CN109990278A - 一种监测钝体预混火焰贫燃熄火的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种预监测钝体预混火焰贫燃熄火的方法，所用部件包括：离子探针、数据采集卡、预混钝体绕流燃烧器、体积流量计。该方法包括以下步骤：燃料与空气完全混合后进入钝体燃烧器燃烧，将离子探针探测电极置于燃烧器出口处，对绕流火焰根部带电离子浓度信号进行探测，数据采集卡采集到离子电压信号并上传到电脑；使用探针信号电压值小于某阈值ε1的概率与信号平均值的比值作为判定因子，当该因子小于某阈值ε2时判定为稳定燃烧，而当这一判定因子大于某阈值ε2时，判定为接近熄火，实现对贫燃熄火的监控，避免熄火的发生，预防熄火造成严重后果。本发明结构简单，操作方便，响应速度快，并且克服传统贫燃熄火预测方法误将钝体绕流火焰脱火判定为稳定燃烧的问题，在燃烧监测与控制、洁净燃烧等领域有广泛的应用前景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种监测预混钝体绕流火焰贫燃熄火的方法，具体涉及使用离子探针探测预混钝体绕流燃烧器出口火焰的电离子浓度信号，以信号大小小于某阈值出现的概率与信号平均值大小之比为判定因子，实现对火焰贫燃熄火边界的监测。
(二)背景技术
在燃烧装置中，要求燃料着火后，在不同的工作条件下能保证燃烧稳定地继续下去而不熄灭，在高速气流中，当气流速度大于火焰传播速度便不能形成稳定的点火源，导致火焰不稳定甚至熄火，为了保证在航空涡轮喷气发动机、冲压发动机、锅炉等高速燃烧装置中稳定地燃烧，钝体绕流火焰得到了广泛的应用。钝体稳定火焰的机理是基于低速回流区，由流体力学知识可以知道，当空气与燃料绕过钝体障碍物时，气流便会在钝体下游产生绕流脱落现象，在障碍物后形成一个稳定的低速回流区，下游已燃高温气体进入回流区内与新鲜未燃混合气体进行热量与质量交换，提供新鲜可燃混合气需要的能量，从而使火焰稳定的燃烧。随着现代航空技术的发展，对飞行器提出更高的飞行速度，更低的污染物排放水平等要求，未来的发动机燃烧室内工作环境将会更加恶劣，要求火焰稳定器的稳定边界更宽，因而未来火焰稳定器的研制必然需要对火焰熄火边界进行监测。另外，现役发动机工作工程中由于恶劣的工作环境，容易发生火焰不稳定甚至熄火导致空中停机等严重后果，因此也需要对火焰的贫燃熄火边界进行监测，避免熄火的发生。
燃烧室内的火焰从稳定燃烧到贫燃熄灭不是一个瞬态突变过程，会表现出一些明显的熄火征兆，比如甲烷部分预混火焰在熄火前会出现火焰锋面脉动的现象；旋流火焰靠近贫燃熄火边界时，出现局部熄火-重新点燃的脉动现象；这些特征就为监控贫燃熄火提供了可能，可以通过对这些特征进行监控进而实现预测贫燃熄火，避免熄火的发生。预混钝体绕流火焰在当量比逐渐减小的过程中，火焰根部先开始脉动，随后出现脱火，火焰根部脱离燃烧器，进一步减小当量比，火焰根部距离燃烧器出口距离增大，最终熄火，因此可以利用这种现象对预混钝体绕流火焰熄火进行监测。离子探针可以对火焰中带电离子进行探测，而火焰中的电离子浓度与燃烧化学反应速率有关，使用离子探针对预混钝体绕流火焰根部进行探测，得到根部电离子浓度信号，便可以对贫燃熄火进行监测。
为了对预混火焰贫燃熄火边界进行有效监控，国内外相关研究人员做了大量的工作。辛辛那提大学Yi教授使用光电倍增管对旋流火焰当量比逐渐降低时的OH*化学发光信号进行监测，提出使用OH*化学发光信号的标准差与平均值之比进行贫燃熄火预测(Tongxun Yi,Ephraim J.Gutmark.Real-time prediction of incipient lean blowoutin gas turbine combustors.AIAA Journal,2007,45(7):1734-1739.)。印度理工大学的Mishra教授参考Yi教授类似的方法，使用光电倍增管对分离射流火焰在固定燃料速度的情况下逐渐增加空气速度时的CH*化学发光信号进行探测，实现了对火焰贫燃熄火有效探测(S.Mahesh,D.P.Mishra.Dynamic sensing of blowout in turbulent CNG inverse jetflame.Combustion and Flame,2015,162:3046-3052.)。此类方法预测贫燃熄火具有计算效率高，适用范围广等优点，然而对于钝体火焰，随着当量比的减小，火焰根部先出现脉动，随后出现根部脱火，脱火距离逐渐增大最终熄灭，当火焰发生根部脱火时，这种方法会误将火焰判定为稳态燃烧。北京航空航天大学李芳燕博士使用离子探针传感器检测脉冲燃烧器随着当量比减小时室内带电离子信号，使用快速傅里叶变换对信号进行处理，分析信号的频域信息，发现随着当量比减小，低频(0-20Hz)信号能量占比增加，工作频率能量占比减小，提出使用工作频率能量占比与低频信号能量占比之比来监控脉动燃烧器的贫燃熄火，并取得良好效果(Fangyan Li,Lijun Xu,Minglong Du,et al.Ion current sensing-based lean lowout detection for a pulse combustor.Combustion and Flame,2017,176:263-271.)。这种方法可以有效对脉动燃烧的熄火边界进行监测，但是对于钝体绕流这种本身没有固定工作频率的火焰不再适用。因此，现有的方法都不能有效地监测预混钝体绕流火焰的贫燃熄火，为了对这种火焰贫燃熄火进行有效的监测，满足工业发展需求，亟待一种可以监测预混钝体绕流火焰贫燃熄火的新方法。
本发明利用预混钝体火焰熄火前根部脉动及脱离燃烧器出口的现象对贫燃熄火进行监测，首先使用离子探针对预混钝体火焰根部的电离子浓度进行探测，使用离子探针信号小于某阈值ε1的概率与信号平均值的比值来判定火焰是否接近熄火，当这一比值小于某阈值ε2时判定为稳定燃烧，而当这一比值大于某阈值ε2时，判定为接近熄火，从而实现对预混钝体绕流火焰贫燃熄火的监测。
(三)发明内容
本发明提出一种监测预混钝体绕流火焰贫燃熄火边界的方法，使用离子探针对火焰根部的电离子浓度信号进行探测，利用接近熄火时火焰根部出现脉动及脱离燃烧器出口的现象，实现对火焰贫燃熄火的监测。
所用部件包括：离子探针传感器、数据采集卡、预混钝体绕流燃烧器、体积流量计。
本法明采用的技术方案是：首先使用离子探针置于预混钝体绕流火焰根部，电离子浓度信号通过信号放大模块被数据采集卡采集，数据采集卡将数据保存如电脑，分析预混钝体绕流火焰根部的电离子浓度信号，使用离子探针信号小于某阈值ε1的概率与信号平均值的比值来判定火焰是否接近熄火，当这一比值小于某阈值ε2时判定为稳定燃烧，而当这一比值大于某阈值ε2时，判定为接近熄火，从而实现对预混钝体绕流火焰贫燃熄火的监测。
本发明的优点在于：1.本发明使用离子探针探测预混钝体绕流火焰根部电离子浓度信号，时间响应快，环境适应性强；2.离子探针信号小于某阈值ε1的概率与信号平均值的比值来判定火焰是否接近熄火，可以实现火焰脉动与脱火的探测，有效监测贫燃熄火，避免传统方法错误的将脱火判定为稳定燃烧的问题。
(四)附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1是本发明的实验系统图；
图2是本法明的信号直方图；
图3是本法明的监测结果图。
附图标示
101：燃料流量计，102：空气流量计，201：燃料/空气混合器，301：预混钝体绕流燃烧器，401：离子探针传感器，501:数据采集卡。
(五)具体实施方式
在图1中，燃料与空气经过流量计后再混合器中均匀混合，然后进入钝体燃烧器预混燃烧，离子探针置于钝体燃烧器出口处探测火焰根部电离子浓度信号，数据采集卡采集离子探针探测到的电离子浓度信号并上传到电脑，然后使用所发明判定准则来监测贫燃熄火。
步骤1：燃料与空气完全混合后进入钝体燃烧器，固定燃料流量，逐渐增大空气流量；
步骤2：将离子探针探测电极置于燃烧器出口处，对火焰根部带电离子信号进行探测；
步骤3：数据采集卡采集离子探针电压信号并传输给电脑，得到火焰根部电离子浓度信号；
步骤4：根据下式计算离子探针信号小于某阈值ε1的概率与信号平均值的比值IMR：
步骤5：判定是否熄火，当这一比值小于某阈值ε2时判定为稳定燃烧，而当这一比值大于某阈值ε2时，判定为接近熄火。
图3为本发明的在燃料流量75mL/min时的熄火监测图，可以看出当空气流量到达3.4L/min时，火焰根部低浓度电离子出现的频率达到阈值ε2(这里使用5)。图中与传统的信号标准差与平均值比值(NRMS)对比，传统NRMS方法在火焰根部脱离燃烧器时值又变低，会错误的将脱火判定为稳态燃烧，而本发明的判定方法IMR则克服了这一问题。
Claims (3)
1.一种监测钝体预混火焰贫燃熄火的方法，所用部件包括离子探针传感器、数据采集卡、钝体绕流燃烧器、体积流量计，其特征在于，燃料与空气进入预混器中完全混合，然后进入钝体绕流燃烧器中燃烧，离子探针探测电极置于燃烧器出口，数据采集卡采集离子探针信号并上传到计算机。
2.根据权利要求1所述监测钝体预混火焰贫燃熄火的新方法，其特征在于，随着当量比的降低，火焰根部出现脉动，且脉动程度逐渐增强，离子探针信号抖动增强，进一步降低当量比会出现脱火现象，离子探针信号逐渐减小，且火焰根部与燃烧器出口的距离逐渐增大，最终火焰熄灭，离子探针信号为零。
3.根据权利要求1所述监测钝体预混火焰贫燃熄火的新方法，其特征在于，离子探针测量火焰根部电离子浓度信息，随着当量比的降低，离子电压信号表现为：信号脉动程度先增强后减弱，小于某阈值ε1的概率一直在大，信号平均值一直减小，因此可以使用小于某阈值ε1的概率与信号平均值之比IMR来监测贫燃熄火，IMR定义为：
当这一比值小于某阈值ε2时判定为稳定燃烧，而当这一比值大于某阈值ε2时，判定为接近熄火，实现贫燃熄火的监测，避免燃烧器运行过程熄火的发生。
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| SURAJ NAIR, ET AL.: "Acoustic Detection of Blowout in Premixed Flames", 《JOURNAL OF PROPULSION AND POWER》 * |
| 黄建青等: "贫燃熄火实验预测方法综述", 《实验流体力学》 * |
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