小功率自由活塞斯特林发动机动力学特性和泄漏问题研究
发布时间：2020-08-03 09:18
【摘要】：自由活塞式斯特林发动机利用氦气作为工质介质,具有热源适应性好、理论热效率高、可以利用低品位能源及结构简单等特点,对于能源高效利用、废热回收等方面具有很好的应用前景。本文对自由活塞斯特林发动机进行了动力学建模、计算和仿真。运用振动系统的旋转矢量法对自由活塞斯特林发动机进行了分析和计算,得出了该自由活塞斯特林发动机的矢量图解。根据发动机设计参数,利用矢量图,获得驱动活塞的气动力值。利用Adams仿真软件分别建立动力活塞和配气活塞虚拟样机模型,通过给定活塞的气动力,振动系统的刚度系数,阻尼系数,仿真得到活塞的振动曲线;将活塞位移曲线,速度曲线,加速度曲线与理论计算值对比,验证理论计算结果的正确性。对活塞振动系统的固有频率进行了研究。阐述了活塞振动系统的振动原理,将活塞振动系统看作单自由度的有阻尼的由简谐激振力引起的受迫振动。利用共振原理,设计实验获得活塞振动系统的固有频率。通过激振器激振活塞振动系统,并在板簧上粘贴应变片,通过惠斯通电桥,信号放大器输出位移信号。利用此测试系统,分别对动力活塞振动系统和配气活塞振动系统进行测试,获得了活塞振动系统的实际固有频率。为进一步对自由活塞斯特林发动机的性能进行试验验证,建立了试验平台并进行了整机试验。整机测试试验效果不佳,发动机没有起振。通过对试验过程及结果的深入分析发现,发动机没有起振的原因是动力活塞与气缸之间的间隙过大,导致工质泄漏量过大。建立了发动机的启动激励系统,保证活塞可以建立起足够的压强差。对自由活塞斯特林发动机动力活塞间隙密封的特性进行了研究。对动力活塞的间隙密封进行了理论分析,建立了数学模型,分析了影响因素,并进行了泄漏量的数值计算。并重点研究了间隙值的大小对泄漏量的影响,取了四组间隙值计算了半周期的泄漏量。搭建了自由活塞斯特林发动机活塞泄漏量试验平台,并进行了试验,发现间隙越小,泄漏量越小,密封效果越好。分析了泄漏量对发动机启动时的影响,改进了加热器的加热方式。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK05
【图文】：
图 2.6 动力活塞系统三维模型添加约束建完模型，对各个零部件之间添加约束，以定义物体之间的相对运动。对于常见的约束为旋转副和移动副，ADAMS/View 也包含其他各种运动副。根据系统的实际系统的各个构件间定义运动副，以进行系统的运动学和动力学的仿真模拟[33]。动副是构成系统模型的一部分，使用运动副将系统模型的构件连接起来，约束构，使得系统模型按照指定的规律运动。斯特林发动机动力活塞振动系统中，活塞在气缸中为往复振动，所以添加移动副机体则固定在大地上。. 建立大地和机体之间的固定关系。在“连接”工具栏下，点击 “创建固定副”式为 2 个物体-1 个位置，方向垂直栅格。再分别选择机体和大地，使机体与大地择为机体的中心。．建立活塞和机体之间的移动副关系。点击 “创建移动副”按钮，构建方式为位置，先选择活塞作为第一个物体，再选择机架作为第二个物体，选择移动副的
加约束完模型，对各个零部件之间添加约束，以定义物体之间的相对运动。对于常见束为旋转副和移动副，ADAMS/View 也包含其他各种运动副。根据系统的实统的各个构件间定义运动副，以进行系统的运动学和动力学的仿真模拟[33]。副是构成系统模型的一部分，使用运动副将系统模型的构件连接起来，约束构使得系统模型按照指定的规律运动。特林发动机动力活塞振动系统中，活塞在气缸中为往复振动，所以添加移动副体则固定在大地上。建立大地和机体之间的固定关系。在“连接”工具栏下，点击 “创建固定副为 2 个物体-1 个位置，方向垂直栅格。再分别选择机体和大地，使机体与大为机体的中心。建立活塞和机体之间的移动副关系。点击 “创建移动副”按钮，构建方式为位置，先选择活塞作为第一个物体，再选择机架作为第二个物体，选择移动副心，方向为通过轴线指向机体。其约束如图 2.7 所示。
小功率自由活塞式斯特林发动机工作机理分析及试验研究.4 创建作用力自由活塞在发动机中运动，其主要受到气体作用力、板弹簧作用力这两个力的作用ms 中可以在添加拉压弹簧阻尼器，以此来表示板弹簧作用力。在力工具栏下，选择 簧阻尼器”按钮，构建方式为活塞和机架来确定位置，弹簧属性弹性系数由上节计算获8479N/m，但在 Adams 环境中其单位为 mm，所以需要把弹性系数转换为 K=48.479N/m阻尼系数时也需要转换单位，根据上节的计算，阻尼系数为 C=0.0379N·S/mm。在活塞另一侧添加气体作用力，选择力工具栏下 “单向作用力”按钮，力的运行方体运动，构建方式为选择形状特征，力特性为定制。力的定义方式为函数，其值由上出Fp= 50.77 cos(100πx + 0.41π)。对于阻尼 3 的阻尼力，其大小同时和动力活塞和的速度相关，所以可以根据计算出的阻尼力，在动力活塞上直接添加单向作用力，选栏下 “单向作用力”按钮，力的运行方向为随物体运动，构建方式为选择形状特征为定制。力的定义方式为函数，其值由上节计算得出Fc3p= 18.8 cos(100πt + 1.25π所有参数均已定义，如图 2.8 所示。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK05
【图文】：
图 2.6 动力活塞系统三维模型添加约束建完模型，对各个零部件之间添加约束，以定义物体之间的相对运动。对于常见的约束为旋转副和移动副，ADAMS/View 也包含其他各种运动副。根据系统的实际系统的各个构件间定义运动副，以进行系统的运动学和动力学的仿真模拟[33]。动副是构成系统模型的一部分，使用运动副将系统模型的构件连接起来，约束构，使得系统模型按照指定的规律运动。斯特林发动机动力活塞振动系统中，活塞在气缸中为往复振动，所以添加移动副机体则固定在大地上。. 建立大地和机体之间的固定关系。在“连接”工具栏下，点击 “创建固定副”式为 2 个物体-1 个位置，方向垂直栅格。再分别选择机体和大地，使机体与大地择为机体的中心。．建立活塞和机体之间的移动副关系。点击 “创建移动副”按钮，构建方式为位置，先选择活塞作为第一个物体，再选择机架作为第二个物体，选择移动副的
加约束完模型，对各个零部件之间添加约束，以定义物体之间的相对运动。对于常见束为旋转副和移动副，ADAMS/View 也包含其他各种运动副。根据系统的实统的各个构件间定义运动副，以进行系统的运动学和动力学的仿真模拟[33]。副是构成系统模型的一部分，使用运动副将系统模型的构件连接起来，约束构使得系统模型按照指定的规律运动。特林发动机动力活塞振动系统中，活塞在气缸中为往复振动，所以添加移动副体则固定在大地上。建立大地和机体之间的固定关系。在“连接”工具栏下，点击 “创建固定副为 2 个物体-1 个位置，方向垂直栅格。再分别选择机体和大地，使机体与大为机体的中心。建立活塞和机体之间的移动副关系。点击 “创建移动副”按钮，构建方式为位置，先选择活塞作为第一个物体，再选择机架作为第二个物体，选择移动副心，方向为通过轴线指向机体。其约束如图 2.7 所示。
小功率自由活塞式斯特林发动机工作机理分析及试验研究.4 创建作用力自由活塞在发动机中运动，其主要受到气体作用力、板弹簧作用力这两个力的作用ms 中可以在添加拉压弹簧阻尼器，以此来表示板弹簧作用力。在力工具栏下，选择 簧阻尼器”按钮，构建方式为活塞和机架来确定位置，弹簧属性弹性系数由上节计算获8479N/m，但在 Adams 环境中其单位为 mm，所以需要把弹性系数转换为 K=48.479N/m阻尼系数时也需要转换单位，根据上节的计算，阻尼系数为 C=0.0379N·S/mm。在活塞另一侧添加气体作用力，选择力工具栏下 “单向作用力”按钮，力的运行方体运动，构建方式为选择形状特征，力特性为定制。力的定义方式为函数，其值由上出Fp= 50.77 cos(100πx + 0.41π)。对于阻尼 3 的阻尼力，其大小同时和动力活塞和的速度相关，所以可以根据计算出的阻尼力，在动力活塞上直接添加单向作用力，选栏下 “单向作用力”按钮，力的运行方向为随物体运动，构建方式为选择形状特征为定制。力的定义方式为函数，其值由上节计算得出Fc3p= 18.8 cos(100πt + 1.25π所有参数均已定义，如图 2.8 所示。
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 王建中;王波;杨冬冬;刘昊;叶重;;百瓦级气体轴承斯特林发电机研究[J];低温与超导;2015年10期
2 张凤娇;魏民祥;周梦来;展益彬;;斯特林发动机配气活塞动力学仿真分析[J];现代制造工程;2015年10期
3 周寿明;吴红星;肖
本文编号：2779425
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