CN107917337A - 基于变容积阻尼气库的液氦容器热声振荡抑制装置 - Google Patents

Abstract

一种基于可变容积阻尼气库的液氦容器热声振荡抑制装置，包括毛细管、气库套筒、阻尼气库、移动板、丝杆固定轴承、滚珠丝杠、螺母副、丝杠螺母固定板、标尺、气库固定板和压力传感器，所述的阻尼气库采用波纹管，既能够使气库具备耐高压，密封性良好的特点，又能利用波纹管的轴向可伸缩性来实现阻尼气库容积的改变。根据液氦容器的不同使用工况，可对气库容积进行手动或自动调节，确保装置对液氦容器热声振荡的抑制效果最佳。

Description

基于变容积阻尼气库的液氦容器热声振荡抑制装置

技术领域

本发明涉及液氦贮存容器，特别是一种基于变容积阻尼气库的液氦容器热声振荡抑制装置。

技术背景

液氦贮存容器或者实验容器由于加注、排气等必要功能的存在，必然存在连接室温环境与低温容腔的管路。这些管路在室温端往往安装有用于实现通断操作的截止阀，且大部分时间都处于关闭状态；低温端则插入液氦容器内胆内部，且处于开口状态。这种封闭端位于室温环境，开口端处于低温环境的半封闭管内，氦气极易自发地产生压力振荡，也称为热声振荡。

热声振荡的发生会给液氦容器带来三方面问题：

(1)导致容器内压力、温度出现波动，过大的压力振幅甚至可能会危害容器的结构稳定性；

(2)造成液氦容器漏热剧增，对于敞口容器，液氦蒸发损失将会显著增大；对于密闭容器，压力上升速度会远高于设计值，若压力得不到有效控制，一旦超过容器耐压极限，将会造成爆炸等安全事故；

(3)容器内压力、温度的波动会给实验类液氦容器内的数据测量带来误差，造成无法准确监测容器内部状态。

为避免上述问题，需要采取有效措施来抑制液氦容器中的热声振荡。

经过对现有技术进行检索发现，公开号为CN101054960的中国专利“多谐振管热声发动机”和公开号为CN106762495的中国专利“热声驱动机组、热声发动机及热声热泵系统”公开了以产生、激励热声振荡为目的的热声发动机，将热能转换成机械能，但两项发明的使用目的与本发明正好相反，无法直接利用。授权公告号为CN105393057的中国专利“用于燃气涡轮机的燃烧器和用于减少燃气涡轮机中的热声振荡的方法”提出通过调整燃料流的驻留时间曲线来减少燃烧器内热声振荡的发生，但是这种方法无法应用在没有流动的液氦容器半封闭管内。公开号为CN104676649的中国专利“一种阻尼热声振荡声学火焰筒”提出了采用谐振器来抑制燃烧室内热声振荡的方案，但该方案中的谐振器不可调节，因而仅能对某一特定频率附近的高温热声振荡起到抑制作用，当燃烧器运行工况发生改变，导致热声振荡频率偏离谐振器固有频率后，这种方案的热声振荡抑制效果必然减弱甚至失效。授权公告号为CN101263343的中国专利“尤其在燃气轮机内阻尼热声振荡的方法和装置”提出在燃烧室机闸上安装谐振器，并在谐振器和燃烧室之间通过两条管路进行连接的方式来抑制某一频段的热声振荡，但是这种方法可能导致燃烧室与谐振器之间形成气体环流，造成大量漏热，这对绝热性能要求极高的液氦容器极为不利。此外，上述有关抑制热声振荡的发明专利均是针对燃烧器内的高温燃烧过程而提出的，由于燃烧器结构、工作温度、工作压力、使用环境和绝热性能要求与液氦容器有着巨大差异，因而上述方案均不适用液氦容器。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于可变容积阻尼气库的液氦容器热声振荡抑制装置，通过利用热声振荡本身来激励气库内的氦气产生错开相位的阻尼振荡，并使两种振荡在半封闭管内相互叠加，从而在宏观上实现热声振荡的抑制和消除。该装置可在满足良好密封性和耐高压特性的前提下，随液氦容器运行工况动态地调节气库容积，从而改变阻尼振荡阻抗，确保装置对热声振荡的抑制效果最佳。该装置不仅适用于使用工况恒定的液氦容器，对于运行工况不断发生变化的液氦容器也能起到最佳的热声振荡抑制效果。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于变容积阻尼气库的液氦容器热声振荡抑制装置，其特点在于，该装置包括毛细管、气库套筒、阻尼气库、移动板、丝杆固定轴承、滚珠丝杠、螺母副、丝杠螺母固定板、标尺、气库固定板和压力传感器，所述的阻尼气库由波纹管构成，所述的阻尼气库置于所述的气库套筒内，所述的气库套筒顶端是所述的丝杠螺母固定板，所述的阻尼气库的底部是气库固定板，顶部是所述的移动板，所述的滚珠丝杠通过所述的螺母副安装在所述的丝杠螺母固定板中轴位置，所述的滚珠丝杠的底端通过所述的丝杆固定轴承固定在所述的移动板上的轴心位置，所述的滚珠丝杠的顶端连接丝杆驱动装置,所述的毛细管的固定端与所述的气库固定板相连并与所述的阻尼气库相通，所述的毛细管上安装所述的压力传感器，在所述的移动板上固定连接所述的标尺。

所述的丝杆驱动装置是手轮，在所述的标尺顶端还安装有限位器，用于锁定所述的手轮。

所述的丝杆驱动装置是步进电机，该步进电机通过固定架安装在所述的移动板上。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果如下：

1、阻尼气库采用波纹管，既能耐受高压，具备良好的密封性，又能利用波纹管的轴向弹性来实现容积的改变，避免了采用活塞式气库所带来的高压条件下的密封性难题。阻尼气库放置于气库套筒内，通过套筒来限定并保证气库不会发生周向扭曲变形。

2、所述的阻尼气库底部焊接固定在气库固定板上，气库固定板与气库套筒之间采用螺栓连接。气库固定板连接有三通，三通一端连接毛细管，用于实现气库与发生热声振荡的液氦容器管路之间的导通，另一端连接压力传感器，用于监测热声振荡压力振幅及频率。阻尼气库顶部焊接有移动板，移动板用于轴向压缩或拉伸阻尼气库，从而改变气库容积，调整阻尼振荡阻抗。移动板与气库套筒之间采用间隙配合，确保移动板沿气库轴线方向移动。

3、所述的移动板上固定有轴承，轴承内圈与滚珠丝杠的丝杆固定连接，确保移动板不会随丝杆一同转动。

所述的滚珠丝杠顶端安装有气库容积调整机构，调整机构可选用手轮，也可以选用步进电机，用于旋转丝杆，通过丝杆与滚珠丝杠螺纹副之间的配合关系，将手轮或电机转轴的旋转运动转换为丝杆的直线运动，从而实现移动板的轴向拉伸或压缩，用于手动或自动调节气库容积，改变阻尼振荡阻抗。

所述的移动板上固定有标尺，用于显示当前位置的气库容积，标尺从丝杠螺母固定板上穿出，随移动板一同移动。

在应用本发明时，热声振荡抑制装置位于室温环境，以便能够对气库容积进行实时调节。采用毛细管将该装置连接在液氦容器的半封闭管上后，由于阻尼气库和毛细管内存有氦气，一旦液氦容器半封闭管中出现热声振荡，阻尼气库和毛细管内的氦气就会被激励并产生相应的阻尼振荡，这种阻尼振荡会输出反馈到所连接的半封闭管内，并使两种振荡在半封闭管内相互耦合叠加。若热声振荡阻抗和阻尼振荡阻抗相等，两种振荡叠加的综合效果就是热声振荡的完全抑制和消除。由于气库容积与阻尼振荡阻抗之间存在一一对应的相互关系，因此，对于运行工况相对稳定的液氦容器，调节气库容积使其阻抗与热声振荡阻抗相匹配后，这类液氦容器中的热声振荡将会得到抑制和消除。对于运行工况不断发生变化的液氦容器，如用于航天推进剂增压的超临界氦贮存容器，虽然其内部压力随时间在不断发生改变，但可以随着运行工况动态地调节气库容积，从而改变阻尼振荡阻抗，确保装置在任意工况下都能起到最优的热声振荡抑制效果。

总之，本发明采用波纹管作为阻尼气库，既能够保证热声振荡抑制装置的耐高压特性以及良好的密封性，又能够根据液氦容器运行工况动态地调节阻尼气库的容积，从而实现两种振荡阻抗间的相互匹配，确保装置对热声振荡的抑制效果最佳。通过本发明，无论是恒定工况还是变工况的液氦容器，热声振荡都能得到有效抑制，避免了液氦容器中因热声振荡而产生的各种问题。此外，本发明的标尺还可实时显示当前状态的气库容积，便于对阻尼振荡阻抗进行精确、定量的调节。

附图说明

图1为本发明基于变容积阻尼气库的液氦容器热声振荡抑制装置实施例1的结构示意图。

图2为本发明基于变容积阻尼气库的液氦容器热声振荡抑制装置实施例2的结构示意图。

图3为本发明在液氦容器中的一种应用实例。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，图1为本发明基于变容积阻尼气库的液氦容器热声振荡抑制装置实施例1的结构示意图。由图可见，本发明基于变容积阻尼气库的液氦容器热声振荡抑制装置，包括毛细管1、气库套筒2、阻尼气库3、移动板4、丝杆固定轴承5、滚珠丝杠6、螺母副9、丝杠螺母固定板10、标尺11、气库固定板12和压力传感器13，所述的阻尼气库3由波纹管构成，所述的阻尼气库3置于所述的气库套筒2内，所述的气库套筒2的顶端是所述的丝杠螺母固定板10，所述的阻尼气库3的底部是气库固定板12，顶部是所述的移动板4，所述的滚珠丝杠6通过所述的螺母副9安装在所述的丝杠螺母固定板10中轴位置、通过所述的丝杆固定轴承5固定在所述的移动板4上的轴心位置，所述的滚珠丝杠6的顶端连接丝杆驱动装置,所述的毛细管1的固定端与所述的气库固定板12相连并与所述的阻尼气库3相通，所述的毛细管1安装有所述的压力传感器13，在所述的移动板4上固定连接所述的标尺11。所述的丝杆驱动装置是手轮7，在所述的标尺11顶端还安装有限位器8，用于锁定所述的手轮7。

阻尼气库采用波纹管，既能耐受高压，具备良好的密封性，又能利用波纹管的轴向弹性来实现气库容积的改变。阻尼气库位于气库套筒内，从而避免气库发生周向扭曲变形。

通过移动板4的轴向移动来压缩或拉伸阻尼气库，从而改变阻尼振荡阻抗。所述的标尺11，用于显示当前位置下的气库容积，便于工作人员能够定量调节阻尼气库容积。

阻尼气库容积的改变是通过气库调整机构实现的，转动手轮7，并利用滚珠丝杆6将手轮的旋转运动转换成丝杆的直线运动，从而压缩或拉伸阻尼气库3，进而改变阻尼振荡阻抗并使之与热声振荡阻抗相等，实现热声振荡的抑制。由于滚珠丝杠不具备自锁功能，因此需要限位器8来实现手轮的锁定，从而固定气库容积。

请参阅图2，图2为本发明基于变容积阻尼气库的液氦容器热声振荡抑制装置实施例2的结构示意图。实施例2与实施例1相同的部分不再重述，不同的是用步进电机15作为调整机构，

对于使用工况可能发生变化的液氦容器，可选步进电机作为驱动装置。此时，步进电机15通过固定架14固定连接在移动板4上，电机固定架14与丝杠螺母固定板10之间采用间隙配合，保证步进电机15随移动板4一同移动。具体使用时，采用控制器根据压力传感器13测得的压力信号反馈控制电机反转或正转，根据热声振荡阻抗与阻尼振荡阻抗相等这一依据，通过软件编程进行自动控制，从而实现热声振荡的完全自动抑制和消除。

图3为本发明的一个应用实例，对于图中所示的密闭液氦容器16，加注管18及排气管19的室温端连接有截止阀20，处于封闭状态，低温端则插入在装有液氦的内胆17中，处于开口状态。为避免这样的半封闭管内出现热声振荡，可采用毛细管1在加注管18及排气管19上分别连接本发明提出的热声振荡抑制装置21，该装置位于室温环境，从而方便调整气库容积。当液氦容器内压力随着漏热的进入不断升高时，可手动或自动调节阻尼气库容积，用于改变阻尼振荡阻抗，直至与热声振荡阻抗相等，确保装置在变工况条件下也能对热声振荡起到最优的抑制效果。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于变容积阻尼气库的液氦容器热声振荡抑制装置，其特征在于，该装置包括毛细管(1)、气库套筒(2)、阻尼气库(3)、移动板(4)、丝杆固定轴承(5)、滚珠丝杠(6)、螺母副(9)、丝杠螺母固定板(10)、标尺(11)、气库固定板(12)和压力传感器(13)，所述的阻尼气库(3)采用波纹管构成，所述的阻尼气库(3)置于所述的气库套筒(2)内，所述的气库套筒(2)的顶端是所述的丝杠螺母固定板(10)，所述的阻尼气库(3)的底部是气库固定板(12)，顶部是所述的移动板(4)，所述的滚珠丝杠(6)通过所述的螺母副(9)安装在所述的丝杠螺母固定板(10)中轴位置、通过所述的丝杆固定轴承(5)固定在所述的移动板(4)上的轴心位置，所述的滚珠丝杠(6)的顶端连接丝杆驱动装置,所述的毛细管(1)的一端与所述的气库固定板(12)相连并与所述的阻尼气库(3)相通，所述的毛细管(1)上连接有所述的压力传感器(13)，在所述的移动板(4)上固定连接所述的标尺(11)。

2.根据权利要求1所述的基于可变容积式阻尼气库的液氦容器热声振荡抑制装置，其特征在于，所述的丝杆驱动装置是手轮(7)，在所述的标尺(11)顶端还安装有限位器(8)，用于锁定所述的手轮(7)。

3.根据权利要求2所述的基于可变容积式阻尼气库的液氦容器热声振荡抑制装置，其特征在于，所述的丝杆驱动装置是步进电机(15)，该步进电机(15)通过固定架(14)安装在所述的移动板(4)上。