自由活塞斯特林直驱式柱塞液压动力装置结构原理与控制参量分析

A Stirling engine powered hydraulic pump is a good candidate for special deep water salvaging and surveying operations, where airless, low vibration, and adaptability to different heat sources are greatly appreciated. However, traditional Stirling engines use mechanisms to convert piston power, resulting low power density and thermal efficiency. In this project, a new direct acting free piston architecture is proposed from the concept of a free piston Stirling engine by eliminating the intermediate energy conversion mechanisms, to improve the energy conversion efficiency. To understand the reliability and to improve the thermal efficiency of the new architecture, a new fluid-structure-thermal interaction model is needed, the interactions of pistons’ phases and the energy conversion between thermal and fluid domain are to be investigated. From this research, it is believed that innovations on the structure of free piston Stirling engine and the key technologies for piston phase control can be achieved, providing theory and foundation for future high performance fluid power equipment.

斯特林发动机运行时无需空气，震动小且对热源适应性好，非常适合驱动液压泵，可为深海救捞、探测等特殊环境装备提供动力。传统的斯特林发动机以机械连杆转换活塞动力，导致其输出功率密度低且热效率不高。本项目在自由活塞斯特林发动机基础上，提出新型基于流体传动的自由活塞斯特林直驱式柱塞液压动力装置，意在取消机械连杆换能的中间环节，实现高效动力传递。为保证新机构整体连续运行可靠、提高热效率，须建立全新的流-固-热耦合的动态模型，阐明活塞相位与气体内能同液压能相互转换的关系，探索研究低相位误差控制方法。期望通过本研究，达到自由活塞斯特林发动机结构创新，实现活塞相位控制关键技术的突破，为创建高性能液压动力装置提供理论与原理。

为了突破传统斯特林动力装置活塞相位控制的局限性，本项目提出自由活塞斯特林直驱式柱塞液压动力装置的新结构：配气活塞与动力活塞直接连接双作用柱塞液压缸，通过数字开关阀的动作来控制活塞间流体分配，实现能量交换与动力装置完整的工作循环。.依据研究计划，本项目提出了自由活塞斯特林直驱式柱塞液压动力装置的新结构，推导了斯特林双气缸流固热耦合的数值模型，建立了数字配流阀控制特性模型，设计了数字配流阀控制器，完成了数字配流阀驱动特性与性能试验，优化设计了自由活塞斯特林动力装置的结构，开展了双作用液压缸驱动的配气、动力活塞驱动设计，完成了自由活塞斯特林动力装置样机的加工与装配，搭建了自由活塞液压源硬件在环测试平台，利用原型机验证了流固热耦合数学模型，提出并验证了向卡诺循环逼近的自由活塞斯特林发动机活塞位移曲线设计方法，优化了双缸能量收支策略，开展了不同工况下系统输出功率的参数敏感性研究。本项目研究结论可为未来高性能能量回收装置的研究提供参考。.项目完成了研究计划中的各项内容，发表学术论文5篇，其中SCI检索论文3篇、EI检索论文2篇，申请国家发明专利2项，其中1项已获授权；独立培养硕士生5名，2名学生已毕业答辩。项目达到了预期的研究目标。