毕 业 设 计(论文)
题 目 斯特林发动机模型制作与研究
系 别 专业班级 学生姓名 指导教师
动力工程系
热能与动力工程08k3班
王庆五
二○一二年六月
华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）
斯特林发动机模型制作与研究
摘 要
随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。研究能以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，具有重要的意义。斯特林发动机作为外燃机具有的燃料多样化、效率高、噪音和污染小等特点，适于利用农村薪材、桔杆和太阳能进行发电。斯特林发动机得天独厚的优势，以及各种新材料新技术的出现，斯特林发动机必将代替内燃机为21世纪提供主要动力。斯特林发动机的广泛应用，必将使我国的能源利用效率得到大幅度提高，无沦是对环境保护还是节能减排，都有着非常重要的积极意义，也将会为我国的经济又好义快的发展提供充足动力。本文通过研究斯特林发动机的性能特性，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，设计制造了斯特林发动机模型，并对该模型进行了实验分析，得出的结论和模拟性能基本一致。
关键词: 斯特林发动机；性能模拟；设计实验
I
华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）
Stirling engine model production and study
Abstract
The oil energy is reducing and its price is increasing day by day,theinternal-combustion engine has brought environment pollution and broken zoology balance，the problems are standing out．Researching engine that can combust gas，marsh gas，biology is very signification that it can promote the compositive utilization of energy，change the use of only one oil energy，reduce environment pollution，create the economy society．The Stirling engine as outboard engines with fuel diversification, high efficiency, noise and pollution and other characteristics, suitable for rural fuelwood, straw and solar power generation. The unique advantage of the Stirling engine, as well as a variety of new materials, new technologies emerge, the Stirling engine will replace the internal combustion engine to provide the main driving force for the 21st century. Wide range of applications of the Stirling engine, will make China's energy use efficiency has been greatly improved, no occupied by the enemy of environmental protection or energy saving, have very important positive significance, will also be good for China's economic justice the fast pace of development to provide adequate power.According to the requirements on the development of energy and basing on the theory of stifling engine，the software the simulate stirling engine character is developed,then the configuration-type and analytical method of Stirling cycle were elaborated in the following parts.The key technology that affect the performance was also summarized.Through its character,the stifling engine model is designed and manufactured，and it is tested，the conclusion consistent with the simulation character．
Key Words: stirling engine，simulation eharaeter`designing experiment
II
华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）
目 录
摘 要 ...................................................................... I Abstract ................................................................... II 1 绪论 ...................................................................... 1 1.1 斯特林发动机的背景及意义 ................................................ 1 1.2 斯特林发动机国内外研究动态 .............................................. 2 1.2.1 国内发展状况 .......................................................... 2 1.2.2 国外发展状况 .......................................................... 2 1.3 本文的主要研究内容 ...................................................... 4 2 斯特林发动机组成及理论分析 ................................................ 5 2.1 斯特林发动机的组成 ...................................................... 5 2.2 斯特林发动机的工作原理 .................................................. 6 2.3 斯特林发动机热效率分析 .................................................. 8 2.4 小结 .................................................................... 8 3 斯特林发动机性能分析 ..................................................... 10 3.1 斯特林发动机实际循环性能分析计算 ....................................... 10 3.1.1 数学模型的建立 ....................................................... 10 3.2 斯特林发动机性能模拟及影响性能因素 ..................................... 13 3.2.1 膨胀腔、压缩腔示功图和总示功图 ....................................... 13 3.2.2温度、压力、转速等因素对斯特林发动机性能影响 ......................... 14 3.3 结论 ................................................................... 15 4 斯特林发动机模型设计制作 ................................................. 16 4.1 斯特林发动机的设计类型 ................................................. 16 4.2 斯特林发动机设计参数的选择及确定 ....................................... 16 4.3 斯特林发动机的具体尺寸及制作 ........................................... 17 4.3.1 斯特林发动机模型外型 ................................................. 17 4.3.2 制作方法及制作工序 ................................................... 18 4.3.3 组装次序及注意事项 ................................................... 22 4.3.4 试运行 ............................................................... 23 4.4 小结 ................................................................... 23 5 斯特林发动机在联合循环及余热利用中的研究 ................................ 24 5.1 朗肯—斯特林联合循环 ................................................... 24 5.2 燃气轮机—斯特林联合循环 ............................................... 26 5.3 小结 ................................................................... 28 结 论 ...................................................................... 29 参考文献 ................................................................... 30 致 谢 ...................................................................... 31
华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）
1 绪论
在当今世界科学技术的迅速发展，人们在不断完善现有动力机的同时，还在努力探索开发新型的动力机，外燃机就是在这样的背景下设计成功的，随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。研究能以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一的石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，从而促进经济的可持续发展和社会进步，具有重要的意义。
斯特林发动机(Stifling engine，又名热气机)是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，它理想的热力循环称作斯特林循环(即：概括性卡诺循环)。因此，同温度下其理论效率最高，更吸引人的是它具有两个明显优于内燃机的特点：
一是能利用各种能源，无论是常用的液体燃料，还是气体燃料或固体燃料，甚至太阳能、化学反应能和放射性同位素能源，只要是能产生一定温度的热量，斯特林发动机就可以工作；
二是振动噪音低、排放污染小，具有良好的环境特性。斯特林发动机是一种利用燃料的热能来工作的动力机，因为燃料在缸外燃烧所以也叫外燃机。外燃机采用往复活塞式，燃料燃烧对加热装置内的气体释放热能，被压缩的气体接受热能后进入缸内膨胀，推动活塞式曲轴带动外界负荷而旋转。斯特林发动机工作时，里面有气体工质作功，用于作功的气体可采用具有比功率高，流阻损失小的特种气体，其质量可以灵活调动，一般比内燃机吸入缸内的气体质量大的多；做功气体温度一般在700℃以下，比内燃机爆发时2000℃以上低的多，因此作功气体传给冷却介质被带出机外的热能相对很少。它是二行程发动机，工作时，将导热率高的气体(如：氦气、氢气、蒸汽、复合气、空气等)密封，由活塞的运动来实现气体的流动，使气体在高温条件下膨胀，在较低湿度下压缩，膨胀后的气体被重新压回加热腔，使气体在气缸和加热装置内实施热力循环，不需换气，达到热能对机械能的连续转换。
斯特林发动机是由多种不同功能的配件系统组成(如：外部供热系统、热能转换系统、动力转动系统、气体控制系统、润滑系统、起动系统、机体等)涉及到多方面的技术，但这些技术又基本上属于已知的内燃机的技术范畴，是我们已经掌握的相对成熟的技术。
1.1 斯特林发动机的背景及意义
1816年由苏格兰牧师雷伯尔特·斯特林发明，又称“热空气发动机”，当时已生产出数千台。后由于蒸汽机和内燃机的出现而被冷落，到二十世纪初已基本消失，
主要由于封入的工质为空气，加热温度仅几百度，致使机构庞大使用不便。1930年荷兰菲利蒲公司欣赏它外燃式静止发动机的特点，做为无线电用发电机的动力而重新开发，但不久由于电子器件的晶体管化而停顿。以后又做为汽车用发动机重新开发，采取700℃以上的加热5～20MPa的氢气和氮气为工质，试制了换置式和斜板回转式双向型发动机，并做了装车试验。由于高温，高压产生的高效率和高转矩，在以氢气为工质时达到了高速
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