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文檔簡介
1、熱聲發(fā)電機(jī)以其低成本、高可靠、對環(huán)境友好等特點(diǎn)受到較多研究者的關(guān)注,其中對結(jié)構(gòu)尺寸較大的帶諧振管的熱聲發(fā)電機(jī)的研究較多,并取得了一定的進(jìn)展,而針對空間應(yīng)用的長壽命、小尺寸的熱聲發(fā)電機(jī)的研究較少,目前國內(nèi)僅本課題組開展了對直驅(qū)型熱聲發(fā)電機(jī)的研究。為詳細(xì)研究其運(yùn)行模態(tài),實(shí)現(xiàn)非線性起振,提高整機(jī)性能,本文開展了相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)研究。
本研究主要內(nèi)容包括:⑴采用網(wǎng)絡(luò)阻抗分析方法,建立熱聲發(fā)電機(jī)的整機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型。熱聲發(fā)電機(jī)是一個集合了熱、
2、聲、電、磁的復(fù)雜系統(tǒng),各部件之間的阻抗匹配特性是其中的關(guān)鍵問題。熱聲發(fā)電機(jī)中包括氣體聲阻抗、機(jī)械阻抗和電阻抗,線性發(fā)電機(jī)作為熱聲發(fā)電機(jī)的諧振元件,其阻抗不僅受自身參數(shù)的影響,還受熱聲發(fā)動機(jī)輸出特性的影響。在對熱聲發(fā)動機(jī)和線性發(fā)電機(jī)的控制方程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,分別對其建立網(wǎng)絡(luò)模型,然后根據(jù)二者在聲功輸出口的振蕩壓力、體積流率及焓的連續(xù)性,建立了熱聲發(fā)電機(jī)的整機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型。⑵直驅(qū)型熱聲發(fā)電機(jī)的各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真計(jì)算與分析?;谒⒌臒崧暟l(fā)
3、電機(jī)整機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型,編寫了整機(jī)仿真程序。分別對熱聲發(fā)動機(jī)的加熱器、回?zé)崞?、主冷端水冷器、容、慣性管、聲功輸出口、次冷端水冷器、熱緩沖管的結(jié)構(gòu)參數(shù),以及線性發(fā)電機(jī)的活塞面積、間隙尺寸、動質(zhì)量、機(jī)電轉(zhuǎn)換常數(shù)、機(jī)械阻尼系數(shù)、板彈簧剛度系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)對整機(jī)的影響進(jìn)行了仿真分析,以提高整機(jī)性能為設(shè)計(jì)原則,初步確定熱聲發(fā)動機(jī)各部件結(jié)構(gòu)尺寸值及線性發(fā)電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)值。⑶研制能與熱聲發(fā)動機(jī)形成良好阻抗匹配的線性發(fā)電機(jī),建立了線性發(fā)電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)測量系統(tǒng)。根據(jù)
4、仿真計(jì)算所得到的線性發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù),針對整機(jī)對電磁轉(zhuǎn)換性能的要求,結(jié)合動力學(xué)特性,采用電磁場分析軟件Ansoft Maxwell對線性發(fā)電機(jī)的電磁部件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),以獲得合適的機(jī)電轉(zhuǎn)換常數(shù)為前提,確定硅鋼片疊片鐵芯的尺寸及繞組線圈的長度。線性發(fā)電機(jī)的活塞與氣缸之間的間隙尺寸較小,同軸度要求較高,為此,經(jīng)過長期探索,本文形成了一套完整的加工及裝配工藝流程。另外,線性發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)受加工和裝配影響很大,為明確其最終的參數(shù),本文建立了一套
5、準(zhǔn)確測量線性發(fā)電機(jī)的間隙尺寸、板彈簧剛度系數(shù)、機(jī)電轉(zhuǎn)換常數(shù)以及機(jī)械阻尼系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的方法及裝置。⑶對所設(shè)計(jì)的熱聲發(fā)電機(jī)開展實(shí)驗(yàn)研究,通過六輪樣機(jī)的研制實(shí)現(xiàn)了整機(jī)非線性起振及長期且高效的運(yùn)行。通過兩輪樣機(jī)的研究,分別采用不同形式的線性發(fā)電機(jī)作為聲負(fù)載,實(shí)現(xiàn)整機(jī)非線性起振。對加熱器的結(jié)構(gòu)及材料、保溫裝置結(jié)構(gòu)及材料、耐壓腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),解決高溫端加熱器變形、漏熱量大、活塞“卡缸”等問題,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長期、高效的運(yùn)行。對充放氣系統(tǒng)和電功率輸出系統(tǒng)
6、進(jìn)行簡化,將其整合在一個小控制箱內(nèi),減小熱聲發(fā)電系統(tǒng)整體尺寸。⑷提出熱聲發(fā)動機(jī)聲功輸出口調(diào)相技術(shù),改善熱聲發(fā)動機(jī)與線性發(fā)電機(jī)的阻抗匹配特性,實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)型熱聲發(fā)電機(jī)較高的電功率輸出。熱聲發(fā)動機(jī)的聲功輸出口是熱聲發(fā)動機(jī)與線性發(fā)電機(jī)的耦合部位,其結(jié)構(gòu)與尺寸對熱聲發(fā)動機(jī)與線性發(fā)電機(jī)的阻抗匹配特性起關(guān)鍵性作用。聲功輸出口的壓流相位差通常在80°左右,通過增加不同形狀、不同大小調(diào)相裝置以及將其放置在不同的位置,可以在不同程度上減小壓流相位差,同時增
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