专利名称：一种基于时均流与交变流耦合作用的发电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及发电装置及方法，尤其涉及一种基于时均流与交变流耦合作用的发电装置。
背景技术：
时均流，也称平均流(Mean flow)，是指具有显著动能的单向流体流动，包括自然风、管道内气流、水流等。在日常生活中就有时均流激声的例子当对着竖直放置的瓶口水平吹气时，可以听到瓶内传出的嗡嗡声，这说明口中吹出的气流(时均流)在瓶内引起了声振荡(自激振荡)。从气动声学角度看，该现象可概括为具有一定动能的时均流诱导出有规律的具有交变流特性的空气声场，其背后有着复杂的能量传递过程，首先，当气流掠过时， 不稳定粘性边界层在瓶口脱离；其次，脱离的边界层在瓶口又以漩涡的形式卷起形成涡结构，并向瓶内的声场传递能量；再次，能量的传递和声场的存在又反过来影响了随后的漩涡的形成。整个过程形成一个能量反馈回路，具有高度的谐振特性。如果把口中吹出的气流换成高速管道气流或自然风，瓶子换成特制的单端开口密闭腔体，高速气流会向腔体内传递大的多的能量，从而诱导出一个具有大声能密度的驻波声场，即时均流在特殊的管道装置下诱导出稳定的声场，这种效应称为时均流激声效应。德国Karlsru大学的Naudascher和美国Lehigh大学的Rockwell根据形成机理把时均流激声分成三大类1)流体-动力振荡型，特征是振荡源于流体流动的固有不稳定性，纯的流体-动力振荡只发生于腔体深度与振荡波长相比很小的情况；2)流体-谐振振荡型，特征是流体振荡受谐振波动(驻波声场)效应影响显著，频率较高，腔体的深度与波长处于同一量级；3)流体-弹性振荡型，特征是流体振荡与固体边界的运动耦合在一起，此类振荡发生于当腔体的一个或多个壁面经历较大位移，且足够对时均流的剪切边界层扰动施加反作用。上世纪七十年代以来，针对流体-谐振振荡的研究逐渐增多，这类研究的对象都可以抽象成一个主流管道和一个截面尺寸相当的单端开口密闭支路，二者内的流体相互连通，主流管道内是时均流场，密闭支路内建立的是驻波声场。典型的十字形结构示意图如图 1所示，该类振荡中的支路腔体为1/4波长谐振器(λ = 4L)，曲线表示驻波声场的压力振幅分布。大部分前期研究的目的是消除流体输送管道中自激强振荡引起的结构振动、疲劳破坏和噪音。事实上，时均流激声效应也衍生出一种有效的能量利用方式，已有实验研究表明，自然风等时均流在密闭腔体内诱导出具有高能量密度和稳定频率特性的驻波声场，其压力振幅能够达到15%。因此，通过时均流激声效应可以将时均流能量转化为声能，并用于驱动直线发电机发电。直线发电机是利用电磁感应原理将动子往复运动机械能转换成电能的装置，可以直接由时均流激声效应产生的压力波动来驱动。对于直线发电机，发电机的消耗声功量可表示为ι- 八*Wz = -Re(i>U )(1)式(1)中，$和&分别表示压力复数幅值及体积流量，*表示复数共轭。同时直线发电机输出电功可表示为We =|ε6[(/·Ζ)·/*](2)式(2)中Z表示外部电路阻抗， 表示电流波动量的复数幅值。近年来，通过一些
密封等关键技术的改进，直线发电机已经具有很高的声电转换效率，一般可以达到90%左
右ο本专利将时均流激声效应和直线发电机耦合在一起，从而构成一个独立的发电装置。
发明内容本实用新型的目的在于采用新型的能源利用方式，提供一种基于时均流与交变流耦合作用的发电装置。基于时均流与交变流耦合作用的发电装置包括驱动管上游段1、驱动管下游段2、 谐振管3、连接装置4和直线发电机；在谐振管3中部两侧分别与驱动管上游段1、驱动管下游段2相通，谐振管3两端设有连接装置4并与直线发电机相连；或者谐振管3两端封闭， 在谐振管3侧面设有连接装置4并与直线发电机相连。所述的驱动管上游段1和驱动管下游段2的截面为圆形或四边形，驱动管上游段 1和驱动管下游段2的外形轮廓为等截面管或变径管。所述的谐振管3的截面为圆形或四边形，谐振管3的外形轮廓为等截面积管、 变径管或一端具有多个分支的分叉型管。所述的直线发电机为动磁式或动圈式直线发电机，所述动磁式发直线发电机中永磁体8为运动部件，并且通过活塞杆10与支持弹簧9、发电机活塞6连接在一起，线圈7环绕固定在发电机的内部；所述动圈式直线发电机中的线圈7为运动部件，并且安装在发电机活塞6上，发电机活塞6通过活塞杆10与支持弹簧9连接在一起，永磁体8固定在发电机的内部。本实用新型提出的时均流发电装置完全不同于现有方式驱动的发电装置。首先该装置基于空气声学，将时均流转化为一个频率稳定的、具有较高能流密度的驻波声场。其次，根据直线发电机的工作特性和布置需要，可以改变管道的尺寸、截面形状以及谐振管的数量，以获得最佳的匹配性能。特别地，这种能量转化装置结构简单、寿命长、效率高，为利用广泛存在的管道流体能和风能等提供了一种新颖、可靠的方法。
图1是时均流发电装置原理示意图；图2是带双活塞直线发电机的时均流发电装置的结构示意图；图3是带单活塞直线发电机的时均流发电装置的结构示意图；[0022]图中驱动管上游段1、驱动管下游段2、谐振管3、连接装置4、双活塞式直线发电机5，发电机活塞6、线圈7、永磁体8、支撑弹簧9、活塞杆10、支撑架11、外接负载12、单活塞式直线发电机13。
具体实施方式
时均流发电装置包括驱动管上游段1、驱动管下游段2、谐振管3、连接装置4和直线发电机；在谐振管3中部两侧分别与驱动管上游段1、驱动管下游段2相通，谐振管3两端设有连接装置4并与直线发电机相连；或者谐振管3两端封闭，在谐振管3侧面设有连接装置4并与直线发电机相连。所述的驱动管上游段1和驱动管下游段2的截面为圆形或四边形，驱动管上游段 1和驱动管下游段2的外形轮廓为等截面管或变径管。所述的谐振管3的截面为圆形或四边形，谐振管3的外形轮廓为等截面积管、 变径管或一端具有多个分支的分叉型管。所述的直线发电机为动磁式或动圈式直线发电机，所述动磁式发直线发电机中永磁体8为运动部件，并且通过活塞杆10与支持弹簧9、发电机活塞6连接在一起，线圈7环绕固定在发电机的内部；所述动圈式直线发电机中的线圈7为运动部件，并且安装在发电机活塞6上，发电机活塞6通过活塞杆10与支持弹簧9连接在一起，永磁体8固定在发电机的内部。基于时均流与交变流耦合作用的发电方法是时均流在驱动管中流经驱动管上游段1和谐振管3连接处的几何突变，使驱动管上游段1的边界层流体脱落，并在谐振管3的开口处形成漩涡，漩涡与谐振管3内的滞止流体交换能量，引起谐振管3内流体的自激振荡，这种由时均流激声效应产生的压力波动作用在直线发电机的发电机活塞6上，使其带动永磁体8或线圈7在磁场中周期性地直线运动，产生的感应电动势通过外接负载12引出电能，最终完成了时均流能量一声场能一电能的转化过程。所述的时均流为具有显著动能的单向流体。所述的具有显著动能的单向流体为风或管道流体。需要说明的是应用于该专利中的直线发电机可以有多种型式，常用的型式主要有动铁式直线发电机、动磁式直线发电机和动圈式直线发电机。图2中采用的直线发电机为双活塞式直线发电机5，图3中采用的直线发电机为单活塞式直线发电机13。直线发电机除了可以布置在谐振管3的两端，还可以根据声场分布情况布设在谐振管3的侧壁面上。根据直线发电机的工作特性和布置需要，可以改变时均流发电装置中管道的尺寸、截面形状以及谐振管的数量，以获得最佳的匹配性能。谐振管与驱动管上游段和驱动管下游段的连接形式可以是直角或圆角型式，只是在同一时均流速下激发的声场强度有所不同。另外谐振管可以在不影响内部声场和不引起较大耗散的情况下任意弯曲，也不必与驱动管垂直，可以成任意的角度，只要能够激发出稳定的声场就可以驱动发电装置工作。
权利要求1.一种基于时均流与交变流耦合作用的发电装置，其特征在于包括驱动管上游段 (1)、驱动管下游段(2)、谐振管(3)、连接装置(4)和直线发电机；在谐振管(3)中部两侧分别与驱动管上游段(1)、驱动管下游段(2)相通，谐振管(3)两端设有连接装置(4)并与直线发电机相连；或者谐振管(3)两端封闭，在谐振管(3)侧面设有连接装置(4)并与直线发电机相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于时均流与交变流耦合作用的发电装置，其特征在于所述的驱动管上游段(1)和驱动管下游段(2)的截面为圆形或四边形，驱动管上游段 (1)和驱动管下游段(2)的外形轮廓为等截面管或变径管。
3.根据权利要求1所述的一种基于时均流与交变流耦合作用的发电装置，其特征在于所述的谐振管(3)的截面为圆形或四边形，谐振管(3)的外形轮廓为等截面积管、变径管或一端具有多个分支的分叉型管。
4.根据权利要求1所述的一种基于时均流与交变流耦合作用的发电装置，其特征在于所述的直线发电机为动磁式或动圈式直线发电机，所述动磁式发直线发电机中永磁体 (8)为运动部件，并且通过活塞杆(10)与支持弹簧(9)、发电机活塞(6)连接在一起，线圈(7)环绕固定在发电机的内部；所述动圈式直线发电机中的线圈(7)为运动部件，并且安装在发电机活塞(6 )上，发电机活塞(6 )通过活塞杆(10 )与支持弹簧(9 )连接在一起，永磁体(8)固定在发电机的内部。
专利摘要本实用新型公开了一种基于时均流与交变流耦合作用的发电装置。它具有驱动管上游段、驱动管下游段、谐振管、连接装置和直线发电机；在谐振管中部两侧分别与驱动管上游段、驱动管下游段相通，谐振管两端设有连接装置并与直线发电机相连；或者谐振管两端封闭，在谐振管侧面设有连接装置并与直线发电机相连。时均流是具有显著动能的单向流体，时均流进入驱动管并诱导谐振管内产生声场，从而驱动直线发电机发电。本实用新型提出的时均流发电装置结构简单、寿命长、免维护，为利用广泛存在的管道流体能和风能等提供了一种高效、可靠的方法。
文档编号H02K35/04GK202210747SQ20112035679
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月22日 优先权日2011年9月22日
发明者孙大明, 徐雅, 沈惬, 陈海俊 申请人:浙江大学