斯特林发动机循环分析方法、内部振荡流换热和整机试验的研究

发布时间：2017-08-25 23:18

  本文关键词：斯特林发动机循环分析方法、内部振荡流换热和整机试验的研究

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【摘要】：斯特林发动机由于具有热效率高、热源适应性好、运转平稳等优点,在水下动力、热电联供技术、太阳能热发电等领域有非常好的应用前景。本文提出了一种改进型Simple分析模型,该模型以理想绝热分析为基础,充分考虑各个部件的功损/热损情况(导热损失、回热损失、穿梭热损、流阻损失、气流滞后损失、泄漏损失),模型在2500r/min以内,误差小于20%。但由于斯特林发动机管内特殊的振荡流换热和流动影响,其误差会随着转速升高而变大。通过对斯特林发动机管内振荡流换热特性的初步实验研究发现,其内部振荡流换热性能与稳态流相比有明显提高,实验所得斯特林发动机管内振荡流换热经验公式如下：结合改进型Simple模型分析结果,我们自主设计并制造了一台100W级β型斯特林发动机,并对其进行系统性的实验研究,进一步证明改进型Simple模型的可靠性和精度：氮气工质下模型误差约为1%-7.1%,氦气约为4.3%-13.4%。结合发动机功损/热损分析,我们进一步探究了转速、压强和工质对斯特林发动机内部循环做功(PV图)的影响及内在机理。转速的增大会导致压缩和膨胀过程中气体无法及时进行热量交换,导致循环PV图变“瘦”,指示功逐渐减小：氦气工况下,当转速从260r/min升至1380r/min,其指示功从6.6J降至5.2J,循环输出功从28.8W升至120W。随着压强增大,循环工质量不断增多,其指示功、循环输出功、循环效率、轴功率及电功率均随之增大。结合改进型Simple模型的功损/热损分析发现,当发动机工作压强和转速升高时,流阻损失、回热损失和泄漏损失会急剧增大并占据主导地位,由于氦气的流阻损失和回热损失较氮气小,且换热性能较好,在高工况下氦气工质性能优势会愈加明显：在2.9MPa和1120r/min工况下,氦气的循环输出功和循环效率分别为165 W和16.5%,而氮气仅为139 W和12.2%。工质物性参数的差异及各功损/热损随转速/压强的变化速率的不同,最终导致不同工质斯特林发动机性能的差异。
【关键词】：斯特林发动机 改进型Simple模型 循环PV图 功损/热损分析 工质 管内振荡流换热
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK407
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 术语表11-13
• 1. 绪论13-31
• 1.1 斯特林发动机概述13-20
• 1.1.1 斯特林发动机的类型及特点14-15
• 1.1.2 斯特林发动机的发展概况15-20
• 1.2 斯特林发动机循环分析方法20-27
• 1.2.1 一级分析法20-22
• 1.2.2 二级分析法22-26
• 1.2.3 三级分析法26-27
• 1.2.4 四级分析法27
• 1.3 斯特林发动机内部振荡流换热27-29
• 1.4 本文研究目的及主要工作29-31
• 2. 改进型Simple模型31-39
• 2.1 模型简介31-32
• 2.2 热损/功损校核及换热校核模块32-34
• 2.3 模型的初步验证及比较——GPU-3斯特林发动机34-38
• 2.4 小结38-39
• 3. 斯特林发动机加热器管内振荡流换热性能的实验研究39-47
• 3.1 实验装置及方法39-43
• 3.2 实验结果与讨论43-47
• 3.3 小结47
• 4. β型斯特林发动机的设计及实验研究47-70
• 4.1 实验装置及方法47-53
• 4.2 实验结果与讨论53-69
• 4.2.1 转速的影响54-62
• 4.2.2 压强及工质的影响62-69
• 4.3 小结69-70
• 5. 结论与展望70-76
• 5.1 主要内容及总结70-73
• 5.2 本文主要创新点73-74
• 5.3 展望74-76
• 6. 参考文献76-79
• 作者简介79

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