奎西透平式斯特林发动机的工作原理
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第 35卷 第 5期 2006年 10月
# 综述 #
小型内燃机与摩托车 SMALL INTERNAL COM BUST ION ENG INE AND MOTORCYCLE
奎西透平式斯特林发动机的工作原理*
左远志 1, 2 丁 静 2 李熙亚 1 杨晓西 2
( 1. 东莞理工学院 机电工程系, 广东东莞 523106; 2. 华南理工大学 传热强化与过程节能教育部重点实验室 )
Vo.l 35 No. 5 O c.t 2006
摘 要: 基于奎西发动机的技术平台, 介绍了奎西透平式斯特林发动机的结构、工作原理、优越性以及一 些关键性问题, 其没有传统意义上的回热器结构设计将为斯特林发动机技术提供一个新的思路。 关键词: 奎西发动机 奎西透平式斯特林发动机 工作原理 回热器 中图分类号: TK12 文献标识码: A 文章编号: 1671- 0630( 2006) 05- 0056- 04
图 2 带摇摆架结构奎西发动机结构示意图
1. 2 工作原理 当转子旋转时, 转子与壳体内壁的距离不断改变,
每一个独立腔室都会经历容积压缩和膨胀的过程, 类似 往复式发动机的冲程。QT 的 4个独立腔室刚好依次布 置完成 Otto循环的进气、压缩、燃烧及膨胀、排气四个过 程。四冲程往复式发动机运转两周, 各气缸才完成一次 进气、压缩、燃烧及膨胀、排气过程, 而 QT 转子每转一周 时, 完成 4个燃烧冲程, 即相当于四冲程往复式发动机 的 8个气缸所完成的燃烧冲程。图 1左图中表示某一 腔室 a进气过程即将完成, 图 1右图表示转子旋转近 1 / 4周后, 腔室 a内气体被压缩的状态, 如此依次再进入燃 烧及膨胀、排气两个过程。 1. 3 优势
Abstract: Based on the techno logy platform of Quasiturb ine eng ine, the configurat ion, operation principle, advantages and som e key issues of Quasiturb ine S tirling eng ine ( QT - SE ) are introduced. It s' suggested that QT - SE possessing no regenerator w ill provide a sim p le and novel design concept for the Stirling eng ine techn ologies. K eyw ord s: Quasiturb ine ( QT ) , Quasiturb ine Stirling eng ine ( QT - SE ) , Operation princ iple, Regenerator
2 QT - SE 的工作原理
当 QT 没有任何进、排气口, 4个腔室都充满相同 质量的压缩气体, 并假定其中一对置象限区被加热到 高温, 而另一对置象限区被冷却到低温 (见图 3) , 启动 转子, 旋转运动 将冷气体 工质 ( 或液 态水 ) 移到 高温 区, 工质受热膨胀 (或蒸发 ) , 产生力矩推动转子, 并使 工质进入下一个象限区受冷却 ( 或冷凝 ), 如此周而复 始。这样使得对置的两封闭气体工质同时按照斯特林 热机热力规律循环工作, 这就是 QT - SE 的工作原理。
1 QT 的工作原理
1. 1 结构组成 QT 也跟汪克尔旋转发动机 [ 2 ] 一样, 采用壳体 ( 定
子 ) ) ) ) 转子结构设计 ( 参见图 1), 不过其转子不是采 用整体的三角形转子, 而是用四个枢轴叶片和四个滚 动轴承座构成可变菱形几何结构的转子, 四个枢轴叶 片活动地互相连接成为一个链, 转子沿 Sa int- H ila ire 的约束剖面壳体内壁旋转, 并将缸体划分为四个独立 的腔室, 这个可变菱形转子就是 QT 区别于汪克尔发 动机的主要结构特征。在实际应用中, 该转子有两种 结构设计, 一种不带摇摆架结构 ( carriages) ( 见图 1 ), 称为简单型奎西发动机 ( Sim p le Q uasiturb ine Eng ine), 它非常类似汪克尔发动机, 菱形转子角端的枢轴接头 始终与壳体内壁接触, 独立腔室的密封主要依赖于枢 轴接头处异形密封结构来完成。另一种为带摇摆架结 构 ( 见图 2) , 该转子也是由四个叶片组成, 每一个叶片 由充填嘴板、摇摆架以及轮轴承组成。叶片通过充填
为了增加热流密度, QT - SE 可采用水作为工质, 在高温区, 水变成蒸汽, 在低温区, 又变回水。但这只 需要少量的水, 由于离心力的作用, 水始终能与定子内 壁接触, 如此可得到理想的换热效果。可以相信, 这种 QT - SE 蒸汽动力循环将是一种颇有吸引力的选择。
4 QT - SE 亟待解决的问题
Operation Princip le of Quasiturbine Stirling Engine
Z uo Yuanzh i1, 2, D ing Jing2, L i X iya1, Yang X iaoxi2
1- Dongguan Un iversity of T echno logy ( Dongguan 523106) 2- South Ch ina U niversity of T echno logy
图 1 简单型奎西发动机结构及原理示意图
与汪克尔发动机, 它解决了汪克尔发动机所呈现出来 的许多缺陷 [ 3] 。例如汪克尔发动机燃烧不充分, 导致 NOx 和碳烟排放高, 而 QT 的燃烧室相对缩短了 30% , 混合气在更高的压力下实现了完全燃烧, 排放自然会 降低, 燃烧效率因此相应明显提高。 QT 其它显著优点 包括: 振动小, 低噪声, 加速度快, 低速时仍有 较高扭 矩, 需要润滑较少, 工作环境适应性强, 主轴可处于任 何方向工作, 适用于各种动力轴, 容易与发电机、推进 器等联结, 运动件不易磨损和疲劳破坏, 可允许使用更 广范围的的燃料等。
4. 2 热力循环 实际上, QT - SE 腔室内的工质变 化并不是遵循
理想的斯特林循环, 而是进行复杂的多变过程。工质 从高温热源吸 收热量, 膨胀做功, 向低温热源 放出热 量, 符合热力学第二定律。但如何对实际循环进行合 理的假设、抽象和概括, 以便于理论分析, 至今未有定 论报道。 4. 3 传热问题
往复活塞式斯特林发动机在正常运行中, 当工质 被加热时, 活塞受到推力作用, 而工质被冷却时, 活塞 受到牵引力作用, 但这两个力永远不会同时作用在活 塞上。不过, 产生在活塞上的瞬时力矩比往复活赛式 内燃机的平稳得多, 因为每转一周, 有推动和牵引两个 力矩在 90至 120度转角持续时间内的正作用。对于 QT - SE 的转子 每转一周, 每一枢轴叶 片经过上下两 热壁位置 ( 图中菱形转子角端正对位置 ) 时受到推力 作用, 经过左右两冷壁位置时受到牵引力作用, 这样总 共有 16个力矩脉动量可使瞬时力矩波动平稳化, 有利 于增大输出功率密度, 又可以去掉飞轮来减少发动机 整体质量和尺寸。在同样转速和同样腔室排量的情况 下, QT - SE 的功率输出将是活塞式斯特林的 8倍, 并 且有希望实现少于 8倍的热流输入。 3. 3 腔室间连接管道系统
斯特林 发动机很 大程度上 是解决传 热问题 [ 6] 。 而 QT - SE 中的传热问题显得更为复杂。 4. 3. 1 热平衡时间常数
由于工质温度变化总存在一个滞后时间, 因此, 常 采用在每一个象限区提前加热 (或冷却 ) 的设计 ( 见图 3加热提前角所示 ) 。实际上, 工质与热壁 (或冷壁 ) 之 间总存在温差, 同一腔室内工质前、后端部分的温度都 有可能不一致, 因而需要一段时间来实现同一腔室内 工质温度尽可能一致以及工质与换热壁面之间的温差 满足设计值, 这种与时间有关的热平衡关系, 我们用热 平衡时间常数表示。热平衡时间常数限制了 QT - SE 的转速, 那么如何表征和降低热平衡时间常数是一个 挑战性的问题。 4. 3. 2 传热过渡效应
前言
由 Sa int H ila ire家族发明的奎西发动机 ( Quasiturb ine eng ine, QT ) [ 1] , 结构新颖, 从其 1996年申请专利 以来, 已经形成了一些现场实验产品, 并正在进行工业 和军用产品的研发试验, 其性能已经引起了北美和欧 洲业界的密切注意, 被认为是发动机、泵原理上的一次 革命。奎西透平式斯特林发动机 ( Quasiturb ine Stirling eng ine, QT - SE) 是在奎西发动机的技术平台上, 进一 步进行结构设计创新, 其潜在的卓越性能同样激起了 人们极大的兴趣, 但国内目前却很少有文献报道。本 文在介绍 QT 的基础上重点讨论 QT - SE。
QT - SE 目前还处于概念设计阶段, 在结构设计、 热力循环、能量分布和传递转化、材料等理论和技术方 面都没有足够充分的结论。许多问题亟待解决, 还有 许多问题有待发现和证实, 这里试图探讨一些问题。 4. 1 结构设计
QT 目前尚处在实验研发中, 文献 [ 3, 5] 提供了一 些结构尺寸数据, 那么 QT 的数据可不可以移植到Biblioteka Baidu 应排量的 QT - SE? QT - SE 的定子与 转子都牵涉传 热问题, 制造材料的导热性能自然必须考虑。
QT 强大的功率输出使其明显优于活塞式发动机
图 3 QT - SE 的结构及原理示意图 [ 4]
3 QT - SE 的优越性
与传统斯特林发动机 相比, QT - SE 在许多方面 存在优势。 3. 1 回热器
毫无疑问, 回热器是斯特林循环中最具特点的概 念与结构组件, 回热器效率的提高对发动机的效率影 响极大, 但回热器却并不是斯特林 发动机所必需 的。 在往复式斯特林发动机中, 回热器的使用是矛盾的, 一 方面使得循环的热平衡计算中热效率明显提高, 另一 方面增加了死容积和压力损失, 影响了轴功的实际输 出, 且交替工作需要时间, 限制了发动机转速, 因此如 何优化回热器的设计非常重要。 QT - SE 不采用回热 器结构并不是出于考虑体积、质量等因素, 而是因为工
* 基金项目: 广东省重点科技项目 ( 2004B40401006 ) ; 东莞理工学院创新人才培养计划项目 ( 2005- 01 ) 。 作者简介: 左远志 ( 1968- ) , 男, 副教授, 在职博士研究生。主要研究方向: 能量转化技术。
第 5期
左远志等: 奎西透平式斯特林发动机的工作原理
58
小型内燃机与摩托车
第 35卷
质是依次而不是交替进入不同的温度区域, 且工质总 是向前移动, 不存在回流, 因而根本不需要回热器来充 当临时蓄热器, 这就 是 QT - SE 最具独 创性的地 方。 QT - SE 不需要回热器, 也不会损失热效率, 并且可提 高转速和功率输出。 3. 2 转矩、转速与功率输出
57
嘴板上的牵引槽与联结臂相连接, 叶片的两端有枢轴结 构, 又通过凹凸枢轴结构把两相邻叶片以及摇摆架连接 起来。任一摇摆架都能围绕枢轴自由旋转, 这样可使摇 摆架上的轮轴承始终与壳体内壁接触, 摇摆架中也有滑 片结构来实现各腔室的密封。带摇摆架的 QT 是专用 于 HCC I发动机 (又称为光电爆震发动机 ), 因为它的容 积脉冲峰和压力脉冲波峰持续时间比活塞式的短 15至 30倍, 波形很陡, 上升和下降都很快。而且其室腔表面 积 /体积比大, 有利于衰减爆震燃烧的破坏力。
传统的斯特林发动机需要腔室间连接管道将工质 在热气室与冷气室之间传送 ( 排出器与气缸之间的间 隙通道也起同样的作用 ), 这些管道增 加了死容积和 压力损失, 削弱了膨胀的推力作用, 而 QT - SE 不需要 类似的连接管道, 因而可允许腔室有更高的压力峰值, 相应可得到更高的输出功率密度。 3. 4 蒸汽动力循环
# 综述 #
小型内燃机与摩托车 SMALL INTERNAL COM BUST ION ENG INE AND MOTORCYCLE
奎西透平式斯特林发动机的工作原理*
左远志 1, 2 丁 静 2 李熙亚 1 杨晓西 2
( 1. 东莞理工学院 机电工程系, 广东东莞 523106; 2. 华南理工大学 传热强化与过程节能教育部重点实验室 )
Vo.l 35 No. 5 O c.t 2006
摘 要: 基于奎西发动机的技术平台, 介绍了奎西透平式斯特林发动机的结构、工作原理、优越性以及一 些关键性问题, 其没有传统意义上的回热器结构设计将为斯特林发动机技术提供一个新的思路。 关键词: 奎西发动机 奎西透平式斯特林发动机 工作原理 回热器 中图分类号: TK12 文献标识码: A 文章编号: 1671- 0630( 2006) 05- 0056- 04
图 2 带摇摆架结构奎西发动机结构示意图
1. 2 工作原理 当转子旋转时, 转子与壳体内壁的距离不断改变,
每一个独立腔室都会经历容积压缩和膨胀的过程, 类似 往复式发动机的冲程。QT 的 4个独立腔室刚好依次布 置完成 Otto循环的进气、压缩、燃烧及膨胀、排气四个过 程。四冲程往复式发动机运转两周, 各气缸才完成一次 进气、压缩、燃烧及膨胀、排气过程, 而 QT 转子每转一周 时, 完成 4个燃烧冲程, 即相当于四冲程往复式发动机 的 8个气缸所完成的燃烧冲程。图 1左图中表示某一 腔室 a进气过程即将完成, 图 1右图表示转子旋转近 1 / 4周后, 腔室 a内气体被压缩的状态, 如此依次再进入燃 烧及膨胀、排气两个过程。 1. 3 优势
Abstract: Based on the techno logy platform of Quasiturb ine eng ine, the configurat ion, operation principle, advantages and som e key issues of Quasiturb ine S tirling eng ine ( QT - SE ) are introduced. It s' suggested that QT - SE possessing no regenerator w ill provide a sim p le and novel design concept for the Stirling eng ine techn ologies. K eyw ord s: Quasiturb ine ( QT ) , Quasiturb ine Stirling eng ine ( QT - SE ) , Operation princ iple, Regenerator
2 QT - SE 的工作原理
当 QT 没有任何进、排气口, 4个腔室都充满相同 质量的压缩气体, 并假定其中一对置象限区被加热到 高温, 而另一对置象限区被冷却到低温 (见图 3) , 启动 转子, 旋转运动 将冷气体 工质 ( 或液 态水 ) 移到 高温 区, 工质受热膨胀 (或蒸发 ) , 产生力矩推动转子, 并使 工质进入下一个象限区受冷却 ( 或冷凝 ), 如此周而复 始。这样使得对置的两封闭气体工质同时按照斯特林 热机热力规律循环工作, 这就是 QT - SE 的工作原理。
1 QT 的工作原理
1. 1 结构组成 QT 也跟汪克尔旋转发动机 [ 2 ] 一样, 采用壳体 ( 定
子 ) ) ) ) 转子结构设计 ( 参见图 1), 不过其转子不是采 用整体的三角形转子, 而是用四个枢轴叶片和四个滚 动轴承座构成可变菱形几何结构的转子, 四个枢轴叶 片活动地互相连接成为一个链, 转子沿 Sa int- H ila ire 的约束剖面壳体内壁旋转, 并将缸体划分为四个独立 的腔室, 这个可变菱形转子就是 QT 区别于汪克尔发 动机的主要结构特征。在实际应用中, 该转子有两种 结构设计, 一种不带摇摆架结构 ( carriages) ( 见图 1 ), 称为简单型奎西发动机 ( Sim p le Q uasiturb ine Eng ine), 它非常类似汪克尔发动机, 菱形转子角端的枢轴接头 始终与壳体内壁接触, 独立腔室的密封主要依赖于枢 轴接头处异形密封结构来完成。另一种为带摇摆架结 构 ( 见图 2) , 该转子也是由四个叶片组成, 每一个叶片 由充填嘴板、摇摆架以及轮轴承组成。叶片通过充填
为了增加热流密度, QT - SE 可采用水作为工质, 在高温区, 水变成蒸汽, 在低温区, 又变回水。但这只 需要少量的水, 由于离心力的作用, 水始终能与定子内 壁接触, 如此可得到理想的换热效果。可以相信, 这种 QT - SE 蒸汽动力循环将是一种颇有吸引力的选择。
4 QT - SE 亟待解决的问题
Operation Princip le of Quasiturbine Stirling Engine
Z uo Yuanzh i1, 2, D ing Jing2, L i X iya1, Yang X iaoxi2
1- Dongguan Un iversity of T echno logy ( Dongguan 523106) 2- South Ch ina U niversity of T echno logy
图 1 简单型奎西发动机结构及原理示意图
与汪克尔发动机, 它解决了汪克尔发动机所呈现出来 的许多缺陷 [ 3] 。例如汪克尔发动机燃烧不充分, 导致 NOx 和碳烟排放高, 而 QT 的燃烧室相对缩短了 30% , 混合气在更高的压力下实现了完全燃烧, 排放自然会 降低, 燃烧效率因此相应明显提高。 QT 其它显著优点 包括: 振动小, 低噪声, 加速度快, 低速时仍有 较高扭 矩, 需要润滑较少, 工作环境适应性强, 主轴可处于任 何方向工作, 适用于各种动力轴, 容易与发电机、推进 器等联结, 运动件不易磨损和疲劳破坏, 可允许使用更 广范围的的燃料等。
4. 2 热力循环 实际上, QT - SE 腔室内的工质变 化并不是遵循
理想的斯特林循环, 而是进行复杂的多变过程。工质 从高温热源吸 收热量, 膨胀做功, 向低温热源 放出热 量, 符合热力学第二定律。但如何对实际循环进行合 理的假设、抽象和概括, 以便于理论分析, 至今未有定 论报道。 4. 3 传热问题
往复活塞式斯特林发动机在正常运行中, 当工质 被加热时, 活塞受到推力作用, 而工质被冷却时, 活塞 受到牵引力作用, 但这两个力永远不会同时作用在活 塞上。不过, 产生在活塞上的瞬时力矩比往复活赛式 内燃机的平稳得多, 因为每转一周, 有推动和牵引两个 力矩在 90至 120度转角持续时间内的正作用。对于 QT - SE 的转子 每转一周, 每一枢轴叶 片经过上下两 热壁位置 ( 图中菱形转子角端正对位置 ) 时受到推力 作用, 经过左右两冷壁位置时受到牵引力作用, 这样总 共有 16个力矩脉动量可使瞬时力矩波动平稳化, 有利 于增大输出功率密度, 又可以去掉飞轮来减少发动机 整体质量和尺寸。在同样转速和同样腔室排量的情况 下, QT - SE 的功率输出将是活塞式斯特林的 8倍, 并 且有希望实现少于 8倍的热流输入。 3. 3 腔室间连接管道系统
斯特林 发动机很 大程度上 是解决传 热问题 [ 6] 。 而 QT - SE 中的传热问题显得更为复杂。 4. 3. 1 热平衡时间常数
由于工质温度变化总存在一个滞后时间, 因此, 常 采用在每一个象限区提前加热 (或冷却 ) 的设计 ( 见图 3加热提前角所示 ) 。实际上, 工质与热壁 (或冷壁 ) 之 间总存在温差, 同一腔室内工质前、后端部分的温度都 有可能不一致, 因而需要一段时间来实现同一腔室内 工质温度尽可能一致以及工质与换热壁面之间的温差 满足设计值, 这种与时间有关的热平衡关系, 我们用热 平衡时间常数表示。热平衡时间常数限制了 QT - SE 的转速, 那么如何表征和降低热平衡时间常数是一个 挑战性的问题。 4. 3. 2 传热过渡效应
前言
由 Sa int H ila ire家族发明的奎西发动机 ( Quasiturb ine eng ine, QT ) [ 1] , 结构新颖, 从其 1996年申请专利 以来, 已经形成了一些现场实验产品, 并正在进行工业 和军用产品的研发试验, 其性能已经引起了北美和欧 洲业界的密切注意, 被认为是发动机、泵原理上的一次 革命。奎西透平式斯特林发动机 ( Quasiturb ine Stirling eng ine, QT - SE) 是在奎西发动机的技术平台上, 进一 步进行结构设计创新, 其潜在的卓越性能同样激起了 人们极大的兴趣, 但国内目前却很少有文献报道。本 文在介绍 QT 的基础上重点讨论 QT - SE。
QT - SE 目前还处于概念设计阶段, 在结构设计、 热力循环、能量分布和传递转化、材料等理论和技术方 面都没有足够充分的结论。许多问题亟待解决, 还有 许多问题有待发现和证实, 这里试图探讨一些问题。 4. 1 结构设计
QT 目前尚处在实验研发中, 文献 [ 3, 5] 提供了一 些结构尺寸数据, 那么 QT 的数据可不可以移植到Biblioteka Baidu 应排量的 QT - SE? QT - SE 的定子与 转子都牵涉传 热问题, 制造材料的导热性能自然必须考虑。
QT 强大的功率输出使其明显优于活塞式发动机
图 3 QT - SE 的结构及原理示意图 [ 4]
3 QT - SE 的优越性
与传统斯特林发动机 相比, QT - SE 在许多方面 存在优势。 3. 1 回热器
毫无疑问, 回热器是斯特林循环中最具特点的概 念与结构组件, 回热器效率的提高对发动机的效率影 响极大, 但回热器却并不是斯特林 发动机所必需 的。 在往复式斯特林发动机中, 回热器的使用是矛盾的, 一 方面使得循环的热平衡计算中热效率明显提高, 另一 方面增加了死容积和压力损失, 影响了轴功的实际输 出, 且交替工作需要时间, 限制了发动机转速, 因此如 何优化回热器的设计非常重要。 QT - SE 不采用回热 器结构并不是出于考虑体积、质量等因素, 而是因为工
* 基金项目: 广东省重点科技项目 ( 2004B40401006 ) ; 东莞理工学院创新人才培养计划项目 ( 2005- 01 ) 。 作者简介: 左远志 ( 1968- ) , 男, 副教授, 在职博士研究生。主要研究方向: 能量转化技术。
第 5期
左远志等: 奎西透平式斯特林发动机的工作原理
58
小型内燃机与摩托车
第 35卷
质是依次而不是交替进入不同的温度区域, 且工质总 是向前移动, 不存在回流, 因而根本不需要回热器来充 当临时蓄热器, 这就 是 QT - SE 最具独 创性的地 方。 QT - SE 不需要回热器, 也不会损失热效率, 并且可提 高转速和功率输出。 3. 2 转矩、转速与功率输出
57
嘴板上的牵引槽与联结臂相连接, 叶片的两端有枢轴结 构, 又通过凹凸枢轴结构把两相邻叶片以及摇摆架连接 起来。任一摇摆架都能围绕枢轴自由旋转, 这样可使摇 摆架上的轮轴承始终与壳体内壁接触, 摇摆架中也有滑 片结构来实现各腔室的密封。带摇摆架的 QT 是专用 于 HCC I发动机 (又称为光电爆震发动机 ), 因为它的容 积脉冲峰和压力脉冲波峰持续时间比活塞式的短 15至 30倍, 波形很陡, 上升和下降都很快。而且其室腔表面 积 /体积比大, 有利于衰减爆震燃烧的破坏力。
传统的斯特林发动机需要腔室间连接管道将工质 在热气室与冷气室之间传送 ( 排出器与气缸之间的间 隙通道也起同样的作用 ), 这些管道增 加了死容积和 压力损失, 削弱了膨胀的推力作用, 而 QT - SE 不需要 类似的连接管道, 因而可允许腔室有更高的压力峰值, 相应可得到更高的输出功率密度。 3. 4 蒸汽动力循环