CN104929803B - 带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机及其工作方法，属热气机利用领域。它通过气体工质在配气活塞系统（6）进行斯特林循环，对动力活塞系统（19）中的动力活塞（18）产生推动力从而带动辅助活塞（22）在辅助活塞气缸（24）中往复运动，辅助活塞（22）推动了金属液体（25）在磁流体通道（26）内循环往复运动，从而横向切割由永磁铁S（20）、永磁铁N（23）所产生的强磁场，从而产生一定大小的电势差，通过电势差发电。本发明采用高效稳定的斯特林发动机提供动力，采用磁流体发电技术产生电能，两者结合，实现了一种高效稳定的持续发电技术。此系统一共采用三个活塞，拥有较强的稳定性，同时结构简单，加工成本低。

Description

带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机及工作方法

技术领域

本发明涉及一种带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机及工作方法，属于热气机利用领域。

背景技术

斯特林发动机(Stirling Engine)，是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机。在这类机器中，工质（一般为氢气、氦气或空气）被封闭在循环回路中，通过气缸容积的变化来控制工质在闭式循环回路中的流动方向；在较低的温度和压力下压缩工质，在较高的温度和压力下膨胀工质，从而获得正的循环功。其热力过程是按斯特林循环进行的。

自由活塞式斯特林发动机是斯特林发动机的一个重要分支，是一种靠活塞往复运动实现热力循环的动力装置。这种运动是由于气体力以及部件间气体力和动力的相互作用产生的。其工作原理如下 ：

自由活塞式斯特林发动机基本上由三部分组成：较重的动力活塞、轻的配气活塞以及两端密封的气缸。普通的自由活塞式斯特林发动机是配气活塞杆穿过动力活塞构成。由于配气活塞和配气活塞杆是空心的，杆的下端敞开，所以配气活塞内部与动力活塞下方的气缸容积一起形成缓冲腔，成为一气体弹簧，使配气活塞回位。配气活塞头部是膨胀腔，配气活塞和动力活塞之间为压缩腔，膨胀腔和压缩腔又统称为工作腔。配气活塞气缸的内缸和外缸之间狭长的缝隙从右到左分别为加热腔、回热器和冷却器组成。加热器和冷却器分别与膨胀腔和压缩腔联通。

传统的自由活塞斯特林发动机采用气体弹簧作为活塞的恢复力，不但体积大且气体弹簧作用的活塞因没有任何机械固定会产生飘移，使配气活塞和动力活塞靠在一起或分别靠在两端，从而失去动力。此外，传统的能量输出用的是直线电机，端部磁场存在 “Edge Effect”，影响行波磁场的完整性，使电机损耗增加、推力减小，并且电机振动高、发热量大，影响整机的稳定性。

磁流体发电机是二十世纪五十年代后期才开始研究的一种新型发电方法，磁流体发电机的原理与普通发电机原理相同，都是电磁感应定律，运动导体切割磁力线而产生感应电动势和感生电流。

磁流体发电机主要有两种形式，高温等离子气体磁流体发电机和液态金属磁流体发电机 (Liquid metal MHD简称LMMHD)。前者是以石油、煤、天然气等为热源，以高温电离的导电气体为工质来发电的，通常称之为开环磁流体发电。由于其热源温度通常在3000K左右，它和蒸汽联合循环的发电效率可达50％～60％。后者液态金属相比高温气体，具有导电率高、比热大、热源温度要求不高等优点，通常称之为闭环磁流体发电。

以液态金属为流动工质的磁流体发电系统有以下优点： (1) 省去了汽轮机内水蒸气热能到汽轮机叶片动能的这一做功过程，直接将液态金属内能转化为电能，提高了电站效率。 (2) 磁流体发电通道没有运动的机械部件，这可以使设计更加简单，并且减少系统的成本，增加稳定性。 (3) 可选择的热源范围很大，可以是普通的煤、石油、天然气等。

发明内容

本发明目的主要内容在于提出一种能够有效结合斯特林发动机与磁流体发电机于一体的一种带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机及工作方法，采用斯特林发动机提供动力，采用磁流体发电技术产生电能，把两种技术有效的结合，实现了一种高效稳定的持续发电技术。

一种带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机，依次包括配气活塞系统、动力活塞系统及磁流体发电机组件。其特征在于：所述磁流体发电机组件包括辅助活塞气缸、辅助活塞和第二板簧；所述辅助活塞气缸位于上述动力活塞系统后方；所述辅助活塞位于辅助活塞气缸内；所述辅助活塞前端依靠连接轴与所述动力活塞系统的动力活塞相连，辅助活塞末端依靠连接轴与第二板簧相连；所述辅助活塞气缸的外侧布置有磁流体通道，磁流体通道前端通过定位环安装于辅助活塞气缸前端并与其前端腔体相通，后端通过定位环安装于辅助活塞气缸末端并与其后端腔体相通；磁流体通道中填充有金属液体；所述磁流体通道壁面靠近辅助活塞气缸一侧安装有永磁铁N，背离辅助活塞气缸一侧安装有永磁铁S。

所述带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机，其特征在于：通过气体工质在配气活塞系统进行斯特林循环，对动力活塞系统中的动力活塞产生一定的推动力从而带动辅助活塞在辅助活塞气缸中进行循环往复运动，辅助活塞的往复运动推动了金属液体在磁流体通道内进行循环往复运动，从而横向切割由永磁铁S、永磁铁N所产生的强磁场，从而产生一定大小的电势差，通过这种电势差来进行发电。

这种带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机把常规斯特林机后半部分的直线电机更换为液态金属磁流体发电机，可以避免直线电机端部磁场的“Edge Effect”，把斯特林机产生的直线运动能直接转换为电能，可以使能量更加方便的存储和利用；同时磁流体发电机的发电通道没有任何运动机械部件，这可以使设计更加简单、减少系统的成本，还能增加系统的稳定性。此外，把传统的斯特林机薄壁整体结构进行分部件加工再用法兰连接，这样不仅加工简单，成本低，而且可替换、零部件寿命长，不需要任何控制部件等优点；同时通过板簧提供活塞的恢复力，可以有效克服传统自由活塞式斯特林发动机气体弹簧的复杂控制、结构等问题。

所述的带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机，其特征在于：上述磁流体通道为若干个，且对称布置于辅助活塞气缸外侧。这种设计可以使发动机的结构更加紧凑，使单位体积中输出的电能更高。

所述的带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述配气活塞系统包括外气缸和内气缸、配气活塞、配气活塞杆、第一板簧、气道内缸。外气缸和内气缸之间的夹层由顶部向底部依次由加热腔、回热器和气体通道组成；配气活塞密封安装于内气缸内，内气缸顶部为开口结构；配气活塞顶部与外气缸顶部有相同的弧度；配气活塞顶部与外气缸之间的空间为膨胀腔；配气活塞杆上端与配气活塞相连，配气活塞杆下端伸入气道内缸中并与第一板簧相连；气道内缸外侧依次为气道外缸、水套缸；气道内缸与气道外缸之间为气体通道，气道外缸与水套缸之间为水冷却腔。其优点是配气活塞杆部需要穿过动力活塞和第一板簧直接连接；工作气体通过气道内缸与气道外缸之间为气体通道与压缩腔相通, 避免了传统自由活塞因配气活塞杆需要穿过动力活塞而引起的加工困难,结构复杂等问题。

所述的带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述动力活塞系统包括动力活塞气缸、动力活塞，动力活塞顶部与动力活塞气缸之间的空间为压缩腔。压缩腔与膨胀腔通过气体通道相连接；动力活塞与辅助活塞直接联接。这种设计克服了传统自由活塞斯特林发动机启动困难，变温工况差等缺点。

附图说明

图1为本发明示意图；

图中标号名称：1.外气缸，2.膨胀腔，3.配气活塞，4.内气缸，5.加热腔，6.配气活塞系统，7.回热器，8.气体通道，9.气道外缸，10.水套缸1 1. 冷却腔，12. 配气活塞杆，13. 第一板簧，14.气道内缸，16.压缩腔，17. 动力活塞气缸，18.动力活塞，19. 动力活塞系统，20,永磁铁S，22.辅助活塞，23.永磁铁N，24. 辅助活塞气缸，25.金属液体，26.磁流体通道，27. 磁流体发电机组件，31.第二板簧。

具体实施方式

下面结合图1进一步说明本发明的带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机的结构。配气活塞系统6由双层气缸（外气缸1和内气缸4）组成，其夹层内分别由加热腔5、回热器7和气体通道8组成。 内气缸4在左边头部加热区是开口的。

当气体在膨胀腔2和加热腔5内被加热时，受热在膨胀腔2内膨胀，驱动配气活塞3向右运动，压缩第一板簧13产生一定的势能，当配气活塞3运动到右边底部后第一板簧13拥有最大势能，此时第一板簧13的恢复力大于气体压力，反方向推动配气活塞3向左运动，直到运动到外气缸1的左边端部为止，在当配气活塞3向左运动时，部分气体工质通过两气缸的夹层间的加热腔5、回热器7和气体通道8，在气体通道8受冷却腔11的影响受冷压缩，进入到压缩腔16。

在压缩腔16内的气体工质被压缩时，气体工质驱动动力活塞18向右运动；当动力活塞18运动到最右端后，由第二板簧31的弹性力使其往回向左往压缩腔16方向运动。当动力活塞18向左运动时，部分气体工质又通过两气缸的夹层内的气体通道8、回热器7，经加热腔5加热回到膨胀腔2。动力活塞运动到其行程的最左端时，受压缩腔16内气体作用，又向右运动，其与配气活塞3运动的相位角差大约在60度左右。

本发明发电过程如下，通过气体工质在膨胀腔与压缩腔中进行斯特林循环，对动力活塞产生一定的推动力从而带动辅助活塞在辅助活塞气缸中进行循环往复运动，辅助活塞的往复运动推动了金属液体在磁流体通道内进行循环往复运动，从而横向切割由永磁铁S、N所产生的强磁场，从而产生一定大小的电势差，通过这种电势差来进行发电。

Claims (5)

1.一种带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机，依次包括配气活塞系统（6）、动力活塞系统（19）及磁流体发电机组件（27）；其特征在于：

所述磁流体发电机组件（27）包括辅助活塞气缸（24）、辅助活塞（22）和第二板簧（31）；

所述辅助活塞气缸（24）位于上述动力活塞系统（19）后方；所述辅助活塞（22）位于辅助活塞气缸（24）内；所述辅助活塞（22）前端依靠连接轴与所述动力活塞系统（19）的动力活塞（18）相连，辅助活塞（22）末端依靠连接轴与第二板簧（31）相连；

所述辅助活塞气缸（24）的外侧布置有磁流体通道（26），磁流体通道（26）前端通过定位环安装于辅助活塞气缸（24）前端并与其前端腔体相通，后端通过定位环安装于辅助活塞气缸（24）末端并与其后端腔体相通；磁流体通道（26）中填充有金属液体（25）；

所述磁流体通道（26）壁面靠近辅助活塞气缸（24）一侧安装有永磁铁N（23），背离辅助活塞气缸（24）一侧安装有永磁铁S（20）。

2.根据权利要求1所述的带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机，其特征在于：上述磁流体通道（26）为若干个，且对称布置于辅助活塞气缸（24）外侧。

3.根据权利要求1所述的带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述配气活塞系统（6）包括外气缸（1）和内气缸（4）、配气活塞（3）、配气活塞杆（12）、第一板簧（13）、气道内缸（14）；

外气缸（1）和内气缸（4）之间的夹层由顶部向底部依次由加热腔（5）、回热器（7）和气体通道（8）组成；配气活塞（3）密封安装于内气缸（4）内，内气缸（4）顶部为开口结构；配气活塞（3）顶部与外气缸（1）顶部有相同的弧度；配气活塞（3）顶部与外气缸（1）之间的空间为膨胀腔（2）；

配气活塞杆（12）上端与配气活塞（3）相连，配气活塞杆（12）下端伸入气道内缸（14）中并与第一板簧（13）相连；气道内缸（14）外侧依次为气道外缸（9）、水套缸（10）；气道内缸（14）与气道外缸（9）之间为气体通道（8），气道外缸（9）与水套缸（10）之间为水冷却腔（11）。

4.根据权利要求1所述的带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机，其特征在于：所述动力活塞系统（19）包括动力活塞气缸（17）、动力活塞（18），动力活塞（18）顶部与动力活塞气缸（17）之间的空间为压缩腔（16）；压缩腔（16）与膨胀腔（2）通过气体通道（8）相连接；动力活塞（18）与辅助活塞（22）直接联接。

5.根据权利要求1所述带磁流体发电的自由活塞斯特林发动机的工作方法，其特征在于：

通过气体工质在配气活塞系统（6）进行斯特林循环，对动力活塞系统（19）中的动力活塞（18）产生一定的推动力从而带动辅助活塞（22）在辅助活塞气缸（24）中进行循环往复运动，辅助活塞（22）的往复运动推动了金属液体（25）在磁流体通道（26）内进行循环往复运动，从而横向切割由永磁铁S（20）、永磁铁N（23）所产生的强磁场，从而产生一定大小的电势差，通过这种电势差来进行发电。