β型磁力传动斯特林发动机的结构设计与CFD仿真

马志振　黄巨锋　左承基

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009）

β型磁力传动斯特林发动机的结构设计与CFD仿真

马志振黄巨锋左承基

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009）

本文设计了一款β型磁力传动斯特林发动机，结构上主要采用齿槽式内置回热器来提高回热性能；曲轴设计成三曲拐形式，提高发动机的运转平稳性，同时减小振动噪声；磁力传动的设计使得发动机在闭式循环下解决工质泄漏问题，又提高了发动机的输出动力。对所设计的斯特林发动机进行CFD分析，运用Fluent软件对发动机的温度场进行流固耦合模拟。结果分析表明，回热器温度分布符合蓄、放热规律，散热器处于正常工作状态，本文所建立的冷热活塞动网格能够适应所设计斯特林发动机的仿真模型。

斯特林发动机结构设计CFD分析流固耦合

引言

随着秸秆大规模就地燃烧产生的雾霾问题日益加重，已经严重影响了现代人的工作和生活，秸秆绿色有效的处理成为当前研究的热点。作为一种绿色动力装置，斯特林发动机凭着小型、节能、高效的特点被用在处理秸秆问题上具有巨大的潜力。本文设计了一款新型磁力传动斯特林发动机，并通过CFD模型进行分析。

1　磁力传动斯特林发动机的结构设计

1.1整体设计

比较了α型、β型和γ型斯特林发动机的结构特点［1］，综合考虑成本、加工难度和装配可行性，本文以夏利476型发动机气缸结构参数为依托，提出一种新型的β型磁力传动斯特林发动机，具体设计如图1所示。

其中，1为加热器，2、3、4组成了回热器和冷却器，5为机体外壳，6、7分别为动力连杆和配气连杆，8为发电机，9为磁力联轴器，10为曲轴总成，11、12分别为充气接口和气压计，13为配气连杆，14为球关节轴承，15为密封线圈，16为动力活塞，17为冷腔，18为配气活塞，19为热腔。

图1　β型磁力传动斯特林发动机设计总图

所设计的发动机工作原理如下：以秸秆在气化炉里燃烧产生的热量作为热源，对加热器1进行加热，加热器通过热传递将热量传递给膨胀腔19内的气体介质。由于膨胀腔内的气体介质受热膨胀，绝大部分气体用来推动配气活塞18运动，只有一小部分经回热器2、3流到冷腔17。同时，配气活塞推动曲轴10转动，带动了动力连杆6和动力活塞16的运动。当配气活塞向下，动力活塞向上运动时，冷腔内的低温气体被压缩经回热器流到热腔；反之，热腔高温气体则流向冷腔。工质气体如此循环运动，回热器便产生了一个蓄放热的作用，使得该发动机能保持一直运行的状态。由于在曲轴的一端装有磁力联轴器9，因此，曲轴转动带动了磁力联轴器的转动，从而使发电机8运转工作。

本设计斯特林发动机的创新点有三部分，即内置式回热器、三曲拐曲轴和磁力联轴器，下面仅对这三部分做详细介绍。

1.2内置回热器设计

传统斯特林发动机的回热器基本上采用外置式，与加热器和冷却器进行串联后，一起放置于气缸的外部［2］。该结构的主要特点就是结构简单，装配方便，但是增大了整机的体积，结构庞大。此外，目前大多数回热器都是多孔介质结构，即在回热器腔内填充多孔介质材料，利用多孔介质材料的吸放热特性实现回热器的蓄放热功能。

本文分析外置回热特点后，决定采用内置式回热器，并设计为齿槽式结构，其结构如图2所示。图中所示为回热器内芯，其结构参数：外径Dh=0.084m，内径dh=0.076m，长度为0.093m。沿圆周成均匀分布的是回热器的关键结构齿槽，数目为72，槽深和槽宽均为2mm，并且在冷腔一端加工了径向通槽，轴向长度5mm。

回热器芯采用内置形式，与外部壳体组成了回热器总成，在增大传热接触面积的同时，又使结构更加紧凑。其中带有径向通槽的一端与冷腔相通，另外一端与热腔相连。在实际闭式循环工况中，气体工质在配气活塞和动力活塞的共同作用下，由齿槽端口或径向通槽端口进入外围的齿槽，并在冷热腔内往复流动。另外，在设计回热器的时候没有考虑填充材料，而是应用气体工质和回热器基体之间存在的温差，当工质在齿槽间流动时不断地与回热器基体材料进行热交换，从而达到高温气体放热和低温气体吸热的目的，实现了回热器蓄放热量的功能。

1.3三曲拐曲柄设计

本文设计发动机将曲轴部分设计成三曲拐曲柄形式，相对于自由活塞传动、液压传动和斜盘或摆盘传动，此结构在发动机运转平稳性、可靠性以及结构的紧凑型等方面都有明显的优势。

图2　齿槽式回热器内芯

图3　曲轴三维图

曲轴结构可分为整体式和组合式，整体式一般采用锻造方式，组合式则是通过对多个零部件进行分开加工，最后组装成一体，如图3所示。

其结构参数：曲柄外圆直径80mm，厚度10mm，在以25mm为半径的圆上，打了两个直径为14mm的通孔，通孔夹角 90°，中心部分通孔直径同样是14mm，用来装配主轴颈。

1.4磁力联轴器设计

磁力联轴器是本文设计斯特林发动机中的创新点之一，通过永磁体的磁力传动，将曲轴和发电机联接起来，实现转矩的无接触传递，从而使斯特林发动机在闭式循环时，改善了设备密封性能。

图4　磁力联轴器三维图

本文根据斯特林发动机的结构和传动要求，以圆盘式磁力联轴器的结构为基础，并根据尺寸参数进行改进，其三维图如图4所示。

圆盘式磁力联轴器基本结构是左右两个是完全相同的圆盘，在圆盘外圆周槽上按照NS极相互交叉方式安装一定数量的磁块，并保证联轴器的传递额定扭矩为4N· M，极限转速2800r/min，其尺寸参数如下图5所示。

磁力联轴器性能、质量和效率的高低，还与材料选择有重大关系。本文所选择的磁性材料就是钕铁硼（NdFeB）磁钢［3］，它是由金属钕、铁、硼和其他微量元素构成的合金磁体，是目前磁性最强的稀土永磁，有着较高的磁能积和良好的矫顽力［4.5］。另外，钕铁硼磁钢还是一种节能环保的绿色材料，有着很大的发展前景。

图5　磁力联轴器结构参数图

2　β型磁力传动斯特林发动机CFD仿真

2.1模型建立

为保证仿真结果的精确性，本文首先考虑采用专业画图软件UG NX，根据设计的结构参数对加热器、回热冷却器、热活塞和冷活塞建立三维几何模型并进行装配，将其保存为ANSYS ICEM CFD可识别的iges格式，最后导入到ICEM CFD中。由于该模型是完全的轴对称结构，为了节省计算时间，将其简化成二维模型，如图6所示。

2.2网格划分

图6　斯特林发动机二维模型

为了准确模拟气体工质随活塞运动的流场分布情况，本文采用动网格模型。动网格的初始网格通过ICEM CFD划分，采用结构网格中的四边形网格，通过Block模块进行网格划分，并在Part模块中定义流体域和固体域，动网格初始模型如图7所示。其计算过程中网格运动由profile文件［6］来实现。斯特林发动机在实际的运转过程中，冷热活塞是做正弦或余弦运动的，运动规律如图8所示。

2.3Fluent稳态模型求解器设置和运算结果

图7　动网格初始模型

图8　冷热活塞运动曲线

2.3.1边界条件设置

边界条件的设置是整个CFD仿真过程中最重要的环节，边界条件的合理设置是保证模拟结果收敛有解的前提。考虑到斯特林发动机的实际运行工况，本文对边界条件的设置尽可能逼近缸内的真实情况，参考资料［6］所得边界条件见表1。

本文研究流固耦合传热问题，计算域分为流体域和固体域，并且整机的温度变化较大，需要考虑温度对所选材料特性的影响，表2所示为计算域材料导热系数。

表1　边界条件设置

表2　计算域材料导热系数

其他参数设置如下：斯特林发动机转速为1000r/min，冷热端活塞的相位角为90°，其中热端活塞领先冷端，即热活塞在上止点位置，冷活塞在冷缸中间位置。算法是基于压力求解器的，选择SIMPLE，并采用二阶迎风格式，选择合适的步长及迭代步数进行计算。

2.3.2Fluent稳态模型结果

对斯特林发动机在起始时的位置进行了稳态模拟，图9所示为热活塞在上止点，冷活塞在中点（起始位置）的温度云图分布情况。其中，热腔平均温度850 K，冷腔平均温度为350 K，该结果作为瞬态模型的初始值设置。

2.4Fluent瞬态模型运算结果

图9　起始位置温度分布云图

以上述稳态模型作为基础，对活塞运动采用动网格进行瞬态分析，可以反映实际工作过程的内部流场分布情况以及流、固体的热传导情况。

瞬态分析仿真计算，可以得出整机在不同时刻的速度场云图，如图10所示。

图10　不同时刻速度分布云图

（1）t=0.015s时，低温气体往热腔流动，由于回热器的直径较小，因此气体在回热器通道内速度变大，当气体流出到热腔内时速度减小。

（2）t=0.03s时，气体往热腔流动变小，逐渐开始往冷腔流动，但流速较慢，此时在回热器通道内产生来回震荡使得回热器内流体速度减小。

（3）t=0.045s时，高温气体往冷腔流动，由于冷腔体积变化较大，因此经过回热器的气体速度增加，使得冷腔出口速度增大，并在部分区域形成湍流。

（4）t=0.06s时，气体的流动趋势还是往冷腔流动，但此时冷腔溶剂变化较小，使得回热器内气体流速减缓，导致整个冷腔出口速度相对前一时刻变小。

瞬态分析仿真计算，可以得出整机在不同时刻的温度场云图，如图11所示。

（1）t=0.015s时，此时热活塞在中点、冷活塞在上止点位置。由于冷、热活塞对冷腔相互压缩，冷腔内低温气体向热腔流动，热腔内高温气体温度降低。从冷腔到热腔，回热器中温度呈逐渐升高趋势。此外，从散热片的温度分布看出，有一部分热量通过散热片流向大气。

（2）t=0.03s时，此时热活塞在下止点、冷活塞在中点位置。由于冷、热活塞同时下行，所以，冷腔容积变化不大，热腔容积增加。因此，冷腔内低温气体继续向热腔流动，使冷腔内气体平均温度达到最低。从图中可以看出，此时热腔内气体的平均温度较上个时间点提高，并且热腔靠近热活塞的位置温度梯度分布变大。

（3）t=0.045s时，此时热活塞在中点、冷活塞在下止点位置。由于热活塞向上运动，冷活塞向下运动，使冷腔容积变大，热腔容积变小。因此气体从热腔向冷腔流动，从冷热腔的温度分布可以看出，此时冷腔平均温度上升，热腔靠近热活塞部分的温度也略微上升。此时，散热片上又有温度变化，有助于降低冷腔内的温度。

（4）t=0.06s时，此时热活塞在上止点、冷活塞在中点位置。由于热活塞和冷活塞均上移，热腔容积变小，冷腔容积不大，气体从热腔向冷腔流动。使冷腔内气体平均温度达到最高。从图中可以明显看出，散热片带走的热量也达到最大，在一定程度上降低了冷腔温度。该时刻又是下一循环的起始位置。

3　结论

图11　不同时刻温度分布云图

（1）本文设计了一种新型磁力传动斯特林发动机，采用内置回热器和三曲拐曲轴设计使得斯特林发动机结构更加紧凑，整机体积减小。采用磁力联轴器创新设计，实现转矩无接触传递，改善斯特林发动机闭式循环时的密封性能。

（2）将稳态模型运算结果作为瞬态模型初始值，得出瞬态动网格模型在不同时刻时发动机内部的温度分布云图，各腔内气体的温度变化规律正常。

（3）回热器通道内温度上升、下降趋势符合蓄、放热规律。散热片温度分布表明热量通过散热片流向大气，该散热器处于正常工作状态。

（4）整机流固耦合仿真表明，本文所建立的冷、热活塞动网格能够适应所设计斯特林发动机的仿真模型，计算结果可以为后期发动机实验提供理论依据。

［1］张旭.生物质直燃斯特林发动机设计与仿真分析：［硕士学位论文］.哈尔滨：东北林业大学，2011

［2］黄护林.斯特林发动机中回热器性能研究［J］.南京航空航天大学学报，2014，46（2）：265-271

［3］张毓.磁力联轴器的设计与涡流损耗研究：［硕士学位论文］.杭州：浙江大学，2013

［4］王玉良.国外永磁传动技术的新发展 ［J］.磁性材料及器件，2001，32（4）：45-49

［5］赵进宝.磁力机械研究综述［J］.磁性材料及器件，2001，32（4）：45-49

［6］黄军卫.蝶式太阳能斯特林发动机热交换系统及工质流场分析：［硕士学位论文］.湖南：湖南科技大学，2013.

StructuralDesignandCFDSimulation ofβ-type Magnetic Drive Stirling Engine

MA Zhizhen，HUANG Jufeng，ZUO Chengji
（School of Mechanical and Automotive engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

A new β-type magnetic drive Stirling engine is designed in accordance with the requirements of this article.In order to improve performance of heat recovery，the structure of mainly alveolar type regenerate is built.Crankshaft is designed into three forms to improve the smooth operation of the engine，while reducing noise and vibration.Magnetic drive is designed so that engine can solve the working fluid leakage while increasing the output power in the closed-cycle. The designed Sterling engine is analyzed by Fluent-CFD to simulate velocity and temperature fields of FSI engine.Results showed that the temperature distribution of the regenerator is in accordance with the law of thermal storage and release.Radiator can work normally.In this paper，the moving grid of hot and cold piston can be adapted to the designed simulation model of Stirling engine.

Stirling engine，structural design，CFD analysis，flu id-structure coupling