斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

stur息引擎也稱為排氣引擎，是一種外部燃燒（加熱）的封閉式激活發(fā)動機(jī)。它具有燃料來源廣泛、效率高、污染小、噪聲低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。作為一種清潔高效的動力機(jī)，它對節(jié)能、減少和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。斯特林發(fā)動機(jī)對燃料的適應(yīng)性很強(qiáng),可用能源除了煤、石油、天然氣外,還可以利用太陽能、原子能、化學(xué)能以及木材、秸稈等農(nóng)林廢棄物燃燒所放出來的熱能。斯特林發(fā)動機(jī)的熱效率很高,理論上斯特林循環(huán)效率等于相同狀態(tài)下的卡諾效率,實(shí)驗(yàn)表明斯特林發(fā)動機(jī)的實(shí)際有效效率可以達(dá)到32%～40%,最高甚至可達(dá)47%。斯特林發(fā)動機(jī)運(yùn)行的污染物排放少,作為外燃機(jī)燃料可以在足夠的空氣下連續(xù)燃燒,燃燒比較充分,與內(nèi)燃機(jī)相比,排放的一氧化碳和碳?xì)浠衔锏扔泻怏w大大減少。斯特林發(fā)動機(jī)沒有氣閥機(jī)構(gòu),工質(zhì)在汽缸內(nèi)的壓力變化接近正弦波形,而且燃燒不會產(chǎn)生的爆震和排氣波,因而運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn),噪音比較小;例如STM生產(chǎn)的50kW的斯特林發(fā)動機(jī)在裸機(jī)工作時,1m處的噪音低于75dB。斯特林發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn),扭矩比較均勻,超負(fù)荷能力強(qiáng)(可以在超負(fù)荷50%的情況下仍然能正常運(yùn)轉(zhuǎn)),相比之下內(nèi)燃機(jī)超負(fù)荷能力只有5%～15%。另外,斯特林發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,比內(nèi)燃機(jī)少40%的零部件,例如自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)只有密封的汽缸和兩個活塞,沒有容易出故障的氣閥機(jī)構(gòu)、高壓噴油系統(tǒng)和需要良好潤滑的活塞環(huán),維修也比較方便。本文將對斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷史進(jìn)行回顧,并對斯特林發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)和分析方法進(jìn)行分析,指出斯特林發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展前景。1斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)展1816年,羅伯特·斯特林(RobertStirling)發(fā)明了閉式循環(huán)的熱氣機(jī)——斯特林發(fā)動機(jī),對第一臺閉式循環(huán)熱氣機(jī)的構(gòu)造進(jìn)行了描述。19世紀(jì)初上半葉,斯特林發(fā)動機(jī)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,1853年約翰·埃里克森(JohnEricssion)制造出了一臺總功率為220kW的超大型斯特林發(fā)動機(jī),活塞直徑為4.2m,轉(zhuǎn)速為9r/min,效率為13%,但受技術(shù)條件限制,當(dāng)時的斯特林發(fā)動機(jī)功率一般都比較小(100～4000W)、體積也比較大,同時由于柴油機(jī)、汽油機(jī)等內(nèi)燃機(jī)的廣泛應(yīng)用,斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)展受到了極大阻力,1916年最后一臺老式斯特林發(fā)動機(jī)出廠,斯特林發(fā)動機(jī)的第一階段宣告結(jié)束。斯特林發(fā)動機(jī)比較適合偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用的小型熱發(fā)電,荷蘭的菲利普公司一直致力于這類設(shè)備的研制,1937年研制了一臺高效新型的斯特林發(fā)動機(jī),開創(chuàng)了現(xiàn)代斯特林發(fā)動機(jī)研制的先河。此后隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,一些新型材料(不銹鋼等)和先進(jìn)技術(shù)(流體力學(xué)和傳熱學(xué)等)的應(yīng)用,使斯特林發(fā)動機(jī)的研制重新獲得了關(guān)注并得到了很大發(fā)展,取得很多成果。例如1952年研制成功的“102C”型發(fā)動機(jī)比老式斯特林發(fā)動機(jī)的功率提高了30多倍。特別是近幾十年來,隨著能源問題和環(huán)境問題日益突出,斯特林發(fā)動機(jī)在新能源利用上體現(xiàn)的優(yōu)勢受到了廣泛關(guān)注,菲利普公司、通用發(fā)動機(jī)公司、福特汽車公司、瑞典聯(lián)合熱氣機(jī)公司等大企業(yè)都相繼著手研制斯特林發(fā)動機(jī);美國、俄羅斯、英國、法國、德國、日本等政府也對發(fā)展高效清潔的斯特林發(fā)動機(jī)提供了支持,斯特林發(fā)動機(jī)在車用、船用、潛艇用、發(fā)電用、熱泵用等領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。我國也很重視斯特林發(fā)動機(jī)研制工作,一些研究機(jī)構(gòu)在20世紀(jì)70年代中期開始研究斯特林發(fā)動機(jī),并在軍用領(lǐng)域取得一定成果。2器、冷卻器斯特林發(fā)動機(jī)主要由壓縮腔、加熱器、回?zé)崞?、冷卻器和膨脹腔組成,根據(jù)工作空間和回?zé)崞鞯呐渲梅绞缴?可以分為α,β和γ三種基本類型,如圖1所示。α型斯特林發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)最簡單,加熱器、回?zé)崞?、冷卻器兩側(cè)配備了熱活塞和冷活塞,熱活塞負(fù)責(zé)工質(zhì)的膨脹,冷活塞負(fù)責(zé)工質(zhì)的壓縮,當(dāng)工質(zhì)全部進(jìn)入其中一個汽缸時,一個活塞固定,另一個活塞壓縮或膨脹工質(zhì)。β型斯特林發(fā)動機(jī)在同一個汽缸中配備了配氣活塞和動力活塞,配氣活塞負(fù)責(zé)驅(qū)動工質(zhì)在加熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器之間流通;動力活塞負(fù)責(zé)工質(zhì)的壓縮和膨脹,當(dāng)工質(zhì)在冷區(qū)時壓縮工質(zhì),當(dāng)工質(zhì)在熱區(qū)時讓工質(zhì)膨脹。γ型斯特林發(fā)動機(jī)的動力活塞和配氣活塞分別處于配氣汽缸和動力汽缸內(nèi),配氣活塞同樣負(fù)責(zé)驅(qū)動工質(zhì)流通,動力活塞單獨(dú)完成工質(zhì)的壓縮和膨脹工作。理論上,γ型雙作用的斯特林發(fā)動機(jī)具有最高的機(jī)械效率,并且有很好的自增壓效果。3關(guān)于定性分析的形式在斯特林發(fā)動機(jī)中,工質(zhì)被密封在一個閉合回路中,在活塞的作用下經(jīng)歷等溫壓縮、等容吸熱、等溫膨脹和等容冷卻四個過程完成一個循環(huán),這就是斯特林循環(huán),理想斯特林循環(huán)的P-V圖和T-S見圖2和圖3。馬提尼根據(jù)對問題分析的深度將文獻(xiàn)中的斯特林發(fā)動機(jī)性能分析方法分為零級到四級5個級別。零級分析法不對斯特林循環(huán)進(jìn)行分析,僅根據(jù)斯特林發(fā)動機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,歸納總結(jié)斯特林發(fā)動機(jī)性能的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,只能用于定性分析,不適合做斯特林發(fā)動機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì);Carlquist和Beale對零級分析法的應(yīng)用與發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。一級分析法是考慮了斯特林循環(huán)的最基本分析方法,該方法主要假設(shè)熱腔和冷腔工質(zhì)的循環(huán)溫度恒定,因此又稱為等溫分析法;Schmidt首先應(yīng)用一級分析法,以α型斯特林發(fā)動機(jī)為模型,進(jìn)行了理論分析并給出了解析解。由于一級分析法的等溫假設(shè)過于理想,不符合實(shí)際情況,因而分析結(jié)果存在較大的理論誤差,一般也只用于定性分析。二級分析法進(jìn)一步假設(shè)熱腔和冷腔內(nèi)的工質(zhì)溫度在循環(huán)的過程中是變化的,可以采用常微分方程組作為數(shù)學(xué)模型,結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程以及邊界條件可進(jìn)行數(shù)值求解,與一級分析法相比更接近實(shí)際,因此更具有應(yīng)用價值。三級分析法對工質(zhì)作了一維流動假設(shè),在每個節(jié)點(diǎn)處對工質(zhì)的傳熱和氣體動力學(xué)過程用質(zhì)量、動量和能量守恒方程進(jìn)行描述,因此又稱為節(jié)點(diǎn)分析法;三級分析法的斯特林模型精度更高,應(yīng)用更為廣泛。斯特林三級分析最早是Finkelstein提出的,Urieli,Gedeon,Martini等對其進(jìn)行了深入補(bǔ)充與發(fā)展。四級分析法又稱為多維CFD分析法,多維CFD分析已成功應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì),但是目前在兩相流的處理上還有待完善,在斯特林發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用更少。由于四級分析法的精度很高,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,終將成為斯特林循環(huán)的主要分析法。4cfd模型的建立斯特林發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)包括性能仿真、熱交換器設(shè)計(jì)與制造、密封和控制等。性能仿真技術(shù)主要是對實(shí)際的斯特林循環(huán)進(jìn)行模擬仿真,目前國際上應(yīng)用較多的是二級分析法和三級分析法(節(jié)點(diǎn)分析法),基于這兩種分析法建立的模型雖然考慮到了斯特林發(fā)動機(jī)各部分狀態(tài)參數(shù)的變化,但與實(shí)際工作過程還有很大差別,因此需要建立精度更高、更接近實(shí)際的CFD模型,以提高模型的精度,進(jìn)而提高斯特林發(fā)動機(jī)的綜合性能。換熱器是斯特林發(fā)動機(jī)的重要組成部分,斯特林發(fā)動機(jī)的五部件模型中,換熱器就占了加熱器、回?zé)崞?、和冷卻器三件,換熱器上的損失(回?zé)釗p失、流阻損失、軸向?qū)釗p失等)是斯特林發(fā)動機(jī)的主要損失,因此換熱器的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)是影響斯特林發(fā)動機(jī)綜合性能的重要因素。由于斯特林發(fā)動機(jī)主要靠工質(zhì)在汽缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動進(jìn)行工作的,提高斯特林發(fā)動機(jī)的密封技術(shù),無論是對提高性能還是增加壽命,都有重要的意義?？刂萍夹g(shù)是調(diào)節(jié)斯特林發(fā)動機(jī)工作的核心技術(shù),斯特林發(fā)動機(jī)的控制技術(shù)遠(yuǎn)不如內(nèi)燃機(jī)成熟,因此提高斯特林發(fā)動機(jī)的控制技術(shù),對提高斯特林發(fā)動機(jī)和斯特林發(fā)動機(jī)系統(tǒng)(太陽能斯特林熱發(fā)電系統(tǒng))的綜合性能有著重要的意義。5太陽能電力項(xiàng)目斯特林發(fā)動機(jī)的用途非常廣,特別適合應(yīng)用在小型的低品位能源資源發(fā)電項(xiàng)目中。例如在太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目中,斯特林發(fā)動機(jī)可以把集熱器中的熱能直接轉(zhuǎn)化成動能驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電,在美國和澳大利等國家已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的突破,很多實(shí)驗(yàn)電站已經(jīng)運(yùn)行多年,大規(guī)模的商業(yè)運(yùn)行電站也正在建立。2005年8月SCE公司(SouthernCaliforniaEdison)和SES公司(StirlingEnergySystems,Inc.)宣布簽訂20年采購協(xié)議,由SES公司在美國洛杉磯東北莫哈韋沙漠地區(qū)采用碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)建造一座500MW太陽能熱發(fā)電站,以后并逐步擴(kuò)大到850MW。2005年10月,SES公司宣布與SDG&E公司(SanDiegoGas&Electric)簽訂了提供300～900MW太陽能電力合同;這大約是圣地亞哥地區(qū)現(xiàn)在太陽能發(fā)電能力的30倍。文獻(xiàn)著重介紹了斯特林發(fā)動機(jī)在我國民用特別是農(nóng)村的應(yīng)用潛力,文獻(xiàn)詳細(xì)介紹了斯特林發(fā)動機(jī)在低品位能源中的應(yīng)用。此外斯特林發(fā)動機(jī)在廢熱回收、人工心臟、空間站動力、水下動力和車用動力等方面都有重要的應(yīng)用,其理論價值和實(shí)際意義都值得我們做進(jìn)一步的研究。6斯特林發(fā)動機(jī)近年來,斯特林發(fā)動機(jī)的研究在世界領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展,能源危機(jī)更增加了世界各個國家對斯特林發(fā)動機(jī)的重視程