直驅(qū)型熱聲發(fā)電系統(tǒng)的研究.pdf

1、熱聲發(fā)電機(jī)以其低成本、高可靠、對環(huán)境友好等特點(diǎn)受到較多研究者的關(guān)注，其中對結(jié)構(gòu)尺寸較大的帶諧振管的熱聲發(fā)電機(jī)的研究較多，并取得了一定的進(jìn)展，而針對空間應(yīng)用的長壽命、小尺寸的熱聲發(fā)電機(jī)的研究較少，目前國內(nèi)僅本課題組開展了對直驅(qū)型熱聲發(fā)電機(jī)的研究。為詳細(xì)研究其運(yùn)行模態(tài)，實(shí)現(xiàn)非線性起振，提高整機(jī)性能，本文開展了相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用網(wǎng)絡(luò)阻抗分析方法，建立熱聲發(fā)電機(jī)的整機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型。熱聲發(fā)電機(jī)是一個(gè)集合了熱、

2、聲、電、磁的復(fù)雜系統(tǒng)，各部件之間的阻抗匹配特性是其中的關(guān)鍵問題。熱聲發(fā)電機(jī)中包括氣體聲阻抗、機(jī)械阻抗和電阻抗，線性發(fā)電機(jī)作為熱聲發(fā)電機(jī)的諧振元件，其阻抗不僅受自身參數(shù)的影響，還受熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性的影響。在對熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和線性發(fā)電機(jī)的控制方程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，分別對其建立網(wǎng)絡(luò)模型，然后根據(jù)二者在聲功輸出口的振蕩壓力、體積流率及焓的連續(xù)性，建立了熱聲發(fā)電機(jī)的整機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型。⑵直驅(qū)型熱聲發(fā)電機(jī)的各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真計(jì)算與分析?；谒⒌臒崧暟l(fā)

3、電機(jī)整機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型，編寫了整機(jī)仿真程序。分別對熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱器、回?zé)崞鳌⒅骼涠怂淦?、容、慣性管、聲功輸出口、次冷端水冷器、熱緩沖管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及線性發(fā)電機(jī)的活塞面積、間隙尺寸、動(dòng)質(zhì)量、機(jī)電轉(zhuǎn)換常數(shù)、機(jī)械阻尼系數(shù)、板彈簧剛度系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)對整機(jī)的影響進(jìn)行了仿真分析，以提高整機(jī)性能為設(shè)計(jì)原則，初步確定熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)各部件結(jié)構(gòu)尺寸值及線性發(fā)電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)值。⑶研制能與熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)形成良好阻抗匹配的線性發(fā)電機(jī)，建立了線性發(fā)電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)測量系統(tǒng)。根據(jù)

4、仿真計(jì)算所得到的線性發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，針對整機(jī)對電磁轉(zhuǎn)換性能的要求，結(jié)合動(dòng)力學(xué)特性，采用電磁場分析軟件Ansoft Maxwell對線性發(fā)電機(jī)的電磁部件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，以獲得合適的機(jī)電轉(zhuǎn)換常數(shù)為前提，確定硅鋼片疊片鐵芯的尺寸及繞組線圈的長度。線性發(fā)電機(jī)的活塞與氣缸之間的間隙尺寸較小，同軸度要求較高，為此，經(jīng)過長期探索，本文形成了一套完整的加工及裝配工藝流程。另外，線性發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)受加工和裝配影響很大，為明確其最終的參數(shù)，本文建立了一套

5、準(zhǔn)確測量線性發(fā)電機(jī)的間隙尺寸、板彈簧剛度系數(shù)、機(jī)電轉(zhuǎn)換常數(shù)以及機(jī)械阻尼系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的方法及裝置。⑶對所設(shè)計(jì)的熱聲發(fā)電機(jī)開展實(shí)驗(yàn)研究，通過六輪樣機(jī)的研制實(shí)現(xiàn)了整機(jī)非線性起振及長期且高效的運(yùn)行。通過兩輪樣機(jī)的研究，分別采用不同形式的線性發(fā)電機(jī)作為聲負(fù)載，實(shí)現(xiàn)整機(jī)非線性起振。對加熱器的結(jié)構(gòu)及材料、保溫裝置結(jié)構(gòu)及材料、耐壓腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，解決高溫端加熱器變形、漏熱量大、活塞“卡缸”等問題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長期、高效的運(yùn)行。對充放氣系統(tǒng)和電功率輸出系統(tǒng)

6、進(jìn)行簡化，將其整合在一個(gè)小控制箱內(nèi)，減小熱聲發(fā)電系統(tǒng)整體尺寸。⑷提出熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)聲功輸出口調(diào)相技術(shù)，改善熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與線性發(fā)電機(jī)的阻抗匹配特性，實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)型熱聲發(fā)電機(jī)較高的電功率輸出。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的聲功輸出口是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與線性發(fā)電機(jī)的耦合部位，其結(jié)構(gòu)與尺寸對熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與線性發(fā)電機(jī)的阻抗匹配特性起關(guān)鍵性作用。聲功輸出口的壓流相位差通常在80°左右，通過增加不同形狀、不同大小調(diào)相裝置以及將其放置在不同的位置，可以在不同程度上減小壓流相位差，同時(shí)增