斯特林驱动反渗透海水淡化增压泵设计研究

提出一种用于小型反渗透海水淡化新型增压装置,将β型自由活塞斯特林发动机与往复式活塞泵耦合成为自由活塞斯特林发动机驱动式增压泵。确定初始设计参数,建立结构原理图,利用实用等温模型建模,分析斯特林发动机内部工作参数;在确定斯特林发动机参数后利用伯努利方程和一维不稳定流动方程对往复泵进行建模,得出泵吸排水口压力以及泵腔内压力变化;研究了斯特林发动机热源温度对输出功的影响,排出管口压力影响因素;利用MATLAB软件对所建立模型求解计算。结果表明,本设备理论上满足设计初始工况要求并可正常运行。     

自由活塞斯特林发动机运行频率

自由活塞斯特林发动机运行频率是发动机的关键参数。区别于传统的曲柄连杆斯特林发动机,自由活塞斯特林发动机的运行频率由系统充气压力、动质量、弹簧刚度、阻力系数等热动力学参数耦合确定,因此确定自由活塞斯特林发动机的运行频率较为复杂。为了能够定量计算自由活塞斯特林发动机的运行频率,笔者建立了耦合发动机热动力学参数的数值模型。首先,在模型中对压力波进行线性化处理,得到了自由活塞斯特林发动机运行频率的计算公式;然后,运用模型分析了主要参数对发动机运行频率的影响规律,并与实验结果相对比,发现模型计算结果较为准确;最后,分析了当板弹簧刚度大幅度增加时,发动机的运行频率却变化较小,主要原因在于原有板弹簧的最高自然频率较低。结果表明：优化设计了新的板弹簧,使发动机运行频率大幅度升高,在采用新的板弹簧之后发动机的运行频率从原来的35 Hz提高到60 Hz。     

自由活塞斯特林发动机动力活塞气体作用效应

为了能够深入认识自由活塞斯特林发动机动力活塞的运行特性,找到提高自由活塞斯特林发动机效率的方法,对配气活塞固定不动时的动力活塞的气体作用效应进行了理论分析,并设计了动力活塞的单独运动实验,在此基础上提出了动力活塞自然频率的计算公式。研究了压缩腔压力波超前与滞后动力活塞位移两种情况下动力活塞受到的气体力的作用情况,采用旋转矢量法阐述了气体力的作用机理。当压力波超前或滞后活塞位移小于90°时,一部分气体力发挥了气体弹簧的作用,使系统自然频率增大;当压力波超前或滞后活塞位移大于90°但小于180°时,一部分气体力发挥了惯性力的作用,使系统自然频率减小,且热源温度越高,系统的自然频率越大。利用本实验室的一台自由活塞斯特林发动机进行实验,验证了上述气体力作用的效应与规律,利用此理论计算系统自然频率和实验相差不超过2%,使得斯特林发动机成功启动。     

液压自由活塞发动机性能模拟的参数化研究

液压自由活塞发动机的工作过程是在多过程相互耦合作用下进行,活塞动力学与燃烧、扫气、泵油各过程紧密结合.基于Aemsim建立了一维仿真模型,在分析运动特性和热力学特性的基础上,研究了关键性结构和控制参数对发动机性能的影响.仿真结果表明:由于没有机械约束,自由活塞发动机的活塞行程规律与曲柄发动机存在显著的差异;活塞质量是影...     

斯特林发动机配气活塞气体的作用效应

为了能够深入认识自由活塞斯特林发动机配气活塞的运动特性,对动力活塞固定不动时的配气活塞的气体作用效应进行了分析,并设计了配气活塞的单独运动实验,在此基础上提出了配气活塞固有频率的计算式。分析了工作腔压力波超前与滞后配气活塞位移两种情况下受到的气体力的作用情况,采用旋转矢量法阐述了气体力的作用机理。当压力波超前或滞后活塞位移小于90°时,认为一部分气体力发挥了气体弹簧的作用,使系统固有频率增大;当压力波超前或滞后活塞位移大于90°但小于180°时,认为一部分气体力发挥了惯性力的作用,使系统固有频率减小。热源温度越高,系统的固有频率越小。利用本实验室的一台自由活塞斯特林发动机进行实验,验证了上述气体力作用的效应与规律,且利用此理论计算了系统固有频率的准确性。     

应变片用于斯特林发动机活塞位移的动态测量

结合自由活塞斯特林发动机的结构特点,提出了采用应变片响应板弹簧变形来动态测量活塞位移的方法。根据应变片的电阻应变效应与应变仪的电桥原理,建立了一套应变片测量位移的动态标定试验系统,将动态标定数据与静态标定数据进行了比较分析。试验结果表明,应变片测量位移的方法存在一定的正反向、动静态差异,应变片的粘贴位置也会直接影响测量准确性。基于应变片传感器体积小,与板弹簧结合粘贴无需占用专门的空间,通过标定校准和合理的安装位置,仍然是一种较好的位移测量传感器。     

二冲程自由活塞发动机－发电机系统设计与工作过程仿真研究

介绍了自由活塞发动机-发电机系统的结构设计和工作原理,详细分析了系统的工作过程,确定了系统整个工作循环的理论模型;在理论模型的基础上,对系统进行了工作过程仿真分析,并通过改变相关参数值研究参数变化对系统性能的影响规律。     

双活塞液压自由活塞发动机原理样机的研制及其压缩比

液压自由活塞发动机是将内燃机和液压泵集成为一体,以液体为工作介质,利用油液的压力能实现动力非刚性传输的一种特种发动机。提出一种特殊结构的液压自由活塞发动机设计方案,并据此研制了双活塞液压自由活塞发动机原理样机。由于压缩比对自由活塞发动机的性能具有重要影响,所以从结构设计、安装方式与行程控制等不同层面,对双活塞液压自由活塞发动机原理样机压缩比进行了详细而系统的研究。研究结果为液压自由活塞发动机的结构设计、控制及安装方式的选择皆有指导意义。     

液压自由活塞发动机——未来的动力之星

液压自由活塞发动机是近20年发展起来的新型动力,是一种有前途的车用特种发动机。本文首先介绍了该发动机的工作原理、结构类型、性能特点;其次分析了该发动机物理实现的关键技术问题、应用前景;最后提出了发展我国自由活塞发动机的对策。     

单活塞液压自由活塞发动机压缩冲程特性

以压燃式单活塞液压自由活塞发动机为对象研究其压缩冲程特性,以期得到高效可靠的压缩过程实现方案,满足系统着火条件要求.基于系统的基本结构,对系统不同工况下的压缩过程进行分类,并分别研究其主要特征,确定利用液压能实现系统压缩过程的基本控制量.通过建立系统压缩过程气缸状态和液压腔状态仿真模型,结合相关的试验测试结果,对不同工况下的压缩过程特性进行研究.研究表明:系统低压压缩过程着火条件易于满足,在非正常工作状态下的高压压缩过程需要消除压缩蓄能器的稳压作用,同时减小频率控制阀节流作用的影响.     

液压自由活塞发动机的发展历程及研究现状

介绍了液压自由活塞发动机的发展历程、工作原理、典型系统、研究现状及研发中的关键技术问题     

液压自由活塞发动机动态特性的仿真研究

液压自由活塞发动机(hydrau lic free p iston engine,以下简称HFPE)是将内燃机和液压泵集成为一体,以液体为工作介质实现动力非刚性传输的一种特种发动机。在左、右动力腔的交替驱动下,HFPE的活塞组件在腔体中作往复直线运动,同时泵出液压油驱动负载工作。与曲轴式发动机不同,由于不受曲柄连杆机构的约束,HFPE活塞组件的运动规律完全取决于其本身的质量及所受到的作用力。本文通过建立所研制的HFPE样机各子系统的数学模型,重点研究了HFPE样机的动态特性,以期为系统的结构及控制系统提供理论依据。     

双活塞式液压自由活塞发动机仿真研究

双活塞式液压自由活塞发动机是将内燃机与液压泵集成为一体的新型动力机械。根据双活塞式液压自由活塞发动机样机的实际参数建立了仿真模型,与试验数据比较该仿真模型具有较高的仿真精度。在仿真和试验数据的基础上分析了双活塞式液压自由活塞发动机与传统发动机在运动和燃烧特性上的差异:并提出了设计参数与系统整体性能指标的对应关系。为双活塞液压发动机结构优化设计提供了理论依据。     

未来的动力之星——液压约束活塞发动机与液压自由活塞发动机

介绍了液压自由活塞发动机（HFPE）与液压约束活塞发动机（HCPE）的发展现状，就两者的结构原理、功能特性等方面进行了对比分析。HFPE和HCPE都能直接将燃料燃烧产生的热能转化为液压能，都可作为伞液压午辆动力源使用。采用传统的燃烧技术，HFPE总效率可达40％，HCPE可达35％。两者任何工况下都能方便地工作在最佳经济工况，方便地回收车辆制动能量，提高整车效率。     

双组元液压自由活塞发动机的研究背景与可行性分析

在对内燃式液压自由活塞发动机和单组元液压自由活塞发动机进行比较分析的基础上,提出了一种新型的液压自由活塞发动机--双组元液压自由活塞发动机.从工作原理、释能方式、结构特点、燃料能量密度、单元功率及应用场合等不同角度,对三种液压自由活塞发动机的多种性能进行了比较.探讨了双组元液压自由活塞发动机的点火方式和需解决的关键技术问题,指出双组元液压自由活塞发动机是一种值得深入研究的新型动力机.     

斯特林机动力活塞间隙密封动态特性仿真分析

在自由活塞斯特林机动力活塞间隙密封中,间隙内的气体泄漏会引起工作腔内压力和气体质量的变化,进而影响斯特林机的工作效率。为研究在压缩循环过程中气体泄漏量对压力的动态影响,建立间隙密封长度不变、间隙密封长度单侧变化和间隙密封长度双侧变化3种不同的间隙密封物理模型,采用时间推进法,分析求解不同形式的密封对泄漏量的影响。结果表明：间隙密封在启动阶段时单向泄漏量最大,随着时间的推进,泄漏量逐渐减小后达到稳定,间隙密封长度不变的模型相较于其他2种模型的单向泄漏量最少。基于间隙密封长度不变的模型,分析气膜厚度、背压、密封长度对泄漏量的影响,对气膜间隙和背压进行优化设计。结果表明：气体质量的泄漏随气膜厚度和背压的增加而增加,随活塞长度的增加而减小;当气膜间隙为20~30 μm,活塞长度为10~15 cm,背压在3~5 MPa时,间隙密封泄漏量在3%以内,符合动力活塞间隙密封的设计要求。分析结果为自由活塞斯特林机动力活塞间隙密封提供了设计依据。     

斯特林发动机气缸与活塞间隙密封的泄漏量分析

斯特林发动机的密封关键是气缸与活塞的间隙密封,能否有效地将其密封直接影响了斯特林发动机的性能与可靠性。斯特林发动机采用间隙密封,可以在完成密封作用的同时消除接触磨损和因此而产生的污染,但由于间隙内气体的泄漏,引起了工质的损失。建立了层流工况下斯特林发动机气缸与活塞间隙密封的数学物理模型,推导了密封间隙的泄漏量。再考虑由于实际工况和位置偏心引起的密封间隙的泄漏量,最后与理想条件下的泄漏量进行比较,得出结论:实际工况和位置偏心引起的密封间隙的泄漏量较理想状态下泄漏量大。     

自由活塞极限位置的液压节流控制

针对单活塞液压自由活塞发动机自由活塞运动不受机械机构约束的情况,研究单活塞液压自由活塞发动机自由活塞极限位置的液压节流控制方法,保证系统机械结构安全。基于对自由活塞极限位置节流控制原理的分析,建立液压控制回路数学模型,结合试验和仿真分析节流控制的工作特征及其影响因素。研究结果表明,单活塞液压自由活塞发动机极限位置的液压节流控制应考虑单向阀节流、回油阻尼和油液弹性三种作用效果的影响。压缩腔压力在膨胀冲程的第一次压力峰值由单向阀引起,第二次压力峰值由回油阻尼和油液弹性引起。增大回油孔通流面积可减小第一次压力峰值压力波后期高压的持续时间。回油阻尼和油液弹性能有效防止单活塞液压自由活塞发动机机械损坏的发生。     

双作用斯特林热机活塞密封流阻特性数值计算

考虑活塞前部环形间隙的影响,建立斯特林发动机活塞密封结构的流阻模型,分别展开动、静态下数值计算,得到活塞各密封段内压力与流量的关系,分析工质随结构参数变化的流动特性。结果表明：动、静态下活塞密封处流阻呈现不同特点,动态时流阻随流量增加而增大,静态时流阻为一恒定值;活塞环泄漏面积对流阻的影响较大,可以通过使用组合式活塞环以增大流阻而减小泄漏;而前部间隙宽度对流阻的影响较小,适当加大间隙宽度能在不影响密封的前提下减小活塞与气缸的摩擦。     

液压自由活塞发动机关键技术及未来发展方向

介绍了液压自由活塞发动机的三种基本结构、工作原理和优点,重点分析了液压自由活塞发动机由于其独特的结构所具有的特性、研制过程中的关键技术、研究难点,以及相应的研究现状,讨论了制约液压自由活塞发动机走向产业化的瓶颈技术,以及为解决这些技术所进行的探索和尝试。推动液压自由活塞发动机的发展可从结构改进、燃料及燃烧技术突破及多学科融合技术等方面进行。