Thermal-lag自由活塞斯特林发动机启动与可持续运行机理研究

The thermal-lag free piston Stirling engine (TL-FPSE) has only one moving component at room temperature. Compared with the traditional free piston Stirling engine, it has the advantages of simpler structure, higher reliability and longer life. There are little research of TL-FPSE at the international level，the current key issue of this kind of engine is difficult to start, low efficiency both of which mainly due to the internal physical characteristics of the engine is not studied clearly, and there is no effective model to analyze the basic laws of the engine to guide the engine's structural design and performance optimization. The project gives a start-up criterion firstly by exploring the principle of starting and energy distribution basing on conservation of energy. As a result, the difficulty of starting can be solved. Secondly, a numerical model coupled with thermodynamics of starting and running is established. Then, the influence of the main parameters on the engine can be analyzed by using the model. Besides, the influence of the phase modulation mechanism on the phase of TL-FPSE is analyzed to find out the best method of phase modulation. Finally, an experimental prototype be designed. Through the prototype, the theoretical model can be verified and corrected. Not only can the research of this project fill gaps in the field of domestic research, but also solve partial difficulties of TL-FPSE international research, which could advance the process of TL-FPSE study.

Thermal-lag自由活塞斯特林发动机（TL-FPSE）只有一个处于室温环境下运动部件，相对于传统的自由活塞斯特林发动机具有结构更加简单、可靠性更高、寿命更长的优点。国际上TL-FPSE的研究非常少，目前该类发动机存在的重点问题是发动机启动困难、效率低，主要原因在于发动机的内部物理特性没有研究清楚，没有建立有效的模型来分析发动机的基本规律并指导发动机的设计和优化。本项目首先基于能量平衡研究TL-FPSE的启动机理和能量分配规律，给出启动判据，从而解决TL-FPSE启动困难的问题。然后建立耦合热动力学的启动和运行模型，运用模型研究主要参数对发动机的影响规律，并分析调相机构对TL-FPSE相位的影响机理。最后研制TL-FPSE实验样机，通过样机验证并修正理论模型。本项目的开展不仅能填补国内该领域研究的空白，而且也能解决国际上TL-FPSE研究的难题，推进TL-FPSE研究的进程。

热滞后型自由活塞斯特林发电机相对于其它类型斯特林发电机，只有一个运动部件，并且该运动部件是在室温条件下做往复运动，其结构更加简单、可靠性更高、寿命更长，因此热滞后型自由活塞斯特林发电机有着更加广泛的应用前景。但是目前国际上关于热滞后自由活塞斯特林发电机研究较少，内部运行机理还不清楚。因此，本项目主要对热滞后自由活塞斯特林发电机的启动与运行机理进行了理论分析和模拟计算，分析各参数对发动机性能的影响规律，开展了发电机的热力学、动力学和启动机理的理论分析与试验研究。首先，介绍了热滞后自由活塞斯特林发动机基本结构组成，从宏观角度阐述了发动机循环的基本工作原理。同时提出了一种新的热滞后斯特林发动机的热力循环理论，其循环只包括压缩和膨胀过程，由于热滞后作用开始膨胀的气体为压缩结束时的低温气体，开始压缩的气体为膨胀结束时的高温气体，中间经历的为非等温过程，压力波相位滞后于质量流相位。然后，建立了活塞运行的动力学模型，得到其运动方程与活塞动质量、运动阻尼、板簧刚度、气体驱动力电机驱动力等有关。对发动机的启动条件进行了分析，并给出了判据，得出只有当压力波相位滞后与活塞位移相位时，发动机才可以启动的结论。最后，基于Sage软件建立了热滞后自由活塞斯特林发电机模型，分析了关键结构参数对发电机性能的影响规律，并对发电机运行参数、几何参数进行详细优化，使发电机的设计效率超过10%。根据设计参数研制了一台热滞后自由活塞斯特林发电机原理样机，搭建了实验台，开展了发动机的启动实验。