斯特林发动机设计制作

斯特林发动机制作 [摘要] 热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。 已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。 发动机的分类有1.按使用燃料分:汽油机、柴油机等;2.按工作循环分:四冲程发动机、二冲程发动机;3.按气门位置分:顶置气门式发动机、侧置气门式发动机;4.按气缸排列分:直列式发动机、V型发动机;5.按气缸数分:单缸发动机、双缸发动机。 斯特林发动机是罗巴特.斯特林(Robert Stirling)于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”(Stirling engine)。斯特林发动机，又称热气机(Stirling Engine)是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的闭式循环往复式发动机。相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点热气机又被称作外燃机。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气(或氦)作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。 课题论述重点在于利用斯特林循环的工作原理，如何小组自主完成:任务的分配;设计造型结构;绘制生产图纸;零件选材;加工工艺制定;零件制造和装配调试。制作出能在酒精灯加热下，借助连杆与活塞之间的运动，能自行完成斯特林循环，自行工作的斯特林外燃机。 斯特林热机 1 斯特林发动机工作介绍 1.1斯特林循环介绍 斯特林循环是封闭式的，采用定容下吸热的气体循环方式。循环过程是:?等容吸热加热;?由外热源等温加热;?等容放热，供吸热用;?向冷体等温放热，完成一个循环。在理想吸热的条件下，这种循环的热效率，等于温度上下限相同的卡诺循环。利用这种循环的“斯特林热机”，具有很多特点，如采用外燃，或外热源供热等。由于这种循环是封闭式循环，可采用传热性能好的工质，同时，工质的腐蚀性也可以很小，如氮气、氢气等气体。充入的气体工质，还可以加大压力，视封闭系统的情况，能够采用远远大于大气压力的高压气体工作，这样可以提高发动机的单位重量的功率，减小发动机的体积和重量。斯特林循环热空气发动机不排废气，除燃烧室内原有的空气外，不需要其他空气，所以适用于都市环境和外层空间。 斯特林循环可以分为4个过程:?定温压缩过程:配气活塞停留在上止点附近，动力活塞从它的下止点向上压缩工质，工质流经冷却器时将压缩产生的热量散掉，当动力活塞到达它的上止点时压缩过程结束。?定容回热过程:动力活塞仍停留在它的上止点附近,配气活塞下行，迫使冷腔内的工质经回热器流入配气活塞上方的热腔，低温工质流经回热器时吸收热量，使温度升高。?定温膨胀过程:配气活塞继续下行，工质经加热器加热，在热腔中膨胀，推动动力活塞向下并对外作功。?定容储热过程:动力活塞保持在下止点附近，配气活塞上行，工质从热腔经回热器返回冷腔，回热器吸收工质的热量，工质温度下降至冷腔温度。 在理论上，定容储热量等于回热量，其循环效率等于卡诺循环效率。两个活塞的运动规律是由菱形传动机构来保证的。 1.2 斯特林发动机的工作原理 第 1 页 共 8 页 热气机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机。热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。 已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。 按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。 热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。 1.3 斯特林发动机的评价，应用及未来发展 1.3.1 斯特林发动机的优缺点: 斯特林发动机的几个特性是非常适合潜艇的，首先是燃烧连续，由于工质不燃烧，因此没有内燃机的爆震现象，噪音低;其次可以使用任何燃料，其燃烧室在外，燃烧的过程与工质无关，或者说只要有热源、冷源就能工作，无论烧煤烧碳都可以，只要能发热就行;。热气机单机容量小，机组容量从20,50kw，可以因地制宜的增减系统容量。结构简单，零件数比内燃机少40,，降价空间大，同时维护成本也较。缺陷:热气机尚存在的主要问题和缺点是制造成本较高，工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题，功率调节控制系统较复杂，机器较为笨重。 1.3.2斯特林发动机的应用: 随着全球能源与环保的形势日趋严峻，热气机由于其具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视，所以，在水下动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力、车用混合推进动力等方面得到了广泛的研究与重视，并且已得到了一些成功的应用。热气机推广中的3个方向包括:?.热电联产充分利用它环境污染小和可使用多种燃料及易利用余热的特点，用于热电联产可取得更高的热效率和经济效率。?.四联装余热回收系统:低能级的余热回收利用对燃烧系统稍加改进便可利用工场余热、地热和太阳能进行发电或直接驱动水泵，可取得更大的节能效益。?.移动式动力源通过对发动机的小型化和轻量化，并改善其控制性能后，亦可以作为推土机、压路机等车辆的动力。 1.3.3未来发展方向: 热气机的未来发展将更多的应用新(如陶瓷)和新工艺，以降低造价;对实际循环进行理论研究，完善结构，提高性能指标;在应用方面，正大力研究汽车用的大功率燃煤热气机、太阳能热气机和特种用途热气机等。 2 斯特林发动机设计 2.1 斯特林单缸发动机选择 通过网上搜集资料，拟订方案1(见2.1.1)与方案2(见表2.1.2)，二种方案进行小组最后讨论，通过比较其优缺点来最终确定选用哪套方案进行最后的设计制造。 表2.1.1 方案1优缺点 方案1 图形: 优点: 1.支撑件造型美观，直接连接各个重要零件; 2.使用双飞轮结构，使运转时惯性加强; 3.气缸散热槽成锥形，易散热。 第 2 页 共 8 页 缺点: 1.各连杆造型难度大，不易加工; 2.平衡器的横向滑动间隙大，设计时平衡器设计难度大; 3.加热端的螺纹设计易造成漏气; 4.气缸使用铜为材料，铜材料受热易变形; 5.支撑结构较为简便，稳固性低; 6.支撑架造型难度高，各零件间距离难以设计，加工不容易; 7.飞轮使用铜作为材料，成本较高。 表2.1.2 方案2优缺点 方案2 图形: 优点: 1.支撑紧固，个零件间都有螺丝锁紧; 2.零件尺寸容易计算与设计，加工较容易; 3.气缸使用铝为材料，受热不易变形，缸身有空间环形刻字; 4.材料多为铝和45号钢，加工成本较低。 缺点: 1. 零件个数较多，装配较烦琐; 2. 单飞轮设计，使平衡易向飞轮侧倾斜; 经过小组讨论，决定选择方案2作为最后的实行方案，因考虑到材料成本;加工的难易度;结构稳 定性，方案2材料价格较低，设计造型及加工比较容易，零件数多容易小组安排任务。 3 斯特林发动机零件制造 3.1 平衡连杆加工制作(Bielle balancier) 毛胚大小:68X15X7铜料,零件图纸见附页。(如图3.1-1) 图3.1-1 平衡连杆 平衡连杆是偏心轮与活塞之间重要的连接零件之一，其主要依靠动能活塞的运动带动，再飞轮的惯 性下，反而带动活塞运动。零件的加工难点在于零件体积小，现有机床夹具装夹比较困难。 表3.1.1 刀具使用清单列表: 刀具规格 ap(mm) S(rpm) F(mm/min) φ10 立铣刀(钨钢) -0.25 3500 250 φ3 立铣刀(钨钢) -0.25 5000 250 φ8 中心钻 -0.2 1500 50 φ1.8 麻花钻 3500 35 φ2 铰刀 80 35 表3.1.2 加工工艺表: 序工序名称 工序内容及要求 工 序 简 图 第 3 页 共 8 页 号 1 加工外轮廓1. 装夹工件 及孔 2. 加工外轮廓 3. 2端孔加工 2 保证工件厚1. 反面装夹工件 度 2. 用立铣刀保证工件 厚度 3.2 拨叉连杆加工制作 毛胚大小:39X5X4.5铜料，零件图纸见附页。(如图3.2-1) 图3.2-1 拨叉连杆 拨叉连杆是偏心轮与薄壁活塞之间的重要连接零件，由于零件的体积偏小，现有机床装夹和刀具加 .2-2;3.2-3)。 工较为困难，因此对其的多处连接直角修改为圆弧处理，对原有功能无影响(如图3 图3.2-2 修改前 图3.2-3修改后 表3.2.1 刀具使用清单列表: 刀具规格 ap(mm) S(rpm) F(mm/min) φ10 立铣刀(钨钢) -0.25 3500 250 φ2 立铣刀(钨钢) -0.25 5500 250 φ8 中心钻 -0.2 1500 50 φ1.8 麻花钻 3500 35 φ2 铰刀 80 35 表3.2.2 加工工艺表: 序工序名称 工序内容及要求 工 序 简 图 号 1 加工外轮1. 装夹工件 廓及孔 2. 加工外轮廓 3. 2端孔加工 2 保证工件1. 反面装夹工件 厚度 2. 加工轮廓外形 3. 用立铣刀保证工 件厚度 3.3 偏心轮加工制作(Manton) 毛胚大小:φ25X10*2铜料, 零件图纸见附页。(如图3.3-1) 第 4 页 共 8 页 图3.3-1 偏心轮 偏心轮是发动机运动时重要的动力置换零件，它连接主动轴与动能连杆和动力置换连杆，承担机械能之间的传递，等效于曲柄轴。其加工的重点在由于装配需要零件加工后的孔需要具有一致性，和其孔径大小与轴的配合精度。因此需要进行同时加工。 表3.3.1 刀具使用清单列表: 刀具规格 ap(mm) S(rpm) F(mm/min) φ10 立铣刀(钨钢) -0.25 3500 250 φ8 中心钻 -0.2 1500 50 φ3.7 麻花钻 2500 35 φ4 铰刀 80 35 φ1.8 麻花钻 3500 35 φ2 铰刀 80 35 表3.3.2 加工工艺表: 序工序名称 工序内容及要求 工 序 简 图 号 1 车床加工外保证外圆形，厚度尺寸 圆 及中心φ4孔 2 加工外轮廓 1.立起装夹工件 2.加工外轮廓 3 保证孔 1.加工φ2孔 3.4 活塞加工制作(Piston) 毛胚大小:φ10X20铝料，零件图纸见附页。(如图3.4-1) 图3.4-1 活塞 活塞是发动机运动时重要的运动活塞，通过气缸内空气因加热时的热涨作用体积增大，从而将活塞顶起;顶起到一定位置时，进入气缸散热槽位置，热能散发，热能转化为机械能停止;气体体积回缩，在连杆的做用下，又将气缸带回原来位置。活塞的加工难点在于需要与气缸配合，所以表面不能有变形与擦伤。由于零件的体积偏小，现有机床装夹和刀具加工较为困难，因此对其的多处连接直角修改为圆弧处理，对原有功能无影响。活塞头端部分可由铣床4轴加工中心先行加工，塞体部分由于要求较高，后交由车床进行与气缸的配合加工完成(如图3.4-2;3.4-3)。 第 5 页 共 8 页 图3.4-3修改后 图3.4-2 修改前 表3.4.1 刀具使用清单列表: 刀具规格 ap(mm) S(rpm) F(mm/min) φ2 立铣刀 (钨钢) -0.25 5500 250 φ8 中心钻 -0.2 1500 50 φ1.8 麻花钻 3500 35 φ2 铰刀 80 35 表3.4.2 加工工艺表: 序工序名称 工序内容及要求 工 序 简 图 号 1 加工外轮1.装夹工件 廓及孔，叉2.加工平面 槽加工 3.端孔加工 4.旋转90? 5.叉槽加工 6.旋转180? 7.加工反平面 3.5 螺纹连杆加工制作(Tige deplaceur) 毛胚大小:φ4X37.5 材料:45号钢，零件图纸见附页。(如图3.5-1) 图3.5-1 螺纹连杆 螺纹连杆是薄壁活塞与拨叉连杆的零件，其加工需要保证杆身与气缸的配合精度及运动时的气密性， 还有与活塞之间的螺纹配合平行度，因此分析其工艺，决定先由车床对杆身尺寸和螺纹进行保证，再由 4轴加工中心进行孔端的孔及平面的加工，最后在交由车床保证其总长度尺寸。 表3.5.1 刀具使用清单列表: 刀具规格 ap(mm) S(rpm) F(mm/min) φ10 立铣刀(钨钢) -0.25 3500 250 φ8 中心钻 -0.2 1500 50 φ1.8 麻花钻 3500 35 φ2 铰刀 80 35 表3.5.2 加工工艺表: 序工序名称 工序内容及要求 工 序 简 图 号 1 加工孔端得1.装夹工件 2表面与孔 2.加工上表面 3.孔加工 4.旋转180? 5.加工下表面 4 斯特林发动机装配与调试 第 6 页 共 8 页 图4-1 爆炸图 图4-2 零件备注图 4.1 斯特林单缸发动机装配 4.1.1 装配步骤 斯特林发动机装配前:首先需要用酒精将各个零件擦洗干净，去干净零件上的毛刺。装配时:需要用到敲打装配的需轻力敲打，不得使用蛮力挤压敲击，防止用力过大损坏零件;遇到用螺丝锁紧时，如螺丝螺纹长度过长应使用砂轮将其打磨至合理长度，保证锁紧时各部件的定位牢固;装配中与到使用销固定连杆机构是应保证配合的紧固，防止在运动时因销体松动而发生移动或脱落现象;在气缸配合方面应分别检查活塞和薄壁活塞各连接处配合运动时的气密性，保证机体的运转。装配后:各个活动部件在装配后需加入润滑油进行润滑。装配顺序应按表4.1.1.1所示。 第 7 页 共 8 页 表4.1.1.1 装配步骤 序号: 装配步骤: 1 将2个轴杆各装于2个轴承上 2 将2个轴杆另一端装于偏心轮上 3 将2个轴承个装于轴承支撑件上 4 将二个轴承支撑件用螺丝固定于底板上 5 把平衡连杆一端装入拨叉连杆，用销固定与2个偏心轮中 6 将气缸固定用螺丝固定于底板上 7 使用螺纹配合薄壁活塞与螺纹连杆 8 螺纹连杆穿过气缸与拨叉连杆用销固定 9 将加热端用螺丝固定于气缸上 10 将2个平衡器夹上平衡器隔距件用螺丝固定 11 将平衡器装于2个平衡器支撑架中用销和隔距件固定 12 将平衡器支撑件用螺丝固定于底板上 13 将黄铜薄壁套装入气缸中 14 将平衡连杆与平衡器用销固定位置 15 将活塞与活塞挂件用销固定，在与平衡器用销固定 16 将底座用螺丝固定于底板上 17 轴杆上装上飞轮用螺丝固定 4.1.2装配所发遇问题及解决方法 斯特林单缸发动机在装配过程中遇到了很多问题，由于很多部件制作未达到装配精度要求，所以需 要进行一定的修改。装配时所遇问题和其解决方法见表4.1.2.1。 表4.1.2.1 装配所遇问题及修改方法 序号 问题 解决 1 由于气缸与薄壁套是过盈配合,所以用布垫在活塞套上,拿黄铜棒轻轻的敲打,直 配合时只套下一半,一半难于套下 到活塞套整个都套在气缸活塞孔里 2 轴承宽度过小，无法承受飞轮重量而更换宽度较宽的轴承进行装配 发生倾斜，使飞轮转动偏心严重 3 飞轮与轴杆配合后，运动时飞轮发生在飞轮上加工一个螺纹孔，在用螺丝将飞轮 自转现象 与轴杆锁死 4 飞轮传动轴杆与轴承无法装配。 使用细砂纸打磨飞轮传动轴至能与标准轴承 进行配合。 5 薄壁活塞与螺纹连杆装配后整体距离使用细砂纸打磨薄壁活塞螺纹端，使各连杆 过长，卡死各连杆之间运动。 能正常运转。 4.2 斯特林单缸发动机调试 在发动机的调试过程中遇到了很多的问题，原本预计单缸发动机的整体制作周期为五周结果单缸发 动机实际完成时间为七周。调试过程中的问题及解决办法见表格4.2.1。 表4.2.1调试所遇问题与解决方法 序号 调试过程中遇到的问题 解决办法 1 螺纹连杆与孔的间隙配合活动时有紧用研磨剂将螺纹连杆进行研磨使其能够在孔 凑的摩擦想象造成一定的阻力 里能自如的在来回运动 2 活塞套加热端锁在气缸上有缝隙，是在气缸和加热端各加工密封圈槽，放入密封 气体泄漏 圈进行密封 3 活塞与活塞薄壁套有摩擦想象造成一将研磨剂注射到活塞薄壁套上，活塞在来回 定的行程阻力 的研磨将阻力减少到最小 4 薄壁活塞螺纹端件的配合凸台长度过重新加工薄壁活塞螺纹端件，修改其凸台长 小，使薄壁活塞筒件无法固定 度 第 8 页 共 8 页