收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

直驱型热声发电系统的研究

王玉芳  
【摘要】:热声发电机以其低成本、高可靠、对环境友好等特点受到较多研究者的关注,其中对结构尺寸较大的带谐振管的热声发电机的研究较多,并取得了一定的进展,而针对空间应用的长寿命、小尺寸的热声发电机的研究较少,目前国内仅本课题组开展了对直驱型热声发电机的研究。为详细研究其运行模态,实现非线性起振,提高整机性能,本文开展了相关的理论与实验研究。采用网络阻抗分析方法,建立热声发电机的整机网络模型。热声发电机是一个集合了热、声、电、磁的复杂系统,各部件之间的阻抗匹配特性是其中的关键问题。热声发电机中包括气体声阻抗、机械阻抗和电阻抗,线性发电机作为热声发电机的谐振元件,其阻抗不仅受自身参数的影响,还受热声发动机输出特性的影响。在对热声发动机和线性发电机的控制方程进行分析的基础上,分别对其建立网络模型,然后根据二者在声功输出口的振荡压力、体积流率及焓的连续性,建立了热声发电机的整机网络模型。直驱型热声发电机的各部件结构参数的仿真计算与分析。基于所建立的热声发电机整机网络模型,编写了整机仿真程序。分别对热声发动机的加热器、回热器、主冷端水冷器、容、惯性管、声功输出口、次冷端水冷器、热缓冲管的结构参数,以及线性发电机的活塞面积、间隙尺寸、动质量、机电转换常数、机械阻尼系数、板弹簧刚度系数等关键参数对整机的影响进行了仿真分析,以提高整机性能为设计原则,初步确定热声发动机各部件结构尺寸值及线性发电机关键参数值。研制能与热声发动机形成良好阻抗匹配的线性发电机,建立了线性发电机关键参数测量系统。根据仿真计算所得到的线性发电机的关键参数,针对整机对电磁转换性能的要求,结合动力学特性,采用电磁场分析软件Ansoft Maxwell对线性发电机的电磁部件进行仿真设计,以获得合适的机电转换常数为前提,确定硅钢片叠片铁芯的尺寸及绕组线圈的长度。线性发电机的活塞与气缸之间的间隙尺寸较小,同轴度要求较高,为此,经过长期探索,本文形成了一套完整的加工及装配工艺流程。另外,线性发电机的设计参数受加工和装配影响很大,为明确其最终的参数,本文建立了一套准确测量线性发电机的间隙尺寸、板弹簧刚度系数、机电转换常数以及机械阻尼系数等关键参数的方法及装置。对所设计的热声发电机开展实验研究,通过六轮样机的研制实现了整机非线性起振及长期且高效的运行。通过两轮样机的研究,分别采用不同形式的线性发电机作为声负载,实现整机非线性起振。对加热器的结构及材料、保温装置结构及材料、耐压腔结构进行改进,解决高温端加热器变形、漏热量大、活塞“卡缸”等问题,实现系统长期、高效的运行。对充放气系统和电功率输出系统进行简化,将其整合在一个小控制箱内,减小热声发电系统整体尺寸。提出热声发动机声功输出口调相技术,改善热声发动机与线性发电机的阻抗匹配特性,实现了直驱型热声发电机较高的电功率输出。热声发动机的声功输出口是热声发动机与线性发电机的耦合部位,其结构与尺寸对热声发动机与线性发电机的阻抗匹配特性起关键性作用。声功输出口的压流相位差通常在80°左右,通过增加不同形状、不同大小调相装置以及将其放置在不同的位置,可以在不同程度上减小压流相位差,同时增大压流幅值乘积,进而可以增加流入线性发电机的声功,使热声发电机最大输出电功率提高15.65%。采用正交实验法对间隙尺寸、动质量、膜片弹性系数对系统性能的影响进行分析,以起振温度、输出电功率和热电效率为实验指标,分别采用极值分析法和方差分析法对实验结果进行分析,确定各因素对实验指标影响作用的主次顺序,并确定最优组合条件。通过开展以上理论分析、建模、仿真计算以及实验研究工作,所研制的直驱型热声发电机能够实现长期安全运行,且输出电功率处于国际领先水平。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 张宁;胡忠军;李青;;应用于热声机械的声波平面传递装置[J];低温工程;2011年01期
2 鄢红春;常江;陈聪;;热声致冷效应演示实验[J];物理实验;2011年05期
3 陈正军,郭方中;热声泵质[J];低温与超导;2000年02期
4 段祎,欧阳录春,邱利民;演示用Sondhauss管的研制及理论分析[J];低温与超导;2003年03期
5 张晓青,陈宇,郭方中,涂虬;热声系统的工程优化设计[J];低温工程;2004年03期
6 涂虬,陈正军,张晓青,郭方中;热声理论的研究进展及其应用[J];真空与低温;2004年03期
7 胡剑英,罗二仓;非线性热声理论的研究进展[J];低温与超导;2005年03期
8 徐珊姝,景晓东,孙晓峰;热声现象的一种非线性模型的研究[J];工程热物理学报;2005年03期
9 吴宵军;董卫;陈艳;魏娴;;一种新型高频热声装置的实验研究[J];声学与电子工程;2010年01期
10 吴锋;李青;郭方中;舒安庆;;热声理论的研究进展[J];武汉工程大学学报;2012年01期
11 路志坚;赵松龄;;热声检测技术应用可行性的研究[J];同济大学学报(自然科学版);1991年03期
12 戴根华,李沛滋;电动声源热声致冷机声学和计算实例[J];应用声学;1995年04期
13 张晓青,郭方中;开式循环热声原理研究[J];低温工程;2001年02期
14 刘迎文;何雅玲;沈超;黄竞;;热声系统中振荡滞后特性的试验研究[J];工程热物理学报;2007年03期
15 刘靖;邱利民;赖碧翚;王虎;王波;白昆;孙大明;;热声起振过程的实验研究[J];低温工程;2008年01期
16 张晓东;余国瑶;朱尚龙;戴巍;罗二仓;;高频热声驻波发动机性能的实验研究[J];低温与超导;2008年04期
17 孙生生;张富珍;李青;李正宇;;热声系统内交变流动特性的数值模拟[J];低温工程;2008年04期
18 周远;罗二仓;;热声热机技术的研究进展[J];机械工程学报;2009年03期
19 张海伟;刘家林;郑学林;;热声制冷技术的研究与进展[J];制冷;2012年03期
20 金滔,陈国邦,应哲强,张国平;热声驱动器冷却器性能分析[J];低温与超导;1999年02期
中国重要会议论文全文数据库 前7条
1 金滔;陈国邦;应哲强;甘智华;颜鹏达;;热声驱动脉管的匹配问题及系统设计[A];第四届全国低温工程学术会议论文集[C];1999年
2 汪拓;吴锋;费锦华;林杰;杨志春;;热声网络的辛矩阵分析[A];高等学校工程热物理第十九届全国学术会议论文集[C];2013年
3 宋孟霖;夏加宽;齐彬蔚;;热声发电系统电谐振控制器的研究[A];第十一届沈阳科学学术年会暨中国汽车产业集聚区发展与合作论坛论文集(信息科学与工程技术分册)[C];2014年
4 金滔;范理;陈国邦;王本仁;;热声系统谐振频率的模拟分析[A];第六届全国低温与制冷工程大会会议论文集[C];2003年
5 张富珍;李青;李正宇;李强;胡忠军;孙生生;;高频声场下热声回热器的实验辨识[A];第八届全国低温工程大会暨中国航天低温专业信息网2007年度学术交流会论文集[C];2007年
6 刘益才;;废热利用新途径—热声模块技术[A];2004全国能源与热工学术年会论文集(2)[C];2004年
7 金滔;陈国邦;M.X.Francois;E.Bretagne;;斯特林型热声驱动器的实验研究[A];第五届全国低温工程大会论文集[C];2001年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 宋健;微波致热超声成像关键技术及实验研究[D];电子科技大学;2015年
2 何新;热声直线发电系统声学阻抗匹配机理与匹配性设计研究[D];沈阳工业大学;2016年
3 李文瑞;横向磁通永磁直线热声发电机空间磁场计算及特性分析[D];沈阳工业大学;2017年
4 王玉芳;直驱型热声发电系统的研究[D];华中科技大学;2016年
5 张春萍;热声核特性参数实验研究及高频微型热声实验装置的研制[D];华中科技大学;2011年
6 余国瑶;热声发动机自激振荡过程及热声转换特性研究[D];中国科学院研究生院(理化技术研究所);2008年
7 涂虬;热声器件的寻优及其与热声热机系统的匹配[D];华中科技大学;2004年
8 王凯;行波热声发电系统热—声—电耦合及转换机理研究[D];浙江大学;2014年
9 胡兴华;非均匀声介质中的声传播及演化规律研究[D];华中科技大学;2008年
10 金滔;热声驱动器及其驱动的脉管制冷研究[D];浙江大学;2001年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘文斌;热声理论及驻波型热声热机的数值模拟研究[D];辽宁科技大学;2015年
2 程鹏;行波热声发电机理论与实验研究[D];北京理工大学;2016年
3 何秋石;热声循环的有限时间热力学优化[D];武汉工程大学;2016年
4 苏浩;负载对热声发电系统输出性能影响的分析及实验研究[D];沈阳工业大学;2017年
5 彭仁强;热声发电系统直线发电机定位力计算和优化设计[D];沈阳工业大学;2017年
6 程攀;多速格子气方法及其对热声现象的模拟[D];华中科技大学;2008年
7 张葆森;热声驱动器微型化研究[D];浙江大学;2006年
8 蒋华;热声振荡的格子气方法模拟[D];华中科技大学;2006年
9 郑李方;舰载电子设备热声冷却系统的研究[D];华南理工大学;2015年
10 刘靖;热声起振机理的初步研究[D];浙江大学;2008年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978