一种带冷却中柱的双动子气浮自由活塞斯特林发电机制造技术

本发明专利技术公开了一种带冷却中柱的双动子气浮自由活塞斯特林发电机，属于热能动力技术领域，该斯特林发电机相对于现存机型，有三个方面的结构创新：一是在排出器内腔设置T型中柱，与排出器构型配合所形成的分隔腔功能上为两个刚度叠加的气体弹簧，并利用动压相位构建气浮轴承；二是将动力活塞气浮轴承的气膜面与高、低压气室的功能孔分置在动力活塞内、外壁，以抑制气浮承载面上的寄生流动；三是设置冷却中柱，其内的冷却介质可以维持动子运动气隙尺寸稳定。整机无易损件、排出器不依赖于轻质贵金属材料，可在高温下长期免维护运行。为包括宇航级核电源、无人水下动力舱段等严酷环境应用在内的多种场景提供高性能、高性价比热电转换装置。

【技术实现步骤摘要】
一种带冷却中柱的双动子气浮自由活塞斯特林发电机
本专利技术涉及热能动力技术，具体涉及一种带冷却中柱的双动子气浮自由活塞斯特林发电机。
技术介绍
斯特林装置以斯特林循环为工作原理，是基于热源温差工作的闭式循环机械。按用途分为两大类：采用正向斯特林循环的被称作斯特林发动机，装置内的工质在高温下吸热膨胀、常温下放热压缩，获取的膨胀功大于压缩功，从而将热能转化为机械能；采用逆向斯特林循环的被称作斯特林制冷机，装置需要消耗机械能实现工质在常温下放热压缩，低温下吸热膨胀产生制冷效果。按动子传动结构分为两大类：依靠机构传动的机械式斯特林，动子的运动相位及振幅由机构确定；另一类为自由活塞式斯特林，动子间没有刚性机构连接，运动部件遵循动力学规律，在气体力、惯性力及回复力约束下往复运动；随工况参数不同，动子的振幅及相位均可变化。现代自由活塞式斯特林机内部集成直线往复电机提高传动效率，通过板簧支撑、气浮或磁浮等途径实现无油润滑、无磨损运行、乃至长寿命、高可靠性；通过对置方式或附加吸振器使振动、噪声水平大幅降低；在诸多指标上优于机械式斯特林机器。斯特林装置与外部热源之间是间壁式换热，因此适配气、液、固各类燃料、中高温余热、太阳能光热及核堆热能等多种热源类型。工作介质通常为氦气，对环境友好。发电机已在水下动力、空间动力、太阳能碟式发电、移动式发电机、热电联供等场景中应用，制冷机在红外、超导器件冷却，生物、医药冷藏冷链等领域均有应用。自由活塞式斯特林机器内部至少需要两个动子来实现膨胀腔与压缩腔的容积变化，从而实现热功转换效果。端部紧邻压缩腔的动子被称为动力活塞或压缩活塞，端部紧邻膨胀腔的动子称为排出器或配气活塞；两个动子的往复运动会驱动工质通过相互毗邻的换热器、回热器、冷却器流道在膨胀腔、压缩腔间往复穿梭，工质的压力在该过程中会经历与动子不同步的周期变化，由此产生热功转换。两个动子若工作在各自谐振态下，可获得大的振幅，实现较高的工作腔压力幅值，并在内部阻尼、外部负载制约下达到稳定工况。在自由活塞斯特林的机型设计中，要实现动子的无油润滑、无磨损运行，必须要明确动子径向支撑力及轴向回复力的实现途径。在代表厂商美国Infinia公司的典型产品中，如图17所示，排出器和动力活塞分置于一大一小两个气缸中，各自通过板簧独立支撑。板簧的作用是在提供适宜轴向回复力的同时提供动子的径向支撑力。背压腔、排出器内腔中气体的容积因动子振荡而周期变化，等效为气体弹簧。该机型中排出器内部有2组固定于中柱的板簧，动力活塞由另外两组板簧支撑。排出器内部有静态体积为V的气体弹簧，背压腔中气体也具有气体弹簧功能。排出器的轴向回复力(也称刚度)由与板簧和气体弹簧V提供；动力活塞的刚度组成除了包括板簧、背压腔等效气体弹簧，还有电机的电磁刚度。另一代表厂商美国Sunpower公司的典型产品中，排出器和动力活塞在同一口径气缸中同轴运行，排出器底部细杆同轴穿过动力活塞，其端部固定于位于背压腔中的板簧中心。该板簧为排出器提供径向支撑和轴向刚度。动力活塞的轴向刚度由背压腔气体弹簧及电机电磁刚度提供，其径向支撑力由布置于动力活塞上的基于单向阀的静压气浮轴承提供，其公司专利US5525845进一步公开了该型气浮轴承与板簧联合应用的方案。限于弹性金属材料的疲劳极限，使用板簧的机型及使用弹性气阀的单向阀气浮轴承都难以胜任在严酷、无人场景下(如宇航、无人潜航器等)常年运行。美国MTI公司专利US5140905公开了一种集成气体弹簧、不含弹性元件、依靠孔槽结构现实双动子气浮的免维护、长寿命机型，如图18所示。该机型中，排出器由四个部件组成，与周边结构件围城上气簧腔和下气簧腔，侧气簧腔通过气路与上气簧腔连通。上气簧指靠近热区的气簧腔，下气簧指靠近压缩腔的气簧腔。上、下气簧腔共同为排出器往复振荡提供轴向刚度；排出器组件内部有静压轴承储气室，由下气簧腔为该储气室周期性、脉冲式泵气，通过组件壁面周向设置的喷气小孔在气隙中形成气浮效应，为排出器提供径向支撑力。在动力活塞方面，该机型是通过布置在气缸壁及活塞壁面上的孔槽结构实现对活塞内部高、低压气室的周期性、脉冲式泵气和泄压。具体如图19、图20所示，四号孔138与一号孔124交会时对高压气室一122脉冲泵气，高压气室一122内气体从活塞壁面上周向布置的二号孔128中喷射而后沿气隙流到毗邻的环形槽134，再通过环形槽134中的三号孔136进入低压气室一120中，而后五号孔140与环形槽134交会时对低压气室一120泄压。由此在动力活塞与气缸之间的气隙中形成气浮效应，为动力活塞提供径向支撑力；而动力活塞的轴向刚度由背压腔气体弹簧及电机电磁刚度提供。长寿命、免维护、大功率、高性价比机型是自由活塞斯特林装置拓展应用场景、增强与其它技术方案竞争力的基础。在现存机型方案中，存在一些制约因素限制了自由活塞斯特林实现高性能、高性价比，动子的轴向和径向支撑方式也有创新空间。图17所示机型方案，因不要求排出器组部件与动力活塞组部件严格同轴，降低了制造和装配难度，适于制造大缸径、大功率机器。但该机型大量使用板簧的局限性体现在：(1)受限于弹簧疲劳极限，限制了其使用于要求109周期以上的应用场景；(2)从动力学角度，在振荡系统中，板簧自重等效质量将并入动子质量，通过增加板簧数量提高机器运行频率的途径，其工程效果有限，难以获得高频、高功率密度工况；其排出器内部气体弹簧因板簧组件占据较大空间，其等效刚度占总刚度比重较小。气体弹簧因其工作原理所限，仅能提供轴向刚度，无法单独对动子提供径向支撑。即使采用某种技术途径提供了对排出器的径向支撑，可使图17所示机型的排出器内部不使用板簧组，从而使得内部气体弹簧腔容积V有大幅度减小的可能性；但由于如下两点原因，也会限制气簧刚度的有效提高：(1)为得到有商用价值的性能指标，图17中中柱直径D1与排出器外径D2的比例不能过大，工程上一般D1对应的面积S1与容积V的比值正比于气簧刚度，使得提升幅度有限；(2)气体弹簧本身存在弛豫损失，S1/V越大，内部不可逆损失越大，工程上一般ΔV/V＜0.1，不能单纯减小容积V来获得高效率、大刚度的气体弹簧。图18所示机型存在的主要不足有两个方面：(1)排出器结构轴向尺寸过长导致机器总长加大、体积加大，成本剧增。在图17机型中，排出器的底面与冷却器的底部平面A-A临近，而图18机型为实现双气簧及气浮轴承，虚线框所示的排出器构件显著跨越冷却器的底部平面B-B，且与结构件围成上气簧腔的排出器零件结构厚重，导致采用相同材料，图18方案排出器质量显著大于图17方案。MTI公司选用昂贵的稀有轻质金属纯铍制造排出器后实现了工程指标。除了纯铍，耐高温高压、尺寸稳定性好、密度又极轻的工程材料罕见，限制了该机型在宇航场景之外的应用。此外，为保证气浮效果需要设置大容积的侧气簧进一步使得机器的体积和重量增加。(2)动力活塞气浮轴承的孔槽结构存在非理想的寄生工质迁移。当机器工作时，高压气室一122维持压力处于均压之上、背压腔一116最高压力之下的准静态水平，低压气室一120维持压力处于均压之下、背压腔一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带冷却中柱的双动子气浮自由活塞斯特林发电机，其特征在于：包括外壳体、热头、热端换热器、回热器、冷却器、排出器、动力活塞、主缸套、T型中柱、冷却中柱、隔柱及直线电机组件，所述外壳体、热头及冷却中柱形成一个封闭的腔体，所述排出器设于热头内部，与热头及热端换热器之间形成膨胀腔，所述热端换热器、回热器及冷却器依次设于热头与排出器之间的环形流道中，所述主缸套设于外壳体内，与外壳体固定连接，所述排出器的外壁与主缸套内壁之间存在运动气隙，内壁与冷却中柱或者主缸套之间存在运动气隙，所述动力活塞设于主缸套与冷却中柱之间，所述动力活塞的外壁与主缸套内壁之间存在运动气隙，内壁与冷却中柱之间存在运动气隙，所述动力活塞与排出器、冷却中柱及主缸套围成压缩腔，所述主缸套沿周向均匀设有用于连通压缩腔与冷却器流道的通气孔一，所述隔柱设于冷却中柱内底部，隔柱与冷却中柱之间形成气体腔室，所述动力活塞、外壳体及冷却中柱围成背压腔，所述冷却中柱下部沿周向均匀设有用于连通背压腔和气体腔室的通气孔二，气体腔室为背压腔容积的组成部分；所述T型中柱设于排出器内部，与冷却中柱或者主缸套顶部固定连接，所述排出器包括一号圆筒，一号圆筒通过隔板固定于排出器内中部，一号圆筒内壁与T型中柱外壁之间存在运动气隙，排出器内部气簧腔被T型中柱与冷却中柱或者T型中柱与主缸套分隔成气簧腔一和气簧腔二，隔柱内部、冷却中柱内部及T型中柱底部或者隔柱内部、冷却中柱内部、T型中柱底部及主缸套上部围成的腔体用于流通冷却介质；所述直线电机组件设于外壳体与主缸套之间，直线电机组件中的环形磁钢通过磁钢基座与动力活塞底部固定连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种带冷却中柱的双动子气浮自由活塞斯特林发电机，其特征在于：包括外壳体、热头、热端换热器、回热器、冷却器、排出器、动力活塞、主缸套、T型中柱、冷却中柱、隔柱及直线电机组件，所述外壳体、热头及冷却中柱形成一个封闭的腔体，所述排出器设于热头内部，与热头及热端换热器之间形成膨胀腔，所述热端换热器、回热器及冷却器依次设于热头与排出器之间的环形流道中，所述主缸套设于外壳体内，与外壳体固定连接，所述排出器的外壁与主缸套内壁之间存在运动气隙，内壁与冷却中柱或者主缸套之间存在运动气隙，所述动力活塞设于主缸套与冷却中柱之间，所述动力活塞的外壁与主缸套内壁之间存在运动气隙，内壁与冷却中柱之间存在运动气隙，所述动力活塞与排出器、冷却中柱及主缸套围成压缩腔，所述主缸套沿周向均匀设有用于连通压缩腔与冷却器流道的通气孔一，所述隔柱设于冷却中柱内底部，隔柱与冷却中柱之间形成气体腔室，所述动力活塞、外壳体及冷却中柱围成背压腔，所述冷却中柱下部沿周向均匀设有用于连通背压腔和气体腔室的通气孔二，气体腔室为背压腔容积的组成部分；所述T型中柱设于排出器内部，与冷却中柱或者主缸套顶部固定连接，所述排出器包括一号圆筒，一号圆筒通过隔板固定于排出器内中部，一号圆筒内壁与T型中柱外壁之间存在运动气隙，排出器内部气簧腔被T型中柱与冷却中柱或者T型中柱与主缸套分隔成气簧腔一和气簧腔二，隔柱内部、冷却中柱内部及T型中柱底部或者隔柱内部、冷却中柱内部、T型中柱底部及主缸套上部围成的腔体用于流通冷却介质；所述直线电机组件设于外壳体与主缸套之间，直线电机组件中的环形磁钢通过磁钢基座与动力活塞底部固定连接。


2.根据权利要求1所述的斯特林发电机，其特征在于：所述排出器的内壁与冷却中柱之间存在运动气隙，排出器内部气簧腔被T型中柱与冷却中柱分隔成气簧腔一和气簧腔二，所述隔柱内部、冷却中柱内部及T型中柱底部围成的腔体用于流通冷却介质；所述排出器底部沿圆周均匀设有与压缩腔连通的导气孔，排出器外壁沿周向均匀设有与导气孔连通的喷气孔一，排出器外壁还设有环形汇流槽一，环形汇流槽一内均匀设有与气簧腔二连通的进气孔一，所述排出器内壁沿周向均匀设有喷气孔二，所述压缩腔压力大于气簧腔二压力时，喷气孔一节流喷气，在排出器与主缸套之间的运动气隙中形成气浮效应；所述气簧腔二压力大于压缩腔压力时，喷气孔二节流喷气，在排出器与冷却中柱之间的运动气隙中形成气浮效应，气浮效应为排出器往复运动提供径向支撑，所述T型中柱的外径大于冷却中柱外径。


3.根据权利要求1所述的斯特林发电机，其特征在于：所述主缸套包括上缸套和下缸套，上缸套和下缸套均与外壳体固定连接，上缸套包括通过底板连接的内圆筒和外圆筒，所述排出器的内壁与内圆筒外壁之间存在运动气隙，所述排出器的外壁与外圆筒内壁之间存在运动气隙，排出器内部气簧腔被T型中柱与上缸套分隔成气簧腔一和气簧腔二，所述上缸套底部与冷却中柱顶部固定密封连接，隔柱内部、冷却中柱内部、T型中柱底部及上缸套围成的腔体用于流通冷却介质，所述下缸套内壁与动力活塞外壁之间存在运动气隙，上缸套底板上开设有通气孔三，用于连通被底板分隔的压缩腔，所述通气孔一设于外圆筒底部；所述排出器底部沿圆周均匀设有与压缩腔连通的导气孔，排出器外壁沿周向均匀设有与导气孔连通的...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡兴华，柳猛，唐天承，陈芸，熊卫星，
申请(专利权)人：武汉斯特源能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42