CN103528090B - 燃烧系统以及燃烧振荡抑制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃烧系统，该燃烧系统包括一燃烧装置以及一燃烧振荡抑制系统，该燃烧振荡抑制系统包括传感器，控制器，以及气流扬声器。所述传感器用于感测所述燃烧装置中的感应信号，所述控制器用于将所述感应信号转化为执行信号，所述气流扬声器接收所述执行信号，并根据该执行信号产生声波脉动信号作用于所述燃烧装置来抑制该燃烧系统中的燃烧振荡。

Description

燃烧系统以及燃烧振荡抑制系统

技术领域

本发明涉及一种燃烧系统以及应用于该燃烧系统的燃烧振荡抑制系统。

背景技术

燃烧系统中发生的燃烧振荡是不稳定燃烧过程与所处声学环境耦合作用形成的自激振荡现象。燃烧振荡会在锅炉、锅炉、工业燃气轮机、航空发动机、火箭发动机等燃烧系统中引起压力脉动幅值过高。燃烧振荡不仅会产生巨大的噪声，还可能引起燃烧系统剧烈振动，影响燃烧系统工作效率与寿命，因此，抑制燃烧振荡对燃烧系统的稳定、高效、安全运行十分重要。

目前的燃烧振荡控制技术主要分为被动控制和主动控制。被动控制包括安装共振器、燃料供给分级、优化燃料/空气混合、优化喷嘴和燃烧室几何结构等；主动控制通过传感器、控制器、执行器组成的控制系统对噪声进行抑制。考虑到经济性、可靠性、研发周期等因素，主动控制在抑制实际燃烧系统的噪声方面被认为有较好的前景。然而，目前限制主动控制技术的一个重要方面在于能够满足实际应用条件且可靠性好的执行器还比较少。

现有技术通常研究实验用的执行器包括动圈式扬声器和燃料调节阀。采用动圈式扬声器作为执行器可以产生压力扰动从而通过改变热声耦合特性来抑制噪声。采用燃料调节阀作为执行器控制燃料供应可以改变燃烧室内的放热率脉动特性，从而抑制其与声波的耦合作用。这两种执行器应用时各有优缺点，动圈式扬声器可以有较好的频率响应特性，但实际的燃烧系统所处的高压、高温环境使得普通的动圈式扬声器无法直接使用，并且要实现较大的功率扬声器体积会非常庞大。燃料调节阀体积、质量相对较小，对燃烧放热率脉动的调节效果明显，但用于燃烧振荡控制的燃料调节阀要求响应频率范围宽、线性响应要求高，目前很少有能够满足要求的调节阀，即使有，价格也非常昂贵。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种具有较好的燃烧振荡抑制特性且适于工业化应用的燃烧振荡抑制系统以及采用该燃烧振荡抑制系统的燃烧系统。

一种燃烧系统，该燃烧系统包括一燃烧装置以及一燃烧振荡抑制系统，该燃烧振荡抑制系统包括:传感器，感测所述燃烧装置中的感应信号；控制器，将所述感应信号转化为执行信号；以及，气流扬声器，接收所述执行信号，并根据该执行信号产生声波脉动信号作用于所述燃烧装置来抑制该燃烧装置中的燃烧振荡，所述气流扬声器产生的声波声压级最高达到180dB，功率最高达到10kW；所述燃烧装置包括一气体通道，所述气体通道包括一进气通道，出气通道以及一冷却气通道，所述气流扬声器设置在该进气通道中，所述气流扬声器通过调制该气体通道中的气流产生声波来抑制所述燃烧装置中的燃烧振荡产生的噪声；所述控制器包括一信号处理器、控制主机以及一信号放大器，所述信号处理器设置于所述传感器与控制主机之间，用于将所述感应信号转化成电信号传输到所述控制主机，所述信号放大器连接于所述控制主机与所述气流扬声器之间，用于将所述控制主机转换后的信号进一步放大成所述执行信号。

相对于现有技术，本发明实施例提供的燃烧系统以及燃烧振荡抑制系统具有下有益效果：(1)所述气流扬声器相较于传统的动圈式扬声器可以产生较强的声波，相较于传统的燃料调节阀具有较好的频率响应特性，气流扬声器具有较宽的频率响应范围和较高的声强，因此能很好的满足燃烧振荡主动控制的需求。(2)相较于传统的采用纸盆或者振膜的动圈式扬声器，所述气流扬声器耐高压，可以实际适用于燃烧装置高压的恶劣的环境。(3)采用所述气流扬声器作为抑制燃烧振荡的执行器对于与现有技术中的普通扬声器在相同的声功率下，该气流扬声器具有较小的体积，而且相较于燃料调节阀成本较低且可靠性更高，更利于应用于实际的工业化燃烧系统，如航空航天、大型船舶等动力推进系统。

附图说明

图1是本发明实施例提供的燃烧系统的结构框图。

图2是本发明实施例提供的燃烧系统的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的气流扬声器的结构示意图。

图4为本发明又一实施例提供的燃烧系统的结构示意图。

主要元件符号说明

燃烧系统100，200

燃烧装置10

燃烧室12

燃烧器14

进气通道16

可视窗17

出气通道18

冷却气通道19

传感器20

动态压力传感器20a，20b

光电倍增管20c

控制器30

信号处理器32

控制主机34

信号放大器36

气流扬声器40

气室42

喷口44

可动遮挡板46

电磁线圈47

环形固定挡板48

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例提供的燃烧系统以及燃烧振荡抑制系统。

请一并参阅图1和图2，本发明实施例提供一种燃烧系统100，该燃烧系统100包括一燃烧装置10以及一燃烧振荡抑制系统，该燃烧振荡抑制系统包括传感器20，控制器30，以及气流扬声器40。所述传感器20用于感测所述燃烧装置10中的感应信号，所述控制器30用于将所述感应信号转化为执行信号，所述气流扬声器接收所述执行信号，并根据该执行信号产生声波脉动信号作用于所述燃烧装置10来抑制该燃烧系统100中的燃烧振荡。

所述燃烧装置10包括一燃烧室12、气体通道以及燃烧器14。所述气流扬声器40设置在所述气体通道中。所述气体通道包括一进气通道16以及一出气通道18。所述燃烧室12的一端设置有所述进气通道16，另一端设置有所述出气通道18。所述燃烧器14设置在所述进气通道16末端，用于将燃料与空气混合，并稳定燃烧火焰。

所述传感器20用于感测该燃烧室12内燃烧产生的感应信号。所述感应信号即为燃烧振荡产生的脉动信号。优选地，所述传感器20可具有实时监测、快速动态响应的特性。该传感器20可以为压力传感器、温度传感器、放热率检测传感器以及风速传感器中的至少一种。上述类型的传感器可以为习知的传感器。所述压力传感器可以选用动态压力传感器或麦克风。所述放热率检测传感器可以为二极管激光器以及光电倍增管中的至少一种。所述传感器20可以为一个也可以为多个。该传感器20的设置方式可根据所述传感器的类型来确定。本发明第一实施例中采用两个动态压力传感器20a和20b设置在所述燃烧室12的外壁来分别检测该燃烧室12内燃烧产生的压力脉动信号。

所述控制器30用于将所述传感器20采集到的感应信号转化为使所述气流扬声器40按特定频率发声的执行信号。

所述控制器30可包括一信号处理器32、控制主机34以及信号放大器36。所述信号处理器32用于将所述感应信号转化成电信号传输到所述控制主机34，所述控制主机34将该电信号转化成执行信号，该执行信号经过所述信号放大器36放大后输入到所述气流扬声器40中。

该控制主机34可以采用多种控制方式来将所述感应信号转化为所述执行信号。所述控制方式可以为配平调节控制、移相控制、相位补偿控制、PID(PI)控制、鲁棒控制、线性二次调节器(LQR)、线性二次高斯控制(LQG)、最小均方值控制(LMS)、自适应控制以及神经网络控制中的一种或多种。所述控制方式可根据燃烧振荡的频率特征、干扰噪声强度或工况变化范围来选择。该控制方式可以是实时的反馈控制也可以是开环控制。本发明实施例中采用实时的反馈控制来作为所述控制方式。采用实时反馈控制的方式可以给所述气流扬声器提供较精确的执行信号，从而可以更好地抑制所述燃烧振荡。

所述气流扬声器40作为抑制所述燃烧振荡的执行器，设置在所述气体通道中。所述进气通道16以及出气通道18中的至少一个设置有所述气流扬声器40。优选地，所述气流扬声器40设置在所述进气通道16中且使所述燃烧器14设置于所述气流扬声器40和所述燃烧室12之间。所述气流扬声器40设置于所述进气通道16中可以对进入所述燃烧室12的高速气流直接进行调制，从而可以从源头对所述燃烧室12中燃烧振荡产生的噪声进行有效地抑制。

所述气流扬声器40可以通过调制气流来发出声波，可以为现有技术中常用的各种结构的电动气流扬声器也可以为感应气流扬声器。所述气流扬声器40可以通过调制气流来发出声波。本发明实施例中所述气流扬声器40为电动气流扬声器。所述气流扬声器40具有可以产生较大功率的声波，通常产生的声波声压级可达180dB。相对于传统的动圈式扬声器或者压电扬声器，所述气流扬声器40的制动效率高，功率可达10kW级，并且气流扬声器40可以在高温高压下工作。请参阅图3，所述气流扬声器40可包括气室42、振动系统以及喷口44。所述振动系统包括可动遮挡板46、电磁线圈47以及环形固定挡板48，所述可动遮挡板46与所述电磁线圈47连接，所述环形固定挡板48上设置有多个气流孔(图未示)。当给该气流扬声器40加载交流电信号时，所述可动遮挡板46受到所述电磁线圈47产生的磁场力作用而往复运动，对气流进行调制，从而从喷口44产生高强度的声波。

如图2所示，本发明实施例中抑制所述燃烧系统中燃烧振荡的工作过程如下：动态压力传感器20a和20b采集所述燃烧室12中的压力脉动信号，然后通过所述信号处理器32转化为量程合适的两路电压信号，输入到所述控制主机34中，所述控制主机34选择所述两路电压信号中的至少一路信号作为参考信号，然后选取合适的控制方式产生控制信号，该控制信号经所述信号放大器36放大后输入到气流扬声器40中，电动气流扬声器40产生相应的声波并作用于所述燃烧室12内的声波和燃烧过程，来抑制燃烧振荡。

请一并参阅图1和图4，本发明又一实施例进一步提供一种燃烧系统200，该燃烧系统200的结构与所述燃烧系统100的结构基本相同，区别在于，所述气体通道进一步包括一冷却气通道19与所述燃烧室12内部相连，所述气流扬声器40设置在所述冷却气通道中来调制该燃烧室内的声波。本发明实施例中，所述传感器20选择一放热率检测传感器以及一动态压力传感器。该实施例中，所述放热率检测传感器选择所述光电倍增管来采集所述燃烧室12内的放热率脉动信号，所述动态压力传感器为所述动态压力传感器20b。该实施例中，所述燃烧室12的壁面上进一步安装一可视窗17以便于放热率信号采集。

此外，所述燃烧振荡抑制系统也可是一针对其他噪声源产生的强噪声的抑制系统，可不限于用于所述燃烧系统100或200中。此时，类似的，所述传感器20感应所述噪声源产生的脉动信号，所述控制器30将该噪声源的感应的脉动信号转化为执行信号，所述气流扬声器40设置在所述噪声源发出的声波处，并根据该执行信号产生声波脉动信号作用于所述噪声源来抑制该噪声源产生的噪声。

与现有技术相比较，本发明实施例提供的燃烧系统以及燃烧振荡抑制系统具有下有益效果：(1)所述气流扬声器相较于传统的动圈式扬声器可以产生较强的声波，相较于传统的燃料调节阀具有较好的频率响应特性，气流扬声器具有较宽的频率响应范围和较高的声强，因此能很好的满足燃烧振荡主动控制的需求。(2)相较于传统的采用纸盆或者振膜的动圈式扬声器，所述气流扬声器耐高压，可以适用于实际燃烧装置高压的恶劣的环境。(3)采用所述气流扬声器作为抑制噪声的执行器对于与现有技术中的普通扬声器在相同的声功率下，该气流扬声器具有较小的体积，才外相较于燃料调节阀成本较低且可靠性更要，更利于应用于实际的工业化燃烧系统，如航空航天、大型船舶等动力推进系统。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (3)

1.一种燃烧系统，包括一燃烧装置，其特征在于，进一步包括一燃烧振荡抑制系统，该燃烧振荡抑制系统包括：

传感器，感测所述燃烧装置中的感应信号；

控制器，将所述感应信号转化为执行信号；以及

气流扬声器，接收所述执行信号，并根据该执行信号产生声波脉动信号作用于所述燃烧装置来抑制该燃烧装置中的燃烧振荡，所述气流扬声器产生的声波声压级最高达到180dB，功率最高达到10kW；

所述燃烧装置包括一气体通道，所述气体通道包括一进气通道，出气通道以及一冷却气通道，所述气流扬声器设置在该进气通道中，所述气流扬声器通过调制该气体通道中的气流产生声波来抑制所述燃烧装置中的燃烧振荡产生的噪声；

所述控制器包括一信号处理器、控制主机以及一信号放大器，所述信号处理器设置于所述传感器与控制主机之间，用于将所述感应信号转化成电信号传输到所述控制主机，所述信号放大器连接于所述控制主机与所述气流扬声器之间，用于将所述控制主机转换后的信号进一步放大成所述执行信号。

2.如权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述传感器包括压力传感器、放热率检测传感器、温度传感器以及风速传感器中的至少一种。

3.如权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述气流扬声器为电动气流扬声器或感应气流扬声器。