搜索
斯特林发动机设计说明书机电工程系1101班指导老师：张旭忠小组成员：马宏帅2011090116张超2011090140张晓东2011090129李敏2011090127李程青2011090123目录一、设计题目二、自制斯特林发动机的目的和意义三、斯特林发动机的工作原理四、斯特林发动机的设计过程五、斯特林发动机的优点六、斯特林发动机的发展前景七、设计总结一、设计题目：自制简易斯特林发动机斯特林发动机是一种外燃的闭式循环往复活式热力发动机,1816年由苏格兰的R.斯特林发明。斯特林发动机气缸一端为热腔,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膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧,通加热器传给工质,工质不直接参与燃烧，也不更换。斯特林发动机结构见图如下：图一：自制斯特林发动机结构图二、自制斯特林发动机的目的和意义斯特林发动机是独特的热机，因为他们实际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。外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，有别于依靠燃料在发动机内部燃烧获得动力的内燃机。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。由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，发电效率越高。外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。但是斯特林发动机还有许多问题要解决，例如膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等。所以，还不能成为大批量使用的发动机。由于热源来自外部，因此发动机需要经过一段时间才能响应用于气缸的热量变化（通过气缸壁将热量传导给发动机内的气体需要很长时间）。这意味着：1、发动机在提供有效动力之前需要时间暖机。2、发动机不能快速改变其动力输出。斯特林发动机目前有报道，已经开始研究在计算机主板的散热风扇上使用，通过北桥芯片的发热来带动斯特林发动机，以此来给硬件降温，该研究还处于研究阶段热气机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。三、斯特林发动机的工作原理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。图二：斯特林发动机工作原理图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。配气活塞式热气机，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；双作用式热气机，每个气缸内只有一个活塞，兼起配气活塞和动力活塞的作用。各缸的上部为热腔，下部为冷腔。各热腔经加热器、回热器和冷却器与邻缸的下部冷腔连接，组成一个动力单元。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。图三：斯特林发动机工作过程示意图四、斯特林发动机的设计过程经过小组成员的讨论，确定自制斯特林发动机的结构，外形尺寸参数，运动参数，根据所学知识，运用solidworks三维软件，设计出各个部分的零件，然后进行建模，构造三维体。设计完所有零件后，进行装配，运用仿真功能，达到预期的效果。1、零件设计过程：主体外形尺寸：图四各个零件结构：底座:图五曲轴：图六轮盘：图七活塞：图八连杆：图九2、装配过程：把每个零件按照要求通过约束装配在一起，装配图如下图:图十3、仿真视频（附件）五、斯特林发动机的优点：适用于各种能源，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源(太阳能放射性同位素和核反应等)，而发动机本(除加热器外)不需要作任何更改。同时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量。热气机在运行时，由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，独立于燃气的工质通过加热器吸热，并按斯特林循环对外做功，因此避免了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧程，从而实现了高效、低噪和低排放运行。高效：总能效率达到80%以上；低噪：1米处裸机噪音底于68dBA；低排放：尾气排放达到欧5标准。热气机单机容量小，机组容量从20－50kw，可以因地制宜的增减系统容量。结构简单，零件数比内燃机少40%，降价空间大，同时维护成本也较低热气机尚存在的主要问题和缺点是制造成本较高，工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题，功率调节控制系统较复杂，机器较为笨重。热气机的未来发展将更多的应用新材料(如陶瓷)和新工艺，以降低造价；对实际循环进行理论研究，完善结构，提高性能指标；在应用方面，正大力研究汽车用的大功率燃煤热气机、太阳能热气机和特种用途热气机等。热气机分为单缸、2缸、4缸等形式；单缸热气机的燃烧室与冷却器共一室，需要交替向燃烧室中注入燃气、燃烧、排气、注入冷却气体等循环过程，驱动活塞上下运动带动曲轴转动，由于燃烧室需要交替使用，与一般的内燃机一样复杂，很少再发展。2缸热气机的燃烧、冷却过程完全连续，1个汽缸加热、1个冷却，工质在2个气缸中密闭循环，反复被加热冷却，活塞在热气驱动下上下运动驱动曲轴旋转。4缸热气机的气缸上部加热、下部冷却，或相反，工质在相邻两个气缸的上下部间循环，4个活塞交替上下，直接驱动斜盘转动，工作最为平顺。六、斯特林发动机的发展前景随着全球能源与环保的形势日趋严峻，热气机由于其具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视，所以，在水下动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力、车用混合推进动力等方面得到了广泛的研究与重视，并且已得到了一些成功的应用。热气机推广中的3个方向包括：热电联产充分利用它环境污染小和可使用多种燃料及易利用余热的特点，用于热电联产可取得更高的热效率和经济效率。四联装余热回收系统低能级的余热回收利用对燃烧系统稍加改进便可利用工场余热、地热和太阳能进行发电或直接驱动水泵，可取得更大的节能效益。移动式动力源通过对发动机的小型化和轻量化，并改善其控制性能后，亦可以作为推土机、压路机等车辆的动力。注意斯特林发动机的发明时间是1816，是和蒸汽机差不多的古老的发动机，多年没有引起人们的重视，斯特林发动机的几个特性是非常适合潜艇的，首先是燃烧连续，由于工质不燃烧，因此没有内燃机的爆震现象，噪音低；其次可以使用任何燃料，其燃烧室在外，燃烧的过程与工质无关，或者说只要有热源、冷源就能工作，无论烧煤烧碳都可以，只要能发热就行。八、设计总结在老师的指导下，顺利的完成了机械装备训练。通过这次训练，收获是颇多的。通过对零件的功用分析、三维建模、三维零件装备及solideorks三维软件的运用等的学习，对于一些课程知识有了进一步的认识。对理论知识在实践中的应用有了更深的理解。在查询资料中，根据实际的情况完成零件夹具的设计，使自己更加形象的理解了理论知识在实际中的运用。激发了自己的学习积极性，在设计中需要系统的掌握知识，并实践化，加深对理论知识的理解。在这次课程设计中，我按照装备训练课的的要求和进度完成了自制斯特林发动机设计。期间遇到了很多问题，通过与老师的交流，查阅资料，了解了许多有用的知识，完全达到了培养实际动手设计能力的目的。这种类型的实践类学习对以后的工作发展和问题的解决起到了铺垫和指引作用。感谢老师的指导，感谢老师为这次课程设计所付出的巨大努力。你们辛苦了！