CN104775932B - 一种声功多级放大的行波热声发动机系统 - Google Patents
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Abstract
一种声功多级放大的行波热声发动机系统，其由N级热声发动机单元通过谐振管首尾相连的环路结构和负载组成；各单元长度相等横截面积不等，按其横截面积由大到小或由小到大形成环路，单元横截面积越大级数越高；谐振管长度相等横截面积不等；第一与第N级单元间的谐振管横截面积最小，其余谐振管横截面积随连接的单元横截面积增大而增大；工作时在各单元回热器温度梯度下热能转换成声功，声功沿温度梯度正方向传递并放大，放大后的声功传递到下一级单元的回热器中放大传递到再下一级单元；经多级放大的声功大部分被负载消耗，其余传至第一级单元继续上述流程；其可实现声功指数倍放大利于驱动大功率负载；回热器均处行波相位，热声转换效率高。
Description
技术领域
本发明属于发动机领域，特别涉及一种声功多级放大的行波热声发动机系统。
背景技术
热声发动机是一种利用管件和换热器在其内部获得合适声场，并通过工作介质和回热器之间的相互作用将热能转化为声能的装置，具有无机械运动部件、可靠性高、寿命长等优点。根据热声转换的声场特性，热声发动机分为行波热声发动机和驻波热声发动机。行波热声发动机基于可逆的热声斯特林循环，相较于基于不可逆循环的驻波热声发动机而言具有潜在的高效率，是热声发动机研究和发展的重要方向。
图1为Swift等人提出的带驻波谐振管的环形管行波热声发动机系统的结构示意图。该发动机主要由行波环路、谐振管9和负载10组成，行波环路由主冷却器2、回热器3、加热器4、热缓冲管6、次冷却器8组成。从声场性质来看，这是一台行/驻波混合型热声发动机。该热声发动机驻波谐振管末端引进了局部行波回路，在性能上较之前的行波热声发动机有很大的提高。但是，该热声发动机的一部分声功在驻波谐振管中完全耗散掉，输出的声功较少；并且，谐振管尺寸很大，系统功率密度较低。这些问题都严重制约了该系统进一步的应用。
图2为罗二仓等人的CN103758657A提出的声学共振型行波热声发电系统结构示意图。该行波热声发电系统主要由至少三台声学共振型行波热声发动机、直线电机和谐振管6组成。相比于图1的系统，该系统大大减小了谐振管9的尺寸，同时回收了耗散在谐振管的声功，大大提高了系统的功率密度和潜在热效率；同时，该系统中每一回热器4均处于理想的行波相位，有利于更高效率的声功转换；热缓冲管6两端增加了高温端层流化丝网5和低温端层流化丝网7，很好的解决热声发动机系统中冷热损失的问题；并且，该系统安装了环路直流抑制器(直流抑制器1安装在每一主冷却器2入口和谐振管连接处，用于抑制环路直流)，消除了系统的直流；由于以上几点的改变，该系统性能有明显的提高；但是，这种系统主要适合接多个负载10的声功输出，输出装置复杂，每个单元输出声功较小，无法实现声功多级放大和集中输出，不适合驱动单一大功率负载。
发明内容
本发明的目的在于提供一种声功多级放大的行波热声发动机系统，其结构简单、无运动部件，热声发动机单元中的回热器工作在行波相位，系统结构紧凑，能量密度高；既结合了声学共振热声发动机的结构紧凑、潜在效率高、回热器相位合理等优点，又可以实现声功多级放大和单一输出，可很好地满足大功率负载(大冷量脉管制冷机或大功率发电装置)需求。特别地，该系统能够实现声功的几何倍数的放大及单一输出，输出装置简单，在驱动大功率负载(大冷量脉管制冷机或大功率发电装置)方面具有广阔的发展和应用前景。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的声功多级放大的行波热声发动机系统，其为由N级热声发动机单元通过谐振管首尾相连构成的环路结构和负载组成；
所述N级热声发动机单元的长度相等，横截面积不等，且按照其横截面面积由大到小或者由小到大形成环路，热声发动机单元横截面积越大，级数越高；所述谐振管长度相等，横截面积不等；连接第一级热声发动机单元与第N级热声发动机单元的谐振管横截面积最小，其余谐振管的横截面积随着连接的热声发动机单元的横截面积的增大而增大；所述N＝3～6的正整数；
所述N级热声发动机单元中的每一热声发动机单元均由依次串接的直流抑制器、主冷却器、回热器、加热器、高温端层流化元件、热缓冲管、室温端层流化元件和次冷却器组成；所述每一级热声发动机单元中的高温端层流化元件安装在每一热声发动机单元中的热缓冲管的高温侧，所述每一级热声发动机单元的室温端层流化元件安装在每一热声发动机单元中的热缓冲管的室温侧；所述直流抑制器安装在每一级热声发动机单元的主冷却器入口和谐振管连接处，用于抑制环路直流；
所述负载旁接于第N级热声发动机单元的次冷却器出口与谐振管连接处；
所述N级热声发动机单元中的每一级热声发动机单元中的加热器与热源相连，以吸收热源热量而形成相同温度的高温端；所述每一热声发动机单元的主冷却器和次冷却器通过水冷器冷却以维持在室温；由此，每一级热声发动机单元的回热器上形成相同的温度梯度，在该温度梯度下，每一级热声发动机单元的回热器内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器的热量转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播并放大；声功经环路结构中的N级热声发动机单元的放大与传递的流程如下：声功在第一级热声发动机单元的回热器中放大，放大后的声功通过谐振管传递到下一级热声发动机单元，并在该下一级热声发动机单元的回热器中进一步放大并继续传递到再下一级热声发动机单元，并在该再下一级热声发动机单元的回热器中再进一步放大并继续传递；最后，经过多级放大后的声功大部分传递给负载，其余部分声功通过谐振管返回到第一级热声发动机单元，如此循环，以使多级放大声功的行波热声发动机系统稳定运行；
所述的声功多级放大的行波热声发动机系统使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。
所述直流抑制器为弹性隔膜元件或者非对称水力元件。相邻两级热声发动机单元的横截面积比为其中一个回热器两端温度比的0.5～1倍。相邻两个谐振管的横截面积比为其中一个回热器两端温度比的0.5～1倍。每一级热声发动机单元的回热器中声功放大倍数为该级热声发动机单元的回热器两端温度比的0.5-1倍。所述的负载为直线电机或脉管制冷机。
本发明的声功多级放大的行波热声发动机系统，其优点在于：能够实现声功指数倍地放大和集中输出，输出装置简单；环路中可按照负载的声功需求任意调整热声发动机单元级数，方便灵活；每一热声发动机单元的回热器均可实现行波相位，并解决传统发动机谐振管尺寸过大的问题，整个系统结构紧凑，潜在效率高，在驱动大功率负载(大冷量脉管制冷机或大功率发电装置)方面具有广阔的发展和应用前景。
附图说明
图1是Swift等人提出的带谐振管的环形管行波热声发动机结构示意图
图2是罗二仓等人提出的声学共振型行波热声发电系统结构示意图；
图3是本发明实施例1结构示意图；
图4是本发明实施例2结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明利用多级热声发动机单元实现声功的指数倍地放大，有利于驱动大功率负载；环路中可以根据输出需求调整热声发动机单元的数量，方便灵活；同时，系统取消了传统热声发动机体积较大的驻波谐振管，结构紧凑，并回收了耗散在谐振管中的声功，具有潜在高效率；并且，系统输出装置简单，集中输出，有利于系统成本降低。
实施例1
图3是本发明的一种声功多级放大的行波热声发动机驱动脉管制冷机系统(实施例1)结构示意图；如图3所示，本实施例1的多级声功放大行波热声发动机系统由3级(#1热声发动机单元、#2热声发动机单元和#3热声发动机单元)长度相等、横截面积不等的热声发动机单元组成及负载10组成；各级热声发动机单元通过长度相等、横截面积不等的谐振管9首尾相连构成环路结构；每一级热声发动机单元均由依次相连的直流抑制器1、主冷却器2、回热器3、加热器4、高温端层流化元件5、热缓冲管6、室温端层流化元件7和次冷却器8组成；直流抑制器1安装在每一级热声发动机单元的主冷却器2入口和谐振管连接处，用于抑制环路直流；
#1热声发动机单元、#2热声发动机单元和#3热声发动机单元的横截面积依次增大，顺时针分布呈环路结构；其两两热声发动机单元之间的谐振管横截面积也依次增大；负载(本实施例为脉管制冷机)10接于#3热声发动机单元中的次冷却器8出口与谐振管9连接处；
3级热声发动机单元中的每一热声发动机单元中的加热器4与热源相连，以吸收热源热量形成相同温度的高温端；每一热声发动机单元的主冷却器2和次冷却器8通过水冷器冷却以维持在室温；由此，每一级热声发动机单元的回热器3上形成相同的温度梯度，在该温度梯度条件下，每一级热声发动机单元的回热器3内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器4的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，放大后的声功通过谐振管9传递到下一级热声发动机单元，并在下一级热声发动机单元的回热器中进一步放大并继续传递到再下一级热声发动机单元，并在再下一级热声发动机单元的回热器中再进一步放大，如此实现声功沿环路结构的各级热声发动机单元依次放大与传递；
假如声功在各级热声发动机单元的回热器中放大倍数与该回热器两端温度比的比值为1，并且该回热器3两端温度比为3，则声功的放大与传递过程如下：1份声功在#1热声发动机单元的回热器3中放大成3份，放大后的3份声功通过谐振管9传递到#2热声发动机单元的回热器3中又放大3倍，即放大后的声功为9份；9份放大后的声功继续通过谐振管9传递到#3热声发动机单元的回热器3中再继续放大3倍，则放大后的声功为27份；最后，26份声功传递至负载10(脉管制冷机)用来产生冷量，剩余1份声功再传递到#1热声发动机单元的回热器中，继续按照上述流程放大并传递。
由于声功在每一级热声发动机单元中均被放大，为了传递及放大更大量的声功，下一级热声发动机单元的横截面积以及传递该声功的谐振管的横截面积也相应增大；相邻两个发动机单元的横截面积比为其中一个回热器3两端的温度比的0.5～1倍，相邻两个谐振管的横截面积比为其中一个回热器3两端的温度比的0.5～1倍。
实施例2：
图4是本发明的一种声功多级放大的行波热声发动机驱动直线电机系统(实施例2)结构示意图；如图4所示，本实施例2的多级声功放大行波热声发动机系统由4级(#1热声发动机单元、#2热声发动机单元、#3热声发动机单元和#4热声发动机单元长度相等、横截面积不等的热声发动机单元和负载10组成；各级热声发动机单元通过长度相等，横截面积不等的谐振管9首尾相连构成环路结构；每一级热声发动机单元均由依次相连的直流抑制器1、主冷却器2、回热器3、加热器4、高温端层流化元件5、热缓冲管6、室温端层流化元件7和次冷却器8组成；直流抑制器1安装在每一级热声发动机单元的主冷却器2入口和谐振管连接处，用于抑制环路直流；
#1热声发动机单元、#2热声发动机单元、#3热声发动机单元和#4热声发动机单元横截面积依次增大，顺时针分布呈环路结构；其两两热声发动机单元之间谐振管的横截面积也依次增大；负载(脉管制冷机)10接于#4热声发动机单元中的次冷却器8出口与谐振管9连接处；
4级热声发动机单元中的每一级热声发动机单元中的加热器4均与热源相连，吸收热源热量以形成相同温度的高温端；每一级热声发动机单元的主冷却器2和次冷却器8通过水冷器冷却以维持在室温；每一级热声发动机单元的回热器3上均形成相同的温度梯度，在该温度梯度条件下，每一级热声发动机单元的回热器3内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到该级热声发动机单元的加热器4的热量转化成声功；声功沿着温度梯度的正方向传播并放大，放大后的声功通过谐振管9传递到下一级热声发动机单元，并在下一级热声发动机单元的回热器中进一步放大并继续传递到再下一级热声发动机单元，并在再下一级热声发动机单元的回热器中再进一步放大；如此实现声功沿环路结构的各级热声发动机单元依次放大与传递；
假如声功在回热器中放大倍数等于每级回热器两端的温度比，并且回热器3两端温度比为3，则声功的放大与传递过程如下：1份声功在#1热声发动机单元的回热器3中放大成3份，放大后的3份声功通过谐振管9传递到#2热声发动机单元的回热器3中再放大3倍，即放大后的声功为9份；9份放大后的声功继续通过谐振管9传递到#3热声发动机单元的回热器3中再放大3倍，即放大后的声功为27份；27份放大后的声功继续通过谐振管9传递到#4热声发动机单元的回热器3中放大成81份；最后，80份声功被输出给负载(本实施例为脉管制冷机)10用来发电，剩余1份声功再传递到#1热声发动机单元的回热器中，继续按照上述流程放大并传递。
由于声功在每一级热声发动机单元中均被放大，为了传递及放大更大量的声功，下一级热声发动机单元的横截面积以及传递该声功的谐振管9的横截面积也相应增大；相邻两个发动机单元的横截面积比为其中一个回热器3两端的温度比的0.5～1倍，相邻两个谐振管的横截面积比为其中一个回热器3两端的温度比的0.5～1倍。
依此类推，本发明的热声发动机单元可为N级，所述N＝3～6的正整数。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (6)
1.一种声功多级放大的行波热声发动机系统，其由N级热声发动机单元通过谐振管首尾相连构成的环路结构和负载组成；
所述N级热声发动机单元的长度相等，横截面积不等，且按照其横截面面积由大到小或者由小到大形成环路，热声发动机单元横截面积越大，级数越高；所述谐振管长度相等，横截面积不等；连接第一级热声发动机单元与第N级热声发动机单元的谐振管横截面积最小，其余谐振管的横截面积随着连接的热声发动机单元的横截面积的增大而增大；所述N为3～6的正整数；
所述N级热声发动机单元中的每一热声发动机单元均由依次串接的直流抑制器、主冷却器、回热器、加热器、高温端层流化元件、热缓冲管、室温端层流化元件和次冷却器组成；每一级热声发动机单元中的高温端层流化元件安装在每一热声发动机单元中的热缓冲管的高温侧，每一级热声发动机单元的室温端层流化元件安装在每一级热声发动机单元中的热缓冲管的室温侧；所述直流抑制器安装在每一级热声发动机单元的主冷却器入口和谐振管连接处，用于抑制环路直流；
所述负载旁接于第N级热声发动机单元的次冷却器出口与谐振管连接处；
所述N级热声发动机单元中的每一级热声发动机单元中的加热器与热源相连，以吸收热源热量而形成相同温度的高温端；所述每一热声发动机单元的主冷却器和次冷却器通过水冷器冷却以维持在相同的室温；由此，每一级热声发动机单元的回热器上形成相同的温度梯度，在该温度梯度下，每一级热声发动机单元的回热器内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将输入到加热器的热量转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播并放大；声功经环路结构中的N级热声发动机单元的放大与传递的流程如下：声功在第一级热声发动机单元的回热器中放大，放大后的声功通过谐振管传递到下一级热声发动机单元，并在该下一级热声发动机单元的回热器中进一步放大并继续传递到再下一级热声发动机单元，并在该再下一级热声发动机单元的回热器中再进一步放大并继续传递；最后，经过多级放大后的声功大部分传递给负载，其余部分声功通过谐振管返回到第一级热声发动机单元，如此循环，以使多级放大声功的行波热声发动机系统稳定运行；
所述的声功多级放大的行波热声发动机系统使用的工质为氦气、氢气、氮气或其组合。
2.按权利要求1所述的声功多级放大的行波热声发动机系统，其特征在于，所述直流抑制器为弹性隔膜元件或者非对称水力元件。
3.按权利要求1所述的声功多级放大的行波热声发动机系统，其特征在于，相邻两级热声发动机单元的横截面积比为其中一个回热器两端温度比的0.5～1倍。
4.按权利要求1所述的声功多级放大的行波热声发动机系统，其特征在于，相邻两个谐振管的横截面积比为其中一个回热器两端温度比的0.5～1倍。
5.按权利要求1所述的声功多级放大的行波热声发动机系统，其特征在于，所述每一级热声发动机单元的回热器中声功放大倍数为该级热声发动机单元的回热器两端温度比的0.5-1倍。
6.按权利要求1所述的声功多级放大的行波热声发动机系统，其特征在于，所述的负载为直线电机或脉管制冷机。
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|---|---|---|---|---|
| US10302071B2 (en) | 2017-10-27 | 2019-05-28 | Northrop Grumman Systems Corporation | Toroidal spiral cascading of multiple heat engine stages in traveling wave thermoacoustic engines |
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