斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)壓力特性的試驗(yàn)研究

董世充，安連鎖，沈國(guó)清，徐漠北，張世平

(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是一種可將熱能轉(zhuǎn)化為聲能的、具有應(yīng)用前途的動(dòng)力機(jī)械[1]，它通常由加熱器、水冷器、回?zé)崞骱鸵恍┛展艿澜M成，整個(gè)系統(tǒng)中沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。因此，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，不需要精密加工和昂貴的材料[2]。另外，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)具有多種用途：由熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的脈管制冷機(jī)可用于工程應(yīng)用，如天然氣或煤層氣液化等[3]；微型化熱聲系統(tǒng)可用于冷卻電子芯片[4]；熱聲發(fā)電系統(tǒng)還可以由工業(yè)余熱[5-6]以及太陽(yáng)能熱量[7-8]所驅(qū)動(dòng)。低品位熱源的利用，對(duì)提高能源的綜合效率具有重要意義。

Swift[9]的論文提及1992年建造的世界上第一臺(tái)大功率駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，以及在1999年建造的第一臺(tái)行波斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)[10]。與駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)相比，由于行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體工質(zhì)在熱聲轉(zhuǎn)換過(guò)程中歷經(jīng)斯特林循環(huán)，因此效率更高。邱利民和孫大明[11]等人建立了一臺(tái)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，采用彈性膜片完全一致環(huán)路中的Gedeon直流現(xiàn)象，最大壓比可達(dá)1.302。Yu[12]等建立了聚能型斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，最大壓比可達(dá)1.40。Tijani[13]設(shè)計(jì)、制造了一種高性能斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，熱聲轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了49%。陳茂[14]對(duì)自行研制的小型行波斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行了初步研究。

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的壓力波動(dòng)特性是衡量熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其壓力特性的深入了解，一方面會(huì)進(jìn)一步提高熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)用性，另一方面也會(huì)在一定程度上解決熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間的匹配問(wèn)題。因此，以自行搭建的斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)，研究了不同工質(zhì)、不同平均壓力等操作參數(shù)對(duì)斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振特性、壓力振蕩頻率和壓力振幅的影響，對(duì)熱聲系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換有重要指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)系統(tǒng)

斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置示意圖

斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)各部件尺寸如表1所示。

表1 斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)各部件尺寸

加熱器是由紫銅經(jīng)過(guò)線切割而成的翅片式換熱器(翅片間距：1 mm)。采用電加熱棒作為加熱方式。為了減小加熱過(guò)程中的熱量損失，在加熱器外包了一層保溫棉。主水冷器和次水冷器是分別由159根和41根內(nèi)徑3 mm和6 mm的不銹鋼薄壁管組成的管殼式換熱器。常溫的冷卻水通過(guò)流過(guò)該薄壁管來(lái)冷卻熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氣體工質(zhì)?；?zé)崞鞑捎枚询B在一起、形成一定高度的不銹鋼絲網(wǎng)作為填充材料。此外，由于環(huán)形管中的壓力振蕩會(huì)產(chǎn)生對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)性能有害的Gedeon直流現(xiàn)象[11]，所以在主水冷器的上方安裝了硅膠彈性膜片，以抑制Gedeon直流。

1.2 溫度、壓力測(cè)量裝置

圖1同樣展示了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置的測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)分別在加熱器和主水冷器放置K型熱電偶，可以獲得加熱溫度和冷卻水溫度。溫度數(shù)據(jù)通過(guò)NI-9213采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，并通過(guò)LabVIEW軟件進(jìn)行提取和保存。

壓力測(cè)量采用北京傳感星空自控有限公司所提供的高精度平膜壓力傳感器(CGYL-206)，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)管道上以獲得動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)。壓力信號(hào)通過(guò)采集卡(CGCY-800)傳入計(jì)算機(jī)中。該壓力傳感器可在充入氣體工質(zhì)時(shí)顯示平均壓力，也可在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體工質(zhì)振蕩時(shí)獲取動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)。壓力傳感器與熱聲試驗(yàn)臺(tái)的連接方式采用螺旋密封。由于該傳感器產(chǎn)品已存在M20×1.5的外螺紋口，因此在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力測(cè)點(diǎn)處加工與之相匹配的內(nèi)螺紋口，安裝時(shí)纏上生料帶即可保證傳感器的密封性。壓力傳感器安裝位置如圖1所示。P1位于彈性膜片上方，P2位于反饋管，P3和P4分別安裝在諧振管入口和中間位置。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同介質(zhì)的平均壓力對(duì)起振溫度的影響

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振瞬間壓力波形如圖2所示。

圖2 熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振瞬間壓力波形圖

圖2展示了當(dāng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)充入1.3 MPa氦氣時(shí)起振瞬間的壓力信號(hào)。為了獲得熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振特性，在試驗(yàn)中首先對(duì)位于加熱器內(nèi)的加熱棒進(jìn)行通電，這時(shí)回?zé)崞鞯臒岫藴囟葧?huì)逐漸升高。當(dāng)回?zé)崞鞯臒岫伺c冷端達(dá)到一定的溫差時(shí)，熱聲系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)自發(fā)形成周期性的振蕩，壓力信號(hào)會(huì)瞬間增大。這被視為熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振現(xiàn)象，此時(shí)的溫度被記錄為起振溫度。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)起振溫度有著至關(guān)重要的影響。而對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)固定的熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，工作介質(zhì)和平均壓力也會(huì)顯著影響起振溫度。較低的起振溫度對(duì)于低品位熱源在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用具有重要意義。因此，在試驗(yàn)過(guò)程中加熱器溫度如超過(guò)500 ℃仍未觀察到起振現(xiàn)象，則停止加熱以保護(hù)加熱設(shè)備。起振溫度隨充氣壓力變化如圖3所示。

圖3 起振溫度隨充氣壓力變化圖

圖3顯示了當(dāng)氦氣、氮?dú)夂蜌鍤庾鳛楣ぷ鳉怏w時(shí)，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振溫度的變化趨勢(shì)。對(duì)于氦氣，在壓力測(cè)試范圍內(nèi)，隨著平均壓力逐漸增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的起振溫度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這表明，采用一個(gè)最佳的平均壓力即可獲得最低的起振溫度。在0.7～1 MPa的壓力范圍內(nèi)，該熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的起振溫度可以穩(wěn)定地維持在較低的范圍內(nèi)。然而對(duì)于氮?dú)夂蜌鍤?，可以觀察到一個(gè)截然不同的變化趨勢(shì)：起振溫度隨著平均壓力的增加而增加。此外，氬氣的起振溫度高于氮?dú)獾钠鹫駵囟取?duì)于該熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)而言，當(dāng)使用氮?dú)夂蜌鍤庾鳛楣ぷ鹘橘|(zhì)時(shí)，可工作的平均壓力范圍僅能低于1.2 MPa和0.8 MPa。因此，在選擇工作氣體時(shí)，氦氣的可工作壓力范圍要有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.2 熱聲振蕩頻率特性

頻率是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)壓力特性的一個(gè)重要特征。工質(zhì)種類(lèi)會(huì)對(duì)頻率產(chǎn)生很大影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)以氦氣、氮?dú)夂蜌鍤夥謩e作為工質(zhì)時(shí)，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的壓力振蕩頻率分別為63 Hz、22 Hz和20 Hz。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)壓力頻譜如圖4所示。

圖4 熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)壓力頻譜圖

除了氣體工質(zhì)的種類(lèi)會(huì)對(duì)頻率產(chǎn)生影響外，其他操作參數(shù)也會(huì)影響熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的振蕩頻率，如平均壓力、加熱溫度等。頻率隨平均壓力變化如圖5所示。

圖5 頻率隨平均壓力變化圖

圖5展示了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率與平均壓力的關(guān)系。隨著平均壓力的升高，氦氣的工作頻率的增加值不到2 Hz，同時(shí)氮?dú)夂秃鉀](méi)有明顯的增加。結(jié)果表明熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的平均壓力對(duì)其工作頻率的影響較小。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的振蕩頻率可以通過(guò)配比不同體積分?jǐn)?shù)的氦氣、氮?dú)夂蜌鍤獾然旌蠚怏w來(lái)調(diào)節(jié)。頻率隨加熱溫度變化如圖6所示。

圖6 頻率隨加熱溫度變化圖

圖6展示了諧振管入口的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3的氣體振蕩頻率與加熱溫度之間的關(guān)系。沒(méi)有觀察到明顯的增大趨勢(shì)，增加值不到0.2 Hz。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)頻率特性的穩(wěn)定，便于與脈管制冷機(jī)、發(fā)電機(jī)等聲學(xué)負(fù)載進(jìn)行匹配。

2.3 平均壓力對(duì)振幅和壓比的影響

壓力振幅和壓比(壓力波中最大壓力與最小壓力的比值)是反映熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)性能和能量轉(zhuǎn)換強(qiáng)度的重要參數(shù)。P1位置壓力振幅隨平均壓力變化如圖7所示。

圖7 P1位置壓力振幅隨平均壓力變化圖

圖7展示了當(dāng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱溫度在500 ℃時(shí)，主水冷器上方P1壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力振幅。從結(jié)果可知，對(duì)于這三種工作氣體，壓力振幅隨著平均壓力的增加而增大。在相同的平均壓力條件下，采用氮?dú)夂蜌鍤庾鳛楣ぷ鳉怏w，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)可獲得更高的壓力振幅。這是由于當(dāng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)在充入氮?dú)夂蜌鍤鈺r(shí)，其工作頻率要低的多。因此可知，降低熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率有助于提高壓力振幅。

P1位置壓比隨平均壓力變化如圖8所示。

圖8顯示了當(dāng)采用三種氣體工質(zhì)時(shí)，P1位置的壓比隨著平均壓力的變化趨勢(shì)。對(duì)于氦氣，壓比相對(duì)于平均壓力具有兩個(gè)變化分支。這表明存在一個(gè)最佳的平均壓力可獲得最高的壓比。當(dāng)平均壓力在0.8～1.2 MPa時(shí)，可以獲得相對(duì)較高的壓比。氮?dú)夂蜌鍤庥邢嗤内厔?shì)：高壓比只能在低平均壓力范圍內(nèi)達(dá)到，并且壓比隨平均壓力的升高呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。在一定的工作條件下，壓力振幅的增加與平均壓力的增加的比值最終決定了壓比的變化趨勢(shì)。壓比隨加熱溫度變化如圖9所示。

圖8 P1位置壓比隨平均壓力變化圖

圖9 壓比隨加熱溫度變化圖

圖9展示了熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的不同壓力監(jiān)測(cè)位置處在幾種不同的平均工作壓力下壓比的試驗(yàn)結(jié)果。從圖9可見(jiàn)，在恒定的平均壓力下，無(wú)論采用哪種工作氣體，壓比都會(huì)隨著加熱溫度的升高而增加。這是由于回?zé)崞鞯臒岫藴囟仁冀K在增加而冷端的溫度始終與環(huán)境溫度接近，導(dǎo)致回?zé)崞鞯妮S向溫度梯度增大，熱聲轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)，最終熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力振幅增大。此外，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)不同位置的壓比也有所不同：不管采用哪種氣體工質(zhì)，最大的壓力波動(dòng)出現(xiàn)在主水冷器上方，壓力波的波環(huán)接近P1，壓力波的波腹在接近P1位置處。相比之下，諧振管的P4壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)始終獲得最小的壓力波動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的壓力波動(dòng)特性是衡量熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。采用試驗(yàn)方式，研究了不同工質(zhì)、不同平均壓力等操作參數(shù)對(duì)斯特林熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)以氦氣為工質(zhì)時(shí)，存在一個(gè)最佳的平均壓力，可使發(fā)動(dòng)機(jī)在最低的溫度下起振，并且可工作的平均壓力范圍更大。與氮?dú)夂蜌鍤庀啾龋獾墓ぷ黝l率更高，但是在相同的平均壓力下壓力振幅更小。隨著平均壓力的增大，氮?dú)夂蜌鍤獾膲罕入S之減小，而氦氣卻存在最大值。