机电工程学院----低温启动斯特林发动机

1、摘要北京信息科技大学毕业设计（论文）题目： 低温驱动斯特林发动机 学院： 机电工程学院 专业： 车辆工程 学生姓名： 班级/学号车辆0901班/2009010227指导老师/督导老师： 起止时间：2013年 月 日至 2013年 月 日 摘要摘 要随着人们对石油资源的需求加大，石油资源现已日益短缺，价格也逐渐上涨。由于传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源不平衡等社会问题日见突出，因此研究能以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机相关技术，对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。它必将使我国的能源利用效率得到大幅度提高，无沦是

2、对环境保护还是节能减排，都有着非常重要的积极意义，也将为我国的经济发展提供充足动力。作为外燃机，斯特林发动机具有当前理论热效率最高的发动机，而且还具有有效利用低效能热源如太阳能热、系统余热、低温地热等优势，因此成为当前研究的热点之一的性能特性。本文是通过研究分析斯特林发动机现有的实现方式及应用，确定系统的基本结构，完成斯特林发动机主要机构的设计并进行必要的分析计算，设计制造了低温启动斯特林发动机模型。 关键词: 斯特林发动机，热效应，模型，结构Abstract As people demand for oil resources, oil resources are increasingly

3、scarce, prices also rise gradually. Caused by the traditional internal combustion engine using oil resources and environmental pollution, energy imbalance and other social problems became more and more prominent, so the can with natural gas, biogas, biomass as a fuel engine related technologies, to

4、promote the comprehensive utilization of energy, improve the current using a single condition of oil resources and reduce environmental pollution, to create a conservation-minded society, has the vital significance. It will make our country's energy efficiency is greatly raised, no theory is for

5、 the environment protection and energy conservation and emissions reduction, has a very important positive significance, will also for our country's economic development to provide adequate power. As external combustion, thermal efficiency is the highest engine, Stirling engine has the theory bu

6、t also has effective utilization inefficiency can heat source such as solar thermal, the advantages of the system of waste heat and low temperature geothermal, thus became one of the hot spot of current research of performance characteristics. This research is through the analysis of the existing of

7、 Stirling engine is implemented and applied to determine the basic structure of system, complete the Stirling engine major institutional design and make the necessary analysis and calculation, the design and manufacture of the low temperature Stirling engine model.Key Words: Stirlings，heat effect，Mi

8、niature，structuralII目录目 录III摘 要I目 录III第一章 概述11.1 斯特林发动机的背景及意义11.2 斯特林发动机国内外研究动态21.2.1 国内发展状况21.2.2 国外发展状况21.3 本文的主要研究内容3第二章 斯特林发动机组成及理论分析42.1 斯特林发动机的组成42.2 斯特林发动机的工作原理52.3 斯特林发动机热效率分析72.4 小结7第三章 斯特林发动机性能分析93.1 斯特林发动机实际循环性能分析计算93.1.1 数学模型的建立93.2 斯特林发动机性能模拟及影响性能因素123.2.1 膨胀腔、压缩腔示功图和总示功图123.2.2温度、压力、转速

9、等因素对斯特林发动机性能影响133.3 结论14第四章 斯特林发动机模型设计制作154.1 斯特林发动机的设计类型154.2 斯特林发动机设计参数的选择及确定154.3 斯特林发动机的具体尺寸及制作164.3.1 斯特林发动机模型外型164.3.2 制作方法及制作工序174.3.3 组装次序及注意事项224.3.4 试运行224.4 小结23第五章 斯特林发动机在联合循环及余热利用中的研究245.1 朗肯斯特林联合循环245.2 燃气轮机斯特林联合循环265.3 小结28结束语29参考文献305斯特林发动机模型制作与研究第一章 概述斯特林发动机它是一种往复式外燃式发动机，它的循环在理论上近似卡

10、诺循环。因此，在相同的工作环境中进行工作，斯特林发动机效率最高。这也是我们研究它的原因、同时他还有两大优点：一是它能利用各种各样的能源，既可以用的液体燃料，还可以是气体燃料或者固体燃料，甚至太阳能、化学反应能和放射性同位素能源的能量，只要是能产生相应的温度（700），斯特林发动机就可以正常的工作，正因为这样，斯特林发动机有广泛的工作区间，比如余热的利用等等；二是它工作的声音音小、不排放尾气，它还具有工作安静的特性。斯特林发动机的工作是需要外部供给其热量才能工作，并且加热的物质在缸外进行座椅它属于外燃机。斯特林发动机采用往复活塞式，装置内的气体吸热膨胀推动活塞，当被压缩的气体接受热后进入缸内膨胀

11、，再受热放热之间完成活塞的往复运动。当斯特林发动机工作时，气体受热做功，作功的气体可选用具有比功率高的，流阻损失小的特种气体，从而气体质量也有所改善，一般比内燃机吸入缸内的气体质量大的多；需要做功气体的温度在700以下，要比内燃机爆发时2000以上低很多，因此它叫做低温启动斯特林发动机。它是二行程发动机，在工作时，要将导热率高的气体(如：氦气、蒸汽、复合气、氢气、空气等)密封，通过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，且不需换气，就能达到热能对机械能的连续转换。斯特林发动机是由多种系统组成的(如

12、：外部供热系统、热能转换系统、动力转动系统、润滑系统、气体控制系统、起动系统、机体等)涉及到多方面的技术，如果个个系统配合的好会使发动机达到更高的转速。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，需要加热温度低，致使机构庞大使用不便。 图1.1 第1 台斯特林发动机构造1930年荷兰菲利蒲公司欣赏它外燃式静止发动机的特点，作为无线电用发电机的动力而重

13、新开发，但不久因为电子器件的发展而搁置。后来又作为汽车的发动机重新开发起来，采取700以上的加热520MPa的混合器为工质，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，后在以氢气为工质时达到了很高速度，初步显示有可能会成为比内燃机效率高的外燃式汽车发动机。该公司将液氨用发动机商品化，将其余的发动机制造技术于19571967年陆续转让给西德和瑞典的有关公司。1973年世界性石油危机后，由于节油和油的替代提上重要议事日程，菲利蒲公司重新和美国福特公司合作共同开发了127kw的回转斜板式双向型42150A发动机。进入八十年代以来，第二次石油危机又引起各国

14、对斯特林发动机的关心，后来石油供应虽有缓和，但从环保和能源角度出发各国又竞相进行斯特林发动机开发工作。斯特林发动机的一个突出优点是可以利用多种分散的能源。我国是一个农业大国，农业是国民经济的基础。我国农村有丰富的生物质能资源，但品种、分布不均，具有季节性、间歇性分散性的特点。用旧式炉灶直接燃烧，热效率很低，一般为1015。如果用斯特林发动机将农村烧掉的生物质能(按1987年的328Mtce计算)，以同样的效率(1015)转换为电能，则可为农村提供260400kwh电，相当于同年农村用电量的23倍。1.2 本文的主要研究内容斯特林发动机不仅是当前理论热效率最高的发动机，而且具有有效利用低效能热源

15、如太阳能热、系统余热、低温地热等优势，因此成为当前研究的热点之一。1、查阅文献，分析、论证斯特林发动机系统的工作原理和实现方法；2、根据文献，重点分析斯特林发动机现有的实现方式及应用，确定系统的基本结构；3、完成斯特林发动机主要机构的设计并进行必要的分析计算；4、完成斯特林发动机样机的制造。第二章 斯特林发动机分类组成及理论分析2.1斯特林发动机的分类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不同,分为,和三种基本类型机构,如图所示。型斯特林发动机它的结构最简单, 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

16、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。（a） 型斯特林发动机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。（b） 型斯特林发动机型斯特林发动机的配气活塞和动力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。并且,型双作用的斯特林发动机具有最高的机械效率,还有很好的自增压效果。(c) 型斯特林发动机 斯特林发动机三种基本类型的结构斯特林引擎的基本工作原

17、理是，通过工作气体的的加热膨胀，然后气体冷却收缩来做功实现的，通过气缸的外部对密闭空间内的工作气体进行控制，加热时活塞下降，冷却时活塞上升。实用中，斯特林引擎是要通过配置多个活塞和热交换器，从外部连续加热冷却使工作气体的压力发生变化从而实现了高速运转。2.2 斯特林发动机的组成斯特林发动机在严格意义上说是一种热能转换的装置，所以，它的内部构造和内燃机很相似，它是由动力传递系统、热机械能转换系统、热发生系统以及其他的一些必不可少的辅助系统。一台能独立工作的斯特林发动机由下列系统组成：外部供热(燃烧)系统、动力传动系统(包括工质密封系统) 、闭式循环系统(热机械能转换系统)、负荷控调系统以及辅传动

18、、启动和冷却等的辅助系统。斯特林发动机区别内燃机根本所在是外部供热(燃烧)系统和闭式循环系统。如图2l所示。图2-1斯特林发动机结构示意图我们所说的外部燃烧系统，它的作用是产生热量并传送给循环系统，因此，凡是温度在450以上都可以成为斯特林发动机的运动的能源，比如：核能源、各种的可燃烧矿产（煤，石油）、生成热化学反应的装置、储蓄地热的装置、太阳光和激光能都可以作为斯特林发动机的外部热源。要求在较低的温度和压力水平下压缩闭式循环回路中的工质称为式循环系统，并能在较高的温度和压力下进行做功膨胀，从而得到正的膨胀功。斯特林发动机的主要构造中，其中闭式循环回路由冷却器、回热器、冷腔、加热器和热腔组成，

19、并依次串联在一起，处于循环的低温部分是冷腔和冷却器，压缩热量由冷却器导通至外界；循环的高温部分热腔和加热器处，膨胀所需要的热由加热器供给。工质在系统中来回流动一次，完成一个循环，并且循环周期为2。1热膨胀腔它一直保持高温状态，在膨胀的时候，有一部分的工质移动到热膨胀腔内；为了能合适储藏气体，所以膨胀腔的设计必须能承受较高温度和压力，并且设计要求较高才能达到预想效果。2冷压缩腔它一直处于和环境先差不多的温度上（或比冷却水温度稍高一些）；在压缩过程中有相当一部分工质于压缩腔内。3回热器它是串联在加热器和冷却器之间的，作用是在循环系统内部的一个换热器，使工质反复地受到冷却和加热。要从完成热力循环的角

20、度来说，但是它并不是不可或缺的，可是从经济性观看，它是一个不可或缺的组件原因是他能节约很多能源，他有3倍还多的加热器传热能力，它还能达到冷却器冷却能力的810倍。因此，最好不要取消回热器。4加热器顾名思义它的作用是使气体加热，值得一提的是加热器管的一端与膨胀腔相连，另一端则与回热器相连。5冷却器它处于回热器和压缩腔之的中间，它的值能是将热量传导到外界，从而是工质可以在较低的温度下进行压缩的目的。在斯特林发动机的设计中，我们可以用到柴油机或汽油机传动系统，比如普通的曲柄连杆机构、斜盘和液压传动机构等均可用。2.3 斯特林发动机的工作原理斯特林发 动机通常分为5 个部分: 热腔( 膨胀腔) 、加热

21、器、回热器、冷却器和冷腔( 压缩腔)。热腔和加热器处于循环的高温部分，通常称它们为热区。冷腔和冷却器处于循环的低温部分，称为冷区。斯特林循环的工作过程是: 工质被密封在一个闭合回路中，依靠活塞的协调运动从而实现在回路中流动。其理想循环为: 压缩腔中的等温压缩过程，回热器中的等容加热过程，膨胀腔中的等温膨胀过程以及回热器中的等容冷却过程。图2、3 分别是理想斯特林循环4 个过程的P V 图和T S 图。图2.1理想斯特林循环P-V图图2.2理想斯特林循环T-S图图2.3 简化物理模型图2.3，在一个装有对置活 塞的气缸中设置有回热器, 它把气缸一分为二。其一称为热缸, 也叫膨胀缸,气缸的活塞为膨

22、胀活塞, 热缸始终保持高温Tmax，另一缸为冷缸，也叫压缩缸，气缸中的活塞称为冷缸活塞，冷缸始终 保持低温Tmin。回热器一般是由散热性材料一般可用清洁球代替，此处可抽象地认为它是一块“热力的海绵” ，它交替的吸热放热。同时，为分析问题方便起见，假设回热器无方向导热，所以两端温度各自保持不变。循环开始时, 冷缸活塞处于外止点，热缸活 塞处于内止点，紧靠回热器, 如图2.3中1的位置所示。此时，可认为工质全部集中在冷缸中，工质的压力、温度均为最小值。等温压缩过程过程12：热缸活塞 在内止点不动，冷缸活塞 由外止点向内止点移动，热缸活塞和冷缸活塞之间形成的工作腔，由V1= Vmax减小到V2= V

23、min。此时, 工质被压缩, 因压缩而产生的 热量通过缸壁传给环境, 从而使工质温度保持不变。等容加热过程23：冷缸活塞运动到位置2 以后，压力上升到p2，热缸活塞开始由内止点向外止点和冷缸活塞一起同步移动，以保持容积不变。工质通过回热器时吸热, 温度上升到Tmax，压力上升到 pmax。此过程一直进行到冷缸活塞处于 内止点, 如图2.3中的3位置。等温膨胀过程34：冷缸活塞移动到3位置后，在内止点处不动，热缸活塞继续左移，工质在热缸中从外部热源一面 吸热一面膨胀，从而保持温度不变，但工质压力因膨胀作功而下降。这个过程一直进行到热缸活塞移动至外止点，如图2.3中的4位置。等容放热过程41：从4

24、位置开始，冷缸活塞和热缸活塞同步右移，以工作腔各积保持不变，从而实现等容过程。工质从热 缸进入冷缸。工质通过回热器时，依次把不同温度的热能传给回热器基体，工质的温度从Tmax 下降到Tmin。这个过程，这个过程一直进行到热缸活塞移至内止点， 冷缸活塞移到外止点，回复到1位置。以上循环均是理想循环，在实际中是不成立的。因为有很多实际因素制约循环的进行，比如发动机的无益容积（ 死容积 ）的影响，还有于压缩和膨胀都 难以达到等温。还有，气体的通过动力摩 擦产生的消耗；同时它不可能做到回热完全，因为回热器的效率不可能达到100的，第四，在加热和制冷的过程中 不是单一位置加热和制冷。第五，活塞运动的非常

25、剧烈，所以斯特林实际循环便严重地偏离斯特林理想循环了。尽管如此，对斯特林的分析有助于对理想循环的理解。2.4 斯特林发动机热效率分析依据上述循环系统的热力分析，和参考文献1得：斯特林发动机的循环效率为： (2-1)其中，回热器有效性定义为：=(TE-TC)(TE-TC)；系数=TCTE；=CP/CV；V0=V1/V2；由此可以看出若回热器工作不完善时，<1，循环效率<C(卡诺效率)；但当回热器工作完美时，有=1，即，=C =1-。则在理论上斯特林发动机的循环效率与卡诺循环的效率是相等的。一般回热器的效率=0.980.99，所以斯特林发动机有较高的热效率;因此，斯特林发动机高的行程容

26、积功率是普通的活塞式内燃机所望尘莫及的。第三章 斯特林发动机性能分析斯特林发动机作为动力装置，评价其性能好坏的主要指标是其输出功率和效率。从发动机的组成来看，尽管影响发动机性能的因素很多，但是主要的影响因素还是闭循环系统的设计参数(包括加热器、回热器、冷却器的参数、传动机构的参数等)和运行条件参数(包括转速、工作介质的平均压力、加热温度和冷却温度等)。在发动机实际循环稳态性能的分析中，目前主要以G.Schmidt提出的施密特循环理论为依据，在此基础上，M.R.Martini提出了等温分析法。等温分析法则考虑了工作介质的损失，假定气缸内的换热过程是等温的，计算一个循环的基本功，并假定各种损失互不

27、影响，分别考虑工质的流阻损失、活塞的穿梭损失，泵气损失、各部件的导热损失、回热器的补热损失等，再修正基本功的计算公式，进而计算出输入热量、指示功、指示效率。确定机械摩擦损失后，可计算出发动机的有效功率和有效效率。本文结合施密特循环理论和等温分析法，对斯特林发动机的功率、效率以及各种损失的计算、结构参数和运行条件对性能的影响等问题进行分析，通过模拟发动机的性能特性，从而得到提高发动机性能的途径，为发动机的设计提供指导性意见。3.1 斯特林发动机实际循环性能分析计算3.1.1 数学模型的建立实用等温分析法，之所以强调实用两字，是因为它与别的计算方法比较，即简单又较精确，作为斯特林发动机功率和效率的

28、初步估算是最合适的一种方法。此外，这种方法实用之所在，还在于它适用与各种传动机构，不必使用经验修正系数，而所谓的经验修正系数往往是有局限的，缺乏普遍指导意义。对热气机热力性能计算采用的是Martini实用等温分析法，且是基于下列条件进行的：热气机的结构型式是配气活塞式单缸发动机机：传动机构采用曲柄连杆式；加热器、冷却器采用管式；回热器用环形结构；工质为空气；燃料为生物质。图3-1 曲轴运动示意图(1)对曲柄连杆式传动机构进行运动学分析，确定连杆之间的关系式，推导出各个活塞的位移方程，及膨胀腔容积、压缩腔容积随曲轴转角的变化公式。由图3-1可知：膨胀活塞的行程Sex为： Sex=LCR+RC-R

29、Ccos-LCRcos (3-1)压缩腔活塞行程SCX为：SCX=2RC-S ex=90° (3-2) 膨胀腔容积Vex： Vex =D cy 2 Sex (3-3)压缩腔容积Vcx：Vcx=(D cy 2-DDp)Scx (3-4)其中：Dcy气缸直径；DDp活塞杆直径。(2)根据加热器、冷却器和回热器的实际结构形式，建立计算其工作容积、冷热区容积和工作腔总容积随曲轴转角的变化公式。热区容积VH为：VH=Vex+VHD (3-5)冷区容积VC为：VC=Vcx+VKD (3-6)循环系统总容积VT为：VT=VH+VC+VRD (3-7)其中：加热器组的通流容积；VKD冷却器组的通流容

30、积；VRD回热器组的通流容积； (3)根据计算出的冷热腔容积、冷热区容积和工作腔总容积，考虑各区温度，推导出计算循环压力、循环功随曲轴转角的变化公式。a循环压力为：= (3-8)b工质的平均循环压力为：=()24 (3-9)其中：=0.8(-)/ln；c循环功求出了循环压力和循环容积后，即可用梯形法算初总循环功，即 =· (3-10)=（-） (3-11)其中=1.045(单位换算系数)。、分别是点和点的压力，、点的总体积(冷腔体积，热腔体积和死容积的和)本文将一个循环360°角度作24等分，每等分15°曲柄转角，因而角度增量为15°。单缸循环功率：=&

31、#183;60 (3-12)其中：n发动机的转速；(4)根据热区檬冷区的压力、容积和温度，算出各区工质质量百分比随曲轴转角的变化值，推导出流过加热器、冷却器和回热器的质量流率。由参考文献1可得。(5)流阻损失计算流阻损失其实是一种摩擦损失，由于实际热力循环与理想斯特林循环的不同，工质通过加热器、冷却器和回热器时必然产生压力降，由此造成热腔与冷腔之间的压力差，压力下降的结果导致膨胀功减小、压缩功升高。根据工质通过的区域，流阻损失可分为回热器流阻损失、加热器流阻损失和冷却器流阻损失。首先推导出三个换热器的压降，再推出其流阻损失功率计算式。(6)热损失热气机中的热损失情况比较复杂，主要的热损失包括热

32、传导损失、回热器的补热损、活塞的穿梭损失、泵气损失等。除上述主要的热损失之外，还有其它方面的热量损失。由于热损失情况的复杂性，目前只能对主要的热损失进行近似计算，其它方面的热损失相对较小，可以不予考虑。具体计算公式见参考文献1。(7)热量计算基本输入热量：=(1-)； (3-13)需要的净热量：-2； (3-14)其中，；。(8)循环效率：/； (3-15)(9)有效效率和有效功率：=·· (3-16) (3-17)其中，外燃系统效率；机械效率。第四章 斯特林发动机模型设计制作4.1 斯特林发动机的设计类型斯特林发动机大致可分为两种不同的类型，即单作用机和双作用机。单作用机

33、是由压缩腔和膨胀腔与换热器相连接，置于同一气缸或分置与两个气缸中，有两个往复运动件；其中一个必须是动力活塞，另一个则可以是动力活塞或配气活塞。每个组合都形成一个完整的能独立工作的系统，并可与其它的单作用系统连在同一根曲轴或其它形式的传动机构上。双作用斯特林发动机是一种多气缸的集合体。各缸中的膨胀腔通过换热器与相邻的压缩腔相连。每缸只有一个往复运动件；动力配气活塞。组成发动机的斯特林循环系统数与缸数相等。双作用机的最大优点是往复运动件的数量要比单作用多缸机少一半，这将大大简化发动机的传动系统，其成本也因而降低。双作用机的主要缺点是设计的灵活性不大，运动条件较差，另一缺点是研制双作用机时，必须从整

34、台的多缸机着手，这不如搞一台单缸试验机，然后再演变成多缸机为好。而且单作用机更适用与小型的发动机，这对于斯特林发动机的初步设计更容易些；因此，本文选单作用机为设计对象。4.2 斯特林发动机设计参数的选择及确定可独立选择的斯特林发动机主要设计参数有：1温度比=为冷压缩腔和热压缩腔温度的比值；2行程容积比=/为冷压缩腔行程容积和热膨胀腔扫容积的比值；3附加容积比=为换热器总流通容积(包括连接管道和气口的容积)与热膨胀腔行程容积的比值；4相位角口膨胀腔容积相对冷压缩腔容积变化的的比值；5工质压力以平均循环压力或最大循环压力表示；6发动机转速n；7热膨胀腔往复运动件的直径和行程；从上章发动机的性能模拟

35、明显可知，斯特林发动机功率和负荷与发动机转速n、工质压力和以总行程容积表示的发动机尺寸成线性关系。但4个主要的设计参数(、)对性能的影响不易看出，尤其是这4个参数应如何综合选取以期获得最佳性能更不清楚。因为这4个参数再设计阶段必须选定，而且除温度比外，其他3个参数一经选定就不好改变，除非改变机器结构，故这些参数必须慎重选取。根据参考文献1，如图4-14-5所示，分别列出了以上几个独立参数对发动机性能的影响。表明了参数、和中的任一个改变时(除非3个不变)分别对无因次循环功P()的影响。图41曲线表明了在=300K，=90、=0.8和=1.0不变的情况下，无因次循环系数()与的关系。图4-2曲线表

36、明了在=90，=1.0和=0.25及0.5的情况下，对无因次循环功系数()的影响。的最佳值随而异。而且、和值的不同组合，值也随之而变，所以有无穷多个的最佳值。图43清楚地表明，附加容积超过所必需的最小值时，它的增大使循环功系数下降。因此，附加容积应尽可能的小。图44曲线表明了相位角最佳值60°120°的大范围内，循环功系数的变化并不是很大。在特定条件下，相位角的最佳值在90°115°之间。综合以上线算图和参考文献，得出独立设计参数的最优值如下：=0.37；=90°：=1.0：=0.86：第五章 模型的设计计算1加热量Qh引擎工作需求的加热量Qh

37、可由下式得到： (5.1)=（1323673）×0.10×0.10×0.80 =0.00416式中，C为卡诺效率比（=0.10）； h为家热效率（=0.10）； m为机械效率（=0.80）。卡诺效率比C是表示只由温度条件决定，表示理论最高热效率的卡诺效率（=斯特林效率=1TcTe）相对实际图示热效率的比例系数。加热效率h是表示加热器由外部供给的热量相对实际传递给工作气体的热量的比例系数。机械效率m是表示引擎对外所有用功占引擎做的总功的比例。可得：加热头部的加热量Qh如下式求出： (5.2) =0.40.00416 =96W2转速n转速n可由表示轴输出功率与转速关系

38、求出： (5.3) =×129n×0.628 =0.4得：式中，Vse为行程容积（高温侧活塞） Vse (5.4) =·1×0.8 =0.6283.加热头长Lh 加热头长度如上图所示加热头长由高温侧死容积比求出表示高温侧空间的死容积和高温侧活塞的行程的比。因此，高温侧死容积由下式求出 (5.5)=1.5 (5.6)=1.50X0.628=0.942=942此外，根据上图示的尺寸由下式算出高温侧死容积 (5.7)因此，加热头长Lh如下式求出：=25.3+311.3 (5.8) =942.0但基于加工厂上的问题把<80mm作为市面销售注射器尺寸的上限。

39、式中为活塞直径（=10mm）；为加热汽缸直径（=+2=10.0+2X0.75=11.5mm）为活塞与汽缸的间隙（在=075mm与0.753.0mm的范围内选取。特别的，若活塞直径变大，相应间隙也增大）。4冷却器长 冷却器长度如上图冷却器长度由低温侧死容积比求出。表示冷却器（低温侧）的死容积和高温侧活塞的行程容积的比。因此低温侧死容积由下式求出： (5.9) (5.10) =0.50X0.628 =0.314 =314同时：可以由图算出冷却器死容积 (5.11) (5.12) =314.0如果实际尺寸不够，可以选的更大些。这里为冷却管直径（=3.5mm，在2.55.0mm的范围选取。）随着活塞直

40、径变大，连接高温空间及低温空间冷却管的直径和数量也随着增加的。5汽缸长和活塞长汽缸长度经验上选为行程的3倍。但是对于活塞直径很大，同时行程也大的情况下选行程的22.5倍就可以了。Ls=3Sp=3X8=24mm1）活塞长Lpe、Lpc如图1所示的高温侧活塞长度Lpe、低温侧活塞长度Lpc、上止点高温侧活塞头和加热头间的最小间隙，低温侧活塞头和汽缸联结板间的最小间隙，汽缸联结板的厚度，村垫厚度和上止点位置从活塞的汽缸下部出来的长度，根据下式可算出：2）高温侧活塞长Lpe (5.13) =10+24+0.5+8+0.5+24.9-2.5 =71mm3）低温侧活塞长Lpc （5.14）=10+24+0

41、.5-1.5=35mm上式中：，。6.除加热器、冷却器之外其他死容积比加热器和冷却器之间的连接空间容积根据下式求出： （5.15） 此外，压缩空间死容积 （5.16） 因此，其他死容积比由下式求得： （5.17）全死容积比对于这个引擎来说全死容积比影响压缩性，即工作气体压力会给性能带来直接影响。全死容积比由下式求出： （5.18） 7.工作气体最大压力工作气体最大压力可以求出： （5.19） 式中， （5.19） （5.20） （5.21）第六章 输出功率的确认由上式算出工作气体的压力变化和工作空间的容积变化 （6.1） （6.2）式中， （6.3）得到曲柄角相对压力变化曲线（P-图）、容积变

42、化曲线（V-图）和容积相对压力变化曲线（P-V图），如下图所示 P-线图 V-线图 P-V线图轴输出功率轴输出功率课根据计算出的飞轮尺寸得到图示求出功，图示功可以由上图中的P-V图的面积算出，计算公式如下： （6.4）根据这个结果由下式求出图是输出功率。 （6.5）此外，当满足设计要求轴输出功率可由下式算出： （6.7）第七章 主要的部件计算1汽缸厚壁假定汽缸为受内压力薄臂圆筒，汽缸壁厚由下式求出： （7.1）式中，为大气压；为圆周方向最大许用拉压力（在单一振动反复负荷的情况下）：根据计算选用纯铝A1050材料能忽略厚度。但是加热头因为耐热及耐腐蚀性的问题选用SUS304，其他基于散热的问题以

43、及加工性选用A5052.2汽缸固定用连接螺栓标准直径汽缸固定用连接螺栓的标准直径由下面的拉伸强度计算式算出，材料选用SCM4M。 （7.2）因此，求出、为方便连接选用M3的SCM4M或选用不锈钢制六角孔螺栓。式中，为对一根螺栓作用的最大拉伸力 （7.4）；为螺栓根数（=4）；为许用拉应力（在单一振动反复负荷的情况下：；）。3转矩变化曲线对曲柄轴作用转矩可以求出： （7.4）但是，连杆长曲柄半径R。 （7.5） （7.6）如下图：图中虚线为平均转矩。利用这个结果能求出飞轮尺寸。 转矩变化曲线4飞轮尺寸算出上图所示的飞轮尺寸，能量变化部分E根据下面得到： （7.7）式中，为能量变化率。飞轮要求的转

44、动惯量由下式求出： （7.8）式中，为速度变化率；为平均度。飞轮的尺寸图如下： 飞轮的尺寸另外所要求的形状的飞轮转动惯量根据下式可求出： （7.9）因此，根据求得飞轮尺寸。即，得到飞轮厚度、外径、内径。此外，对于外径过大的情况，增大飞轮厚度b就好了。式中，：飞轮外半径； ：飞轮内半径； B：飞轮厚度； ：飞轮材料密度 （黄铜）； 制造时，内半径=0也可以。5连杆尺寸连杆尺寸图如下： 连杆尺寸所示的连杆使用厚2mm的铝板，通过计算算出宽度和长度尺寸，就可计算出抗压强度及屈伸强度。1） 宽度H：宽度H可通过压缩强度计算求得。最小截面积由下式算出： （7.10）因此，最小宽度H由下式求出： （7.1

45、1）由于构造上取H=5mm。而且，如果活塞销和曲柄销使用滚动轴承，则选择超过滚动轴承外径的宽度H。这儿，连杆上的力 （7.12）为许用压缩应力（在单一振动反复负荷的情况下，A1050P：）；为连杆厚（=2mm）。2）长度。长度通过屈伸强度计算求得。最大长度由下式算出： （7.13）但是，由于够早上取=50mm。需要注意因连杆长度太短，造成活塞上下运动时汽缸的摩擦变大。这里，I为截面二次矩； E为纵弹性系数； S为安全率（单一振动反复负荷=6）。6活塞销、曲轴连杆、曲柄轴活塞销、曲轴连杆、曲柄轴的直径d通过断裂强度计算求得。 （7.14）级，得到d=1.41mm，构造上活塞销直径及曲轴连杆直径为

46、2mm、曲柄轴直径为3mm。另外，活塞销直径和曲轴连杆直径取到2mm时，上图所示的连杆的各孔尺寸和将成为内径2mm的轴承外径尺寸。这里，为最大转矩；为许多断裂应力（在单一振动反复负荷的情况下、S20C：）。7活塞销、曲轴连杆、曲柄轴滚动轴承的选定1） 曲轴连杆、活塞销、滚动轴承的寿命：对应曲轴连杆及活塞销直径2mm，选小型滚动轴承MF52（基本动额定负荷C=169N），对此进行寿命计算。寿命时间由下式算出： （7.15）即，所选定的轴承寿命足够使用。式中，为寿命系数； 为速度系数； 为反力。2） 曲柄轴滚动轴承的寿命：对应曲柄轴直径3mm选小型滚动轴承MF63（基本动额定负荷C=208N），进

47、行寿命计算。寿命时间由下式算出： （7.16）即，所选定的轴承寿命足够使用。式中，为寿命系数；为速度系数； 为反力（）。结束语在这忙碌而又充实的毕设过程中，我真的收获了很多。从刚开始对斯特林发动机的一无所知，然后查资料、和老师讨论，到最终的做出一个完整的斯特林发动机模型，这个过程可以说是十分艰辛和困难的。中途我曾经沮丧过，想要放弃，但是最终在同学和老师的鼓励下，我还是坚强的走了下来。也许我做的模型并不是很完美，但是在我的心中，它是无价的，是我用自己的汗水，一点点铸成的，我为自己感到自豪。这次的论文是在我的导师童亮老师的悉心指导下完成的。正是在他的精心指导下，我的学识才得以长进，思维水平才得以提高，获得了将专业理论知识运用于生产实践的机会。老师渊博的知识、忘我的工作作风以及宽以待人的胸襟，使我深受启迪