CN113049263A - 一种幅度和频率连续可变的燃烧振荡试验器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种幅度和频率连续可变的燃烧振荡试验器，用于验证燃烧振荡抑制控制系统对于变幅度、变频率的燃烧振荡工况的动态适应能力。试验器包括气态碳氢燃料与压缩空气供给管路、可变体积的混合腔、带有旋流器的收缩管道、可变形状的燃烧腔、伺服电机与传动机构。通过改变混合腔的体积来改变其固有频率，当燃烧腔振荡时会对混合腔出口气体造成强迫振动，从而改变混气供给幅值，进而调节燃烧振荡幅度。可变形状的燃烧腔可以有效地改变声波传递和反射距离，从而改变热声耦合周期，进而改变频率。本发明可实现试验器燃烧振荡幅度和频率的连续变化，可模拟发动机工况范围内振荡模态的迁移，适用于燃烧振荡抑制控制系统的设计和验证。
Description
技术领域
本发明涉及一种幅度和频率连续可变的燃烧振荡试验器，属于航空发动机燃烧室稳定性主动控制试验领域。
技术背景
当发生贫油燃烧振荡时，燃烧室内会出现热释放率和压力的低频高幅振荡，改变燃烧过程组织，降低燃烧效率，发出巨大噪声，严重时甚至破坏燃烧室结构。为了保障航空发动机的运行安全，降低燃烧振荡对发动机性能的损坏，燃烧振荡主动控制研究逐渐兴起，其主要思想为通过闭环控制根据实时状态反馈引入燃烧系统外部的能量，对燃烧系统的参数进行适当调节，如进口气流速度、油气比条件及外部声学激励，连续地消除不稳定热释放与声波之间的耦合，对热声耦合条件进行破坏，具有较强的动态调节和适应能力，从而对燃烧振荡形成抑制控制效果。
然而这种控制效果必须建立在控制算法具有较强鲁棒性的情况下才成立，否则不仅无法起到控制效果，还会增强耦合，加剧破坏。由于发动机工作范围较为宽广，其马赫数和高度的连续变化会带来燃烧振荡幅度和频率的连续变化。这就对控制系统的试验环境提出了要求，即振荡能在一定幅值和频率范围内连续变化，而不是在固定的极限环振荡，从而可以验证算法在较大振荡工况范围内的动态控制效果，保证算法鲁棒性。
公开号为CN106066040A的专利公开了处理或合成材料的振荡燃烧装置的振幅调节方法及装置。该装置为保证材料合成过程中热冲击频率不变的情况下改变振幅，在燃烧室与燃料管路之间添加了振荡体积，通过对振荡体积的无级调节改变振幅。但该装置由于用途不同，并没有频率连续可变的需求，所以无法用于航空发动机燃烧振荡抑制控制系统的设计和验证。
授权公告号为CN208333872U的专利公开了一种用于旋流燃烧热声振荡特性研究的模块化试验装置。该装置包括自下而上排列的扬声器、空气驻室、旋流器、燃烧腔和管道系统。该装置具有能模拟预混燃烧状态、扩散燃烧状态和混合燃烧状态下旋流燃烧流场特征及旋流燃烧的热声振荡特性，可有效防止火焰回传。采用模块化设计，可更换各主要功能部件，调节试验工况参数、声场条件、喷注位置。但该装置仅能研究声学激励下的燃烧振荡情况，未涉及自激振荡的研究，且采用更换主要部件的方式调节工况参数，存在不能连续变化的缺陷，不适用于航空发动机燃烧振荡抑制控制系统的设计和验证。
所以在此类试验台上设计验证的主动控制系统仅能适应稳定的极限环振荡，一旦出现动态的燃烧振荡特性迁移，很有可能出现控制算法失效的状况。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于航空发动机燃烧振荡抑制控制系统设计验证的试验器，充分考虑发动机燃烧自激振荡的工作范围，依靠可变体积的混合腔改变混气的供给波动幅值，实现燃烧振荡幅度连续变化的动态过程模拟；依靠其可变的燃烧室结构改变声波传递和反射时间，从而控制热声耦合周期，模拟发动机燃烧振荡频率变化的动态过程；驱动燃烧腔与混合腔的作动器及其传动机构设计合理，在不同燃烧工况的高温条件下均能正常工作，实现快速连续的振荡幅度和频率调节。
本发明的技术方案如下：
一种幅度和频率连续可变的燃烧振荡试验器，其特征在于：气态碳氢燃料供给管路与压缩空气供给管路、可变体积的混合腔、带旋流器的收缩管道、可变形状的燃烧腔、电机与耐高温的传动机构。
所述的气态碳氢燃料供给管路、压缩空气供给管路与体积可变的混合腔入口连接提供预混气，混合腔出口与燃烧腔入口之间由带旋流器的收缩管道连接，电机驱动混合腔活塞移动改变振荡幅值，通过耐高温的滑轨驱动燃烧腔外壁移动改变振荡频率。
所述体积可变的混合腔和气态碳氢燃料供给管路、压缩空气供给管路相连接，其远离燃烧腔一侧的壁面为活塞提供定心和定位，活塞可以沿轴向移动改变混合腔体积。气态碳氢燃料和压缩空气混合后通过带有旋流器的收缩管道进入燃烧腔。它的作用是改变燃烧振荡幅值。当旋流器出口面积较小时，整个混合腔可以视为亥姆霍兹谐振器，当燃烧振荡频率与其共振频率相差较大时，燃烧腔的压力波动对混合腔出口的气体做强迫振动，混合腔内的气体则为出口气体的振荡提供弹性恢复力。该系统可视为无阻尼系统的强迫振动，其中谐振器的固有频率f0由声速c、颈或开口的截面积S、颈或开口的直径d、颈的长度1和容器的容积V决定，即
假设燃烧振荡频率为f1，振荡幅值为u，则可以得到强迫振动幅值
由此可以推得，当混合腔体积增大，其固有频率减小，强迫振动幅值增大，即混合气供给速率的振荡幅值增大，由此来改变燃烧振荡幅值，实现燃烧振荡幅值在一定范围内连续变化。
所述的形状可变的燃烧腔由固定的燃烧腔内壁和可沿轴向移动的燃烧腔外壁组成，依靠电机和滑轨实现腔体长度改变。形状可变的燃烧腔用于改变燃烧振荡的频率，其直观的解释是改变了声波传递和反射的长度，在声速不变的情况下，声传递周期会发生变化，热声耦合周期也会变化引起振荡频率改变。且燃烧腔越长，声传递周期越大，热声耦合周期越长，振荡频率越低。做理论分析则考虑稳定热释放工况下的一维理想气体管流，压力波动量可表示为传递波f与反射波g的叠加：
带入动量方程可得速度波动量：
其中，
和
分别表示当地平均密度和平均声速。将f和g表示为复振幅形式：
带入边界条件p(0)＝u(l)＝0，解得：
由此可以从理论上定性定量地解释改变燃烧腔长度对燃烧振荡频率的影响。
所述的燃烧室内壁依靠轴肩定位，依靠与轴的过盈配合定心；所述的燃烧腔外壁通过与滑轨固连实现定心，伺服电机驱动滑轨移动。
所述的带有旋流器的收缩管道，收缩的出口一侧与燃烧腔连接，入口一侧与混合腔连接。所述的旋流器由八个叶片组成，以45°角交错周期排列，配合中心导流器获得低湍流场，配合端部扩张的钝体形成回流区，确保在高流速和贫油状态点火成功并稳定火焰不至于发生回火。
所述的气态碳氢燃料供给管路通甲烷、乙烷、丙烷等气态碳氢燃料，所述的压缩空气供给管路通高压空气，碳氢燃料与高压空气的接入量需保证混气当量比小于1。
有益效果
本发明基于声学理论分析结果，采用可变体积的混合腔改变燃料供给实现燃烧振荡幅值连续的改变，采用形状可变的燃烧腔改变声学反射边界实现燃烧振荡频率的调控，由此可获得燃烧振荡幅值和频率皆可连续变化的燃烧试验器，可模拟不同工况下发动机燃烧室的自激振荡模态，为燃烧振荡主动控制系统的设计验证提供了合适的试验环境。
附图说明
附图1为本发明幅值和频率可变的燃烧振荡试验器的结构示意图。
其中，附图标记为：11气态碳氢燃料供给管路，12压缩空气供给管路，2混合腔，21活塞，22活塞杆定位板，3收缩管道，31中心导流器，32旋流器，33中心钝体，4燃烧腔，41燃烧腔内壁，42燃烧腔外壁，5伺服电机与耐高温的传动机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案做进一步解释说明。
实施例1
一种幅度和频率连续可变的燃烧振荡试验器，其部件包括：气态碳氢燃料供给管路(11)与压缩空气供给管路(12)、可变体积的混合腔(2)、带旋流器的收缩管道(3)、可变形状的燃烧腔(4)、伺服电机与耐高温的传动机构(5)。
所述的气态碳氢燃料供给管路(11)与压缩空气供给管路(12)与体积可变的混合腔(2)入口连接提供预混气，体积可变的混合腔(2)出口与形状可变的燃烧腔(4)之间由带旋流器的收缩管道(3)连接，伺服电机驱动混合腔活塞(21)移动改变振荡幅值，通过耐高温的滑轨驱动燃烧腔外壁(42)移动改变振荡频率。
所述的体积可变的混合腔(2)和气态碳氢燃料供给管路(11)与压缩空气供给管路(12)相连接，其远离燃烧腔一侧的壁面(22)为活塞(21)提供定心和定位，活塞(21)可以沿轴向移动改变混合腔体积。气态碳氢燃料和压缩空气混合后通过带有旋流器的收缩管道(3)进入燃烧腔(4)。
所述的形状可变的燃烧腔(4)由固定的燃烧腔内壁(41)和可沿轴向移动的燃烧腔外壁(42)组成，依靠伺服电机和滑轨实现腔体长度改变。所述的燃烧室内壁(42)依靠轴肩定位，依靠与轴的过盈配合定心；所述的燃烧腔外壁(42)通过与滑轨固连实现定心，伺服电机驱动滑轨移动。
所述的带有旋流器的收缩管道(3)，收缩的出口一侧与燃烧腔(4)连接，入口一侧与混合腔(2)连接。所述的旋流器(32)由八个叶片组成，以45°角交错周期排列，配合中心导流器(31)获得低湍流场，配合端部扩张的钝体(33)形成回流区，确保在高流速和贫油状态点火成功并稳定火焰。
所述的气态碳氢燃料供给管路(11)通甲烷、乙烷、丙烷等气态碳氢燃料，所述的压缩空气供给管路(12)通高压空气，碳氢燃料与高压空气的接入量需保证混气当量比小于1。
本例在仅考虑改变振荡幅值的工况下，需保持燃烧腔外壁(42)不做移动。根据燃烧振荡的声学特性，利用伺服电机驱动混合腔活塞(21)改变燃烧振荡幅值。取旋流器出口直径22mm，中心钝体直径16mm，颈长折算尺寸30mm，混合腔直径70mm时，整个混合腔可以视为亥姆霍兹谐振器，保持燃烧腔外壁(42)移动至最大，则燃烧腔尺寸为1000mm，此时燃烧振荡频率与混合腔共振频率相差较大，燃烧腔的压力波动对混合腔出口的气体做强迫振动，混合腔内的气体则为出口气体的振荡提供弹性恢复力。当混合腔体积增大，其固有频率减小，强迫振动幅值增大，即混合气供给速率的振荡幅值增大，增强火焰脉动，由此来改变燃烧振荡幅值，实现燃烧振荡幅值在一定范围内变化。以定位板(22)为原点，活塞移动范围为0～100mm，振荡幅度u’/u变化范围对应0.13～0.25。
实施例2
一种幅值和频率可变的燃烧振荡试验器。
主要区别在于，本例在仅考虑改变振荡频率的工况下，需保持混合腔内活塞(21)的位置不变，即处于定位板(22)位置。取旋流器(32)出口直径22mm，中心钝体(33)直径16mm，流道面积716mm2，燃烧腔内壁(41)直径70mm。根据热声耦合原理，依靠伺服电机及其传动机构改变燃烧腔腔体长度实现燃烧振荡频率的改变。其原理是改变了声波传递和反射的长度，在声速不变的情况下，声传递周期会发生变化，热声耦合周期也会变化引起振荡频率改变。且燃烧腔越长，声传递周期越大，热声耦合周期越长，振荡频率越低。由此改变燃烧振荡频率，实现燃烧振荡频率在一定范围内可变。以轴肩为原点移动燃烧腔外壁，燃烧腔尺寸变化范围为500mm～1000mm，由于存在燃烧振荡系统对燃烧腔长度这一参数在此范围内存在分岔行为，振荡主频变化范围分别为415～360Hz和120～97Hz。
由此本发明给出功能有效且运行可靠的解决方案，由此可以在振荡的燃烧工况下连续调节振荡幅值和频率，模拟不同工况下发动机燃烧室振荡模态的动态变化过程，为燃烧振荡主动控制算法的验证提供合适的试验环境。
Claims (5)
1.一种幅度和频率连续可变的燃烧振荡试验器，其特征包括：气态碳氢燃料供给管路(11)与压缩空气供给管路(12)、可变体积的混合腔(2)、带旋流器的收缩管道(3)、可变形状的燃烧腔(4)、电机与耐高温的传动机构(5)；所述的气态碳氢燃料供给管路(11)与压缩空气供给管路(12)与体积可变的混合腔(2)入口连接提供预混气，体积可变的混合腔(2)出口与形状可变的燃烧腔(4)之间由带旋流器的收缩管道(3)连接，电机驱动混合腔活塞(21)移动改变振荡幅值，通过耐高温的滑轨驱动燃烧腔外壁(42)移动改变振荡频率。
2.根据权利要求1所述的幅度和频率连续可变的燃烧振荡试验器，其特征在于：所述的体积可变的混合腔(2)远离燃烧腔一侧的壁面(22)为活塞(21)提供定心和定位，气态碳氢燃料和压缩空气在腔内混合后通过带有旋流器的收缩管道(3)进入燃烧腔(4)；活塞(21)可以沿轴向移动改变混合腔体积，燃烧腔(4)的压力波动对混合腔(2)出口的气体做强迫振动，混合腔(2)作为亥姆霍兹谐振器提供恢复力，改变燃料供给速率从而控制燃烧振荡幅值。
3.根据权利要求1所述的幅值和频率可变的燃烧振荡试验器，其特征在于：所述的形状可变的燃烧腔(4)由固定的燃烧腔内壁(41)和可沿轴向移动的燃烧腔外壁(42)组成，依靠电机和滑轨实现腔体长度改变，从而连续改变声波传递和反射的长度，导致热声耦合周期变化引起振荡频率改变；所述的燃烧室内壁(42)依靠轴肩定位，依靠与轴的过盈配合定心；所述的燃烧腔外壁(42)通过与滑轨固连实现定心，电机驱动滑轨移动。
4.根据权利要求1所述的幅度和频率连续可变的燃烧振荡试验器，其特征在于：所述的旋流器(32)由八个叶片组成，以45°角交错周期排列，配合中心导流器(31)获得低湍流场，配合端部扩张的钝体(33)形成回流区，确保在高流速和贫油状态点火成功并稳定火焰。
5.根据权利要求1所述的幅度和频率连续可变的燃烧振荡试验器，其特征在于：所述的气态碳氢燃料供给管路(11)通烷烃类气态碳氢燃料，所述的压缩空气供给管路(12)通高压空气，碳氢燃料与高压空气的接入量需保证混气当量比小于1。
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