直驅(qū)型熱聲發(fā)電系統(tǒng)的研究.pdf

1、熱聲發(fā)電機以其低成本、高可靠、對環(huán)境友好等特點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)電機的研究較多，并取得了一定的進展，而針對空間應(yīng)用的長壽命、小尺寸的熱聲發(fā)電機的研究較少，目前國內(nèi)僅本課題組開展了對直驅(qū)型熱聲發(fā)電機的研究。為詳細研究其運行模態(tài)，實現(xiàn)非線性起振，提高整機性能，本文開展了相關(guān)的理論與實驗研究。
　　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)電機的整機網(wǎng)絡(luò)模型。熱聲發(fā)電機是一個集合了熱、

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)電機中包括氣體聲阻抗、機械阻抗和電阻抗，線性發(fā)電機作為熱聲發(fā)電機的諧振元件，其阻抗不僅受自身參數(shù)的影響，還受熱聲發(fā)動機輸出特性的影響。在對熱聲發(fā)動機和線性發(fā)電機的控制方程進行分析的基礎(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)電機的整機網(wǎng)絡(luò)模型。⑵直驅(qū)型熱聲發(fā)電機的各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真計算與分析。基于所建立的熱聲發(fā)

3、電機整機網(wǎng)絡(luò)模型，編寫了整機仿真程序。分別對熱聲發(fā)動機的加熱器、回熱器、主冷端水冷器、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)電機的活塞面積、間隙尺寸、動質(zhì)量、機電轉(zhuǎn)換常數(shù)、機械阻尼系數(shù)、板彈簧剛度系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)對整機的影響進行了仿真分析，以提高整機性能為設(shè)計原則，初步確定熱聲發(fā)動機各部件結(jié)構(gòu)尺寸值及線性發(fā)電機關(guān)鍵參數(shù)值。⑶研制能與熱聲發(fā)動機形成良好阻抗匹配的線性發(fā)電機，建立了線性發(fā)電機關(guān)鍵參數(shù)測量系統(tǒng)。根據(jù)

4、仿真計算所得到的線性發(fā)電機的關(guān)鍵參數(shù)，針對整機對電磁轉(zhuǎn)換性能的要求，結(jié)合動力學特性，采用電磁場分析軟件Ansoft Maxwell對線性發(fā)電機的電磁部件進行仿真設(shè)計，以獲得合適的機電轉(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)電機的設(shè)計參數(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、準確測量線性發(fā)電機的間隙尺寸、板彈簧剛度系數(shù)、機電轉(zhuǎn)換常數(shù)以及機械阻尼系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的方法及裝置。⑶對所設(shè)計的熱聲發(fā)電機開展實驗研究，通過六輪樣機的研制實現(xiàn)了整機非線性起振及長期且高效的運行。通過兩輪樣機的研究，分別采用不同形式的線性發(fā)電機作為聲負載，實現(xiàn)整機非線性起振。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)進行改進，解決高溫端加熱器變形、漏熱量大、活塞“卡缸”等問題，實現(xiàn)系統(tǒng)長期、高效的運行。對充放氣系統(tǒng)和電功率輸出系統(tǒng)

6、進行簡化，將其整合在一個小控制箱內(nèi)，減小熱聲發(fā)電系統(tǒng)整體尺寸。⑷提出熱聲發(fā)動機聲功輸出口調(diào)相技術(shù)，改善熱聲發(fā)動機與線性發(fā)電機的阻抗匹配特性，實現(xiàn)了直驅(qū)型熱聲發(fā)電機較高的電功率輸出。熱聲發(fā)動機的聲功輸出口是熱聲發(fā)動機與線性發(fā)電機的耦合部位，其結(jié)構(gòu)與尺寸對熱聲發(fā)動機與線性發(fā)電機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，同時增