斯特林发动机的发展与应用 (1)

斯特林发动机的发展与应用

李海伟,石林锁,李亚奇

(第二炮兵工程学院502教研室,西安710025)

摘 要:回顾了斯特林发动机的发展历史,讲述了斯特林发动机的结构类型与主要分析方法,总结了斯特林发动机的关键技术,阐述了斯特林发动机的特点及主要应用,最后展望了斯特林发动机的发展前景。

关键词:斯特林发动机;斯特林循环;蝶式太阳能热发电系统

中图分类号:T K 1 文献标志码:A 文章编号:1005 7439(2010)04 0228 04

The Development and Application of Stirling Engine

LI Hai wei,SHI Lin suo,LI Ya qi

(No.502F aculty o f T he Seco nd A rtillery Eng ineer ing Co lleg e,X i an 710025,China)

Abstract:T he phy lo geny o f St irling eng ine was firstly r eview ed in this paper,then the co nfigurat ion type and analytical method o f Stirling cycle w ere elabo rated in the follo wing par ts.T he key technolo gy that affect the per formance was also summar ized.T hen the ex cellence and applicat ion of Stir ling eng ine w as depicted.In addition,Its future development w as also ex pected in this paper.

Keywords:stirling engine;stir ling cy cle;dish stir ling so lar po wer generation system

斯特林发动机(Stir ling engine)又叫热气机,是一种外部燃烧(加热)的封闭式活塞发动机,具有燃料来源广、效率高、污染小、噪音低和维修方便等优点,可以应用在许多领域内中作为清洁高效的动力机,对节能减排、保护环境有重要意义。斯特林发动机对燃料的适应性很强,可用能源除了煤、石油、天然气外,还可以利用太阳能、原子能、化学能以及木材、秸秆等农林废弃物燃烧所放出来的热能。斯特林发动机的热效率很高,理论上斯特林循环效率等于相同状态下的卡诺效率,实验表明斯特林发动机的实际有效效率可以达到32%~40%,最高甚至可达47%。斯特林发动机运行的污染物排放少,作为外燃机燃料可以在足够的空气下连续燃烧,燃烧比较充分,与内燃机相比,排放的一氧化碳和碳氢化合物等有害气体大大减少。斯特林发动机没有气阀机构,工质在汽缸内的压力变化接近正弦波形,而且燃烧不会产生的爆震和排气波,因而运转比较平稳,噪音比较小;例如ST M 生产的50kW 的斯特林发动机在裸机工作时,1m 处的噪音低于75dB 。斯特林

发动机的运转比较平稳,扭矩比较均匀,超负荷能力

强(可以在超负荷50%的情况下仍然能正常运转),相比之下内燃机超负荷能力只有5%~15%。另外,斯特林发动机结构简单,比内燃机少40%的零部件,例如自由活塞式斯特林发动机只有密封的汽缸和两个活塞,没有容易出故障的气阀机构、高压喷油系统和需要良好润滑的活塞环,维修也比较方便

[1-4]

。本文将对斯特林发动机的发展历史进行回

顾,并对斯特林发动机的特点和分析方法进行分析,指出斯特林发动机的关键技术和发展前景。

1 发展历史

1816年,罗伯特 斯特林(Robert Stir ling )发明了闭式循环的热气机!!!斯特林发动机,对第一台闭式循环热气机的构造进行了描述[1-2]。19世纪初上半叶,斯特林发动机已经得到了广泛的应用,1853年约翰 埃里克森(Jo hn Ericssion)制造出了一台总功率为220kW 的超大型斯特林发动机,活塞直径为4.2m,转速为9r/min,效率为13%,但受

228 第31卷第4期2010年8月

能源技术

ENERGY TECH NOLOGY

V ol.31 N o.4A ug. 2010

斯特林发动机比较适合偏远地区应用的小型热发电,荷兰的菲利普公司一直致力于这类设备的研制,1937年研制了一台高效新型的斯特林发动机,开创了现代斯特林发动机研制的先河。此后随着科学技术的发展,一些新型材料(不锈钢等)和先进技术(流体力学和传热学等)的应用,使斯特林发动机的研制重新获得了关注并得到了很大发展,取得很多成果。例如1952年研制成功的∀102C#型发动机比老式斯特林发动机的功率提高了30多倍[3-5]。特别是近几十年来,随着能源问题和环境问题日益突出,斯特林发动机在新能源利用上体现的优势受到了广泛关注,菲利普公司、通用发动机公司、福特汽车公司、瑞典联合热气机公司等大企业都相继着手研制斯特林发动机;美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本等也对发展高效清洁的斯特林发动机提供了支持,斯特林发动机在车用、船用、潜艇用、发电用、热泵用等领域取得重要进展。我国也很重视斯特林发动机研制工作,一些研究机构在20世纪70年代中期开始研究斯特林发动机,并在军用领域取得一定成果[3-5]。

2 三种基本类型

斯特林发动机主要由压缩腔、加热器、回热器、冷却器和膨胀腔组成,根据工作空间和回热器的配置方式上,可以分为 , 和三种基本类型,如图1所示[5]。

型斯特林发动机的结构最简单,加热器、回热器、冷却器两侧配备了热活塞和冷活塞,热活塞负责工质的膨胀,冷活塞负责工质的压缩,当工质全部进入其中一个汽缸时,一个活塞固定,另一个活塞压缩或膨胀工质。

型斯特林发动机在同一个汽缸中配备了配气活塞和动力活塞,配气活塞负责驱动工质在加热器、回热器和冷却器之间流通;动力活塞负责工质的压缩和膨胀,当工质在冷区时压缩工质,当工质在热区时让工质膨胀。

型斯特林发动机的动力活塞和配气活塞分别处于配气汽缸和动力汽缸内,配气活塞同样负责驱动工质流通,动力活塞单独完成工质的压缩和膨胀工作。理论上,型双作用的斯特林发动机具有最高的机械效率,并且有很好的自增压效果[5-6]。

(a)

型斯特林发动机

(b)

型斯特林发动机

(c) 型斯特林发动机

图1 斯特林发动机三种基本类型的结构图

3 分析方法

在斯特林发动机中,工质被密封在一个闭合回路中,在活塞的作用下经历等温压缩、等容吸热、等温膨胀和等容冷却四个过程完成一个循环,这就是斯特林循环,理想斯特林循环的P V图和T S见图2和图3。

马提尼根据对问题分析的深度将文献中的斯特林发动机性能分析方法分为零级到四级5个级别[7-8]。

零级分析法不对斯特林循环进行分析,仅根据斯特林发动机的实验结果,归纳总结斯特林发动机性能的经验关系式,只能用于定性分析,不适合做斯

229

图2 理想斯特林循环P V

图

图3 理想斯特林循环T S 图

特林发动机的优化设计;Carlquist 和Beale 对零级分析法的应用与发展做出了重要贡献

[8-9]

。

一级分析法是考虑了斯特林循环的最基本分析方法,该方法主要假设热腔和冷腔工质的循环温度恒定,因此又称为等温分析法;Schm idt 首先应用一级分析法,以 型斯特林发动机为模型,进行了理论分析并给出了解析解。由于一级分析法的等温假设过于理想,不符合实际情况,因而分析结果存在较大的理论误差,一般也只用于定性分析[10-11]。

二级分析法进一步假设热腔和冷腔内的工质温度在循环的过程中是变化的,可以采用常微分方程组作为数学模型,结合理想气体状态方程以及边界条件可进行数值求解,与一级分析法相比更接近实际,因此更具有应用价值[12-13]。

三级分析法对工质作了一维流动假设,在每个节点处对工质的传热和气体动力学过程用质量、动量和能量守恒方程进行描述,因此又称为节点分析法;三级分析法的斯特林模型精度更高,应用更为广泛。斯特林三级分析最早是Finkelstein [14]

提出的,Urieli,Gedeon,Martini 等对其进行了深入补充与发展[14-17]。

四级分析法又称为CFD 分析法,CFD 分析已成功应用于内燃机和燃气轮机的设计,但是目前在两相流的处理上还有待完善,在斯特林发动机中的应用更少。由于四级分析法的精度很

高,随着科学技术的不断进步,终将成为斯特林循环的主要分析法

[7,18]

。

4 关键技术

斯特林发动机的关键技术包括性能仿真、热交换器设计与制造、密封和控制等。性能仿真技术主要是对实际的斯特林循环进行模拟仿真,目前国际上应用较多的是二级分析法和三级分析法(节点分

析法),基于这两种分析法建立的模型虽然考虑到了斯特林发动机各部分状态参数的变化,但与实际工作过程还有很大差别,因此需要建立精度更高、更接近实际的CFD 模型,以提高模型的精度,进而提高斯特林发动机的综合性能。

换热器是斯特林发动机的重要组成部分,斯特林发动机的五部件模型中,换热器就占了加热器、回热器、和冷却器三件,换热器上的损失(回热损失、流阻损失、轴向导热损失等)是斯特林发动机的主要损

失,因此换热器的设计与制造技术是影响斯特林发动机综合性能的重要因素。

由于斯特林发动机主要靠工质在汽缸内的往复运动进行工作的,提高斯特林发动机的密封技术,无论是对提高性能还是增加寿命,都有重要的意义。

控制技术是调节斯特林发动机工作的核心技术,斯特林发动机的控制技术远不如内燃机成熟,因此提高斯特林发动机的控制技术,对提高斯特林发动机和斯特林发动机系统(太阳能斯特林热发电系统)的综合性能有着重要的意义[2,19]。

5 应用

斯特林发动机的用途非常广,特别适合应用在小型的低品位能源资源发电项目中。例如在太阳能热发电项目中,斯特林发动机可以把集热器中的热能直接转化成动能驱动发电机发电,在美国和澳大利等国家已经取得了实质性的突破,很多实验电站已经运行多年,大规模的商业运行电站也正在建立。2005年8月SCE 公司(Southern California Edison)和SES 公司(Stirling Energ y Sy stems,Inc.)宣布签订20年采购协议,由SES 公司在美国洛杉矶东北莫哈韦沙漠地区采用碟式斯特林发电系统建造一座500M W 太阳能热发电站,以后并逐步扩大到850M W 。2005年10月,SES 公司宣布与SDG&E 公司(San Diego Gas &Electric)签订了提供300~900M W 太阳能电力合同;这大约是圣地

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文献[22]着重介绍了斯特林发动机在我国民用特别是农村的应用潜力,文献[23]详细介绍了斯特林发动机在低品位能源中的应用。此外斯特林发动机在废热回收、人工心脏、空间站动力、水下动力和车用动力等方面都有重要的应用,其理论价值和实际意义都值得我们做进一步的研究。

6 展望

近年来,斯特林发动机的研究在世界领域取得了突破性进展,能源危机更增加了世界各个国家对斯特林发动机的重视程度,进一步加快了斯特林发动机的发展进程。由于斯特林发动机得天独厚的优势,随着技术进步和新材料的开发,斯特林发动机的性能还会有很大的提高,应用领域还会进一步扩展,斯特林发动机很可能成为21世纪一种主要的动力装置。我国斯特林发动机的研究起步比较晚,不过近年来我国的研制力量和水平的进展速度很快,取得的一系列成果已经受到了国际斯特林发动机界的注目,而且中国在这一领域将会发挥巨大的作用。

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