CN113390196A - 一种可输出轴功的回弯渐扩制冷波转子 - Google Patents

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Abstract

一种可输出轴功的回弯渐扩制冷波转子，属于气体膨胀制冷领域。这种可输出轴功的制冷波转子的主要特点是采用了回弯、渐扩压力振荡管。压力振荡管轴线曲线形状采用具有4个控制点的贝塞尔曲线描述，只需改变几个控制点的位置即可实现复杂的曲线形状，有效缩减了设计变量，便于结构优化。该类型振荡管前段曲率小，后段曲率大的回弯结构，曲率较小部分能够保证较小的射流损失，使得气波膨胀过程稳定高效运行；后续曲率大的回弯结构，可使波转子输出轴功，进一步丰富波转子膨胀功的转化方式，提高波转子的工况适应性。采用渐扩振荡管，可实现气波膨胀和体积膨胀相结合，从而进一步提高波转子膨胀制冷程度，降低膨胀后气体温度，从而提高制冷效率。

Description

一种可输出轴功的回弯渐扩制冷波转子
技术领域
本发明涉及一种可输出轴功的回弯渐扩制冷波转子，属于气体膨胀制冷领域。
背景技术
波转子是一种实现不同压力气体进行能量交换的装置，目前广泛应用于气波膨胀制冷领域。波转子上分布着压力振荡管，激波和膨胀波在压力振荡管内的非定常运动实现了不同压力气体间能量的传输和转化，从而达到制冷目的。
目前气波膨胀制冷领域已发展出将膨胀功以热能形式集中输出的外循环耗散型压力振荡管制冷方法，以及将膨胀功以压力能和热能两种形式输出的自增压压力振荡管制冷方法。但这两种方法的波转子均采用横截面均直的压力振荡管，波转子本身仅作为压力交换装置，不能输出轴功，存在气体膨胀功输出方式单一，膨胀端制冷效率低的问题；横截面均直的压力振荡管还存在高压气体体积膨胀受限，膨胀功输出能力不足的问题，从而导致高压气体膨胀不充分，影响制冷效率。另外，现有的压力振荡管制冷方法基本都对高温气体进行了节流，压力能以热量形式耗散，没有被有效利用。因此，增加波转子内高压气体膨胀功输出方式，提高膨胀功输出能力和能量利用率是波转子技术领域亟需解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明一种可输出轴功的回弯渐扩制冷波转子，对传统的波转子做出了改进，采用回弯了渐扩压力振荡管。压力振荡管曲线形状采用具有4个控制点的贝塞尔曲线描述，只需改变几个控制点的位置即可实现复杂的曲线形状，有效缩减了设计变量，便于结构优化。压力振荡管整体具有前端曲率小，后端曲率大的特征，其中曲率较小部分能够保证较小的射流损失，使得气波膨胀过程稳定高效运行；后续曲率大的回弯结构，能改变气体流动方向，气体会推动波转子旋转，产生与波转子运动同方向的力，进而使波转子输出轴功，从能量转化角度，高压气体部分能量转化成轴功的形式输出，高压气体的压力能得到了进一步利用，同时高压气体自身膨胀更充分，温度降低更多；同时，为了保证内部波系的正常运行和传播，后续曲率不宜过大。振荡管的渐扩结构将体积膨胀与气波膨胀相融合，提高了膨胀功的输出能力，进而提高膨胀端制冷效率，同时渐扩结构还会使压力振荡管内部波系通过容易返回难，反射激波或反向压缩波强度降低，防止对已膨胀的气体进行再压缩。与传统的压力振荡管制冷方法不同的是，高温气体排出后不经过节流阀，而是换热后直接返回回弯渐扩压力振荡管，将高温气体携带的部分压力能通过回弯结构转化为轴功，进一步提高压力能的利用率。
本发明采用的技术方案是：一种可输出轴功的回弯渐扩制冷波转子，结构包括内壳、隔板和外壳，所述内壳、隔板和外壳在周向组成10-280个均布的回弯渐扩压力振荡管，所述的回弯渐扩压力振荡管的轴线曲线整体呈现前端曲率小，后端曲率大的回弯形状，横截面面积由前端到后端不断增大呈渐扩形式，横截面形状为正方形、长方形或圆形。
所述波转子的结构为轴向波转子或者径向波转子，所述轴向波转子采用圆柱形波转子或圆锥形波转子，其中圆锥形波转子的外壳呈圆锥形，圆锥面母线与波转子轴线的夹角在0-90度之间；所述径向波转子采用气体流动方向为径向的圆盘形波转子。
所述回弯渐扩压力振荡管的轴线曲线形状由P1、P2、P3和P4四个点控制的贝塞尔曲线描述；四个控制点在直线P1P4方向上等间距；其中，P1P2与P1P4夹角θ1的取值的范围是-30～30度，P4P3与P4P1夹角θ2的取值范围是30～60度。
所述回弯渐扩振荡管后端的横截面面积是前端的1～10倍；采用轴向波转子时，所述的回弯渐扩压力振荡管的渐扩方向为径向、圆周方向或者径向和周向的组合；采用径向波转子时，所述的回弯渐扩压力振荡管的渐扩方向为圆周方向。
采用轴向波转子时，回弯渐扩压力振荡管的轴线两端连线P1P4与波转子轴线方向的夹角范围是-20～20度；采用径向波转子时，回弯渐扩压力振荡管的轴线两端连线P1P4与P1点所在半径方向的夹角范围是-20～20度。
本发明的有益效果是：这种可输出轴功的制冷波转子的采用了回弯、渐扩压力振荡管。压力振荡管轴线曲线形状采用具有4个控制点的贝塞尔曲线描述，只需改变几个控制点的位置即可实现复杂的曲线形状，有效缩减了设计变量，便于结构优化。该类型振荡管前段曲率小，后段曲率大的回弯结构，其中曲率较小部分能够保证较小的射流损失，使得气波膨胀过程稳定高效运行；后续曲率大的回弯结构，可使波转子输出轴功，进一步丰富波转子膨胀功的转化方式，提高波转子的工况适应性。采用渐扩振荡管，可实现气波膨胀和体积膨胀相结合，从而进一步提高波转子膨胀制冷程度，降低膨胀后气体温度，从而提高制冷效率。该转子可利用内部激波和膨胀波的非定常运动实现不同压力气体间能量的传输和转化，从而达到制冷目的，能够将高压气体压力能以轴功、热能和其他气体压力能等形式进行输出，提高压力气体压力能综合利用率，扩大波转子技术在气波膨胀制冷领域的应用范围。
附图说明
图1为一种可输出轴功的回弯渐扩制冷波转子应用于气波制冷机时的工作流程图。
图2为一种回弯渐扩的轴向波转子的结构示意图。
图3为一种回弯渐扩的径向波转子的结构示意图。
图4为回弯渐扩压力振荡管的形状示意图。
图中：1、高压进气喷嘴，2、回弯渐扩压力振荡管，3、高温排气喷嘴，4、换热器，5、气体回流腔，6、低温排气腔，7、内壳，8、隔板，9、外壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步介绍。
图1示出了一种可输出轴功的回弯渐扩制冷波转子应用于气波制冷机时的工作流程图。其工作过程是：电机驱动主轴带动波转子旋转启动，分布于波转子上的回弯渐扩压力振荡管2的左端依次与高压进气喷嘴1接通，高压气体通过高压进气喷嘴1加速射气，周期性地进入每根回弯渐扩压力振荡管2，高压气体携带的一部分能量通过入射激波传递给管内原有气体，一部分能量通过回弯渐扩压力振荡管2转化成轴功输出；高压气体的压力能输出后自身膨胀温度降低，管内原有气体接受能量后温度上升，随着波转子的旋转，在回弯渐扩压力振荡管2的右端与高温排气喷嘴3接通后排出，排出的高温气体经外部换热器4回收热能，之后经气体回流腔5从右端回到回弯渐扩压力振荡管2，通过回弯结构再一次输出轴功；波转子自身产生的轴功一部分用于平衡运动时所受的阻力，从而实现自转，节省电机的功率，另一部分输出后可用于其他功能；管内已制冷的低温气体在回弯渐扩压力振荡管2左端与低温排气腔6接通后排出机体，完成一个循环过程。
图4示出了回弯渐扩压力振荡管的形状示意图。压力振荡管的轴线由具有4个控制点（P1、P2、P3和P4）的贝塞尔曲线描述；4个控制点在直线P1P4方向上等间距，间距为L/3；P1P2与P1P4夹角θ1的取值的范围是-30～30度，P4P3与P4P1夹角θ2的取值范围是30～60度。回弯渐扩振荡管后端的横截面面积是前端的1～10倍。
实施例1
图2示出了一种回弯渐扩的轴向波转子的结构示意图，图中，这种回弯渐扩的轴向波转子的结构主要包括内壳7、隔板8和外壳9，内壳7、隔板8和外壳9在周向组成40个均布的回弯渐扩压力振荡管，压力振荡管的形状为贝塞尔曲线，横截面积由进口到出口逐渐增大，外观呈现回弯渐扩形状。其中P1P2与P1P4夹角θ1为30度，P4P3与P4P1夹角θ2为30度；后端的横截面面积是前端的2倍。回弯渐扩压力振荡管的轴线两端连线P1P4与波转子轴线方向的夹角是0度。
实施例2
图3示出了一种回弯渐扩的径向波转子的结构示意图。图中，这种回弯渐扩的径向波转子结构主要包括内壳7、隔板8和外壳9，内壳7、隔板8和外壳9在周向组成40个均布的回弯渐扩压力振荡管，压力振荡管的形状为贝塞尔曲线，横截面积由进口到出口逐渐增大，外观呈现回弯渐扩形状。其中，P1P2与P1P4夹角θ1为0度，P4P3与P4P1夹角θ2为30度；后端的横截面面积是前端的10倍。回弯渐扩压力振荡管的轴线两端连线P1P4与P1点所在半径方向的夹角是20度。

Claims (5)

1.一种可输出轴功的回弯渐扩制冷波转子，它包括内壳（7）、隔板（8）和外壳（9），其特征是：所述内壳（7）、隔板（8）和外壳（9）在周向组成10-280个均布的回弯渐扩压力振荡管（2），所述的回弯渐扩压力振荡管（2）的轴线曲线整体呈现前端曲率小后端曲率大的回弯形状，回弯渐扩压力振荡管（2）的横截面面积由前端到后端不断增大呈渐扩形式，横截面形状为正方形、长方形或圆形。
2.根据权利要求1所述的一种可输出轴功的回弯渐扩制冷波转子，其特征是：所述波转子采用轴向波转子或者径向波转子，所述轴向波转子采用圆柱形波转子或圆锥形波转子，所述圆锥形波转子的外壳（9）采用圆锥形结构，圆锥面母线与波转子轴线的夹角在0-90度之间；所述径向波转子采用气体流动方向为径向的圆盘形波转子。
3.根据权利要求1所述的一种可输出轴功的回弯渐扩制冷波转子，其特征是：所述回弯渐扩压力振荡管（2）轴线曲线的形状由P1、P2、P3和P4四个点控制的贝塞尔曲线描述；四个控制点在直线P1P4方向上等间距；其中，P1P2与P1P4的夹角θ1为-30～30度，P4P3与P4P1的夹角θ2为30～60度。
4.根据权利要求1所述的一种可可输出轴功的回弯渐扩制冷波转子，其特征是：所述回弯渐扩振荡管（2）后端的横截面面积是前端的1～10倍；采用轴向波转子时，所述的回弯渐扩压力振荡管（2）的渐扩方向为径向、周向或者径向和周向的组合；采用径向波转子时，所述的回弯渐扩压力振荡管（2）的渐扩方向为圆周方向。
5.根据权利要求1所述的一种可输出轴功的回弯渐扩制冷波转子，其特征是：采用轴向波转子时，回弯渐扩压力振荡管（2）的轴线两端连线P1P4与波转子轴线方向的夹角为-20～20度；采用径向波转子时，回弯渐扩压力振荡管（2）的轴线两端连线P1P4与P1点所在半径方向的夹角为-20～20度。
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