百瓦级气体轴承斯特林发电机研究

气体轴承斯特林发电机具有效率高、寿命长、体积小和重量轻等优点。为满足空间电源对效率及重量的苛刻要求,本设计斯特林发电机采用气体轴承支撑消除活塞磨损,并采用动磁式直线发电机、高效回热器等技术。通过建立等温模型和参数修正,对斯特林发动机进行参数设计。搭建气体轴承斯特林发电机实验台,在热端温度350℃、20℃水冷散热工况下,得到38.6W电功率输出,整机效率11%。其成功研制可为我国未来空间探测用电源的研制奠定基础。     

气体轴承技术在空间斯特林制冷机和发电机中的应用综述

气体轴承技术消除了摩擦,是保证制冷机和发电机长寿命的一种核心技术。从制冷机和气体轴承斯特林发电机两个方面,综述了国内外空间用气体轴承斯特林的发展与应用现状。其中,重点介绍了制冷机系列产品的在RHESSI卫星、"发现者号"航天飞机、国际空间站磁谱仪(AMS-02)和空间用冰箱上的应用情况,同时分析了气体轴承斯特林发电机的国内外研制与应用情况。最后指出我国在气体轴承斯特林技术的发展与应用趋势。     

自由活塞斯特林发电机气体轴承的设计方法研究

自由活塞斯特林发电机是一种高效紧凑的外燃式热电转换装置。气体轴承是实现其动子无接触支撑下往复运动的技术方案之一,结合间隙密封技术,可有效提高斯特林发电机的可靠性和使用寿命。目前常用的自由活塞斯特林气体轴承技术主要针对的是小功率,其承载力要求不高,往往简单采用几倍于实际承载的设计思路以应对实际气路结构产生的较大差异,而对实际承载力与细致优化设计考虑较少并缺乏系统的优化设计方法指导。随着大功率斯特林热机的发展,气体轴承的准确设计要求越来越高,掌握其实际应用环境中的最基本特征是实现其高效优化设计的基础。因此,本文从最为简单的一维轴向流模型出发,结合流动的扩散效应和非轴向流效应修正,为气体轴承的设计提供一种快速的计算方法;同时对气体轴承参数进行无量纲分析,给出无量纲结构计算图表,为常规斯特林热机气体轴承的优化设计提供具有普适特性意义的分析方法。     

气体轴承斯特林制冷机研究进展

气体轴承斯特林制冷机是相同制冷量下体积最小、重量最轻、效率最高和可靠性最高的制冷机。为了满足高温超导器件等电子器件对斯特林制冷机需求,开展了10W@77K气体轴承斯特林制冷机的性能和环境适应性研究。在此基础上,设计制作了-100~-20℃温区、5W@77K和15W@77K气体轴承斯特林制冷机样机并进行了测试。10W@77K制冷机在输入功率为166.1W时达到10.55W@77K(热端温度30℃),制冷系数达到6.35%,通过了高低温贮存、高低温冲击、高低温工作以及机械振动、机械冲击等环境适应性实验。-100~-20℃温区制冷机在150W输入功率下获得38W@-80℃的制冷量,制冷系数为25.3%。15W@77K制冷机在输入功率为260W时获得了15.6W@77K的制冷量(热端温度35℃),制冷系数为6%。5W@77K制冷机在输入功率为90W时获得了5.1W@77K的制冷量(热端温度35℃),制冷系数为5.67%。该系列气体轴承斯特林制冷机的良好性能和环境适应性使得其可广泛应用于超导接收前端、斯特林低温冰箱和小型液氮系统等场合。     

5W@77K气体轴承斯特林制冷机研究

气体轴承斯特林制冷机是相同制冷量中体积最小、重量最轻、效率最高及寿命最长的制冷机。对于小型化的5W@77K型气体轴承斯特林制冷机,以其独特的优势,在高温超导、低温制冷与深空探测等领域,赢得了广泛的需求。因此,基于redich线性电机形式,运用气体轴承支撑技术和高效回热器技术,国内首次研制成功了小型化气体轴承斯特林制冷机,为我国的低温制冷领域的发展提供坚实的基础。     

燃烧型超高频热声斯特林发电机实验研究

几十至几百瓦级便携式发电设备在离网应用和应急救灾等场景发挥着重要作用。自由活塞斯特林热机因其外燃属性带来的燃料适应性好、高效、可靠和静音等突出优点而有望成为便携式电源系统的重要发电技术。本文首次提出柴油气化燃烧驱动超高频自由活塞斯特林发电机的便携式发电系统。基于热声学的阻抗匹配和燃烧–交变流动热耦合,设计并研制了一套实验系统,实验中系统考察了不同燃烧功率下的输出特性,并开展了损失分析。初步实验结果表明,该发电系统在加热温度约为600℃时的最大输出电功为320 W,以柴油热值计算的最高热电效率为11.28%。受益于130 Hz的超高工作频率,发电机本体的比功率为90 W/kg,展现出良好的应用潜力。     

基于气体轴承斯特林制冷机的低温冰箱

基于斯特林制冷机的低温冰箱具有体积小、重量轻、便于携带运输的优点,同时可以实现+4~-80℃宽温区冷冻冷藏功能。为了提高降温速率,提升冰箱寿命,通过箱体绝热设计、制冷机冷量传输设计及箱内温度均匀性仿真分析等,设计并制作了一台基于2台气体轴承斯特林制冷机对置式布置的低温冰箱样机,搭建测试系统对其性能进行了初步测试。基于气体轴承斯特林制冷机的低温冰箱冷冻腔容积为27L,在不放置样品的情况下,冷冻腔能够在5h内降温至-80℃。     

10W@80K分置式气体轴承斯特林制冷机研究

为了同时满足冷量、重量、振动、寿命以及环境适应性的需求,开展了分置式气体轴承斯特林制冷机的研发。以气体轴承线性压缩机为驱动源,设计了一款大冷量分置式气体轴承斯特林制冷机。优选了制冷机的设计参数,系统研究了制冷机的运行频率、充气压力、降温时间与制冷量的变化规律,进行了相关实验研究,压缩机输入240Wac,制冷机输出性能指标达到10.2W@80K,验证了制冷机设计的合理性。     

以广义Redlich-Kwong气体为工质的不可逆回热式斯特林热机循环输出功率和效率

研究了热阻、回热损失和热漏等多种不可逆因素对以广义Redlich-Kwong气体为工质的斯特林热机性能的影响,给出了斯特林热机输出功率和效率的具体表达式并分析非理想回热特性及循环主要性能参数(如循环体积比及工质高低温比等)对循环输出功率和效率的影响.同时指出,只有在理想回热及无热漏的情况下,气体斯特林热机的效率才能达到卡诺效率.     

千瓦级自由活塞斯特林发电机研究

自由活塞斯特林发电机具有结构简单、高效率、高可靠性、寿命长等诸多优点。但其研究机构多集中于美国,国内的相关研究很少,且缺乏实验研究。为此,本文按照热声理论设计了一台1 kW电功级自由活塞斯特林发电机,并对其进行了实验研究,主要考察了不同热源温度下发电机的工作特性,获得了最大762 W的电功输出,此时热电效率为19.1%,这也是目前国内所报道过的最高热电效率。同时,本文将实验与热声理论的计算值进行对比,结果表明,实验与计算结果能够较好地吻合。     

余热驱动热耦合多级自由活塞斯特林热电联供系统研究

我国工业余热资源丰富,尤其是中低温余热具有巨大的回收利用潜力。本文提出采用热耦合多级自由活塞斯特林发电机来构建余热回收利用系统,可有效拓宽余热利用温度范围,减小余热热源传热损失。首先基于热声理论,从声阻抗角度计算考察了单级自由活塞斯特林热电联供系统在变温和变充气压力等工况下的性能;然后对一台三级自由活塞斯特林热电联供系统进行解耦计算,分别考察了供水温度、单级加热量、工作压力等因素对系统性能的影响;最后开展了实验研究,在420/350/300℃热端温度及22/22/18 kW加热量下获得自由活塞斯特林热电联产系统净输出电功10.09 kW,供热量45.29 kW,对应总热电效率为16.27%,综合热利用率为89.32%,各级相对卡诺效率分别为30.90%、32.10%、36.08%,展现出重要的应用前景。     

焦点固定型碟式-斯特林太阳能热发电系统实验研究

太阳能光热发电是自由活塞斯特林热机技术的重要应用方向之一。为降低碟式-斯特林太阳能热发电系统成本,本文提出并实验研究了一种焦点固定型碟式-自由活塞斯特林太阳能热发电系统。初步实验结果表明:自由活塞斯特林发电机起振时对应的吸热器壁面温度为345℃。当太阳辐射强度在760 W/m2附近时,吸热器壁面温度在650℃以上,发电机的输出功率可达1320W。本工作验证了低成本的多碟聚光器用于碟式-自由活塞斯特林太阳能热发电系统的可行性,并为下一步系统优化指明了方向。     

斯特林循环的理想和实际效率的讨论

套用大学物理热循环效率的计算公式于理想斯特林热机时,会出现原理上的差错,这是由斯特林热机的特殊设计造成.本文首先从热机效率的基本公式出发,阐述斯特林热机的工作原理,从中看到斯特林热机独特的设计原理使其效率的计算不同于基本公式的原因;其次给出实际斯特林热机工作时热损耗的来源分析;最后结合有关论文的结论,给出工质为范德瓦耳斯气体时的效率与体积比的关联.     

热声斯特林发电系统的实验研究

本文介绍了一台由热声斯特林发动机及其驱动的直线发电机组成的热声斯特林发电系统原理样机.一方面为满足发电机与发动机间体积流率和相位的匹配要求,另一方面为了能在直线发电机活塞处获得较好的压力波与体积流率间相位关系、提高直线发电机的电功输出能力,装置保留了发动机原有的锥形谐振管.初步实验以氦气为工质,在2.5MPa平均压力、64Hz工作频率下,获得了97W的电功.本文还分析了该热声发电系统的效率,得出直线发电机声电转换效率超过了0.8.然而由于谐振管耗散了大量的声功,目前整机的热电转换效率还较低.     

空间斯特林制冷机应用双机备份技术研究

为了提高斯特林制冷机对于空间探测器等应用的可靠性,往往采用双机备份的结构方式,在一台制冷机出现故障后,立即切换到另一台制冷机。文中介绍了兰州物理研究所研制的一种空间斯特林制冷机双机备份应用系统,主要设计特点、试验达到的性能指标等。     

基于不同自然工质的斯特林循环特性研究

本文主要针对一台自主设计的100 W级的声型斯特林发动机,研究三种自然工质气体(氦气、氮气和二氧化碳)的斯特林循环特性与斯特林发动机的运行性能,包括不同转速、压强和工质气体对斯特林循环的膨胀腔和压缩腔工质气体温度、指示功、循环输出功率和循环效率等的影响。实验发现,低转速下,三种工质气体的循环功率和循环效率比较接近,而二氧化碳同时具有更好的密封性能;高转速下,氦气小分子工质气体具有更大的做功潜力。     

理想斯特林热机循环原理及其效率的计算和实际工作效率的简单讨论

本文首先从热机效率的基本公式出发,阐述理想斯特林热机的工作原理,从中看到斯特林热机独特的工程设计对效率计算的影响,使其效率达到理想卡诺循环效率;其次给出实际斯特林热机工作时的热损耗的来源分析;最后结合有关论文的结论,给出工质为范德瓦耳斯气体时的效率与体积比的关联.     

静压气体轴承支撑的线性压缩机低频输出特性研究

气体轴承是线性压缩机的一种新型支撑方式,可消除活塞与气缸之间的磨损,提高压缩机的寿命。为了清晰了解气体轴承在低频下的特性,对气体轴承支撑的Redlich线性压缩机输出能力进行了模拟。气体轴承在低频下的稳定性以及压缩机的输出能力特性研究,可进一步拓展气体轴承在线性压缩机和斯特林制冷中的应用。     

4K温区高频回热器级联温度研究

4K温区斯特林型脉管制冷机各级回热器的级联温度不仅决定最末级回热器的效率和性能,同时影响前几级回热器为最末级回热器提供的预冷量。本文基于一台采用两级G-M型脉管制冷机预冷的单级斯特林型脉管制冷机,开展了4 K温区斯特林型脉管制冷机回热器各级温位布置方式对4 K斯特林型脉管制冷机制冷性能以及第一级和第二级预冷量影响的理论及实验研究,为液氦温区完全斯特林型脉管制冷机的设计提供了重要的参考依据.     

新型热驱动斯特林冷电联产系统数值模拟研究

为解决现有热驱动斯特林冷电联产系统存在的系统性能对直线电机参数敏感性高、匹配难度大的问题,创新性地提出一种热驱动斯特林冷电联产装置,即采用声学谐振管和旁接直线电机实现自由活塞斯特林发动机和自由活塞斯特林制冷机之间的阻抗匹配、声功分配和传递。基于热声理论和商业计算软件Sage对系统进行理论分析和数值模拟,考察了发动机加热温度、制冷机制冷温度和平均压力等对系统性能的影响规律。计算结果表明：在平均压力5 MPa,加热温度833 K时,该热驱动斯特林冷电联产系统在制冷温度110 K下,能获得1000 W制冷量和800W电功,整机效率达29.4%。发动机、制冷机和直线电机能实现较好的功率匹配,电机输出电功的变化对系统热效率影响较小。