CN110878722B - 一种采用环形燃烧器提供热量的对置式自由活塞斯特林发电机系统 - Google Patents

一种采用环形燃烧器提供热量的对置式自由活塞斯特林发电机系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种采用环形燃烧器提供热量的对置式自由活塞斯特林发电机系统，其包括一个环形燃烧器和两个完全相同、同轴对称布置的自由活塞斯特林发电机。两个自由活塞斯特林发电机的膨胀腔相互连通，热端换热器出口处设置有导流壁，热端换热器为细长管束结构，呈L型布置，一端与回热器相连，另一端则与膨胀腔相连。环形燃烧器包括空气预热器、燃料管和点火器，位于两个热端换热器的外侧。空气预热器利用换热后烟气的余热给空气加热，加热后的空气与燃料混合后由点火器点燃燃烧并加热管束型热端换热器。该采用环形燃烧器提供热量的对置式自由活塞斯特林发电机具有静音、高效、高功率密度和高紧凑性等突出特点。

Description

一种采用环形燃烧器提供热量的对置式自由活塞斯特林发电 机系统
技术领域
本发明涉及热发电技术，尤其涉及一种采用环形燃烧器提供热量的对置式自由活塞斯特林发电机系统。
背景技术
自由活塞斯特林发电机由自由活塞斯特林发动机驱动直线电机而成，其中自由活塞斯特林发动机实现热能向机械能的转换，直线电机实现机械能向电能的转换。
图1为现有自由活塞斯特林热机结构示意图，其主要包括以下部件：热端换热器1、回热器2、室温端换热器3、排出器4、动力活塞5、直线电机动子部分6(b)、直线电机定子部分6(a)、平面板簧7。
其中动力活塞5和直线电机动子部分6(b)刚性连接，以使动力活塞5带动直线电机动子6(b)切割磁感线；排出器杆4(b)和平面板簧7刚性连接，以保证排出器4(a)和平面板簧7的周期性相互作用。
排出器4(a)和热端换热器1上端面与耐压壳体之间的空间为膨胀腔8，排出器4(a)和室温端换热器3下端面和动力活塞5之间的空间为压缩腔9，直线电机6和动力活塞5下端面和耐压壳体之间的空间为背腔10。
此外，排出器4(a)上端面对应的耐压壳体内壁面设置有台阶11，排出器4(a)下端面围绕排出器杆设置有凹槽4(c)，动力活塞5上端面对应地设置有凸起5(a)，这些设计用以避免排出器4(a)或动力活塞5超出设计行程后可能产生的机械碰撞。
动力活塞5上端面设置有单向阀5(b)，侧面设置有节流孔5(c)，以起到气体轴承的作用，避免动力活塞5和其周向缸体的直接接触。
尽管上述设计可以很好地避免各部件之间的机械碰撞，但由于排出器和动力活塞的往复运动存在相位差，整机振动和由此产生的噪音仍然较大。目前，对置式自由活塞斯特林发电机用于特殊场合——如太空中采用核衰减热的发电系统，其高温换热器采用翅片式结构，材料为紫铜。发电机内部工质与外部液态金属流体进行换热，从而将核材料的衰减热转变成电能输出。
发明内容
本发明提供一种采用环形燃烧器提供热量的对置式自由活塞斯特林发电机，可实现采用常规便携式燃料即可获得高可靠、静音和高效的电源的目的，从而扩大这种外燃式发电系统的使用范围，在移动电源、增程式电动汽车、备用电源等领域获得广泛应用。
本发明的具体技术方案如下：
一种采用环形燃烧器提供热量的对置式自由活塞斯特林发电机，所述对置式自由活塞斯特林发电机系统包括：
一个环形燃烧器和两个完全相同、同轴对称布置的自由活塞斯特林发电机。其中，所述自由活塞斯特林发电机包括：
耐压壳体12；
依次装于所述耐压壳体12内壁上侧的热端换热器1、回热器2和室温端换热器3；
装于所述热端换热器1、回热器2和室温端换热器3内侧的排出器4；
装于所述耐压壳体内壁下侧的直线电机6；
与所述直线电机的动子部分刚性连接的动力活塞5；
装于所述直线电机6下侧的平面板簧7；
所述排出器4与所述耐压壳体12的上壁面之间形成的膨胀腔8；
所述排出器4与所述动力活塞5之间形成的压缩腔9；
所述动力活塞5与所述耐压壳体12的下壁面之间形成的背腔10；
排出器杆穿过所述动力活塞5且与平面板簧7相连；
两个自由活塞斯特林发电机内的热端换热器、回热器、室温端换热器、排出器、直线电机、动力活塞均是分别绕整机轴线旋转对称设置。
作为本发明的优选方案，所述两个自由活塞斯特林发电机的排出器外的缸体合并为一个圆筒形缸体。
作为本发明的优选方案，所述两个自由活塞斯特林发电机的膨胀腔互相连通。
作为本发明的优选方案，所述圆筒形缸体中部设计有导流壁13，以防止一侧热端换热器中的工质直接冲入另一侧热端换热器中，同时减小膨胀腔空容积。导流壁的二维剖面形状可为锥形或为带一定弧度的曲面形状。
作为本发明的优选方案，所述热端换热器1为管束结构，呈L型布置，一端与回热器相连，另一端则与圆筒形缸体相连。
作为本发明的优选方案，所述环形燃烧器包括：
装于对置式自由活塞斯特林发电机两个热端换热器1外侧的空气预热器14；
位于空气预热器中部的燃料管16和点火器；
所述空气预热器14由对称的两个间壁式换热器组成，分别位于两个管束换热器外侧；
所述间壁式换热器内交错布置有U型空气流道和烟气流道，两者互不连通；
所述燃料管16位于空气预热器14的中部，与发电机轴线垂直；
所述点火器位于燃料管16的出口处。
作为本发明的优选方案，所述对置式自由活塞斯特林发电机系统还包括新鲜空气进气口15位于空气预热器14的中部，所述新鲜空气进气口数量为2个或2的整数倍。
作为本发明的优选方案，所述的燃料管16与新鲜空气进气口15呈同轴布置，位于新鲜空气进气口15的同轴内部，其管中心轴线与发电机中心轴线垂直相交，管数量则与新鲜空气进气口数量相同。
作为本发明的优选方案，所述对置式自由活塞斯特林发电机系统还包括烟气排气口17位于空气预热器14靠近回热器侧，所述烟气排气口数量为2个或者2的整数倍。
作为本发明的优选方案，所述的点火器数量与燃料管数量16相同。
相比现有技术，本发明有效改进了以下技术细节：
(1)关于对置式布置结构。相比现有采用翅片式换热器的对置方式，本发明采用独特的L型管束式结构，且根据对置特点而针对性地设置了导流结构，既降低了空容积，又降低了流动损失，从而保证了系统性能；
(2)关于环形燃烧器结构。相比现有采用液态金属传热的间接式加热方式，本发明采用环形燃烧器这一直接加热方式，扩展了发电机的移动性和使用范围。另一方面，独特的环形燃烧器结构有助于提高系统紧凑性，提高功率密度。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
两台完全相同的自由活塞斯特林发电机相向对置式布置结构可使两套排出器、动力活塞均各自同相相向运动，从而抵消各自运动产生的振动，具有低振动、低噪音和高功率等特点。环形燃烧器结构可有效利用高温辐射热量和强化对流换热量从而保证换热量和换热性能，具有换热效率高、功率密度大等特点。
附图说明
图1为现有技术中的自由活塞斯特林发电机的结构示意图；
图2为本发明提供的对置式自由活塞斯特林发电机过轴线的截面示意图。
附图标记：
1为热端换热器、2为回热器、3为室温端换热器、4为排出器、4(a)为排出器、4(b)为排出器杆、4(c)为凹槽、5为动力活塞、5(a)为凸起、5(b)为单向阀、5(c)为节流孔、6为直线电机、6(a)为直线电机定子部分、6(b)为直线电机动子部分、7为平面板簧、8为膨胀腔、9为压缩腔、10为背腔、11为台阶、12为耐压壳体、13为导流壁、14为空气预热器、15为新鲜空气进气口、16为燃料管、17为烟气排气口。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种采用环形燃烧器提供热量的对置式自由活塞斯特林发电机，所述对置式自由活塞斯特林发电机系统包括：
一个环形燃烧器和两个完全相同、同轴对称布置的自由活塞斯特林发电机。其中，所述自由活塞斯特林发电机包括：
耐压壳体12；
依次装于所述耐压壳体12内壁上侧的热端换热器1、回热器2和室温端换热器3；
装于所述热端换热器1、回热器2和室温端换热器3内侧的排出器4；
装于所述耐压壳体内壁下侧的直线电机6；
与所述直线电机的动子部分刚性连接的动力活塞5；
装于所述直线电机6下侧的平面板簧7；
所述排出器4与所述耐压壳体12的上壁面之间形成的膨胀腔8；
所述排出器4与所述动力活塞5之间形成的压缩腔9；
所述动力活塞5与所述耐压壳体12的下壁面之间形成的背腔10；
排出器杆穿过所述动力活塞5且与平面板簧7相连；
两个自由活塞斯特林发电机内的热端换热器、回热器、室温端换热器、排出器、直线电机、动力活塞均是分别绕整机轴线旋转对称设置。
作为本发明的优选方案，所述两个自由活塞斯特林发电机的排出器外的缸体合并为一个圆筒形缸体。
作为本发明的优选方案，所述两个自由活塞斯特林发电机的膨胀腔互相连通。
作为本发明的优选方案，所述圆筒形缸体中部设计有导流壁13，以防止一侧热端换热器中的工质直接冲入另一侧热端换热器中，同时减小膨胀腔空容积。导流壁的二维剖面形状可为锥形或为带一定弧度的曲面形状。
作为本发明的优选方案，所述热端换热器1为管束结构，呈L型布置，一端与回热器相连，另一端则与圆筒形缸体相连。
作为本发明的优选方案，所述环形燃烧器包括：
装于对置式自由活塞斯特林发电机两个热端换热器1外侧的空气预热器14；
位于空气预热器中部的燃料管16和点火器；
所述空气预热器14由对称的两个间壁式换热器组成，分别位于两个管束换热器外侧；
所述间壁式换热器内交错布置有U型空气流道和烟气流道，两者互不连通；
所述燃料管16位于空气预热器14的中部，与发电机轴线垂直；
所述点火器位于燃料管16的出口处。
作为本发明的优选方案，所述对置式自由活塞斯特林发电机系统还包括新鲜空气进气口15位于空气预热器14的中部，所述新鲜空气进气口数量为2个或2的整数倍。
作为本发明的优选方案，所述的燃料管16与新鲜空气进气口15呈同轴布置，位于新鲜空气进气口15的同轴内部，其管中心轴线与发电机中心轴线垂直相交，管数量则与新鲜空气进气口数量相同。
作为本发明的优选方案，所述对置式自由活塞斯特林发电机系统还包括烟气排气口17位于空气预热器14靠近回热器侧，所述烟气排气口数量为2个或者2的整数倍。
作为本发明的优选方案，所述的点火器数量与燃料管数量16相同。
图2为本发明实施例的结构示意图，
其工作过程如下：
燃料由燃料管喷向热端管束，与空气混合燃烧，释放大量的热量，管束内的工质吸收热量后膨胀做功，推动排出器，维持排出器和平面板簧的周期性相互作用，进而维持排出器的往复运动；排出器的往复运动导致工质的往复运动，进而导致工质的周期性冷却和受热，再进一步导致工质压力的周期性波动，这一周期性压力波动作用于动力活塞，导致与动力活塞刚性连接的直线电机动子周期性往复运动，切割磁感线，把机械功转换为电功，最终实现烟气热量到电功的转换。换热后的烟气通过空气预热器内侧的入口进入空气预热器，与从空气预热器外侧进入的空气换热，最后由烟气排气口排出；而空气由新鲜空气进气口进入，通过空气预热器外侧入口进入与烟气换热后，由空气预热器内侧出口进入燃烧室。
当然，本发明还可以有多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明的公开做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种采用环形燃烧器提供热量的对置式自由活塞斯特林发电机系统，其特征在于，所述对置式自由活塞斯特林发电机系统包括一个环形燃烧器和两个完全相同、同轴对称布置的自由活塞斯特林发电机，所述两个自由活塞斯特林发电机的排出器外的缸体合并为一个圆筒形缸体；其中，所述圆筒形缸体中部设计有导流壁（13），导流壁的二维剖面形状为锥形或为带一定弧度的曲面形状；所述环形燃烧器包括：
装于对置式自由活塞斯特林发电机两个热端换热器（1）外侧的空气预热器（14）；
位于空气预热器中部的燃料管（16）和点火器；
所述自由活塞斯特林发电机包括：
耐压壳体（12）；
依次装于所述耐压壳体（12）内壁上侧的热端换热器（1）、回热器（2）和室温端换热器（3）；所述热端换热器（1）均为管束结构，呈L型布置，一端与回热器相连，另一端则与圆筒形缸体相连；
装于所述热端换热器（1）、回热器（2）和室温端换热器（3）内侧的排出器（4）；
装于所述耐压壳体内壁下侧的直线电机（6）；
与所述直线电机的动子部分刚性连接的动力活塞（5）；
装于所述直线电机（6）下侧的平面板簧（7）；
所述排出器（4）与所述耐压壳体（12）的上壁面之间形成的膨胀腔（8）；
所述排出器（4）与所述动力活塞（5）之间形成的压缩腔（9）；
所述动力活塞（5）与所述耐压壳体（12）的下壁面之间形成的背腔（10）；
排出器杆穿过所述动力活塞（5）且与平面板簧（7）相连；
两个自由活塞斯特林发电机内的热端换热器、回热器、室温端换热器、排出器、直线电机、动力活塞均是分别绕整机轴线旋转对称设置。
2.根据权利要求1所述的对置式自由活塞斯特林发电机系统，其特征在于，所述两个自由活塞斯特林发电机膨胀腔互相连通。
3.根据权利要求1所述的对置式自由活塞斯特林发电机系统，其特征在于，
所述空气预热器（14）由对称的两个间壁式换热器组成，分别位于两个管束换热器外侧；
所述间壁式换热器内交错布置有U型空气流道和烟气流道，两者互不连通；
所述燃料管（16）位于空气预热器（14）的中部，与发电机轴线垂直；
所述点火器位于燃料管（16）的出口处。
4.根据权利要求3所述的对置式自由活塞斯特林发电机系统，其特征在于，所述对置式自由活塞斯特林发电机系统还包括新鲜空气进气口（15）位于空气预热器（14）的中部，所述新鲜空气进气口数量为2的整数倍。
5.根据权利要求4所述的对置式自由活塞斯特林发电机系统，其特征在于，所述的燃料管（16）与新鲜空气进气口（15）呈同轴布置，位于新鲜空气进气口（15）的同轴内部，其管中心轴线与发电机中心轴线垂直相交，管数量则与新鲜空气进气口数量相同。
6.根据权利要求3所述的对置式自由活塞斯特林发电机系统，其特征在于，所述对置式自由活塞斯特林发电机系统还包括烟气排气口（17）位于空气预热器（14）靠近回热器侧，所述烟气排气口数量为2的整数倍。
7.根据权利要求3所述的对置式自由活塞斯特林发电机系统，其特征在于，所述的点火器数量与燃料管（16）数量相同。
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