CN112984550B

CN112984550B - 一种燃烧不稳定性电磁诊断与调控系统及方法

Info

Publication number: CN112984550B
Application number: CN202110321441.1A
Authority: CN
Inventors: 翟明; 郭利; 杨迪; 马朝阳; 董芃
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2041-03-25
Also published as: CN112984550A

Abstract

本发明公开了一种燃烧不稳定性电磁诊断与调控系统及方法，所述诊断与调控系统包括：供气系统，脉动燃烧系统，高压电源系统和测量系统。燃气和空气由供气系统调节供给，在脉动燃烧器预混室中均匀混合，在燃烧室进口处由电火花点火器引燃，形成一种不稳定燃烧现象—脉动燃烧。燃烧室进出端口置有铜板环形电极并与高压电源系统连接，通过调节高压电源对脉动火焰施加不同电场作用。利用压力传感器，热电偶及高速相机实时检测脉动火焰状态，并与微安电流表获得的电流信号对比分析，实现脉动燃烧的电磁诊断。同时，外加电场的施加也可以有效调控脉动燃烧的频率和振幅。本发明创新性地提出了一种灵敏度高，响应快的新型燃烧不稳定性电磁诊断与调控方法。

Description

一种燃烧不稳定性电磁诊断与调控系统及方法

技术领域

本发明涉及一种燃烧不稳定性电磁诊断与调控系统及方法，属于燃烧不稳定性诊断与调控领域。

背景技术

燃烧不稳定性问题是由于燃烧产生的非定常热释放和声波相互耦合放大而导致的一种不稳定现象，常常发生于航空发动机燃烧室以及加力燃烧室，火箭发动机推力室，以及冲压发动机燃烧室当中。燃烧中不稳定性会产生一系列有害影响，如噪声、结构振动、机械部件疲劳、熄火、受热面烧损等，是火箭和飞行器发动机、工业设备工作中的致命故障。

目前，国内外解决燃烧室中燃烧不稳定现象的主要方法是通过对燃烧室的结构参数进行调整，或者在燃烧室内增加相应的燃烧不稳定性抑制结构，如布置声腔，隔板等。这些方法多属于被动控制方法，是从根本上控制燃烧不稳定现象的方法，但它通常只对特定设备有效，且调节范围有限，面对实际运行过程中复杂、宽广的燃烧工况，主动适应能力十分有限。同时，这些方法多是通过改变传统的流动，燃料扩散过程来影响燃烧不稳定现象，调控的响应速度有限。然而，不稳定燃烧具有高度敏感性，很容易受到干扰而发生改变，导致在实际运行中，传统的被动控制方案很难实时针对不断变化的燃烧不稳定现象施加及时、充分、有效的控制。

同时，上述传统的调控思路多是基于燃烧火焰是一种的发光发热的化学反应过程而开展的。近年来，越来越多的学者开始关注到火焰的弱等离子体特性，并对火焰的基础电学特性开展了大量的研究，明确了火焰中存在大约10⁹-10¹² 个/cm³的带电粒子。如果对火焰施加一定的电场作用，会对火焰中带电粒子形成电场力作用，进而影响火焰的燃烧状态。由于施加电场的调节可以非常快速且多样化，能非常灵活且迅速的对多变的燃烧不稳定现象进行针对性的有效调节，因此，利用外加电场方法引入新的物理作用过程来诊断和调控燃烧不稳定现象，具有十分可观的应用前景。本发明一种燃烧不稳定性电磁诊断与调控系统及方法正是基于上述研究现状和背景提出来的。

发明内容

本发明针对上述描述的燃烧不稳定现象，为实现燃烧不稳定性的有效调控，弥补现有调控技术的不足，基于火焰弱等离子体特性，提供了一种新型燃烧不稳定性电磁诊断与调控系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种燃烧不稳定性电磁诊断与调控系统及方法，包括供气系统，脉动燃烧系统，高压电源系统以及测量系统：供气系统由左右高压燃气气瓶，燃气调节阀，燃气流量计和高压空气气瓶，空气调节阀，空气流量计组成；脉动燃烧系统由脉动燃烧器，电火花点火器和点火控制器组成。其中，脉动燃烧器为石英玻璃制，分为预混室，燃烧室和尾管三部分。高压电源系统由环形铜板电极，微安电流表，保护电阻，示波器及高压电源组成；测量系统由高速相机，K型热电偶，高精度压力传感器，虚拟信号转换器和计算机组成。整套系统中，左右高压燃气气瓶通过布置有调节阀和流量计的供气管路与脉动燃烧器预混室侧壁面相连，高压空气气瓶则与脉动燃烧器预混室端面相连。脉动燃烧器分为预混室，燃烧室和尾管三部分。电火花点火器置于燃烧室进口处，并与点火控制器相连。环形铜板电极置于燃烧室进出口两端，并与微安电流表，保护电阻和高压电源串联形成回路，示波器与高压电源并联。K型热电偶置于尾管出口处，高精度压力传感器置于预混室靠近燃烧室一侧，两种测量设备与微安电流表都与虚拟信号转换器相连，虚拟信号转换器进一步接入计算机。高速相机单独聚焦于脉动燃烧器燃烧室，拍摄频率为1000fps以上。

一种利用上述系统实现燃烧不稳定性电磁诊断及调控的方法，包括如下步骤：燃气和空气从高压气瓶中排出，经过相应的调节阀和流量计调控后，在脉动燃烧器的预混室中均匀混合，然后在燃烧室进口处被由点火控制器控制的电火花点火器点燃，在燃烧室中形成脉动燃烧。当脉动燃烧形成后，打开高压电源，在机械式置于燃烧室进出口两端的铜板环形电极之间形成高压电场，进而对火焰中正负带电粒子的产生作用力，形成离子风，从而实现脉动燃烧的调控。与此同时，利用微安电流表实时记录脉动火焰电流值，获得脉动燃烧电流信号，将电流信号与测量系统中高速相机，K型热电偶和高精度压力传感器获得的传统图像，温度及压力信号在计算机上进行对比分析，总结相关特性匹配规律，进而实现脉动火焰

的电磁诊断。

本发明具有如下优点：

1、相较于传统的燃烧不稳定现象调控技术，本发明从火焰独特的弱等离子特性角度出发，采用电磁诊断与调控方法，由于电学方面的响应时间尺度比流动，燃烧化学反应的时间尺度要小的多，因此整个系统成本低，灵活性好，诊断和调控的响应速度快。

2、本发明燃烧器为无阀自激脉动燃烧器，产生的是较为有规律的不稳定燃烧现象，且没有机械阀开闭的影响，因而非常有利于观察和明确外加电场对燃烧不稳定性的诊断及调控效果。

3、本发明所采用的外加电场系统简单灵活，可以通过更换电源及调节接线方式，产生不同类型的外加电场。

附图说明

图1是本发明的总体系统图。

附图标记说明：1、左燃气高压气瓶，2、空气高压气瓶，3、右燃气高压气瓶，4、左燃气调节阀，5、空气调节阀，6、右燃气调节阀，7、左燃气流量计，8、空气流量计，9、右燃气流量计，10、脉动燃烧器，11、铜板环形电极，12、电火花点火器，13、电火花点火控制器，14、微安电流表，15、保护电阻，16、示波器，17、高压电源，18、高速相机，19、K型热电偶，20、高精度压力传感器，21、虚拟信号转换器，22、计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的思想和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明的燃烧不稳定性电磁诊断与调控系统包括：左燃气高压气瓶（1）空气高压气瓶（2）右燃气高压气瓶（3）左燃气调节阀（4）空气调节阀（5）右燃气调节阀（6）左燃气流量计（7）空气流量计（8）右燃气流量计（9）脉动燃烧器（10）铜板环形电极（11）电火花点火器（12）电火花点火控制器（13）微安电流表（14）保护电阻（15）示波器（16）高压电源（17）高速相机（18）K型热电偶（19）高精度压力传感器（20）虚拟信号转换器（21）计算机（22）。

左右燃气高压气瓶（1）（3）和空气高压气瓶（2）分别提供了脉动燃烧所必需的高纯燃料和氧化剂；左右燃气调节阀（4）（6），空气调节阀（5）及左右燃气流量计（7）（9），空气流量计（8）用来控制燃料和空气的流量和比例，进而形成不同频率，振幅的脉动燃烧；脉动燃烧器（10）为石英玻璃制无阀自激脉动燃烧器，主要分为预混室，燃烧室和尾管三部分，由于其特定的尺寸及结构，当电火花点火器（12）在燃烧室进口处成功点火后，可以在燃烧室内形成特定的脉动燃烧。铜板环形电极（11）机械安装在脉动燃烧器（10）燃烧室进出口两端，通过与高压电源（17）相连，用来在脉动燃烧区域形成高压电场；微安电流表（14）用来测量脉动火焰电流信号；保护电阻（15）用来在意外情况下保护高压电源；示波器（16）用来实时检测高压电源（17）的真实输出电压；高压电源（17）用来提供不同类型和强度的外加电场；高速相机（18）用来拍摄燃烧室内脉动燃烧的火焰形态；K型热电偶（19）用来测量尾管处烟气温度；高精度压力传感器（20）用来测量脉动燃烧的压力振荡；虚拟信号转换器（20）用来将微安电流表（14），K型热电偶（19）和高精度压力传感器（20）的信号转化成计算机（22）可接收的信号；计算机（22）用来接收保存测量数据。

本发明具体实施操作步骤为:首先，将左右燃气高压气瓶（1）（3）中排出，经燃气调节阀（4）（6）和燃气流量计（7）（9）控制从脉动燃烧器（10）预混室的侧壁面对冲给入，将空气从空气高压气瓶（2）中排出，经空气调节阀（5）和空气流量计（8）控制从脉动燃烧器（10）预混室的端壁给入，燃气和空气在预混室实现充分混合。接着，在燃烧室进口处用点火控制器（13）控制电火花点火器（12）将混合气体点燃，在燃烧室中形成脉动燃烧。由于本发明采用的是无阀自激脉动燃烧器，可以通过调节进气流量和燃空比实现不同频率，振幅的脉动燃烧。当脉动燃烧形成后，打开高压电源（17），在铜板环形电极（11）之间形成高压电场，进而对火焰中正负带电粒子的产生作用力，形成离子风，通过调节高压电源（17）的输出类型及电压值，实现对脉动燃烧的不同作用情况，观察脉动燃烧的变化规律，进而提出合理的脉动燃烧的调控方案。与此同时，利用微安电流表（14）实时记录脉动火焰电流值，获得脉动燃烧电流信号，将电流信号与测量系统中高速相机（18），K型热电偶（19）和高精度压力传感器（20）获得的传统图像，温度及压力信号在计算机（22）上进行对比分析，总结相关特性匹配规律，同步实现脉动火焰的电磁诊断。

Claims

1.一种燃烧不稳定性电磁诊断与调控系统，包括供气系统，脉动燃烧系统，高压电源系统以及测量系统：供气系统由左右高压燃气气瓶（1）（3），燃气调节阀（4）（6），燃气流量计（7）（9）和高压空气气瓶（2），空气调节阀（5），空气流量计（8）组成；脉动燃烧系统由脉动燃烧器（10），电火花点火器（12）和点火控制器（13）组成，其中，脉动燃烧器（10）为石英玻璃制，分为预混室，燃烧室和尾管三部分；高压电源系统由环形铜板电极（11），微安电流表（14），保护电阻（15），示波器（16）及高压电源（17）组成；测量系统由高速相机（18），K型热电偶（19），高精度压力传感器（20），虚拟信号转换器（21）和计算机（22）组成。

2.根据权利要求1所述的燃烧不稳定性电磁诊断与调控系统，其特征在于：燃气从左右燃气高压气瓶（1）（3）中排出，经燃气调节阀（4）（6）和燃气流量计（7）（9）控制从脉动燃烧器（10）预混室的侧壁面对冲给入，空气从空气高压气瓶（2）中排出，经空气调节阀（5）和空气流量计（8）控制从脉动燃烧器（10）预混室的端壁给入；燃气和空气在预混室充分混合后，在燃烧室端口被由点火控制器（13）控制电火花点火器（12）点燃，在燃烧室中形成脉动燃烧；置于燃烧室上下端口的环形铜板电极（11）与微安电流表（14），保护电阻（15），与高压电源（17）串联形成回路，在脉动燃烧器（10）燃烧室之间形成外加电场并获得脉动火焰电流值，示波器（16）与高压电源两端相连用来实时监测输出电压；高速相机（18）实时记录脉动火焰图像，K型热电偶（19）实时测量脉动燃烧器尾管出口处烟气温度，高精度压力传感器（20）实时测量脉动燃烧器的压力脉动；微安电流表（14），K型热电偶（19）和高精度压力传感器（20）的数据信号经虚拟信号转换器（21）转换后实时录入计算机（22）。

3.根据权利要求1所述的燃烧不稳定性电磁诊断与调控系统，其特征在于：脉动燃烧器（10）为无阀自激脉动燃烧器，可以通过自身结构特性形成脉动燃烧，并可以通过调节燃气和空气的进气量调节脉动频率，实现50-150Hz的脉动火焰。

4.根据权利要求1所述的燃烧不稳定性电磁诊断与调控系统，其特征在于所述环形铜板电极（11）通过机械固定方式安置在脉动燃烧器（10）燃烧室进出口两端，外加电场方向平行于脉动火焰传播方向，可以通过更换电源及接线方式提供不同形式，不同强度的电场作用。

5.根据权利要求1所述的燃烧不稳定性电磁诊断与调控系统，其核心特征在于所述诊断及调控方法是基于火焰的弱等离子体特性展开的，具体方法步骤为：左右燃气高压气瓶（1）（3）中排出，经燃气调节阀（4）（6）和燃气流量计（7）（9）控制从脉动燃烧器（10）预混室的侧壁面对冲给入，空气从空气高压气瓶（2）中排出，经空气调节阀（5）和空气流量计（8）控制从脉动燃烧器（10）预混室的端壁给入；燃气和空气在预混室充分混合后，在燃烧室进口处被由点火控制器（13）控制电火花点火器（12）点燃，在燃烧室中形成脉动燃烧；当脉动燃烧形成后，打开高压电源（17），在铜板环形电极（11）之间形成高压电场，进而对火焰中正负带电粒子的产生作用力，形成离子风，从而实现脉动燃烧的调控；与此同时，利用微安电流表（14）实时记录脉动火焰电流值，获得脉动燃烧电流信号，将电流信号与测量系统中高速相机（18），K型热电偶（19）和高精度压力传感器（20）获得的传统图像，温度及压力信号在计算机（22）上进行对比分析，通过智能数据处理方法，建立起每一瞬间电流信号与脉动火焰特性（图像，温度，压力）之间的精确匹配特性，即可以通过实时的电流信号来准确判断脉动火焰的燃烧状态；这意味着，只要测得脉动火焰电流曲线，根据任意一点得电流值大小，就可以判断出燃烧室内火焰的状态（火焰图像，温度高低，压力大小等等），从而实现脉动火焰的电磁诊断。