一种自由活塞式斯特林发电机的过行程保护方法

本发明涉及斯特林发电机，具体是涉及一种自由活塞式斯特林发电机的过行程保护方法。

背景技术：

1、斯特林发电机作为外燃机，具有广泛的热源适用性，太阳能、生物质能、工业余热等均可作为其热源。同时斯特林发电机效率高，理想情况下可以达到卡诺循环的效率，对提升能源利用率和保护环境具有重要意义。

2、根据活塞布置方式的不同，斯特林发电机可以分为α型、β型、γ型3种。目前国内外研究最多的机型为自由活塞式，该结构取消了传统斯特林发电机中的曲轴连杆结构，两个活塞仅通过板弹簧支撑。自由活塞式斯特林发电机的优势在于将两个活塞放置在同一个气缸内，共用扫气容积，结构紧凑，比功率得到提高。但是其运行机理复杂，活塞运动高度耦合，难以准确控制内部运动状态，热端控制系统容易超调，温度过高使活塞过行程，出现撞缸现象。由于自由活塞式斯特林发电机是外燃机，具有较大的热惯性，通过改变加热量并不能及时的改变斯特林发电机的运行状态，二者之间存在较大的滞后偏差，斯特林发电机无法瞬间减小活塞位移或者停止运行。撞缸会影响斯特林发电机正常运行，损坏零部件，严重的甚至可能发生高压高温爆炸。

3、现有保护斯特林发电机防撞缸的方法是通过热端温度调控来实现，热端温度调控会停止外部热源供给，以及增加冷却水流量，来耗散斯特林发电机热头存储的热量，减小活塞振幅。但是由于斯特林发电机热端存储了较多热量，难以通过改变加热量和冷却量来瞬间减小活塞位移或者停止运行。撞缸现象仍会持续发生数秒，会对设备造成不可逆的损失。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种自由活塞式斯特林发电机的过行程保护方法，采用多段式保护，响应速度快，可有效避免机械撞击。

2、本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种自由活塞式斯特林发电机的过行程保护方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：启动斯特林发电机；

4、步骤s2：判断特林发电机的活塞行程与额定值之间的关系，根据活塞行程与额定值之间的关系来分段实行过行程保护：

5、若活塞行程达到额定值的115%，进行机械限位来进行过行程保护，若活塞行程在额定值的110%～115%之间，通过导通单向阀放气来进行过行程保护；若活塞行程在额定值的105%～110%之间，外接负载来进行过行程保护；若活塞行程不超过额定值的105%，控制热端加热量来进行过行程保护。

6、进一步，所述步骤s2中，当配气活塞行程达到额定值上限的115%时，第一机械限位装置作用；第一机械限位装置包括第一顶针和第一弹性橡胶垫，斯特林发电机的外壳底部开有泄气孔，第一顶针上端固定在配气活塞杆上，下端连接第一弹性橡胶垫；正常工作时，背压腔内部压力高于外部大气压，第一弹性橡胶垫收紧盖住外壳底部的泄气孔，与外界形成良好密封，背压腔内部气体不发生泄露；当配气活塞行程达到上限的115%时，配气活塞杆带动第一顶针针拉开第一弹性橡胶垫，外壳底部的泄气孔打开，背压腔向外泄气压力减小，使工作腔压力pw大于背压腔压力pb，配气活塞行程减小。

7、进一步，所述步骤s2中，当配气活塞行程达到额定值下限的115%时，通过配气活塞底部的铁氟龙橡胶缓冲配气活塞与动力活塞的撞击。

8、进一步，所述步骤s2中，当动力活塞行程达到115%时，第二机械限位装置作用；第二机械限位装置包括第二顶针、第二弹性橡胶垫和弹簧，动力活塞动子顶部上方的气缸开有排气孔，第二顶针上端与第二弹性橡胶垫连接，第二弹性橡胶垫通过弹簧连接到气缸上；正常工作时，弹簧被压缩，压缩弹力作用在第二弹性橡胶垫上使第二弹性橡胶垫发生形变紧盖住排气孔，与外界形成良好密封，背压腔内部气体不发生泄露；当动力活塞行程达到115%时，动力活塞带动动力活塞动子顶起第二顶针，弹簧被进一步压缩，第二弹性橡胶垫被挤压至与排气孔之间形成排气缝隙，背压腔向外泄气压力减小，使工作腔压力pw大于背压腔压力pb，动力活塞行程减小，与动力活塞连接的动力活塞动子行程也减小。

9、进一步，所述步骤s2中，当配气活塞行程在额定值上限的110%～115%之间，导通单向阀，背压腔向外放气，使工作腔压力pw大于背压腔压力pb，增加配气活塞向上运动的阻力，从而减小配气活塞位移；

10、当配气活塞行程在额定值下限的110%～115%之间，导通单向阀，背压腔向外放气，使工作腔压力pw大于背压腔压力pb，增加配气活塞向下运动的阻力，从而减小配气活塞位移；

11、当动力活塞行程在额定值的110%～115%之间，导通单向阀，背压腔向外放气，使工作腔压力pw大于背压腔压力pb，增加动力活塞向上运动的阻力，从而减小动力活塞位移，防止动力活塞动子过行程与气缸缸壁撞击。

12、进一步，所述导通单向阀的具体方法为：使工作腔压力pw大于单向阀的导通气压。

13、进一步，所述步骤s2中，当配气活塞行程在额定值上限的105%～110%之间，通过外接负载，改变配气活塞与动力活塞的相位差来减小压力波，从而减小配气活塞位移；

14、当配气活塞行程在额定值下限的105%～110%之间，通过外接负载，改变配气活塞与动力活塞的相位差，来减小压力波，从而减小配气活塞位移；

15、当动力活塞行程在额定值的105%～110%之间，通过外接负载，改变配气活塞与动力活塞的相位差，来减小压力波，从而动力活塞位移，防止动力活塞动子过行程与气缸缸壁撞击。

16、进一步，所述改变配气活塞与动力活塞的相位差是指改变配气活塞与动力活塞的相位差至小于90°。

17、进一步，所述步骤s2中，配气活塞行程不超过额定值上限的105%时，通过减少热棒的加热量来降低加热器温度，从而减小工作腔内压力波，进而减小配气活塞位移；

18、配气活塞行程不超过额定值下限的105%时，通过减少热棒的加热量来降低加热器温度，从而减小工作腔内压力波，进而减小配气活塞位移；

19、动力活塞行程不超过额定值的105%时，通过减少热棒的加热量来降低加热器温度，从而减小工作腔内压力波，进而减小动力活塞位移，防止动力活塞动子过行程与气缸缸壁撞击。

20、与现有技术相比，本发明的优点如下：

21、本发明采用多段式保护对斯特林发电机活塞位移进行过行程限制，按照过行程的大小以及危害程度，采取不同的保护措施，具有较快的响应速度，可有效避免机械撞击，能够保障设备的安全可靠运行，保护实验人员人身安全。

技术特征：

1.一种自由活塞式斯特林发电机的过行程保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的自由活塞式斯特林发电机的过行程保护方法，其特征在于：所述步骤s2中，当配气活塞行程达到额定值上限的115%时，第一机械限位装置作用；第一机械限位装置包括第一顶针和第一弹性橡胶垫，斯特林发电机的外壳底部开有泄气孔，第一顶针上端固定在配气活塞杆上，下端连接第一弹性橡胶垫；正常工作时，背压腔内部压力高于外部大气压，第一弹性橡胶垫收紧盖住外壳底部的泄气孔，与外界形成良好密封，背压腔内部气体不发生泄露；当配气活塞行程达到上限的115%时，配气活塞杆带动第一顶针针拉开第一弹性橡胶垫，外壳底部的泄气孔打开，背压腔向外泄气压力减小，使工作腔压力pw大于背压腔压力pb ，配气活塞行程减小。

3.如权利要求1所述的自由活塞式斯特林发电机的过行程保护方法，其特征在于：所述步骤s2中，当配气活塞行程达到额定值下限的115%时，通过配气活塞底部的铁氟龙橡胶缓冲配气活塞与动力活塞的撞击。

4.如权利要求1所述的自由活塞式斯特林发电机的过行程保护方法，其特征在于：所述步骤s2中，当动力活塞行程达到115%时，第二机械限位装置作用；第二机械限位装置包括第二顶针、第二弹性橡胶垫和弹簧，动力活塞动子顶部上方的气缸开有排气孔，第二顶针上端与第二弹性橡胶垫连接，第二弹性橡胶垫通过弹簧连接到气缸上；正常工作时，弹簧被压缩，压缩弹力作用在第二弹性橡胶垫上使第二弹性橡胶垫发生形变紧盖住排气孔，与外界形成良好密封，背压腔内部气体不发生泄露；当动力活塞行程达到115%时，动力活塞带动动力活塞动子顶起第二顶针，弹簧被进一步压缩，第二弹性橡胶垫被挤压至与排气孔之间形成排气缝隙，背压腔向外泄气压力减小，使工作腔压力pw大于背压腔压力pb，动力活塞行程减小，与动力活塞连接的动力活塞动子行程也减小。

5.如权利要求1所述的自由活塞式斯特林发电机的过行程保护方法，其特征在于：所述步骤s2中，当配气活塞行程在额定值上限的110%～115%之间，导通单向阀，背压腔向外放气，使工作腔压力pw大于背压腔压力pb，增加配气活塞向上运动的阻力，从而减小配气活塞位移；

6.如权利要求5所述的自由活塞式斯特林发电机的过行程保护方法，其特征在于：所述导通单向阀的具体方法为：使工作腔压力pw大于单向阀的导通气压。

7.如权利要求1所述的自由活塞式斯特林发电机的过行程保护方法，其特征在于：所述步骤s2中，当配气活塞行程在额定值上限的105%～110%之间，通过外接负载，改变配气活塞与动力活塞的相位差来减小压力波，从而减小配气活塞位移；

8.如权利要求7所述的自由活塞式斯特林发电机的过行程保护方法，其特征在于：所述改变配气活塞与动力活塞的相位差是指改变配气活塞与动力活塞的相位差至小于90°。

9.如权利要求1所述的自由活塞式斯特林发电机的过行程保护方法，其特征在于：所述步骤s2中，配气活塞行程不超过额定值上限的105%时，通过减少热棒的加热量来降低加热器温度，从而减小工作腔内压力波，进而减小配气活塞位移；

技术总结一种自由活塞式斯特林发电机的过行程保护方法，包括以下步骤：步骤S1：启动斯特林发电机；步骤S2：判断特林发电机的活塞行程与额定值之间的关系，根据活塞行程与额定值之间的关系来分段实行过行程保护：若活塞行程达到额定值的115%，进行机械限位来进行过行程保护，若活塞行程在额定值的110%～115%之间，通过导通单向阀放气来进行过行程保护；若活塞行程在额定值的105%～110%之间，外接负载来进行过行程保护；若活塞行程不超过额定值的105%，控制热端加热量来进行过行程保护。本发明采用多段式保护对斯特林发电机活塞位移进行过行程限制，具有较快的响应速度，可有效避免机械撞击。技术研发人员：帅智康,杨炬辉,黄文,吴浩,冯宇,靳张涛,周柯受保护的技术使用者：湖南大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20