CN101539124A - 输出旋转动力的热声发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输出旋转动力的热声发动机，包括热端换热器、板叠或回热器、冷端换热器及谐振管，其特征在于还包括：自整流空气透平装置，用于将振荡气流的交变流动转换成为旋转运动，位于所述谐振管内。针对现有热声发动机产生的往复交变的振荡气流转换为旋转运动输出功方法中，由于采用活塞推动曲柄连杆机构，引起的磨损大、效率低、寿命短，以及活塞运动位移不可调的问题，提供的输出旋转动力的热声发动机，可以实现将热声发动机产生的往复交变的振荡气流转换为旋转运动，并输出功，以驱动负载，具有磨损小、效率高、使用寿命长，可控性好的特点。

Description

输出旋转动力的热声发动机

技术领域

本发明涉及一种热声动力装置，特别是一种输出旋转动力的热声发动机。

背景技术

现有技术中将热声发动机产生的交变流动转换为回转运动输出功是通过活塞推动连杆机构来实现的。如图11所示，为现有热声发动机的结构示意图，在热端换热器1中加入热量，板叠2上形成温度梯度；当温度梯度超过临界温度梯度时系统开始工作，产生压力波；在该压力波的推动下，活塞12往复运动，通过连杆13带动曲轴14转动，该转动的曲轴14可以与旋转负载相连，输出功。其存在的问题主要有：①存在侧向力，活塞12与活塞腔间存在较大磨损，由于系统中不能有油存在，活塞12与活塞腔间的干摩擦会严重影响使用寿命；②活塞12位移固定，无法实现连续可调；③曲柄连杆机构存在运动死点，造成起动困难；④曲柄连杆与系统之间密封困难，系统要么将曲柄连杆机构一起包括到系统中造成体积庞大，要么只能工作在常压下，均会使系统的功率密度较低。

自整流空气透平主要是指，在气体的双向流动(交变流动)情形下，能够始终按一个固定方向旋转的透平装置，通常可以分为冲击透平(impulseturbine)和威尔斯透平(Wells turbine)。

发明内容

本发明的目的是针对现有热声发动机产生的往复交变的振荡气流转换为旋转运动输出功方法中，由于采用活塞推动曲柄连杆机构，引起的磨损大、效率低、寿命短，以及活塞运动位移不可调的问题，提供一种输出旋转动力的热声发动机，实现将热声发动机产生的往复交变的振荡气流转换为旋转运动，并输出功，具有磨损小、效率高、可控性好。

为了实现上述目的，本发明提供了一种输出旋转动力的热声发动机，包括热端换热器、板叠或回热器、冷端换热器及谐振管，其特征在于还包括：自整流空气透平装置，用于将振荡气流的交变流动转换成为旋转运动，位于所述谐振管内。

所述自整流空气透平装置为冲击透平装置或威尔斯透平装置。

由以上技术方案可知，本发明提供的输出旋转动力的热声发动机，可以实现将热声发动机产生的往复交变的振荡气流转换为旋转运动，并输出功，以驱动负载，具有磨损小、效率高、使用寿命长，可控性好的特点。

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1A为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例一的结构示意图；

图1B为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例一的冲击透平装置的平面结构示意图；

图1C为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例一的冲击透平装置的立体结构示意图；

图1D为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例一的冲击透平装置的另一平面结构示意图；

图2A为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例二的结构示意图；

图2B为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例二的威尔斯透平装置的平面结构示意图；

图2C为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例二的威尔斯透平装置的另一平面结构示意图；

图3为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例三的结构示意图；

图4为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例四的结构示意图；

图5为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例五的结构示意图；

图6为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例六的结构示意图；

图7A为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例七的结构示意图；

图7B为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例七的另一结构示意图；

图8为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例八的结构示意图；

图9为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例九的结构示意图；

图10A为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例的谐振腔用弹性质量块代替的结构示意图；

图10B为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例的谐振腔用弹性质量膜代替的结构示意图；

图11为现有技术热声发动机的结构示意图。

具体实施方式

本发明涉及的输出旋转动力的热声发动机，除了包括有常规热声发动机具有的热端换热器、板叠或回热器、冷端换热器及谐振管，还在其谐振管内设置有一自整流空气透平装置，该自整流空气透平装置用于将振荡气流的交变流动转换成为旋转运动，以驱动旋转式负载。利用该自整流空气透平装置产生旋转动力，比现有技术中采用曲柄连杆结构产生旋转动力，并输出功具有磨损小、效率高、可控性好等优良特性，并具有广泛的适应性。下面通过在各种热声发动机上安装该自整流空气透平装置，详细介绍输出旋转动力的热声发动机的结构。

如图1A所示，为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例一的结构示意图。该热声发动机为半波长驻波热声发动机，包括热端换热器1、板叠2、冷端换热器3及谐振管4，在谐振管4内置有冲击透平装置5。该冲击透平装置5的结构如图1B和图1C所示，图1B为该冲击透平装置5的平面结构示意图，图1C为该冲击透平装置5的立体结构示意图。冲击透平装置5包括：第一动叶轮51，中心固定于旋转轴53上，旋转轴53的方向与谐振管的长度方向一致；第一导流静叶52，位于第一动叶轮51的两侧，不可旋转，位置固定。第一动叶轮51的形状如图1B与图1C所示，第一导流静叶52的角度与第一动叶轮51的入射角一致。

其工作原理为：首先在该半波长驻波热声发动机的热端换热器1与冷端换热器3之间建立起温度梯度，当温度梯度超过临近温度梯度时，热声发动机开始工作，将收集到的热能转换成波动形式的声能，振动的空气形成的交变流体的运动从第一导流静叶52的缝隙进出，推动第一动叶轮51按照固定方向旋转，旋转的第一动叶轮51通过其旋转轴53带动旋转负载6工作。即当气流从一侧流经冲击透平的第一导流静叶52后，以一定的角度进入第一动叶轮51；气流与第一动叶轮51相互作用，气流将自身动能传递给第一动叶轮51，从而带动第一动叶轮51及与第一动叶轮51相连的负载旋转；当气流从另一侧相反方向运动时，由于透平结构的限制，第一动叶轮51将仍然按原来方向运动；随着气流的不断运动，其动能也源源不断地传递给第一动叶轮51，从而实现第一动叶轮51的连续转动。

在该冲击透平的两侧还可以分别配置一个整流罩54，该整流罩54用于调整透平位置气体的流动，可以使交变流体的运动更加规律，更好的推动第一动叶轮51旋转。

如图1D所示，置于图1A谐振管4内的冲击透平中的第一动叶轮51可为并排固定于旋转轴53上的多个相同的第一动叶轮51机构，图1D中为反向放置的两个第一动叶轮51，由于要保持第一导流静叶52的角度与第一动叶轮51的入射角一致，所以两侧的第一导流静叶52的方向是不同的。

不论采用上述图1C与图1D的哪种冲击透平装置，该冲击透平均可置于谐振管4内的任何位置，但其较佳位置为热声发动机流速较大的位置，图1A所示的半波长驻波热声发动机即为谐振管的中间位置。

本实施例中在半波长驻波热声发动机上设置冲击透平装置，可以实现将热声发动机产生的往复交变的振荡气流转换为旋转运动，并输出功，以驱动负载，具有磨损小、效率高、使用寿命长，可控性好的特点。

如图2A所示，为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例二的结构示意图。该热声发动机也为半波长驻波热声发动机，包括热端换热器1、板叠2、冷端换热器3及谐振管4，所不同的是，在谐振管4内置有威尔斯透平装置7。该威尔斯透平装置7的结构如图2B，图2B为该威尔斯透平装置7的平面结构示意图。威尔斯透平装置7包括：第二动叶轮71，中心固定于旋转轴73上，旋转轴73的方向与谐振管的长度方向一致；第二导流静叶72，位于第二动叶轮71的两侧，不可旋转，位置固定。第二动叶轮71的形状如图2B所示，类似水滴的形状，第二导流静叶72的角度与第二动叶轮71的入射角一致。

其工作原理为：首先在该半波长驻波热声发动机的热端换热器1与冷端换热器3之间建立起温度梯度，当温度梯度超过临近温度梯度时，热声发动机开始工作，将收集到的热能转换成波动形式的声能，振动的空气形成的交变流体的运动从第二导流静叶72的缝隙进出，推动第二动叶轮71按照固定方向旋转，旋转的第二动叶轮71通过其旋转轴73带动旋转负载6工作。

在该威尔斯透平的两侧还可以分别配置一个整流罩74，该整流罩74用于调整透平位置气体的流动，可以使交变流体的运动更加规律，更好的推动第二动叶轮71旋转。

如图2C所示，置于图2A谐振管4内的威尔斯透平装置7中的第二动叶轮71可为并排固定于旋转轴73上的多个相同的第二动叶轮71机构，图2C中为同向放置的两个第二动叶轮71，由于要保持第二导流静叶72的角度与第二动叶轮71的入射角一致，所以两侧的第二导流静叶72的方向也是相同的。

不论采用上述图2B与图2C的哪种威尔斯透平装置，该威尔斯透平均可置于谐振管4内的任何位置，但其较佳位置为热声发动机流速较大的位置，图2A所示的半波长驻波热声发动机即为谐振管的中间位置。

本实施例中在半波长驻波热声发动机上设置威尔斯透平装置，可以实现将热声发动机产生的往复交变的振荡气流转换为旋转运动，并输出功，以驱动负载，具有磨损小、效率高、使用寿命长，可控性好的特点。

如图3所示，为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例三的结构示意图。该热声发动机为四分之一波长驻波热声发动机，包括热端换热器1、板叠2、冷端换热器3及谐振管4，所不同的是，在谐振管的一侧端口处还设置有一气库8。在谐振管4内置有自整流空气透平装置，该自整流空气透平装置可以是图1B或图1D所示的冲击透平装置5，也可以是图2B或图2C所示的威尔斯透平装置7。

其工作原理为：首先在该四分之一波长驻波热声发动机的热端换热器1与冷端换热器3之间建立起温度梯度，当温度梯度超过临近温度梯度时，热声发动机开始工作，将收集到的热能转换成波动形式的声能，振动的空气形成的交变流体的运动从第一导流静叶52或第二导流静叶72的缝隙进出，推动第一动叶轮51或第二动叶轮71按照固定方向旋转，旋转的第一动叶轮51或第二动叶轮71通过其旋转轴53或73带动旋转负载6工作。

不论采用上述哪种自整流空气透平装置，均可置于谐振管4内的任何位置，但其较佳位置为该四分之一波长驻波热声发动机流速较大的位置，即为谐振管4连接气库8的入口处。

本实施例中在四分之一波长驻波热声发动机上设置自整流空气透平装置，可以实现将热声发动机产生的往复交变的振荡气流转换为旋转运动，并输出功，以驱动负载，具有磨损小、效率高、使用寿命长，可控性好的特点。

如图4所示，为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例四的结构示意图。该热声发动机为对置式驻波热声发动机，包括热端换热器1、板叠2、冷端换热器3及谐振管4，所不同的是，该驻波热声发动机由两个工作机理相同的驻波热声发动机对接而成，共用一个谐振管4，从而形成半波长热声发动机系统。在谐振管4内置有自整流空气透平装置，该自整流空气透平装置可以是图1B或图1D所示的冲击透平装置5，也可以是图2B或图2C所示的威尔斯透平装置7。

其工作原理与图1A和图2A所示的热声发动机的工作原理相同，不同的是该自整流空气透平的两端都有气体流动，推动动叶轮旋转的方式有所不同。

不论采用上述哪种自整流空气透平装置，均可置于谐振管4内的任何位置，但其较佳位置为该对置式驻波热声发动机流速较大的位置，即为该共用谐振管4的中心位置。

本实施例中在对置式驻波热声发动机上设置自整流空气透平装置，可以实现将热声发动机产生的往复交变的振荡气流转换为旋转运动，并输出功，以驱动负载，具有磨损小、效率高、使用寿命长，可控性好的特点。

如图5所示，为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例五的结构示意图。该热声发动机为带锥形谐振管或者截面沿轴向任意变化的半波长驻波热声发动机，包括热端换热器1、板叠2、冷端换热器3及谐振管4，所不同的是，谐振管4为锥形。在谐振管4内置有自整流空气透平装置，该自整流空气透平装置可以是图1B或图1D所示的冲击透平装置5，也可以是图2B或图2C所示的威尔斯透平装置7。

其工作原理与图1A和图2A所示的热声发动机的工作原理相同，不同的是该谐振管4成锥形或者截面沿轴向任意变化，可降低损失、提高压比。

不论采用上述哪种自整流空气透平装置，均可置于谐振管4内的任何位置，但其较佳位置为该带锥形谐振管的半波长驻波热声发动机流速较大的位置，即为该锥形谐振管4的中心位置。

本实施例中在带锥形谐振管的半波长驻波热声发动机上设置自整流空气透平装置，可以实现将热声发动机产生的往复交变的振荡气流转换为旋转运动，并输出功，以驱动负载，具有磨损小、效率高、使用寿命长，可控性好的特点。

如图6所示，为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例六的结构示意图。该热声发动机为带锥形谐振管的对置式驻波热声发动机，包括热端换热器1、板叠2、冷端换热器3及谐振管4，所不同的是，该驻波热声发动机由两个工作机理相同的半波长的驻波热声发动机对接而成，共用一个谐振管4，且该谐振管4成锥形。在谐振管4内置有自整流空气透平装置，该自整流空气透平装置可以是图1B或图1D所示的冲击透平装置5，也可以是图2B或图2C所示的威尔斯透平装置7。

其工作原理与图1A和图2A所示的热声发动机的工作原理相同，不同的是两端都有振动的气体流动，共同推动动叶轮旋转；且该共用谐振管4成锥形，可提高压比。

不论采用上述哪种自整流空气透平装置，均可置于谐振管4内的任何位置，但其较佳位置为该带锥形谐振管的对置式驻波热声发动机流速较大的位置，即为该共用谐振管4的中心位置。

本实施例中在带锥形谐振管的对置式驻波热声发动机上设置自整流空气透平装置，可以实现将热声发动机产生的往复交变的振荡气流转换为旋转运动，并输出功，以驱动负载，具有磨损小、效率高、使用寿命长，可控性好的特点。

如图7A所示，为输出旋转动力的热声发动机实施例七的结构示意图。该热声发动机为半波长行波热声发动机，包括热端换热器1、回热器2′、冷端换热器3及谐振管4，还包括有反馈管9、热缓冲管10及次冷端换热器11。在谐振管4内置有自整流空气透平装置，该自整流空气透平装置可以是图1B或图1D所示的冲击透平装置5，也可以是图2B或图2C所示的威尔斯透平装置7。

其工作原理为：首先在该半波长行波热声发动机的热端换热器1与冷端换热器3之间建立起温度梯度，当温度梯度超过临近温度梯度时，热声发动机开始工作，将收集到的热能转换成波动形式的声能，振动的空气形成的交变流体的运动从第一导流静叶52或第二导流静叶72的缝隙进出，推动第一动叶轮51或第二动叶轮71按照固定方向旋转，旋转的第一动叶轮51或第二动叶轮71通过其旋转轴53或73带动旋转负载6工作。

在该自整流空气透平装置的两侧还可以分别配置一个整流罩，该整流罩用于调整透平位置气体的流动，可以使交变流体的运动更加规律，更好的推动动叶轮旋转。

如图7B所示，为输出旋转动力的热声发动机实施例七的另一结构示意图。该半波长行波热声发动机的结构与图7A略有不同，为同轴式行波热声发动机，但其工作原理是相同的。

不论采用上述图7A与图7B的哪种自整流空气透平装置，均可置于谐振管4内的任何位置，但其较佳位置为热声发动机流速较大的位置，图7A或图7B所示的半波长行波热声发动机的谐振管4的中间位置。

本实施例中在半波长行波热声发动机上设置自整流空气透平装置，可以实现将热声发动机产生的往复交变的振荡气流转换为旋转运动，并输出功，以驱动负载，具有磨损小、效率高、使用寿命长，可控性好的特点。

如图8所示，为输出旋转动力的热声发动机实施例八的结构示意图。该热声发动机为四分之一波长行波热声发动机，包括热端换热器1、板叠2、冷端换热器3及谐振管4，还包括有反馈管9、热缓冲管10及次冷端换热器11。所不同的是，在谐振管4的一侧端口处还设置有一气库8。在谐振管4内置有自整流空气透平装置，该自整流空气透平装置可以是图1B或图1D所示的冲击透平装置5，也可以是图2B或图2C所示的威尔斯透平装置7。

其工作原理为：首先在该四分之一波长驻波热声发动机的热端换热器1与冷端换热器3之间建立起温度梯度，当温度梯度超过临近温度梯度时，热声发动机开始工作，将收集到的热能转换成波动形式的声能，振动的空气形成的交变流体的运动从第一导流静叶52或第二导流静叶72的缝隙进出，推动第一动叶轮51或第二动叶轮71按照固定方向旋转，旋转的第一动叶轮51或第二动叶轮71通过其旋转轴53或73带动旋转负载6工作。

不论采用上述哪种自整流空气透平装置，均可置于谐振管4内的任何位置，但其较佳位置为该四分之一波长行波热声发动机流速较大的位置，即为谐振管4连接气库8的入口处。

本实施例中在四分之一波长行波热声发动机上设置自整流空气透平装置，可以实现将热声发动机产生的往复交变的振荡气流转换为旋转运动，并输出功，以驱动负载，具有磨损小、效率高、使用寿命长，可控性好的特点。

如图9所示，为本发明输出旋转动力的热声发动机实施例九的结构示意图。该热声发动机为对置式行波热声发动机，包括热端换热器1、板叠2、冷端换热器3及谐振管4，还包括有反馈管9、热缓冲管10及次冷端换热器11。所不同的是，该行波热声发动机由两个工作机理相同的半波长的行波热声发动机对接而成，共用一个谐振管4。在谐振管4内置有自整流空气透平装置，该自整流空气透平装置可以是图1B或图1D所示的冲击透平装置5，也可以是图2B或图2C所示的威尔斯透平装置7。

其工作原理与图7A所示的热声发动机的工作原理相同，不同的是两端都有振动的气体流动，推动动叶轮旋转。

不论采用上述哪种自整流空气透平装置，均可置于谐振管4内的任何位置，但其较佳位置为该对置式行波热声发动机流速较大的位置，即为该共用谐振管4的中心位置。

本实施例中在对置式行波热声发动机上设置自整流空气透平装置，可以实现将热声发动机产生的往复交变的振荡气流转换为旋转运动，并输出功，以驱动负载，具有磨损小、效率高、使用寿命长，可控性好的特点。

在上述提到的无论是半波长还是四分之一波长，无论是驻波还是行波的热声发动机，其谐振管4均可由弹性质量块4′或弹性质量膜4″来代替，如图10A、图10B所示，自整流空气透平装置均可置于弹性质量块4′或弹性质量膜4″一侧的任何位置，但其较佳位置仍为产生的声波流速较大的位置。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1、一种输出旋转动力的热声发动机，包括热端换热器、板叠或回热器、冷端换热器及谐振管，其特征在于还包括：自整流空气透平装置，用于将振荡气流的交变流动转换成为旋转运动，位于所述谐振管内。

2、根据权利要求1所述的输出旋转动力的热声发动机，其特征在于，所述自整流空气透平装置为冲击透平装置或威尔斯透平装置。

3、根据权利要求2所述的输出旋转动力的热声发动机，其特征在于，所述冲击透平装置包括：中心固定于旋转轴上的第一动叶轮。

4、根据权利要求3所述的输出旋转动力的热声发动机，其特征在于，所述冲击透平装置还包括：位于所述第一动叶轮两侧的第一导流静叶，所述第一导流静叶的角度与第一动叶轮的入射角一致。

5、根据权利要求3或4所述的输出旋转动力的热声发动机，其特征在于，所述第一动叶轮为多个并排固定于旋转轴上。

6、根据权利要求5所述的输出旋转动力的热声发动机，其特征在于，所述冲击透平装置还包括有整流罩，位于所述第一导流静叶的外侧。

7、根据权利要求2所述的输出旋转动力的热声发动机，其特征在于，所述威尔斯透平装置包括：中心固定于旋转轴上的第二动叶轮。

8、根据权利要求7所述的输出旋转动力的热声发动机，其特征在于，所述威尔斯透平装置还包括：位于所述第二动叶轮两侧的第二导流静叶，所述第二导流静叶的角度与第二动叶轮的入射角一致。

9、根据权利要求7或8所述的输出旋转动力的热声发动机，其特征在于，所述第二动叶轮为多个并排固定于旋转轴上。

10、根据权利要求9所述的输出旋转动力的热声发动机，其特征在于，所述威尔斯透平装置还包括有整流罩，位于所述第二导流静叶的外侧。

11、根据权利要求1所述的输出旋转动力的热声发动机，其特征在于，所述自整流空气透平装置位于所述谐振管内气体流速最大的位置。

12、根据权利要求11所述的输出旋转动力的热声发动机，其特征在于，所述热声发动机为半波长驻波/行波热声发动机，所述自整流空气透平装置位于所述谐振管腔体的中间位置。

13、根据权利要求11所述的输出旋转动力的热声发动机，其特征在于，所述热声发动机为四分之一波长驻波/行波热声发动机，该四分之一波长驻波/行波热声发动机的谐振管的一端连接有气库，所述自整流空气透平装置位于所述谐振管连接的所述气库入口处。

14、根据权利要求12或13所述的输出旋转动力的热声发动机，其特征在于，所述热声发动机的谐振管采用弹性质量块或弹性质量膜来取代，所述弹性质量块或弹性质量膜的一侧依次置有热端换热器、板叠或回热器、冷端换热器，另一侧置有所述自整流空气透平装置。

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