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自由活塞斯特林发电机气体轴承的设计方法研究

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工程热物理学报 2021年第6期42卷 1396-1401页

作者：贾子龙陈燕燕胡剑英刘冬冬孙岩雷王日颖张丽敏罗二仓中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

自由活塞斯特林发电机是一种高效紧凑的外燃式热电转换装置。气体轴承是实现其动子无接触支撑下往复运动的技术方案之一,结合间隙密封技术,可有效提高斯特林发电机的可靠性和使用寿命。目前常用的自由活塞斯特林气体轴承技术主要针对的... 详细信息

自由活塞斯特林发电机是一种高效紧凑的外燃式热电转换装置。气体轴承是实现其动子无接触支撑下往复运动的技术方案之一,结合间隙密封技术,可有效提高斯特林发电机的可靠性和使用寿命。目前常用的自由活塞斯特林气体轴承技术主要针对的是小功率,其承载力要求不高,往往简单采用几倍于实际承载的设计思路以应对实际气路结构产生的较大差异,而对实际承载力与细致优化设计考虑较少并缺乏系统的优化设计方法指导。随着大功率斯特林热机的发展,气体轴承的准确设计要求越来越高,掌握其实际应用环境中的最基本特征是实现其高效优化设计的基础。因此,本文从最为简单的一维轴向流模型出发,结合流动的扩散效应和非轴向流效应修正,为气体轴承的设计提供一种快速的计算方法;同时对气体轴承参数进行无量纲分析,给出无量纲结构计算图表,为常规斯特林热机气体轴承的优化设计提供具有普适特性意义的分析方法。

关键词：自由活塞斯特林发电机气体轴承无量纲

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自由活塞斯特林发电机气体轴承实验研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2022年第5期50卷 8-12,45页

作者：林明嫱牟健池春云洪国同中国科学院理化技术研究所空间功热转换技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

为研究和解决自由活塞斯特林发电机活塞偏移所引起的磨损问题,首先通过有限元软件模拟得到了偏移引起磁性侧向力变化的规律,发现动子所受的径向力随着偏移距离和偏移角度的增长线性增加,其斜率分别为1997 N/mm和1535 N/(°),且受力的方... 详细信息

为研究和解决自由活塞斯特林发电机活塞偏移所引起的磨损问题,首先通过有限元软件模拟得到了偏移引起磁性侧向力变化的规律,发现动子所受的径向力随着偏移距离和偏移角度的增长线性增加,其斜率分别为1997 N/mm和1535 N/(°),且受力的方向与偏移的方向相同.然后针对动力活塞设计了用以支撑的气体轴承结构,并搭建了一套基于静动摩擦力理论的测试发电机活塞气体轴承性能的实验台,开展了不同气体轴承孔径、孔数、腔内压力和轴承载荷对实际轴承耗气量和承载力的影响规律研究,结果表明:活塞偏移越大,活塞所受的摩擦力越大,相应所需的浮起压力也越大;同时轴承承载力和耗气量都与气体轴承孔径、孔数及腔内压力呈正相关,实际应用中须要综合考虑实际轴承载荷和效率损失来选择合适的匹配值.

关键词：自由活塞斯特林发电机气体轴承侧向力承载能力活塞偏移

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自由活塞斯特林发电机输出特性研究

工程热物理学报 2020年第9期41卷 2134-2138页

作者：贾子龙胡剑英张丽敏陈燕燕孙岩雷罗开琦罗二仓中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

自由活塞斯特林发电作为一种清洁能源的高效利用方式,并且该系统是一个参数敏感性系统,不当的运行工况会导致系统损坏,但是其变工况运行特性均未有报道进行系统的研究。本文基于声电耦合方程对自由活塞斯特林发动机与直线发电机进行理... 详细信息

自由活塞斯特林发电作为一种清洁能源的高效利用方式,并且该系统是一个参数敏感性系统,不当的运行工况会导致系统损坏,但是其变工况运行特性均未有报道进行系统的研究。本文基于声电耦合方程对自由活塞斯特林发动机与直线发电机进行理论分析,并用SAGE软件对整机系统进行数值模拟。研究结果表明,自由活塞斯特林发电机系统的动力活塞位移对负载、温度、工作压力这些参数变化均非常敏感,负载、温度的变化对系统效率影响很大,而系统运行频率则对工作压力的变化非常敏感。

关键词：自由活塞斯特林发电机声电耦合敏感性

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自由活塞斯特林发电机启动特性实验研究

太阳能学报 2023年第12期44卷 130-135页

作者：林明嫱刘润宝池春云焦珂欣周宇昊牟健中国科学院空间功热转换技术重点实验室中国科学院理化技术研究所北京100190 华电电力科学研究院有限公司杭州310030 中国科学院大学北京100049

启动是开展自由活塞斯特林发电机实验研究的前提,为更系统研究发电机的启动特性,搭建相关实验测试系统并开展实验。发现发电机在激励过后,只有热端温度超过一定值才能成功启动,并以此定义发电机的启动温度。然后以启动温度为评价指标,... 详细信息

启动是开展自由活塞斯特林发电机实验研究的前提,为更系统研究发电机的启动特性,搭建相关实验测试系统并开展实验。发现发电机在激励过后,只有热端温度超过一定值才能成功启动,并以此定义发电机的启动温度。然后以启动温度为评价指标,探究充气压力,配气活塞板弹簧刚度等参数对发电机启动的影响规律。实验结果表明:随着充气压力增加,发电机对应的启动温度逐渐降低。配气活塞板弹簧刚度只有在一定范围内,发电机才能成功启动,并存在最优值。同时,减小外负载阻值以及通过串连电容增加系统的谐振都有利于发电机的启动。

关键词：太阳能热发电启动实验自由活塞斯特林发电机激励

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自由活塞斯特林发电机的动力学特性研究

上海理工大学学报 2016年第1期38卷 38-42页

作者：陈曦郑朴罗兰上海理工大学能源与动力工程学院上海200093

将自由活塞斯特林发动机与直线发电机耦合,构成自由活塞斯特林发电机.分析了该发电机的系统结构和运行机理,建立了自由活塞斯特林发电机的质量-弹簧-阻尼系统模型.利用力多边形方法对自由活塞斯特林发电机的动力活塞和配气活塞进行了动... 详细信息

将自由活塞斯特林发动机与直线发电机耦合,构成自由活塞斯特林发电机.分析了该发电机的系统结构和运行机理,建立了自由活塞斯特林发电机的质量-弹簧-阻尼系统模型.利用力多边形方法对自由活塞斯特林发电机的动力活塞和配气活塞进行了动力学分析,在力多边形图上可以直观地看出自由活塞斯特林发电机的受力情况以及位移或压力相位角之间的关系,并利用示功三角形表征了压缩功和膨胀功.此外,还对直线发电机的输出特性进行了研究,推导了输出功率的计算公式.研究表明,通过调节负载参数,可以控制自由活塞斯特林发电机的输出功率.

关键词：自由活塞斯特林发电机力多边形直线发电机动力学特性

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自由活塞斯特林发电机静压气体轴承研究

轴承 2023年

作者：杨明卓牟健林明嫱洪国同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

静压气体轴承结合间隙密封技术作为自由活塞斯特林发电机的关键技术之一，可使得动力活塞在高频往复运动中实现无接触支撑，提高发电机的可靠性和使用寿命。为了研究自由活塞斯特林发电机静压气体轴承的承载特性，基于轴向流动假设建立... 详细信息

静压气体轴承结合间隙密封技术作为自由活塞斯特林发电机的关键技术之一，可使得动力活塞在高频往复运动中实现无接触支撑，提高发电机的可靠性和使用寿命。为了研究自由活塞斯特林发电机静压气体轴承的承载特性，基于轴向流动假设建立了理论模型，通过模型计算了不同条件下气体轴承的承载力。设计并搭建了一种气体轴承承载力测试的实验装置，测试了气体轴承在不同供气压力、节流孔直径及数量条件下气体轴承的承载力。通过对比理论模型和实验测试结果，验证了模型准确性。发现承载力与供气压力、节流孔的个数、孔径大小呈正相关关系，同时承载力随活塞与气缸的间隙的减小而增大。为了进一步研究偏心率对承载力的影响，建立了间隙内气膜的CFD数值模型，发现在间隙一定的条件下，偏心率越大承载力越大，仿真模型和实验结果具有较好的一致性，说明这种测试方法是可行的。

关键词：自由活塞斯特林发电机气体轴承承载特性偏心率间隙密封

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空间自由活塞斯特林发电机启动温度研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2021年第3期49卷 69-73,92页

作者：池春云牟健林明嫱洪国同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北京100190 中国科学院大学北京100049

为确定空间自由活塞斯特林发电机的启动温度,提出一种结合动力学模型预测启动温度的简单方法.首先建立了包含热力学和动力学的发电机线性模型,利用根轨迹技术并依据系统的不稳定性判定方法预测发电机的启动温度.运用该模型分析了实验样... 详细信息

为确定空间自由活塞斯特林发电机的启动温度,提出一种结合动力学模型预测启动温度的简单方法.首先建立了包含热力学和动力学的发电机线性模型,利用根轨迹技术并依据系统的不稳定性判定方法预测发电机的启动温度.运用该模型分析了实验样机的启动温度以及配气活塞板簧刚度和外负载对启动温度的影响,并进行实验验证.结果表明:发电机的启动温度与配气活塞板簧刚度成正相关关系,而与外负载成负相关关系,模拟结果与实验有较好的一致性.但由于模型的理想化,模拟结果存在误差且该误差随着热端温度的升高而增加.此外,利用该模型预测发电机的运行频率,结果表明误差低于5.9%.

关键词：自由活塞斯特林发电机动力学模型启动温度根轨迹技术频率

5 kW自由活塞斯特林发电机动磁直线电机冷却

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华中科技大学学报（自然科学版） 2020年第5期48卷 120-125页

作者：林明嫱牟健池春云洪国同中国科学院理化技术研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

为解决大功率直线电机的温升问题,设计了匹配自由活塞斯特林发电机用的动磁直线电机,并建立电机的三维温度场分析模型.该模型考虑实际电机中铜耗、铁耗、涡流损耗等因素,对线圈绕组进行了等效分析,模拟计算结果和实验结果符合较好,表明... 详细信息

为解决大功率直线电机的温升问题,设计了匹配自由活塞斯特林发电机用的动磁直线电机,并建立电机的三维温度场分析模型.该模型考虑实际电机中铜耗、铁耗、涡流损耗等因素,对线圈绕组进行了等效分析,模拟计算结果和实验结果符合较好,表明了模型的准确性.结合一台输出功率为5kW的斯特林发电机结构特性,设计了一种既满足冷端换热器换热需要又实现直线电机冷却的双用式冷却结构.利用该模型计算得到了电机各个部件的温度分布情况,并与实验结果进行对比验证,具有较好的一致性.与常规冷却结构进行比较分析,结果表明该双用式冷却结构对于线圈、磁铁等结构冷却性能更优.

关键词：自由活塞斯特林发电机动磁直线电机温度场冷却热分析

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自由活塞斯特林发电机的负载特性研究

真空与低温 2018年第6期24卷 410-414页

作者：陈曦崔浩上海理工大学能源与动力工程学院上海200093

采用Maxwell和Circuit Editor联合仿真,分析了自由活塞斯特林发电机外接阻性负载和容性负载时的性能,分别得到阻性负载和容性负载时的磁感应强度分布与两端电压电流变化规律。通过采用场路耦合法求解自由活塞斯特林发电机的输出功率,发... 详细信息

采用Maxwell和Circuit Editor联合仿真,分析了自由活塞斯特林发电机外接阻性负载和容性负载时的性能,分别得到阻性负载和容性负载时的磁感应强度分布与两端电压电流变化规律。通过采用场路耦合法求解自由活塞斯特林发电机的输出功率,发现在外电路串联电容可使发电机达到电路谐振,从而提高自由活塞斯特林发电机的性能。

关键词：自由活塞斯特林发电机负载模拟输出功率