采用双向冲击式透平的热声发电系统工作机理研究

Investigation on renewable energy power generation technology is the present promising research field。As an external combustion power generation technology, thermoacoustic system is expected to be an important candidate for power generation. This project investigate on a new type of thermoacoustic power generation system using a bi-directional impulse turbine, combined with conventional rotary motor, is expected to play a promising role in power scalability, cost and efficiency. The research includes: (1) establish the corresponding nonlinear oscillating flow theoretical model for the turbine, implement in-depth study on the energy conversion and loss mechanism for bi-directional impulse turbine in thermoacoustic system; (2) based on the thermoacoustic theory, the acoustic characteristics are going to be extracted for the turbine, and the investigation on the coupling rule and influencing factors of bidirectional impulse type turbine driving by the thermoacoustic prime mover is going to be done. This project will enrich the content of thermoacoustics and related subjects, and lay a solid foundation for optimizing the design of new type of thermoacoustic power generation system.

发展可再生能源发电技术是目前的研究热点，作为外燃式发电技术，热声发电系统有望获得重要应用。本项目研究针对一种新型的利用双向冲击式透平的热声发电系统，结合常规旋转电机，有望在功率扩展性、成本以及效率方面发挥优势。研究内容主要包括：（1）建立相应的非线性交变流动理论模型，深入研究双向冲击式透平在热声系统中的能量转换和损失机理；（2）结合热声理论，提炼双向冲击式透平声学特性，系统性地研究双向冲击式透平与热声发动机的高效耦合规律和影响因素。本项目实施将丰富热声学及相关交叉学科内容，同时为优化设计新型热声发电系统打下坚实基础。

发展可再生能源发电技术是目前的研究热点，作为外燃式发电技术，热声发电系统有望获得重要应用。目前声电转换环节主要利用直线电机实现，但直线电机在比功率密度、大尺度间隙密封、大重量支撑技术和成本方面的问题越来越凸显。双向冲击式透平的引入以及与常规旋转电机的结合，为热声发电技术提供一种新的思路，其在功率方面的易扩展性和成本方面的优势尤其对大功率热声发电系统有重要意义。但双向透平在交变流动中的机理研究目前尚属空白。.本项目对双向冲击式透平在热声发电系统中的工作原理进行了系统性研究，1）双向冲击式透平理论分析方面，通过非线性声学特性的分析，解决了双向透平与热声系统的耦合优化问题，基于热声理论对其阻抗特性进行理论分析并获得其阻抗特征表达式，并通过数值分析对该理论表达式进行了验证。 2）双向透平的优化设计与实验验证方面，采用稳态流动与可压缩交变流动相结合的方式，优化设计了一套百瓦级定导流叶片的双向冲击式透平结构；并完成了其在常压稳态来流以及高压交变来流的输出特性测试，实验获得透平最大输出230W，最大效率51%，数值计算结果与实验结果对比符合良好。.通过以上研究，建立了交变流动下透平的理论分析与优化设计方法，结合数值仿真与实验测量，阐明了双向冲击式透平在热声系统中的能量转换机理以及耦合规律，为双向透平在热声发电中的应用奠定了理论与实验基础。