CN111043623B - 一种基于电场影响火焰根部的闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法 - Google Patents

一种基于电场影响火焰根部的闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于电场影响火焰根部的闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法，本发明涉及一种调节热声振荡、避免燃烧室产生共振的方法。面向避免系统产生共振破坏的需求，本发明提供了一种解决抑制燃烧室热声振荡的扬声器主动控制技术无法适应高温高压环境、作动频率不足的技术途径。本发明基于电场影响火焰稳定性的原理：利用闭环负反馈PID自动控制系统，调整电场的强度，使得火焰热释放率发生变化，从而改变燃烧室压力振荡频率，使得压力振荡频率与燃烧室声场固有频率错开，避免燃烧室产生共振，消除系统破坏的可能。

Description

一种基于电场影响火焰根部的闭环负反馈调节避免燃烧室产 生共振的方法
技术领域
本发明涉及一种避免燃烧室产生共振的方法。
背景技术
热声振荡是在燃气涡轮发动机、冲压发动机、电站锅炉等燃烧过程中经常出现的现象，它会带来很多不良的影响，会导致额外的压力、流场和火焰的高振幅振荡，热负荷增高，加剧污染物的产生，影响燃烧室和系统的正常工作。当燃烧室内的压力振荡频率与燃烧室的声场固有频率一致，燃烧室发生共振，容易造成系统部件的严重损伤和破坏。
目前的热声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、优化燃料与空气的混合、优化喷嘴和燃烧室几何结构等，其控制程度受限较大，往往只在一定范围内的操作条件下有效。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。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。其中动圈式扬声器可以产生压力扰动从而通过影响气流的脉动情况来改变热声耦合特性，进而抑制热声振荡。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，并且主动控制仍然存在作用频率不足的问题。
发明内容
本发明面向避免系统共振破坏的需求，提供了一种基于电场影响火焰根部的闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法，解决了现有的抑制燃烧室热声振荡的扬声器主动控制技术无法适应高温高压环境、作动频率不足的技术问题。
本发明的基于电场影响火焰根部的闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法及步骤是这样的：启动燃烧室外部电源，金属电极在燃烧室内部形成电场，作用于燃烧室内部发生热声振荡火焰的根部；由燃烧室外壁压力传感器采集压力脉动信号，信号处理器获取压力脉动的振荡幅值，对其做快速FFT变换处理得到燃烧振荡主频率，将该频率信号输入到控制部分的比较器中，比较器将获取的频率与期望频率作比较得出偏差。由控制部分的PID控制器输出控制信号，作用到与金属电极连接的电路，与原有信号耦合后输出，再通过功率放大器放大信号；信号作用于燃烧室火焰根部，使根部电场强度改变，会影响火焰热释放，从而改变压力振荡频率，使得压力振荡频率与燃烧室声场固有频率错开，避免燃烧室产生共振破坏。
本发明的优点是：相对于扬声器通过影响气流脉动来抑制热声振荡这一主动控制技术，本发明基于电场影响火焰稳定性的原理，通过在火焰根部产生电场集中区，改变火焰的热释放脉动，这一新型的主动控制方式由于其自身的高频作动特性(通常为上千赫兹)，能够完美地解决扬声器主动控制技术无法适应高温高压环境以及作动频率不足等问题。对于一个动态燃烧热声振荡，比较器将获取的频率与期望频率作比较得出偏差，根据该偏差，PID控制器产生相应的控制信号，最终降低或提高压力振荡频率，实现压力振荡频率与燃烧室声场固有频率错开，避免燃烧室产生共振。
本发明面向避免系统共振甚至破坏的需求，基于电场影响火焰稳定性的原理，提出一种闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法，在形成电场影响火焰释热集中区的基础上，利用闭环负反馈PID自动控制系统，调整电场的强度，使得火焰热释放率发生变化，从而改变燃烧室压力振荡频率，使得压力振荡频率与燃烧室声场固有频率错开，避免燃烧室产生共振，消除系统破坏的可能。
本发明中燃烧室外部电源的作用是在火焰根部形成电场集中区，金属电极在这一区域形成的电场能够显著影响火焰性质，从而建立起电场与火焰的第一联系。
附图说明
图1为试验一中基于电场影响火焰根部的闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法的装置示意图；
图2为试验一中基于电场影响火焰根部的闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法中闭环负反馈调节系统的原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种基于电场影响火焰根部的闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法，具体是按以下步骤进行的：
将金属电极置于燃烧室入口的中心处，金属电极与燃烧室外部的电源输出端连接；在燃烧室外壁与火焰等高处打孔用引压管引出连接压力传感器，压力传感器的信号输出端与信号处理器的信号输入端连接；信号处理器的信号输出端与控制部分的比较器的信号输入端连接；比较器的信号输出端与PID控制器的信号输入端连接；控制部分的PID控制器的信号输出端与电路的信号输入端连接，电路的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接。
启动燃烧室外部电源，金属电极在燃烧室内部形成电场，作用于燃烧室内部发生热声振荡火焰的根部；由燃烧室外壁压力传感器采集压力脉动信号，信号处理器获取压力脉动的振荡幅值，对其做快速FFT变换处理得到燃烧振荡主频率，将该频率信号输入到控制部分的比较器中，比较器将获取的频率与期望频率作比较得出偏差。由控制部分的PID控制器输出控制信号，作用到与金属电极连接的电路，与原有信号耦合后输出，再通过功率放大器放大信号；信号作用于燃烧室火焰根部，使根部电场强度改变，会影响火焰热释放，从而改变压力振荡频率，使得压力振荡频率与燃烧室声场固有频率错开，避免燃烧室产生共振破坏。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的金属电极为金属悬浮单电极。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的电源为交流电源，频率大于0且小于等于1kHz，电压大于0且小于等于100V。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的金属电极为金属双电极。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述的金属电极为DBD电极。其他与具体实施方式四相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种基于电场影响火焰根部的闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法，如图1-图2所示，具体是按以下步骤进行的：
金属电极6为金属双电极，将金属电极6置于燃烧室1入口的中心处，金属电极6与燃烧室1外部的电源输出端连接；在燃烧室1外壁与火焰8等高处打孔用引压管引出连接压力传感器2，压力传感器2的信号输出端与信号处理器3的信号输入端连接，信号处理器3用于获取压力脉动的振荡幅值，经过快速FFT变换(快速傅立叶变换)得到燃烧振荡主频率；信号处理器3的信号输出端与比较器4的信号输入端连接；比较器4的信号输出端与PID控制器5的信号输入端连接；PID控制器5的信号输出端与电路7的信号输入端连接，电路7的信号输出端与功率放大器9的信号输入端连接。
向燃烧室1内通入可燃预混气并点燃，令燃烧室1内产生热声振荡现象，启动燃烧室1外部的电源，令金属电极6在燃烧室内部形成电场作用于燃烧室1内部发生热声振荡火焰8的根部；燃烧室1外壁连接的压力传感器2采集燃烧室1中的压力脉动信号，信号处理器3获取压力脉动的振荡幅值，对其做快速FFT变换处理得到燃烧振荡主频率，将该频率信号输入到比较器4中；比较器4将获取的频率与期望频率作比较得出偏差；由PID控制器5输出控制信号作用到与金属电极6连接的电路7，与原有信号耦合后输出，再通过功率放大器9放大信号；信号作用于燃烧室1中火焰8的根部，使火焰8的根部电场强度改变，会影响火焰热释放，从而改变压力振荡频率，使得压力振荡频率与燃烧室声场固有频率错开，避免燃烧室产生共振破坏。
本试验的优点是：相对于扬声器通过影响气流脉动来抑制热声振荡这一主动控制技术，本试验基于电场影响火焰稳定性的原理，通过在火焰8根部产生电场集中区，改变火焰8的热释放脉动，这一新型的主动控制方式由于其自身的高频作动特性(通常为上千赫兹)，能够完美地解决扬声器主动控制技术无法适应高温高压环境以及作动频率不足等问题。比较器4将获取的频率与期望频率作比较得出偏差，根据该偏差，PID控制器5产生相应的控制信号，最终降低或提高压力振荡频率，实现压力振荡频率与燃烧室声场固有频率错开，避免燃烧室产生共振。
本试验面向避免系统共振甚至破坏的需求，基于电场影响火焰稳定性的原理，提出一种闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法，在形成电场影响火焰释热集中区的基础上，利用闭环负反馈PID自动控制系统，调整电场的强度，使得火焰热释放率发生变化，从而改变燃烧室压力振荡频率，使得压力振荡频率与燃烧室声场固有频率错开，避免燃烧室产生共振，消除系统破坏的可能。
本试验中燃烧室1外部电源的作用是在火焰8根部形成电场集中区，金属电极6在这一区域形成的电场能够显著影响火焰性质，从而建立起电场与火焰的第一联系；所述的电源为交流电源，频率大于0且小于等于1kHz，电压范围为大于0且小于等于100V。

Claims (4)

1.一种基于电场影响火焰根部的闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法，该方法步骤如下：启动燃烧室外部电源，金属电极在燃烧室内部形成电场作用于燃烧室内部发生热声振荡火焰的根部，在火焰根部形成电场集中区，金属电极在这一区域放电形成的电场影响火焰特性，从而建立起电场与火焰的第一联系；由燃烧室外壁压力传感器采集压力脉动信号，信号处理器获取压力脉动的振荡幅值，对压力脉动的振荡幅值做快速FFT变换处理得到燃烧振荡主频率，将燃烧振荡主频率信号输入到控制部分的比较器中，比较器将获取的频率与期望频率作比较得出偏差，由控制部分的PID控制器输出控制信号作用到与金属电极连接的电路，与原有信号耦合后输出，再通过功率放大器放大信号，信号作用于燃烧室火焰根部，使根部电场强度改变，会影响火焰热释放，从而改变压力振荡频率，使得压力振荡频率与燃烧室声场固有频率错开，避免燃烧室产生共振破坏。
2.根据权利要求1所述的一种基于电场影响火焰根部的闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法，其特征在于各器件连接情况如下：将金属电极置于燃烧室入口的中心处，金属电极与燃烧室外部的电源输出端连接；在燃烧室外壁与火焰等高处打孔用引压管引出连接压力传感器，压力传感器的信号输出端与信号处理器的信号输入端连接；信号处理器的信号输出端与控制部分的比较器的信号输入端连接；比较器的信号输出端与PID控制器的信号输入端连接；控制部分的PID控制器的信号输出端与电路的信号输入端连接，电路的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于电场影响火焰根部的闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法，其特征在于所述的燃烧室外部电源为交流电源，频率大于0且小于等于1kHz，电压大于0且小于等于100V。
4.根据权利要求1所述的一种基于电场影响火焰根部的闭环负反馈调节避免燃烧室产生共振的方法，其特征在于所述的金属电极置于燃烧室入口的中心处，金属电极为金属悬浮单电极、金属双电极或DBD电极。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112683542A (zh) * 2020-12-15 2021-04-20 上海交通大学 一种基于火焰发光的速度场测量系统及方法
CN112596415B (zh) * 2020-12-18 2023-01-03 上海明华电力科技有限公司 一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法
CN114459055B (zh) * 2022-01-25 2023-05-12 哈尔滨工业大学 一种多层孔板式预混燃气轮机燃烧器
CN115143488A (zh) * 2022-07-01 2022-10-04 中国人民解放军国防科技大学 一种空气加热器燃烧不稳定控制方法及系统
CN116698425B (zh) * 2023-06-12 2024-03-12 常州江苏大学工程技术研究院 一种航空发动机燃烧室的浮壁瓦片及实验段装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19542918A1 (de) * 1995-11-17 1997-05-22 Asea Brown Boveri Vorrichtung zur Dämpfung thermoakustischer Druckschwingungen
DE10260709B3 (de) * 2002-12-23 2004-08-12 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen bei Brennstoffen
DE102008063990A1 (de) * 2008-12-19 2010-06-24 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Fahrzeugbrenner
CN106971388B (zh) * 2017-01-25 2019-11-12 南京航空航天大学 基于图像处理的燃烧室燃烧不稳定试验测量方法
CN109729634B (zh) * 2018-12-29 2021-07-30 哈尔滨工业大学 一种高频激励放电中心等离子体抑制燃烧压力脉动的方法

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