1kW斯特林发动机的实验研究及热力学分析博士学位论文

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1kW斯特林发动机的实验研究及热力学分析摘要
斯特林发动机不仅理论热效率高，等于卡诺效率，而且作为外燃机其排放特
性非常好，所以近三十年来-直是研究的热点。通过实验可以对斯特林发动机进
行优化，并指导理论设计，提高理论模型的精度，因而开展斯特林发动机的实验
研究非常重要；斯特林发动机工作过程中的各种热损失是影响斯特林发动机性能
的主要因素，但这些热损失通常很难用仪器进行测定，-般需要借助理论分析工
具进行估算，因而开展斯特林发动机热力学理论研究，不仅有重要的学术价值，
也有重要的工程应用意义。
本文主要开展了lkW仅型斯特林发动机的改造、实验研究、循环分析和可
用能分析等方面的工作。
通过合作研究，在乌兹别克斯坦科学院物理技术研究所斯特林发动机实验室
对乌方研制的lkW太阳能斯特林发动机进行了改造，即用以液化气为燃料的气
体燃烧室取代太阳能接受器。成功研制出多孔金属板燃烧器，并将多孔金属网成
功应用于斯特林发动机外部燃烧室。
先后在乌兹别克斯坦科学院物理技术研究所斯特林发动机实验室和中国科
学技术大学工程科学学院建立了lkW斯特林发动机实验系统，通过实验完成了
对气体燃烧室的优化及对励磁系统的调试。
在乌兹别克斯坦科学院物理技术研究所斯特林发动机实验室做了不同充气
压力下的lkW斯特林发动机性能实验。根据实验结果对lkW斯特林发电系统进
行了能量平衡分析♂果表明：气体燃烧室、换热器、曲轴连杆传动机构的轴承、
发电机均需要改进或更换。在更换轴承后，系统发电功率有了较大的提高。然后
在位于中国科学技术大学工程科学学院的实验系统上以品质更高的液化气为燃
料进行了性能实验，在工质的充气压力为28bar时该发动机的发电功率可达
975W，接近额定发电功率1kW。
对各种零级分析法进行了比较，将lkW斯特林发动机轴输出功率的零级分
析值与实验值进行比较，结果表明：lkW斯特林发动机实际轴输出功率比用
Malmo公式法和指示功率法算得的输出功率的下限值还小，比用Beale数法算得
的输出功率小40%左右，说明lkW斯特林发动机的设计存在比较大的问题，需
要进-步优化。
建立了a型斯特林发动机的理想绝热模型，通过公式推导获得了-组方程。
在理想绝热分析法基础上，对绝热二级分析法进行了简化，并进行了可视化程序