析结果表明,帽式密封环与活塞杆的接触应力是密封的关键,动态密封性能分析结果表明,两者接触应力和密封区域随压力增大而增大,且外行程接触应力略大于内行程。通过热力耦合动态仿真模拟,分析环境温度、摩擦因数、往复运动速度对动密封性能的影响。结果表明:环境温度对帽式密封温度场影响不大,热源主要来自摩擦热;往复运动速度对其密封性能影响也不大,而摩擦因数的影响较大,摩擦因数越小,帽式密封的密封效果越好,使用寿命越长。

基于斯特林机的大功率LED半主动散热研究

设计了一种以斯特林机为基础的大功率LED半主动散热装置,该装置能够巧妙地利用LED工作时散发的热量驱动斯特林机,带动风扇对LED进行风冷散热,降低LED结温,保证其正常工作,延长使用寿命。通过理论计算对LED改造前后的换热系数与换热量进行对比分析,得出改造后可以有效提高换热系数,增大换热量,有效降低了LED的工作温度。

斯特林机动力活塞间隙密封动态特性仿真分析

在自由活塞斯特林机动力活塞间隙密封中,间隙内的气体泄漏会引起工作腔内压力和气体质量的变化,进而影响斯特林机的工作效率。为研究在压缩循环过程中气体泄漏量对压力的动态影响,建立间隙密封长度不变、间隙密封长度单侧变化和间隙密封长度双侧变化3种不同的间隙密封物理模型,采用时间推进法,分析求解不同形式的密封对泄漏量的影响。结果表明:间隙密封在启动阶段时单向泄漏量最大,随着时间的推进,泄漏量逐渐减小后达到稳定,间隙密封长度不变的模型相较于其他2种模型的单向泄漏量最少。基于间隙密封长度不变的模型,分析气膜厚度、背压、密封长度对泄漏量的影响,对气膜间隙和背压进行优化设计。结果表明:气体质量的泄漏随气膜厚度和背压的增加而增加,随活塞长度的增加而减小;当气膜间隙为20~30μm,活塞长度为10~15cm,背压在3~5 MPa时,间隙密封泄漏量在3%以内,符合动力活塞间隙密封的设计要求。分析结果为自由活塞斯特林机动力活塞间隙密封提供了设计依据。

新型闭式铝粉燃烧斯特林机水下动力系统构型分析

针对现有的动力电池、柴油-液氧型斯特林机等常规水下动力系统的能量密度多在300W·h/kg以内的问题,提出了一种以铝粉燃烧为基础的新型高能量密度斯特林水下动力系统方案。通过数值仿真方法,分别构建了铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统以及铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统,并与传统柴油-液氧斯特林机动力系统进行了能量密度以及燃料成本的比较。结果发现,铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统的能量密度高达648Wh/L,为传统柴油-液氧斯特林机动力系统的2倍,燃料成本为传统柴油-液氧斯特林机动力系统的2倍;铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统的能量密度为传统柴油-液氧斯特林机动力系统的1.7倍。可见,新型闭式铝粉燃烧斯特林水下动力系统有着良好的发展潜力,可为未来水下动力系统的设计提供理论参考。

斯特林机菱形传动机构动力学建模与刚柔耦合问题求解

目前斯特林机的数字化样机广泛采用多刚体力学理论建立,忽略了运动过程中传动构件的弹性变形与内应力作用,难以准确反映斯特林机及菱形传动机构的真实工作过程。针对斯特林机及菱形传动机构复杂的运动学与动力学特性,基于三维建模技术、有限元方法和多体动力学理论建立其菱形传动机构的刚柔耦合模型。通过刚柔耦合动力学问题求解,获得了配气活塞和动力活塞的位移、速度、加速度等运动规律,分析了柔性化连杆对斯特林机配气活塞与动力活塞运动过程的影响,验证了斯特林机在启动阶段的波动情况。分析结果为深入分析连杆应力应变动态响应提供了更加准确的边界条件,也为斯特林机结构开发与优化设计提供了借鉴方法。

基于附壁效应的斯特林机多孔介质加热器传热特性

针对传统斯特林机加热器加热管管外出现"热点"现象,提出斯特林机的多孔介质型加热器,以提高加热管外传热平均温度。通过改进纽曼与包克附壁射流模型,提出斯特林机加热器多孔介质模型。通过本多孔介质模型下流动传热特性与Fu方程下的对流换热特性对比、同时分析不同流速与孔径下的加热管换热系数,验证出:在附壁效应下,多孔介质模型对碳化硅等大孔径、内部结构均匀且形状变化平滑的泡沫型多孔介质有较好的拟合特性。

斯特林机PTFE密封材料的可靠性试验

针对斯特林机密封部件用PTFE复合材料,测定BELDAM CROSSLEY公司生产的Crossflon LR、Crossflon 1403、Crossflon705三种材料在低载高速条件和高载低速2种工况下的摩擦磨损性能,试验分析发现Crossflon LR、Crossflon705两种PTFE材料的高温耐磨性有待进一步提高,润滑性能不能满足要求;而Crossflon 1403的摩擦系数相对其他2种材料更低,具有更佳的耐磨性能。

基于斯特林机汽车辅助散热装置效益分析

为解决汽车长途行驶过程中的散热问题,文中提出一种基于斯特林机的汽车发动机辅助散热装置。该装置能够有效利用发动机产生的废热驱动斯特林机,将原来由汽车蓄电池驱动的冷却液循环泵与散热风扇改为由斯特林机驱动,并对散热部件进行改造,有效提高换热系数,降低冷却液温度,保证发动机安全运行。文中根据实际情况,建立模型,进行理论计算,得出斯特林机输出轴功约为200 W,足以带动冷却液循环泵与散热风扇。并分析改造后所带来的环境效益,与经济效益,得出该每辆汽车每年可少用64.86 L汽油。1.39年后可回收改造成本,具有良好的经济效益。

基于斯特林机汽车辅助散热装置效益分析

为解决汽车长途行驶过程中的散热问题,文中提出一种基于斯特林机的汽车发动机辅助散热装置。该装置能够有效利用发动机产生的废热驱动斯特林机,将原来由汽车蓄电池驱动的冷却液循环泵与散热风扇改为由斯特林机驱动,并对散热部件进行改造,有效提高换热系数,降低冷却液温度,保证发动机安全运行。文中根据实际情况,建立模型,进行理论计算,得出斯特林机输出轴功约为200 W,足以带动冷却液循环泵与散热风扇。并分析改造后所带来的环境效益,与经济效益,得出该每辆汽车每年可少用64.86 L汽油。1.39年后可回收改造成本,具有良好的经济效益。

多孔介质燃烧器驱动斯特林机传热机理研究

本文在基于低浓度瓦斯多孔介质燃烧器,研究了多孔介质燃烧器对斯特林机传热机理,利用FLUENT软件对环状燃烧器一定流量范围内下进行分析,得出换热器内部温度场,搭建了低浓度瓦斯斯特林机发电系统试验台,取得了和数值模拟基本一致的结果,验证了模型的正确性。试验结果表明:随着流速的增大,烟气的出口温度升高,总传热系数升高,传热量增大,提高环状燃烧器烟气温度,换热器总的传热功率提高,总的烟气换热系数变化不大。

功率目标函数下斯特林机的面积优化

建立考虑热阻、热漏、回热器损失等不可逆因素的斯特林机循环平均传热模型,用最大功率优化法对冷热端换热面积比进行参数优化,得到以最大功率为目标函数下的斯特林机冷热端最佳面积比,可用于指导斯特林机的设计和运行。

斯特林机煤的两段燃烧装置的实验研究

概要地介绍了近几年所研究的新型两段燃烧装置试验研究成果。斯特林机外部燃烧系统可采用固定床(炉排)系统、活动床(炉排)系统、煤粉燃烧系统、沸腾床系统和气化燃烧或液化燃烧等形式。两段燃烧系统由于燃烧充分和强化,因而可获得很高的炉排放热率,整个燃烧装置可设计得非常紧凑,燃烧产物亦非常干净。这对于斯特林机紧密布置的加热管簇非常有利。

太阳能斯特林机用新型吸热器的设计与模拟

本文给出了一种太阳能斯特林机用的新型吸热器的结构设计,工作原理,以及在特定边界条件下的数值模拟结果。该吸热器整体上为腔式结构,其内部开有U形的气体加热通道,其顶盖部分设计有把进出吸热器的氦气进行分流及汇集的通道。该吸热器在受光照加热的区域呈完全周向对称结构。数值模拟及对比的结果表明,该吸热器在工作时周向壁面的温度场分布较均匀,整体温差低,出口处工质的温度较高。该吸热器具有较好的加热效果。

汽油机与斯特林联合循环系统性能分析

依据2．0DCVVT汽油机全负荷的试验数据，对不同转速下尾气能量的数量及品质进行分析和评价。结合排气温度及可用能特点，建立了斯特林机与汽油机联合循环模型。采用二阶简单分析法对汽油机与斯特林联合循环工作过程进行建模及仿真，分析了汽油机的转速、排气温度，斯特林发动机的转速、压力等参数对斯特林机的回收功率及联合循环输出功率的影响规律。针对汽油机3000r／min，30％、60％、90％负荷工况下进行联合循环试验，得到一定工作压力下斯特林机最佳工作转速，联合循环系统总功率提高了0．210～0．254kW，相当于汽油机功率的0．69／6～1．37％，尾气经过回收利用后排气温度大幅度降低，改善了排气情况。