一种实时监控和校正发电机活塞偏移的装置

1.本实用新型涉及发电机技术领域，特别是涉及一种实时监控和校正发电机活塞偏移的装置。


背景技术：

2.自由活塞斯特林发电机中活塞通常采用板弹簧实现其径向支撑，以保证活塞与气缸的间隙动密封，减小往复运行中的摩擦损失，从而提高发电机的运行效率和使用寿命。虽然活塞与气缸之间只有几十微米的间隙，但是气隙中的工质会随着活塞运动来回窜流。在一个周期内，工质从压缩腔流向背压腔与其流回的时均质量流不相等时，会导致压缩腔和背压腔的平均压力存在压差，活塞两面所受气体作用力不一致，形成一个动态偏置，进一步表现为活塞运动中心出现偏移。当发电机中活塞发生偏移，其产生的影响主要包括以下两点：其一，偏移使得活塞实际运行的最大行程减小，输出功率降低，甚至发生撞缸；其二，偏移使得板弹簧单侧变形量增加，这将导致板弹簧所受应力可能超过最大许用应力，造成板弹簧寿命降低甚至发生断裂。
3.目前针对自由活塞发电机活塞偏置问题，主要有以下几种解决方案：
4.(1)增大板弹簧轴向刚度，在相同压缩腔和背压腔压差情况下，相对减小偏移量的数值；然而，通过这种方式，在增大板弹簧轴向刚度时，会使得活塞运行频率提高，影响整机内部系统的耦合匹配。同时，增加板弹簧刚度，只能相对减小活塞偏移的数值，不能从根本上消除活塞偏移。
5.(2)在气缸和自由活塞沿周向布置小孔结构并通过内部流道互相连通，在自由活塞偏移量超过冲程限定值时，某些小孔相对，压缩腔和背压腔实现连通，两侧压力差减小，活塞就可以重新回到往复振荡的平衡点。然而，该方案中平衡小孔设置的数量、孔直径的大小以及平衡孔的位置，对于调节活塞的偏移程度影响较大，如果数量太多，会增加工质的泄漏损失，使得发电机效率降低；同时，增加了内部流场的复杂程度，影响了活塞本身动密封的长度。因此，该方案的有效实施需要进行大量的前期规律摸索工作和流场模拟。
6.(3)在活塞偏移方向增加一个反向直流电压，利用电控系统对运行过程控制，在活塞运动方向设计一个直流电压分量将活塞拉回初始平衡位置。然而，该方案会增加功耗，同时增加电控设备的复杂程度。
7.上述解决活塞偏置的技术方案都存在缺陷，而且无法直观实时地探测活塞的偏移量，也无法实时对活塞偏移进行校正，同时还会增加发电机损失，影响发电机的正常工作。


技术实现要素：

8.本实用新型的一目的是，提供一种实时监控和校正发电机活塞偏移的装置，该装置不仅能直观地探测活塞的偏移量，并且能根据实际偏移情况，在尽可能减小发电机损失的情况下，实现活塞偏移的矫正，进而实现发电机的稳定运行。
9.本实用新型在一方面提供了一种实时监控和校正发电机活塞偏移的装置，包括：
10.位移传感器，所述位移传感器设置在发电机的动力活塞上，用于实时检测所述动力活塞的位置，并在所述动力活塞产生偏移时反馈偏移信号；
11.工质传输管路，所述工质传输管路的两端分别连接于位于所述动力活塞两侧的背压腔和压缩腔；以及
12.电磁阀，所述电磁阀设置在所述工质传输管路上并可通信地连接于所述位移传感器，用于基于所述位移传感器反馈的偏移信号控制自身开度，从而控制自所述背压腔流入所述压缩腔的工质的流量，进而平衡所述动力活塞两侧的压力，使得所述动力活塞的位置被校正。
13.在本实用新型的一实施例中，所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置还包括设置于所述压缩腔和所述电磁阀之间的单向阀，所述单向阀用于使得工质单向地自所述背压腔流入所述压缩腔。
14.在本实用新型的一实施例中，所述单向阀包括用于与所述工质传输管路连接的安装外壳、设置于所述外壳内的阀芯以及连接于所述安装外壳的板弹簧，其中在所述阀芯受到的压力大于预紧力时，所述单向阀处于打开状态，工质能够通过所述单向阀，在所述阀芯受到的压力小于预紧力时，所述单向阀处于关闭状态，工质不能通过所述单向阀。
15.在本实用新型的一实施例中，所述安装外壳具有粗端和延伸自所述粗端的细端，所述板弹簧具有中心孔，所述阀芯具有阀芯本体和延伸自所述阀芯本体且直径大于所述阀芯本体的止挡沿，所述阀芯本体的前端和所述止挡沿位于所述安装外壳的粗端内，所述阀芯本体的后端位于所述安装外壳的细端内，所述阀芯本体的前端通过锁紧螺母固定连接于所述板弹簧的中心孔，所述阀芯和所述板弹簧之间还设置有套设在所述阀芯本体前端的预紧环，所述预紧环用于调节所述单向阀开启的预紧力，所述止挡沿与所述安装外壳的粗端内侧壁之间设置有密封垫，所述密封垫用于实现所述阀芯的密封。
16.在本实用新型的一实施例中，所述安装外壳两端设置有螺纹，所述安装外壳通过两端的螺纹连接进所述工质传输管路中，所述板弹簧焊接于所述安装外壳。
17.在本实用新型的一实施例中，所述发电机包括前端壳体、连接于所述前端壳体的后端壳体、设置于所述后端壳体的配气活塞板弹簧、设置于所述前端壳体和所述后端壳体界定形成的容纳槽内的配气活塞和所述动力活塞，其中所述配气活塞具有配气活塞头和连接于所述配气活塞头的配气活塞杆，所述配气活塞杆穿过所述动力活塞的通孔并固定在所述配气活塞板弹簧上，所述配气活塞头的前端与所述前端壳体之间形成膨胀腔，所述配气活塞头的后端和所述动力活塞的前端之间形成所述压缩腔，所述动力活塞的后端与所述后端壳体之间形成所述背压腔。
18.在本实用新型的一实施例中，所述前端壳体包括依次且同轴连接的热端换热器、回热器以及冷端换热器，所述配气活塞头位于所述前端壳体内，所述配气活塞杆位于所述后端壳体内。
19.在本实用新型的一实施例中，所述发电机还包括均设置在所述后端壳体内的电机动子、线圈以及电机定子，其中所述电机动子设置所述动力活塞外，并通过动力活塞连接环连接于所述动力活塞，所述电机定子间隔设置于所述电机动子，所述线圈设置在所述电机动子和所述电机定子之间。
20.本实用新型在另一方面还提供了一种实时监控和校正发电机活塞偏移的方法，包
括采用所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置执行的以下步骤：
21.通过位移传感器实时检测动力活塞的位置，并在检测到动力活塞发生偏移时，反馈偏移信号至电磁阀；
22.所述电磁阀接收所述偏移信号，并根据所述偏移信号反馈的所述动力活塞的偏移量控制自身的开度，从而控制自背压腔流入压缩腔的工质的流量，进而平衡所述动力活塞两侧的所述背压腔和所述压缩腔的压力，使得所述动力活塞的位置被校正；
23.在所述位移传感器检测到所述动力活塞的位置偏移量为零时，所述电磁阀自动关闭。
24.在本实用新型的一实施例中，所述的实时监控和校正发电机活塞偏移的装置包括单向阀，所述实时监控和校正发电机活塞偏移的方法还包括步骤：
25.通过所述电磁阀的工质流入所述单向阀中；
26.当所述单向阀的阀芯受到的压力超过预设的预紧力时，所述单向阀打开，使得工质进入压缩腔，从而平衡所述动力活塞两侧的压力，校正所述动力活塞的位置；
27.当所述单向阀的阀芯受到的压力小于预设的预紧力时，所述单向阀关闭，工质不能反向通过阀芯。
28.本实用新型的所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置通过位移传感器和电磁阀的配合工作，能够实时监控和调整偏移效果，并能够根据不同情况自行调整，操作简单，可靠性高。使用位移传感器实时得到活塞的偏移情况，以此反馈给电磁阀，在线调整不同的开度，有助于根据偏移量的大小，控制管道内的流量，也起到减小漏气损失的作用。
29.本实用新型的所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置使用单向阀连接压缩腔和背压腔，在平衡两个腔体的平均压力，有效解决活塞偏移的同时，相较于纯管路连接方式，降低了发电机的漏气损失。
30.通过对随后的描述和附图的理解，本实用新型进一步的目的和优势将得以充分体现。
附图说明
31.图1为本实用新型的所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置安装在发电机中的结构示意图。
32.图2为图1所示的所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置的单向阀的剖视示意图。
33.附图标号说明：
34.发电机100；前端壳体101；热端换热器1；回热器2；冷端换热器3；后端壳体102；容纳槽103；配气活塞板弹簧8；配气活塞16；配气活塞头161；配气活塞杆162；动力活塞10；膨胀腔17；压缩腔15；背压腔7；电机动子14；线圈13；电机定子12；
35.实时监控和校正发电机活塞偏移的装置200；位移传感器9；工质传输管路4；电磁阀6；单向阀5；安装外壳21；粗端211；细端212；阀芯18；阀芯本体181；止挡沿182；板弹簧20；中心孔201；锁紧螺母19；预紧环23；密封垫22。
具体实施方式
36.以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。
37.本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。
38.可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
39.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
40.本实用新型提供了一种实时监控和校正发电机活塞偏移的装置，不仅能直观地探测活塞的偏移量，并且能根据实际偏移情况，在尽可能减小发电机损失的情况下，实现活塞偏移的矫正，进而实现发电机的稳定运行。
41.具体地，图1示意了所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置200安装在发电机100上的具体结构。如图1所示，所述发电机100包括前端壳体101、连接于所述前端壳体101的后端壳体102、设置于所述后端壳体102的配气活塞板弹簧8、设置于所述前端壳体101和所述后端壳体102界定形成的容纳槽103内的配气活塞16和动力活塞10。
42.所述配气活塞16具有配气活塞头161和连接于所述配气活塞头161的配气活塞杆162，所述配气活塞杆162穿过所述动力活塞10的通孔并固定在所述配气活塞板弹簧8上，所述配气活塞头161的前端与所述前端壳体101之间形成膨胀腔17，所述配气活塞头161的后端和所述动力活塞10的前端之间形成压缩腔15，所述动力活塞10的后端与所述后端壳体102之间形成背压腔7。
43.值得一提的是，所述前端壳体101包括依次且同轴连接的热端换热器1、回热器2以及冷端换热器3，所述配气活塞头161位于所述前端壳体101内，所述配气活塞杆162位于所述后端壳体102内。
44.进一步地，所述发电机100还包括均设置在所述后端壳体102内的电机动子14、线圈13以及电机定子12，其中所述电机动子14设置所述动力活塞10外，并通过动力活塞10连接环连接于所述动力活塞10，所述电机定子12间隔设置于所述电机动子14，所述线圈13设置在所述电机动子14和所述电机定子12之间。
45.可以理解的是，所述发电机100通过所述配气活塞16驱动所述动力活塞10运动，所述动力活动带动所述电机动子14活动，使得所述电机动子14与所述电机定子12之间产生相
对运动，从而于所述线圈13产生感应电流，以此实现所述发电机100的发电。
46.当所述发电机100运行时，所述配气活塞16和所述动力活塞10往复运动而产生所述压缩腔15和所述膨胀腔17的压力波，由于所述压缩腔15和所述背压腔7之间时均泄漏量不为零，使得所述背压腔7的平均压力逐渐升高，造成了与所述压缩腔15的压差，从而使得所述动力活塞10向所述压缩腔15方向偏移，并且偏移量随着所述动力活塞10行程的增加而增加。
47.基于此，本实用新型通过将所述背压腔7中的工质传输到所述压缩腔15的方式来平衡所述压缩腔15和所述背压腔7的压力，从而校正所述动力活塞10的位置。
48.具体地，本实用新型设计了所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置200来实时监控和调整从所述背压腔7流入所述压缩腔15的工质的流量，从而实时监控和校正所述动力活塞10的位置。所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置200包括：
49.位移传感器9，所述位移传感器9设置在所述动力活塞10上，用于实时检测所述动力活塞10的位置，并在所述动力活塞10产生偏移时反馈偏移信号；
50.工质传输管路4，所述工质传输管路4的两端分别连接于位于所述动力活塞10两侧的所述背压腔7和所述压缩腔15；以及
51.电磁阀6，所述电磁阀6设置在所述工质传输管路4上并可通信地连接于所述位移传感器9，用于基于所述位移传感器9反馈的偏移信号控制自身开度，从而控制自所述背压腔7流入所述压缩腔15的工质的流量，进而平衡所述动力活塞10两侧的压力，使得所述动力活塞10的位置被校正。
52.可以理解的是，本实用新型主要通过所述位移传感器9实时监控所述动力活塞10的偏移量，并通过所述工质传输管路4将所述压缩腔15和所述背压腔7连接，和在所述工质传输管路4上串接所述电磁阀6的方式来消除所述动力活塞10的偏移。
53.具体地，当所述背压腔7内的压力高于所述压缩腔15时会使得所述动力活塞10产生偏移，所述动力活塞10上的所述位移传感器9检测到所述动力活塞10产生偏移而反馈偏移信号至所述电磁阀6，所述电磁阀6根据所反馈的偏移量来调控自身开度，从而调节自所述背压腔7流入所述压缩腔15的工质的流量，以此平衡所述动力活塞10两侧的压力，实时对所述动力活塞10的位置进行校正。
54.进一步地，为了降低所述发电机100的漏气损失，所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置200还包括设置于所述压缩腔15和所述电磁阀6之间的单向阀5，所述单向阀5用于使得工质单向地自所述背压腔7流入所述压缩腔15。
55.具体地，如图2所示，所述单向阀5包括用于与所述工质传输管路4连接的安装外壳21、设置于所述外壳内的阀芯18以及连接于所述安装外壳21的板弹簧，其中在所述阀芯18受到的压力大于预紧力时，所述单向阀5处于打开状态，工质能够通过所述单向阀5，在所述阀芯18受到的压力小于预紧力时，所述单向阀5处于关闭状态，工质不能通过所述单向阀5。
56.进一步地，所述安装外壳21具有粗端211和延伸自所述粗端211的细端212，所述板弹簧20具有中心孔201，所述阀芯18具有阀芯本体181和延伸自所述阀芯本体181且直径大于所述阀芯本体181的止挡沿182，所述阀芯本体181的前端和所述止挡沿182位于所述安装外壳21的粗端211内，所述阀芯本体181的后端位于所述安装外壳21的细端212内，所述阀芯本体181的前端通过锁紧螺母19固定连接于所述板弹簧20的中心孔201，所述阀芯18和所述
板弹簧20之间还设置有套设在所述阀芯本体181前端的预紧环23，所述预紧环23用于调节所述单向阀5开启的预紧力，所述止挡沿182与所述安装外壳21的粗端211内侧壁之间设置有密封垫22，所述密封垫22用于实现所述阀芯18的密封；其中当所述阀芯18受到的压力大于预紧力时所述单向阀5打开，工质通过所述阀芯18和所述密封垫22之间的缝隙流过，当所述阀芯18受到的压力小于预紧力时所述单向阀5关闭，工质不能反向通过所述阀芯18。
57.值得一提的是，所述安装外壳21两端设置有螺纹，所述安装外壳21通过两端的螺纹连接进所述工质传输管路4中，所述板弹簧20焊接于所述安装外壳21。
58.还值得一提的是，所述锁紧螺母19为外六角锁紧螺母19。
59.可以理解的是，当所述压缩腔15内的压力高于所述背压腔7时，由于所述单向阀5的截止作用，气体不会反向逆流，在一定程度上，减小了漏气损失。也就是说，本实用新型使用所述单向阀5连接所述压缩腔15和所述背压腔7，在平衡两个腔体的平均压力，有效解决所述动力活塞10偏移的同时，相较于纯管路连接方式，降低了所述发电机100的漏气损失。
60.同时，所述动力活塞10上的所述位移传感器9会实时采集所述动力活塞10的位置，从而得到不同的时刻的所述动力活塞10偏移情况，反馈给所述电磁阀6，以调整不同的开度，满足克服所述动力活塞10偏移所需要的出入前后两个腔体(即所述背压腔7和所述压缩腔15)的流量，也起到减小漏气损失的作用。
61.本实用新型在另一方面还提供了一种实时监控和校正发电机活塞偏移的方法，包括采用所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置200执行的以下步骤：
62.通过所述位移传感器9实时检测所述动力活塞10的位置，并在检测到所述动力活塞10发生偏移时，反馈偏移信号至所述电磁阀6；
63.所述电磁阀6接收所述偏移信号，并根据所述偏移信号反馈的所述动力活塞10的偏移量控制自身的开度，从而控制自背压腔7流入压缩腔15的工质的流量，进而平衡所述动力活塞10两侧的所述背压腔7和所述压缩腔15的压力，使得所述动力活塞10的位置被校正；
64.在所述位移传感器9检测到所述动力活塞10的位置偏移量为零时，所述电磁阀6自动关闭。
65.进一步地，所述实时监控和校正发电机活塞偏移的方法还包括步骤：
66.通过所述电磁阀6的工质流入所述单向阀5中；
67.当所述单向阀5的阀芯18受到的压力超过预设的预紧力时，所述单向阀5打开，使得工质进入压缩腔15，从而平衡所述动力活塞10两侧的压力，校正所述动力活塞10的位置；
68.当所述单向阀5的所述阀芯18受到的压力小于预设的预紧力时，所述单向阀5关闭，工质不能反向通过所述阀芯18。
69.本实用新型的所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置200通过所述位移传感器9和所述电磁阀6的配合工作，能够实时监控和调整偏移效果，并能够根据不同情况自行调整，操作简单，可靠性高。也就是说，本实用新型通过所述位移传感器9实时得到所述动力活塞10的偏移情况，以此反馈给所述电磁阀6，在线调整不同的开度，有助于根据偏移量的大小，控制所述工质传输管路4内的工质流量，从而动态平衡所述动力活塞10两侧的腔体压力，实现实时监控和调整所述动力活塞10的偏移，同时也能够起到减小发电机漏气损失的作用。
70.本实用新型的所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置200使用所述单向阀5
连接所述压缩腔15和所述背压腔7，在平衡两个腔体的平均压力，有效解决活塞偏移的同时，相较于纯管路连接方式，降低了发电机的漏气损失。
71.应该理解的是，本实用新型的所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置200可以应用在直线发电机中，例如自由活塞斯特林发电机中，也可以应用在其他类型的发电机中，本实用新型对所述实时监控和校正发电机活塞偏移的装置200的具体应用不作限制。
72.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
73.以上实施例仅表达了本实用新型的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。