斯特林发动机喷雾特性试验研究

100W自由活塞斯特林发动机理论分析和实验测试的
开题报告
1. 研究背景
随着能源消耗和环境污染问题的加剧，对高效节能的热机设备的需求越来越大。

自由活塞斯特林发动机作为一种新型热机装置，具有高效节能、低污染等优点，因此引起了人们的广泛关注和研究。

2. 研究目的
本研究旨在对100W自由活塞斯特林发动机进行理论分析和实验测试，探究其工作原理、性能特点和优化方案，为进一步提高自由活塞斯特林发动机的性能提供理论和实验基础。

3. 研究方法
本研究将采用以下研究方法：
（1）理论分析：根据自由活塞斯特林发动机的基本原理和工作过程推导出其性能方程和能量平衡方程，分析其性能特点和优化方案。

（2）实验测试：搭建100W自由活塞斯特林发动机实验平台，进行性能测试和优化实验，测量其热效率、功率输出和排放等指标，并与理论计算结果进行比较和分析。

4. 研究内容
本研究将重点研究以下内容：
（1）自由活塞斯特林发动机的工作原理和性能特点；
（2） 100W自由活塞斯特林发动机的设计参数和构造方案；
（3）自由活塞斯特林发动机的理论分析，包括性能方程和能量平衡方程的推导与分析；
（4）自由活塞斯特林发动机的实验测试与优化研究，包括热效率和功率输出等指标的测试和优化实验；
（5）自由活塞斯特林发动机的性能分析和优化设计。

5. 研究意义
本研究的意义在于：
（1）探究自由活塞斯特林发动机的工作原理和性能特点，为其改进和优化提供理论基础；
（2）对100W自由活塞斯特林发动机进行实验测试和优化研究，为进一步提高其性能提供实验基础；
（3）推广并应用自由活塞斯特林发动机，提高其在工业生产和环保领域的应用价值。

热声斯特林发动机起消振特性实验研究的开题报告Title: Experimental Study on Vibration and Noise Characteristics of Stirling EnginesBackground:Stirling engines have gained popularity in recent years due to their high efficiency and low emission rate. However, one of the major challenges facing the application of Stirling engines is their vibration and noise levels, which can have negative impacts on their performance and user experience. Therefore, it is imperative to investigate the vibration and noise characteristics of Stirling engines to optimize their operation and reduce their negative impact.Objectives:The main objective of this study is to conduct an experimental investigation on the vibration and noise characteristics of Stirling engines through the following specific goals:1. To measure the vibration levels of the Stirling engine during operation by using accelerometers and other vibration measurement instruments.2. To analyze the frequency spectrum of the vibration signals obtained in order to identify the sources of the vibration.3. To investigate the relationship between the vibrational responses and different engine parameters, such as engine speed, temperature, and pressure.4. To perform noise measurements of the Stirling engine during operation by using sound pressure meters and analyze the frequency spectrum of the noise signals.5. To investigate the effect of different design parameters, such as piston clearance and crankshaft balance, on the vibration and noise characteristics of the Stirling engine.Methodology:The study will be carried out in a laboratory setting using a Stirling engine. Different experimental setups will be used for measuring the engine vibration and noise characteristics, including accelerometers and sound pressure meters. The Stirling engine will be operated at various engine speeds, temperatures, and pressures, and the vibration and noise characteristics will be measured and analyzed. Additionally, different engine design parameters will be modified to investigate their impact on the vibration and noise characteristics.Expected Outcome:The expected outcome of this study is to provide a better understanding of the vibration and noise characteristics of Stirling engines, as well as identifying the sources of the vibration and noise. The study will also provide insight into how different design parameters and operating conditions affect the vibration and noisecharacteristics. The findings of this study will be useful in optimizing the operation of Stirling engines and reducing their negative impacts on users.。

空气引射对斯特林发动机火焰特征及燃烧温度的影响喻超;陈晓玲;周小力;张武高;黄震;顾根香【摘要】为了研究空气引射对斯特林发动机常压燃烧特性的影响，在可视化试验台上进行了不同工况下的燃烧试验，并利用高速摄影机拍摄了燃烧室内的火焰图像，利用热电偶测量了燃烧室内的燃烧温度。

结果表明，无空气引射时，燃烧火焰较长，张角较小，波动较大，高温区集中在燃烧室轴线附近；加入适量引射空气，火焰缩短，张角增大，稳定性提高，高温区外扩，位置向喷嘴靠近，燃烧温度升高；过量引射空气使火焰失稳，温度场紊乱，高温区分散，燃烧温度下降。

【期刊名称】《燃烧科学与技术》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】6页(P556-561)【关键词】斯特林发动机;压力涡流喷嘴;气体引射器;火焰特征;燃烧温度【作者】喻超;陈晓玲;周小力;张武高;黄震;顾根香【作者单位】上海交通大学燃烧与环境技术中心,上海200240;上海交通大学燃烧与环境技术中心,上海200240;上海交通大学燃烧与环境技术中心,上海200240;上海交通大学燃烧与环境技术中心,上海200240;上海交通大学燃烧与环境技术中心,上海200240;上海齐耀动力技术有限公司,上海 201203【正文语种】中文【中图分类】TK16斯特林发动机是一种外部供热(或燃烧)的闭式循环活塞发动机，它不同于内燃机的间歇燃烧方式，也不同于燃气轮机的开式循环工作方式，而是将外部热量通过换热器持续地传递给封闭的气体工质，工质膨胀并对外做功[1]．斯特林发动机振动噪声小、能源适应性广，在军事和民用领域有着广泛的应用前景，如水下动力、垃圾填埋气发电、热电联供系统和太阳能发电等[2]．压力涡流喷嘴和气体引射器作为斯特林发动机外燃系统的关键部件，直接影响燃料的喷雾和燃烧特性．国内外对压力涡流喷嘴的喷雾特性以及气体引射器中的流动特征做了大量的研究[3-6]，但对于斯特林发动机的燃烧特性却鲜见报道．本文在斯特林发动机可视化燃烧试验台上，采用高速摄影和热电偶测温技术，研究了空气引射对斯特林发动机燃烧火焰和温度分布的影响，为进一步优化斯特林发动机外燃系统的结构和性能提供了依据．1 试验装置及方法1.1 压力涡流喷嘴压力涡流喷嘴又称为单路喷嘴，它能够形成液体涡流喷雾，在离心力的作用下，液体一出喷嘴就会形成锥角很大的雾化区域[7]．斯特林发动机用压力涡流喷嘴的结构如图1所示，燃油在一定压力下从入口进入喷嘴，经过燃油流道、缓冲腔和旋流槽后进入涡流室，在涡流室内形成强烈的涡流，最后从喷孔喷出．从喷孔喷出的燃油既具有轴向速度，又具有切向速度，从而形成空心锥状喷雾．1.2 气体引射器气体引射器是利用射流的紊动扩散作用，使不同压力的两股流体相互混合，并引发能量交换的流体机械和混合反应设备[8]．斯特林发动机用气体引射器为多喷嘴旋流式同轴气体引射器，其结构如图 2所示．氧气从氧喷嘴以较高的压力喷入接收室并在喷口附近造成负压，燃烧室中的燃气被卷吸进入接收室，两股气流在混合室混合，形成“人造空气”，然后从旋流导向气道喷出，引射从喷嘴喷出的燃油．引射气体与燃油喷雾相互混合后形成可燃混合气并参与燃烧．考虑到采用纯氧作为助燃剂会造成燃烧温度过高并难以控制，为了安全起见，本试验使用压缩空气作为引射气体和助燃剂，并用耐火泥封堵接收室入口，防止其卷吸燃气造成助燃剂的氧含量过低．图1 压力涡流喷嘴示意图2 气体引射器示意1.3 燃烧试验台图3 燃烧试验台示意1—数据采集仪；2—计算机；3—高速摄影机；4—石英玻璃观察窗；5—燃烧室；6—可调高度烟筒；7—火焰挡板；8—气体引射器；9—压力涡流喷嘴；10—压力传感器；11—回油油路；12—油盘；13—电磁阀；14—质量流量计；15—流量调节阀；16—油箱；17—缓冲气瓶；18—泄压阀；19—压力调节阀；20—高压氮气瓶；21—空气压缩机；22—压力表；23—储气罐；24—泄压阀；25—流量调节阀；26—质量流量计；27—电磁阀；28—温度记录仪；29—补偿导线；30—热电偶斯特林发动机可视化燃烧试验台如图3所示．本试验用斯特林发动机模拟燃烧室为圆柱体，直径为400,mm，高度可调节．压力涡流喷嘴位于燃烧室底部，喷嘴出口端面与燃烧室底面在同一高度．气体引射器安装在燃烧室底面上，与喷嘴在同一轴线上．通过高压氮气提供燃油压力，利用一个缓冲气瓶保持燃油压力的稳定，利用质量流量计监测燃油质量流量，利用压力调节阀调节燃油压力以控制燃油流量．通过空气压缩机持续地供给压缩空气，利用一个储气罐监测空气的压力并保持空气流量的稳定，分别利用质量流量计和流量调节阀监测和控制空气质量流量．利用高速电磁阀控制燃油和空气的喷射，利用压力传感器监测喷油压力，利用数据采集仪采集喷油压力、燃油质量流量和空气质量流量等参数．试验时利用外源火焰点燃混合气，燃烧产生的废气从安装在燃烧室顶部的烟筒排出，没有燃烧的燃油从燃烧室底部的回油油路流入油盘．在燃烧室的一侧开有石英玻璃观察窗，通过高速摄影机拍摄燃烧室内的火焰图像．以喷嘴出口为坐标原点，以燃烧室径向为x轴、轴向为z轴建立坐标系．在xz平面上布置一系列热电偶，热电偶固定在二维平移台上，可以沿轴向和径向移动，测量燃烧室截面上不同位置的燃烧温度．1.4 试验条件试验在常压(0.1,MPa)下进行，采用低硫柴油作为燃料，其物性参数如表 1所示．采用压缩空气作为引射气体，空气压缩机的工作压力为 1,MPa．由于压力涡流喷嘴的喷油压力和燃油流量具有对应关系，试验时仅调节喷油压力和引射空气的流量，试验工况如表2所示．表1 低硫柴油的物性参数密度(20,℃)/(kg·m-3) 黏度(20,℃)/(mm2·s-1) 低热值/(MJ·kg-1) 闪点/℃ 含硫量/(mg·kg-1)840.4 9.03 42.5 75 ＜ 1表2 试验工况喷油压力/MPa 燃油流量Q1 /(kg·h-1) 引射空气流量Q2/(kg·h-1)1.0 1.3 5.5 6.5 0，15，25，35，45，55 0，15，25，35，45，552 试验结果及分析2.1 空气引射对火焰特征的影响火焰特征是判断燃烧稳定性的重要依据[9]．试验利用高速摄影机拍摄斯特林发动机在燃油流量Q1相同、引射空气流量Q2不同时的燃烧火焰图像，设置高速摄影机的快门速度为 1/50,s，分辨率为1,024×1,024，光圈为 F2.8，结果如图 4所示．由图可见，无引射空气( Q 2 = 0 kg/h )时，火焰长度Lf较大，火焰张角βf 较小，火焰偏移角αf较大．加入引射空气使Q2= 15 kg/h，Lf减小，βf增大，αf减小．Q2继续增加，火焰形态变化不大，Lf稳定在200,mm左右，βf接近180°，αf几乎为0．当Q2=45 kg/h时，Lf和βf急剧减小，火焰失稳，甚至熄灭．无空气引射时，燃油喷雾靠卷吸环境空气参与燃烧，呈扩散燃烧火焰形态，脉动性较强．加入适量的引射空气后，燃油喷雾与引射空气在喷口附近迅速混合，从引射器喷出后又卷吸环境空气参与燃烧，燃烧方式介于预混燃烧和扩散燃烧之间，脉动性较弱．同时，引射器的旋转射流改善了油气混合，从而提高了火焰的稳定性．另外，旋流引射空气抑制了喷雾的轴向运动，促进喷雾向径向发展，从而使火焰长度缩短，张角增大．过量的引射空气一方面造成燃烧室底部混合气过稀，另一方面剧烈的对流换热可能导致喷嘴附近温度降低，从而使燃烧失稳．2.2 空气引射对燃烧室轴线上燃烧温度的影响燃烧温度是燃烧领域研究的一个重要问题，对燃烧诊断具有重要意义．燃烧温度测量的方法分为接触式和非接触式两大类．接触式测温方法简单、数据可靠，但是动态响应较慢，而且对被测温度有一定的干扰．非接触式测温不会干扰温度场，动态响应较快，但是系统复杂、设备昂贵，而且容易产生较大误差[10]．考虑到斯特林发动机是稳态燃烧，对响应速度要求相对较低，而且燃烧空间较大，利用光学测量有一定困难，本试验采用热电偶直接测量燃烧温度．热电偶选用美国NANMAC公司镍铬硅(N型)热电偶，偶丝直径为 0.8,mm，最高测量温度为1,300,℃，响应速度为2,s．图 5所示为燃烧室测温点布局及热电偶测得的点火后燃烧温度随时间变化曲线．在燃烧室截面上沿轴向依次布置 9只热电偶，分别为 T1～T9，相邻热电偶轴向距离为 40,mm．首先测量中轴线上的温度分布，结果如图 5(b)所示．由图可见，点火后温度迅速升高，大约 70,s后温度变化不大，可以认为燃烧稳定，停火后温度逐渐下降．为了减小试验误差，取各测点在燃烧稳定段温度的平均值作为该工况下测点位置的温度．图4 连续拍摄的火焰图像(Q1＝5.5,kg/h)图5 燃烧室测温点布局及热电偶测温曲线图 6所示为不同工况下燃烧室轴线上的燃烧温度．由图可见，T1、T2位置温度受空气引射的影响最大，T3、T4 其次，T5～T9 最小．Q2逐渐增加，T1、T2位置温度先升高后降低，在 25～35,kg/h范围内达到峰值，其中T2位置温度略高于T1．T3和T4位置温度也是先升后降，但是温度峰值发生在35～45,kg/h范围内，其中T3位置温度明显高于T4．Q2从0,kg/h增加到 35,kg/h，T5～T9位置温度变化不大，超过35,kg/h，其温度先升高后降低，而各测点之间温度相差不大．总体来看，距离喷嘴越近，其温度受空气引射的影响越大．这是因为引射空气从喷嘴周围喷出，喷嘴附近位置气流速度较快，导致温度变化较大．另外，轴向距离200,mm以内位置(T1～T4)温度梯度较大，而超出此高度位置(T5～T9)温度相差不大．这是因为在此工况下，火焰长度大约为200,mm．T1～T4位于火焰区，其温度主要受火焰热辐射的影响，所以温度相差较大．随着 Q2增大，喷嘴附近混合气的空燃比逐渐变大，从而导致燃烧温度发生变化，可以预测在 35,kg/h左右燃烧比较完全．T5～T9位置几乎没有火焰，热电偶受到的热辐射较弱，其温度主要受对流换热的影响，所以温度相差不大．适量引射空气强化了燃烧室底部与顶部的对流换热，将燃烧室底部的燃烧热传递到顶部，从而提高了T5～T9位置温度；而过量引射空气导致火焰失稳，燃烧温度下降．图6 空气引射对燃烧室轴线上燃烧温度的影响2.3 空气引射对燃烧室截面温度场的影响图 7所示为燃烧室径向温度分布．由图可见，斯特林发动机燃烧室内径向燃烧温度分布具有较好的轴对称性．这是因为斯特林发动机用压力涡流喷嘴和气体引射器的几何结构具有轴对称性，其燃烧火焰形态也基本上呈对称分布．由于燃烧室径向温度分布具有对称性，因此仅以燃烧室单侧的测温结果绘制整个截面的温度场，结果如图8所示，图中x轴原点代表喷嘴出口位置．由图可见，无引射空气(Q2＝0,kg/h)时，等温线较为陡峭，高温区位于燃烧室轴线周围，最高燃烧温度约为900,℃.加入引射空气，等温线变得平坦，径向温度梯度减小，高温区外扩，位置下移，最高燃烧温度为1,000,℃左右．当Q2＝55,kg/h时，温度分布规律变化较大，高温区变得分散，最高燃烧温度约为950,℃．图7 燃烧室径向温度分布图8 燃烧室截面温度场总体来看，随着引射空气流量逐渐增大，最高燃烧温度先升高后降低．这是因为适量引射空气可以改善油气混合，使燃烧更加充分，火焰更加稳定，从而提高了燃烧温度，而过量引射空气可能导致局部混合气过稀，火焰失稳，从而使燃烧温度下降．另外，空气引射使火焰长度缩短，张角增大，从而使燃烧室内高温区的轴向位置降低，径向范围扩大．3 结论(1) 适量引射空气使斯特林发动机燃烧火焰长度缩短，火焰张角增大，稳定性提高，过量引射空气使火焰失稳．(2) 燃烧室轴线上靠近喷嘴位置的温差较大，远离喷嘴位置的温差较小．总体来看，距离喷嘴越近，其温度受空气引射的影响越大．(3) 随着引射空气流量的增大，斯特林发动机的燃烧温度先升高后降低．(4) 适量引射空气使燃烧室径向温度梯度减小，高温区外扩，并向喷嘴靠近，过量引射空气使温度分布紊乱，高温区分散．参考文献：［1］ Walker G. Stirling Engines [M]. Oxford：Clarendon Press，1980. ［2］金东寒. 斯特林发动机技术[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009.Jin Donghan. Stirling Engine Technology [M]. Harbin：Harbin Engineering University Press，2009(in Chinese).［3］胡怀礼，张武高，金永星，等. 斯特林发动机喷雾特性实验研究[J]. 农业机械学报，2010，41(2)：10-16.Hu Huaili，Zhang Wugao，Jin Yongxing，et al. An experimental study of Stirling engine’s fuel spray characteristics [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2010，41(2)：10-16(in Chinese).［4］刘涛涛，张武高，陈晓玲，等. 燃烧室背压对压力涡流喷嘴喷雾特性的影响[J]. 农业机械学报，2011，42(3)：21-25.Liu Taotao，Zhang Wugao，Chen Xiaoling，et al.Spray characteristics of pressure-swirl nozzle at different ambient pressures of combustion chamber [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2011，42(3)：21-25(in Chinese). ［5］ Shim Young-Sam，Choi Gyung-Min，Kim Duck-Jool.Numerical and experimental study on hollow-cone fuel spray of high-pressure swirl injector under high ambient pressure condition [J]. Journal of Mechanical Science and Technology，2008，22(2)：320-329.［6］ Marchione T，Allouis C，Amoresano A，et al. Experimental investigation of a pressure swirl atomizer spray[J]. Journal of Propulsion and Power，2007，23(5)：1096-1101.［7］曹建明. 喷雾学 [M]. 北京：机械工业出版社，2005.Cao Jianming. Spray [M]. Beijing：China Machine Press，2005(in Chinese).［8］赵静野，孙厚钧，高军. 引射器基本工作原理及其应用 [J]. 北京建筑工程学院学报，2000，16(4)：12-15.Zhao Jingye，Sun Houjun，Gao Jun. Basic principles and applications of ejector [J]. Journal of Beijing Institute of Civil Engineering and Arc，2000，16(4)：12-15(in Chinese).［9］ Bheemul H C，Lu G，Yan Y. Three-dimensional visualization and quantitative characterization of gaseous flames [J]. Measurement Scienceand Technology，2002，13(10)：1643-1650.［10］ Childs P R N，Greenwood J R，Long C A. Review of temperature measurement [J]. Review of Scientific Instruments，2000，71(8)：2959-2978.。

空间高温区自由活塞斯特林发电机工作特性试验研究
刘贺;池春云;李瑞杰;林明嫱;牟健;洪国同
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2024(48)3
【摘要】测试了不同冷端温度下,外负载、运行压力和加热功率对高温区自由活塞斯特林发电机的热端温度、电电效率、输出功率、频率的影响。

研究结果表明,在同一冷端温度时,加热功率的增加使发电机的电电效率、输出功率、热端温度上升,而外负载、运行压力的增加则起相反作用;发电机的频率与外负载呈负相关变化,与运行压力、加热功率呈正相关变化。

提升冷端温度使发电机的输出功率、电电效率和频率下降,热端温度上升。

在三种不同冷端温度下,外负载、加热功率和运行压力对发电机输出特性的影响规律不变。

经过测试,发电机在运行温区为495~1058 K 时,最大输出功率103.681 W,电电效率20.5%。

【总页数】7页(P506-512)
【作者】刘贺;池春云;李瑞杰;林明嫱;牟健;洪国同
【作者单位】中国科学院理化技术研究所中国科学院空间功热转换技术重点实验室;中国科学院大学
【正文语种】中文
【中图分类】TM31
【相关文献】
1.自由活塞斯特林发电机的负载特性研究
2.基于全时域方法的自由活塞斯特林发电机工作特性研究
3.空间百瓦自由活塞斯特林发电机的实验研究
4.250 W空间自由活塞斯特林发电机模拟与实验研究
5.自由活塞斯特林发电机启动特性实验研究
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