[发明专利]一种单一输出的多级行波热声发动机系统

说明书

技术领域

本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种单一输出的多级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的声场，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，受到人们的广泛关注。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；在行波热声发动机中，环路多级行波热声发动机由于避免了体积过大的谐振管且能够有效地回收耗散在谐振管的声功，具有结构紧凑、能量密度高、潜在效率高等优点，成为行波热声发动机研究的一个重要方向。

图1为De Block等人的WO2010107308A1公布的一种多级行波热声发动机系统。该多级行波热声发动机系统由多个相同的行波热声发动机组成，每个行波热声发动机通过谐振管相连构成一个环路。该系统能够有效地回收耗散在谐振管中的声功，结构紧凑，潜在效果高，能够单一输出声功。但是，在该热声发动机中未加入热缓冲管等结构，造成冷热气体混合损失，导致热量大量损耗在谐振管中，同时在环路系统中未安装直流抑制器，所以这种结构也未能取得较好的效果。

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、直线电机和谐振管组成。相比于图1的结构，该系统在热声发动机单元中增加了热缓冲管和次冷却器，并且在热缓冲管两端增加了高温端层流化丝网和低温端层流化丝网，很好的解决了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，消除了系统的直流；由于以上两点的改变，该系统性能有明显的提高。但是，这种系统适合接入多个负载，在需要实现单一输出的场合不适用。

本发明正是基于以上存在的问题，提出了一种新型的流程，即解决了前人提出的多级行波热声发动机带来的中冷热损失、环路直流等问题，又解决了声功难于单一输出的问题。本发明输出装置简单，集中输出，有利于系统成本的降低，有着良好的应用前景

发明内容

本发明的目的在于提供一种单一输出的多级行波热声发动机系统，其结构简单、无运动部件，系统中各热声发动机单元工作在行波相位，结构紧凑，能量密度高；采用旁通谐振管有效实现声功的集中输出，输出装置简单，具有广阔的发展前景。

本发明的技术方案如下：

如图4所示，本发明提供的单一输出的多级行波热声发动机系统：其由N级热声发动机单元、N个环路谐振管2和N-1个旁路谐振管组成，所述N＝3～10的正整数；所述N级热声发动机单元中的每一级热声发动机单元通过环路谐振管2首尾相连构成环路结构，所述每一级热声发动机单元在所述环路结构中处于行波相位；

所述每一级热声发动机单元由依次串接的直流抑制器3、主冷却器4、回热器5、加热器6、高温端层流化元件7、热缓冲管8、室温端层流化元件9和次冷却器10组成；所述每一级热声发动机单元的高温端层流化元件7安装在该级热声发动机单元中热缓冲管8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9安装在该级热声发动机单元的热缓冲管8的室温侧，用于抑制射流；所述N-1个旁路谐振管中的每一旁路谐振管均与负载11相连；

所述每一级热声发动机单元中的加热器6与热源相连，以吸收热源热量形成高温端；所述每一级热声发动机单元的主冷却器4和次冷却器10通过水冷器冷却以维持在室温范围；每一级热声发动机单元的回热器5上高温端和室温端形成温度梯度τ，其中τ＝2～3；在温度梯度下，单一输出的多级行波热声发动机系统起振；每一级热声发动机单元的回热器5内部工作气体与其内的固体填料间产生热声效应，将热量输入到加热器6并转化成声功，声功沿着温度梯度的正方向传播并放大；第一级热声发动机单元放大后的声功一部分通过第一旁路谐振管101输出给负载11，其余部分通过环路谐振管2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被进一步放大，放大后的声功一部分通过第二旁路谐振管102输出给负载11，其余部分继续通过环路谐振管2传递到再下一级热声发动机单元；依次类推，第N级热声发动机单元放大后的声功一部分通过第N-1旁路谐振管输出给负载11，其余部分通过环路谐振管2传递到第一级热声发动机单元放大；如此循环，使得单一输出的多级行波热声发动机系统稳定运行。