斯特林热声发动机压力特性的试验研究

董世充，安连锁，沈国清，徐漠北，张世平

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206)

0 引言

热声发动机是一种可将热能转化为声能的、具有应用前途的动力机械[1]，它通常由加热器、水冷器、回热器和一些空管道组成，整个系统中没有机械运动部件。因此，它具有结构简单、可靠性高的优点，不需要精密加工和昂贵的材料[2]。另外，热声发动机具有多种用途：由热声发动机驱动的脉管制冷机可用于工程应用，如天然气或煤层气液化等[3]；微型化热声系统可用于冷却电子芯片[4]；热声发电系统还可以由工业余热[5-6]以及太阳能热量[7-8]所驱动。低品位热源的利用，对提高能源的综合效率具有重要意义。

Swift[9]的论文提及1992年建造的世界上第一台大功率驻波热声发动机，以及在1999年建造的第一台行波斯特林热声发动机[10]。与驻波热声发动机相比，由于行波热声发动机的气体工质在热声转换过程中历经斯特林循环，因此效率更高。邱利民和孙大明[11]等人建立了一台行波热声发动机，采用弹性膜片完全一致环路中的Gedeon直流现象，最大压比可达1.302。Yu[12]等建立了聚能型斯特林热声发动机，最大压比可达1.40。Tijani[13]设计、制造了一种高性能斯特林热声发动机，热声转换效率达到了49%。陈茂[14]对自行研制的小型行波斯特林热声发动机的性能进行了初步研究。

热声发动机内的压力波动特性是衡量热声发动机性能的重要标准，对其压力特性的深入了解，一方面会进一步提高热声发动机的实用性，另一方面也会在一定程度上解决热声发动机与负载之间的匹配问题。因此，以自行搭建的斯特林热声发动机试验台为基础，研究了不同工质、不同平均压力等操作参数对斯特林热声发动机起振特性、压力振荡频率和压力振幅的影响，对热声系统中的能量转换有重要指导意义。

1 试验装置

1.1 热声发动机主机系统

斯特林热声发动机试验装置如图1所示。

图1 斯特林热声发动机试验装置示意图

斯特林热声发动机各部件尺寸如表1所示。

表1 斯特林热声发动机各部件尺寸

加热器是由紫铜经过线切割而成的翅片式换热器(翅片间距：1 mm)。采用电加热棒作为加热方式。为了减小加热过程中的热量损失，在加热器外包了一层保温棉。主水冷器和次水冷器是分别由159根和41根内径3 mm和6 mm的不锈钢薄壁管组成的管壳式换热器。常温的冷却水通过流过该薄壁管来冷却热声发动机内的气体工质。回热器采用堆叠在一起、形成一定高度的不锈钢丝网作为填充材料。此外，由于环形管中的压力振荡会产生对热声发动机性能有害的Gedeon直流现象[11]，所以在主水冷器的上方安装了硅胶弹性膜片，以抑制Gedeon直流。

1.2 温度、压力测量装置

图1同样展示了热声发动机试验装置的测量系统。通过分别在加热器和主水冷器放置K型热电偶，可以获得加热温度和冷却水温度。温度数据通过NI-9213采集卡传输到计算机，并通过LabVIEW软件进行提取和保存。

压力测量采用北京传感星空自控有限公司所提供的高精度平膜压力传感器(CGYL-206)，安装在发动机管道上以获得动态压力信号。压力信号通过采集卡(CGCY-800)传入计算机中。该压力传感器可在充入气体工质时显示平均压力，也可在热声发动机内气体工质振荡时获取动态压力波动。压力传感器与热声试验台的连接方式采用螺旋密封。由于该传感器产品已存在M20×1.5的外螺纹口，因此在热声发动机的压力测点处加工与之相匹配的内螺纹口，安装时缠上生料带即可保证传感器的密封性。压力传感器安装位置如图1所示。P1位于弹性膜片上方，P2位于反馈管，P3和P4分别安装在谐振管入口和中间位置。

2 试验结果与讨论

2.1 不同介质的平均压力对起振温度的影响

热声发动机起振瞬间压力波形如图2所示。

图2 热声发动机起振瞬间压力波形图

图2展示了当热声发动机充入1.3 MPa氦气时起振瞬间的压力信号。为了获得热声发动机的起振特性，在试验中首先对位于加热器内的加热棒进行通电，这时回热器的热端温度会逐渐升高。当回热器的热端与冷端达到一定的温差时，热声系统内部会自发形成周期性的振荡，压力信号会瞬间增大。这被视为热声发动机的起振现象，此时的温度被记录为起振温度。热声发动机的结构参数对起振温度有着至关重要的影响。而对于结构参数固定的热声发动机，工作介质和平均压力也会显著影响起振温度。较低的起振温度对于低品位热源在热声发动机上的应用具有重要意义。因此，在试验过程中加热器温度如超过500 ℃仍未观察到起振现象，则停止加热以保护加热设备。起振温度随充气压力变化如图3所示。

图3 起振温度随充气压力变化图

图3显示了当氦气、氮气和氩气作为工作气体时，热声发动机起振温度的变化趋势。对于氦气，在压力测试范围内，随着平均压力逐渐增大，发动机的起振温度呈现先增大后减小的趋势。这表明，采用一个最佳的平均压力即可获得最低的起振温度。在0.7～1 MPa的压力范围内，该热声发动机的起振温度可以稳定地维持在较低的范围内。然而对于氮气和氩气，可以观察到一个截然不同的变化趋势：起振温度随着平均压力的增加而增加。此外，氩气的起振温度高于氮气的起振温度。对于该热声发动机而言，当使用氮气和氩气作为工作介质时，可工作的平均压力范围仅能低于1.2 MPa和0.8 MPa。因此，在选择工作气体时，氦气的可工作压力范围要有明显优势。

2.2 热声振荡频率特性

频率是热声发动机压力特性的一个重要特征。工质种类会对频率产生很大影响。试验结果表明，当以氦气、氮气和氩气分别作为工质时，热声发动机系统的压力振荡频率分别为63 Hz、22 Hz和20 Hz。热声发动机压力频谱如图4所示。

图4 热声发动机压力频谱图

除了气体工质的种类会对频率产生影响外，其他操作参数也会影响热声发动机的振荡频率，如平均压力、加热温度等。频率随平均压力变化如图5所示。

图5 频率随平均压力变化图

图5展示了热声发动机的工作频率与平均压力的关系。随着平均压力的升高，氦气的工作频率的增加值不到2 Hz，同时氮气和氦气没有明显的增加。结果表明热声发动机的平均压力对其工作频率的影响较小。热声发动机的振荡频率可以通过配比不同体积分数的氦气、氮气和氩气等混合气体来调节。频率随加热温度变化如图6所示。

图6 频率随加热温度变化图

图6展示了谐振管入口的压力监测点P3的气体振荡频率与加热温度之间的关系。没有观察到明显的增大趋势，增加值不到0.2 Hz。热声发动机频率特性的稳定，便于与脉管制冷机、发电机等声学负载进行匹配。

2.3 平均压力对振幅和压比的影响

压力振幅和压比(压力波中最大压力与最小压力的比值)是反映热声发动机性能和能量转换强度的重要参数。P1位置压力振幅随平均压力变化如图7所示。

图7 P1位置压力振幅随平均压力变化图

图7展示了当热声发动机的加热温度在500 ℃时，主水冷器上方P1压力监测点的压力振幅。从结果可知，对于这三种工作气体，压力振幅随着平均压力的增加而增大。在相同的平均压力条件下，采用氮气和氩气作为工作气体，热声发动机可获得更高的压力振幅。这是由于当热声发动机在充入氮气和氩气时，其工作频率要低的多。因此可知，降低热声发动机的工作频率有助于提高压力振幅。

P1位置压比随平均压力变化如图8所示。

图8显示了当采用三种气体工质时，P1位置的压比随着平均压力的变化趋势。对于氦气，压比相对于平均压力具有两个变化分支。这表明存在一个最佳的平均压力可获得最高的压比。当平均压力在0.8～1.2 MPa时，可以获得相对较高的压比。氮气和氩气有相同的趋势：高压比只能在低平均压力范围内达到，并且压比随平均压力的升高呈现下降的趋势。在一定的工作条件下，压力振幅的增加与平均压力的增加的比值最终决定了压比的变化趋势。压比随加热温度变化如图9所示。

图8 P1位置压比随平均压力变化图

图9 压比随加热温度变化图

图9展示了热声发动机的不同压力监测位置处在几种不同的平均工作压力下压比的试验结果。从图9可见，在恒定的平均压力下，无论采用哪种工作气体，压比都会随着加热温度的升高而增加。这是由于回热器的热端温度始终在增加而冷端的温度始终与环境温度接近，导致回热器的轴向温度梯度增大，热声转换的驱动力增强，最终热声发动机的压力振幅增大。此外，热声发动机不同位置的压比也有所不同：不管采用哪种气体工质，最大的压力波动出现在主水冷器上方，压力波的波环接近P1，压力波的波腹在接近P1位置处。相比之下，谐振管的P4压力监测点始终获得最小的压力波动。

3 结束语

热声发动机内的压力波动特性是衡量热声发动机性能的重要标准。采用试验方式，研究了不同工质、不同平均压力等操作参数对斯特林热声发动机的压力特性的影响。试验结果表明：当热声发动机以氦气为工质时，存在一个最佳的平均压力，可使发动机在最低的温度下起振，并且可工作的平均压力范围更大。与氮气和氩气相比，氦气的工作频率更高，但是在相同的平均压力下压力振幅更小。随着平均压力的增大，氮气和氩气的压比随之减小，而氦气却存在最大值。