太阳能斯特林发动机振动特性研究

发布时间：2017-09-08 12:34

  本文关键词：太阳能斯特林发动机振动特性研究

  更多相关文章： 三维非定常流动 斜盘传动机构 斯特林发动机 振动特性 工质脉动 Lagrange方程 振动幅值 参数优化

【摘要】：斯特林发动机是碟式太阳能发电系统系统实现由热能到动能,进而带动发电机发电的核心部分,其气缸系统工质流动特性及斜盘传动机构的振动特性等性能是发电系统能否可靠高效工作的关键,斯特林发动机的振动可能会导致气缸支撑座松动、工质气体泄漏以及气缸活塞寿命缩短等一系列严重问题。本文以湘电集团在研的38k W级碟式发电系统的斯特林热机为研究对象,开展其气缸系统及其斜盘传动机构的振动特性分析,并对传动机构进行了以减振为目的的简单结构参数优化。具体研究内容主要包括:首先,基于FLUENT6.3软件平台,选用标准的k-?湍流模型,建立斯特林发动机工质单循环实体模型,设置相应的热流边界和模拟活塞运动的动网格边界,对斯特林发动机的工质气体的流动过程进行了数值仿真模拟,得到了工质的三维非定常流动特性,得出了气缸内工质的紊乱流动是引发斯特林发动机振动的一个重要原因,同时变化的工质推力作为动力输入的源头,也会对斯特林发动机传动机构的稳定性产生影响。其次,选取气缸内关键节点的工质流动数据,并对其进行傅里叶变化,可知工质的压力脉动频率主要集中在10~50Hz,而流量脉动则集中在10~50Hz和200~250Hz。同时惯性力矩需在主轴上设计适当的质量块才能使气缸系统所受力矩达到平衡,而活塞组件的往复运动惯性力并不能对斯特林发动机的整体振动产生影响;工质气体力在膨胀压缩过程中对活塞端面产生振动冲击作用。而后,基于Lagrange多体结构振动建模方法,建立斯特林发动机的振动微分方程,应用Matlab求解得出:斯特林发动机斜盘传动机构的前四阶固有频率均呈现近似正弦的周期性变化,且第3阶固有频率分别与第2阶和第4阶固有频率在150Hz和250Hz处出现重合,产生振动加剧。同时变活塞力引起斜盘传动机构的振动形式体现为第1活塞组件的往复振动以及第2列半球滑块的偏转振动。最后,以斯特林发动机的振动响应幅值大小为目标函数,采用数值解析法对斜盘传动机构的相关结构进行参数优化,得出选取斜盘半径为151mm,半球滑靴半径为24mm,活塞组件质量为2.6kg,半球滑靴质量为1.4kg,斜盘倾角为25.4°时斜盘传动机构的振动幅值较小。
【关键词】：三维非定常流动 斜盘传动机构 斯特林发动机 振动特性 工质脉动 Lagrange方程 振动幅值 参数优化
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK05;TM615
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 课题研究背景和意义10-15
• 1.2 国内外研究与发展现状15-19
• 1.2.1 碟式太阳能发电系统及斯特林发动机研究现状15-17
• 1.2.2 斯特林发动机振动特性研究现状17-19
• 1.3 课题来源及本文研究的主要内容19-22
• 1.3.1 课题来源19
• 1.3.2 研究路线及方法19-20
• 1.3.3 研究内容及论文结构20-22
• 第二章 斯特林发动机工质三维非定常流动特性分析22-34
• 2.1 引言22
• 2.2 流体力学基本理论及方法22-23
• 2.3 三维非定常流动模型的建立23-25
• 2.3.1 FLUENT热流边界条件24-25
• 2.3.2 Gambit网格划分25
• 2.3.3 动网格边界条件25
• 2.4 三维非定常流动特性分析25-32
• 2.4.1 工质流动的时间特性分析25-28
• 2.4.2 工质流动的空间特性分析28-32
• 2.5 本章小节32-34
• 第三章 太阳能斯特林发动机气缸及内部工质振动特性34-44
• 3.1 引言34
• 3.2 气缸模型建立34-35
• 3.3 气缸系统振动特性分析35-41
• 3.3.1 气缸内部工质脉动特性35-39
• 3.3.2 气缸活塞振动力特性分析39-41
• 3.4 气缸活塞所受气体力特性41-42
• 3.5 网格无关性检验42-43
• 3.6 本章小节43-44
• 第四章 太阳能斯特林发动机斜盘机构振动特性研究44-58
• 4.1 引言44
• 4.2 斜盘机构振动模型44-46
• 4.2.1 刚性多体模型描述44-46
• 4.2.2 运动副接触模型确定46
• 4.3 基于Lagrange的斜盘机构振动微分方程46-50
• 4.3.1 机构动能与势能的计算47-49
• 4.3.2 机构广义力计算49
• 4.3.3 机构振动微分方程49-50
• 4.4 斜盘机构的振动特性分析50-56
• 4.4.1 变接触刚度下的机构固有频率特性分析50-52
• 4.4.2 变接触刚度下活塞力响应特性分析52-54
• 4.4.3 定接触刚度下活塞力响应特性54-56
• 4.5 本章小节56-58
• 第五章 基于减振目的的斜盘机构参数优化设计58-66
• 5.1 引言58
• 5.2 参数优化设计概述58-59
• 5.3 斜盘机构的优化设计模型59-61
• 5.3.1 优化参数确定59
• 5.3.2 目标函数确定59-60
• 5.3.3 参数优化求解方法60-61
• 5.4 优化结果分析61-64
• 5.5 本章小节64-66
• 第六章 研究总结与展望66-69
• 6.1 研究总结66-68
• 6.2 未来工作展望68-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-75
• 附录A：攻读学位期间参研的科研项目和发表的学术论文目录75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：814061