CN114484495A - 基于金属粒子添加的热声振荡主动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于金属粒子添加的热声振荡主动控制装置，涉及控制装置的技术领域，本发明提供的基于金属粒子添加的热声振荡主动控制装置包括：控制机构和监测机构；控制机构包括控制组件和金属粉添加组件，控制组件与金属粉添加组件信号连接，用于控制金属粉添加组件向燃烧机构中定量添加金属粉，进而实现对热声振荡的抑制；监测机构包括声压监测组件，声压监测组件与控制组件信号连接。本发明提供的基于金属粒子添加的热声振荡主动控制装置解决了相关技术中没有基于可燃金属粒子作为粉末推进剂对燃烧振荡进行控制的相关装置的技术问题。

Description

基于金属粒子添加的热声振荡主动控制装置

技术领域

本发明涉及控制装置技术领域，尤其是涉及一种基于金属粒子添加的热声振荡主动控制装置。

背景技术

不稳定燃烧是航空发动机和液体火箭发动机研制过程中面临的重大科学和技术难题之一。在液体火箭发动机工作过程中，燃烧室内极易发生燃烧不稳定问题。燃烧不稳定是指压力周期性脉动且脉动幅值超过燃烧室压力的5%。当燃烧室中发生不稳定燃烧时，燃烧室的压力、流速和热释放率等参数急剧振荡，造成发动机部件损伤，发动机寿命缩短，严重时甚至引起爆炸，极度限制了当前我国大推力液体火箭发动机的研制进程。

为推进大推力火箭发动机的进一步研究，需要实现对于热声不稳定的机理研究和有效控制，因此，提供更多可靠的热声振荡的控制装置成为现有技术丞待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于金属粒子添加的热声振荡主动控制装置，以解决相关技术中没有基于可燃金属粒子作为粉末推进剂对燃烧振荡进行控制的相关装置的技术问题。

本发明提供的基于金属粒子添加的热声振荡主动控制装置用于控制燃烧机构产生的热声振荡，包括：控制机构和监测机构；

所述控制机构包括控制组件和金属粉添加组件，所述控制组件与所述金属粉添加组件信号连接，用于控制所述金属粉添加组件向所述燃烧机构中定量添加金属粉；

所述监测机构包括声压监测组件，所述声压监测组件与所述控制组件信号连接;

所述声压监测组件包括第一麦克风和第二麦克风，所述第一麦克风和所述第二麦克配置为监测模型燃烧室中热声振荡的声压。

可选的，所述监测机构还包括火焰面热释放监测组件和火焰形态监测组件，所述火焰面热释放监测组件和所述火焰形态监测组件均与所述控制组件信号连接。

可选的，所述火焰面热释放监测组件包括光电倍增管和第一滤波片，所述第一滤波片与所述光电倍增管配套设置。

可选的，火焰形态监测组件包括相机和第二滤波片，所述第二滤波片与所述相机的镜头配套设置。

可选的，所述金属粉添加组件包括粒子发生器和振动器，所述粒子发生器安装于所述振动器，所述振动器与所述控制组件信号连接。

可选的，所述粒子发生器包括底壳和上盖，所述底壳设有第一进气通道和第二进气通道，所述第一进气通道的轴线和所述第二进气通道的轴线均向远离所述底壳的轴线的方向倾斜设置，并关于所述底壳的轴线对称设置；

所述上盖盖合于所述底壳的开口端，并设有掺混出气口。

本发明提供的基于金属粒子添加的热声振荡主动控制装置包括：控制机构和监测机构；控制机构包括控制组件和金属粉添加组件，控制组件与金属粉添加组件信号连接，用于控制金属粉添加组件向燃烧机构中定量添加金属粉；监测机构包括声压监测组件，声压监测组件与控制组件信号连接;声压监测组件包括第一麦克风和第二麦克风，第一麦克风和第二麦克风配置为监测模型燃烧室中热声振荡的声压。燃烧机构燃烧过程中产生热声振荡，控制组件控制金属粉添加组件向燃烧机构中定量的添加金属粉。第一麦克风和第二麦克风实时监测燃烧的声压，并将采集的声压信号传输至控制组件，控制组件根据接收到的声压值和预存的控制方式控制金属粉添加组件，从而调节金属粉的添加量，具体为采集到的声压越大添加的金属粉越多。

本发明提供的基于金属粒子添加的热声振荡主动控制装置通过声压监测组件对燃烧产生的热声振荡进行实时监测，然后控制组件根据监测的信号控制金属粉的添加量，实现了对热声振荡的实时控制，确保燃烧组件的安全运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的热声振荡主动控制装置的结构原理图；

图2为本发明实施例提供的热声振荡主动控制装置中粒子发生器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的热声振荡主动控制装置中粒子发生器的内部结构示意图。

图标：111-计算机；112-数据采集卡；120-金属粉添加组件；121-粒子发生器；1211-底壳；1212-上盖；1213-安装板；1214-容纳筒；1215-第一进气通道；1216-第二进气通道；1217-掺混出气口；122-振动器；221-燃烧器；222-第一石英管；223-第二石英管；311-第一麦克风；312-第二麦克风；320-火焰面热释放监测组件；321-光电倍增管；322-第一滤波片；330-火焰形态监测组件；331-相机；332-第二滤波片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供的基于金属粒子添加的热声振荡主动控制装置用于控制燃烧机构产生的热声振荡，具体包括：控制机构和监测机构；控制机构包括控制组件和金属粉添加组件120，控制组件与金属粉添加组件120信号连接，用于控制金属粉添加组件向燃烧机构中定量添加金属粉，进而实现对热声振荡的抑制；监测机构包括声压监测组件，声压监测组件与控制组件信号连接。

具体地，控制组件包括计算机111，计算机111设有数据采集卡112，用于采集实验中的相关数据。计算机111与金属粉添加组件120和声压监测组件信号连接，分别用于控制金属粉的添加量和接收声压监测组件监测的信号。金属粉添加组件120用于盛装金属粉，金属粉可以为铝粉、铁粉或镁粉等，本实施例中，金属粉选用铁粉。

燃烧机构燃烧过程中产生热声振荡，控制组件控制金属粉添加组件向燃烧机构中定量的添加金属粉。声压监测组件实时监测燃烧的声压，并将采集的声压信号传输至控制组件，控制组件根据接收到的声压值和预存的控制方式控制金属粉添加组件120，从而调节金属粉的添加量，具体为采集到的声压越大添加的金属粉越多。

实验过程中，在发生热声振荡的工况下，火焰面会出现明显的抖动；当加入少量铁粉时，未能抑制住不稳定燃烧的火焰，可以观察到火焰内明显的波动结构，当增加铁粉量后振荡被部分抑制，当再次增加铁粉量后振荡被完全抑制。

由上述实验现象可知，通过向预混气体中添加铁粉可以对热声振荡起到抑制作用，并且随着铁粉添加量的增加对热声振荡的抑制效果越明显，当铁粉的添加量达到特定值时，能够将振荡进行完全抑制。

本发明实施例提供的基于金属粒子添加的热声振荡主动控制装置通过声压监测组件对燃烧产生的热声振荡进行实时监测，然后控制组件根据监测的信号控制金属粉的添加量，实现了对热声振荡的实时控制，确保燃烧组件的安全运行。

金属粉添加组件120包括粒子发生器121和振动器122，粒子发生器121安装于振动器122，并与控制组件信号连接。

具体地，振动器122具体选用50Hz定频振动器，粒子发生器121通过螺栓安装于振动器122。在使用振动器122之前，对振动器122的幅值变化和金属粉的添加量之间的关系进行标定。具体的标定方法为，针对某一种粒子大小的金属粉，使振动器122在设定的幅值下振动固定的时间，然后对混合气体带走的金属粉进行收集并称重，利用同样的方法可得出该金属粉在不同振幅下的添加量，从而得出振动幅值与该金属粉添加量之间的关系。

燃烧机构燃烧过程中，振动器122的振动幅度具体控制在0到5mm之间，控制组件根据接收到的声压信号控制振动器122的振动幅值，当振动器122的振动幅值越大，金属粉的添加量越多。通过控制组件控制振动器122的振动幅值，实现添加金属粉的同时，能够根据检测到的声压自动调节金属粉的添加量。

在本申请的一个实施例中，如图2所示，粒子发生器121包括底壳1211和上盖1212，底壳1211设有第一进气通道1215和第二进气通道1216，第一进气通道1215的轴线和第二进气通道1216的轴线均向远离底壳1211的轴线的方向倾斜设置，并关于底壳1211的轴线对称设置；上盖1212盖合于底壳1211的开口端，并设有掺混出气口1217。

如图3所示，底壳1211包括呈圆形的安装板1213和呈圆筒状的容纳筒1214，安装板1213通过焊接的方式固定连接于容纳筒1214的一端，并且两者同轴设置，容纳筒1214背离安装板1213的一端为开口端。安装板1213的直径大于容纳筒1214的外径，靠近于安装板1213的边缘处设有多个安装通孔，多个安装通孔沿安装板1213的周向间隔设置。

容纳筒1214的圆周壁上设有第一进气通道1215和第二进气通道1216，第一进气通道1215和第二进气通道1216均位于容纳筒1214内，并且一端嵌设于容纳筒1214的圆周壁，实现容纳筒1214的内部与外部连通。第一进气通道1215的轴线和第二进气通道1216的轴线均与容纳筒1214外周壁的切线呈锐角设置，并均同时向靠近于安装板1213的方向倾斜，第一进气通道1215的轴线和第二进气通道1216的轴线关于容纳筒1214的轴线对称设置。预混气体通过第一进气通道1215和第二进气通道1216进入粒子发生器121。

上盖1212盖合于容纳筒1214的开口端，并且上盖1212的顶壁上设有掺混出气口1217，掺混出气口1217的轴线与容纳筒1214的轴线重合，燃烧组件的进气口通过管道与掺混出气口1217连通。

实验过程中，粒子发生器121中放置有铁粉，用于燃烧的预混气体通过第一进气通道1215和第二进气通道1216进入粒子发生器121，由于第一进气通道1215的轴线和第二进气通道1216的轴线均与容纳筒1214外周壁的切线呈锐角设置，并且两者关于容纳筒1214的轴线对称设置，在进入底壳1211内的两股来流气体共同作用下形成旋流，铁粉被混合气体吹起，携带有铁粉的混合气体从掺混出气口1217排出，然后进入燃烧机构，从而实现向燃烧机构中加入铁粉。直接使用预混气作为输运气源也保证了铁粉粒子与预混气的掺混效果，铁粉粒子与预混气之间不会发生化学反应作用，最大利用了供应气体的输运能力。

可选的，第一进气通道1215和第二进气通道1216的直径均小于掺混出气口1217的直径。具体地，第一进气通道1215的直径和第二进气通道1216的直径均为4mm，掺混出气口1217的直径为12mm。选用小进气口，大出气口，根据流道中的质量守恒定律，在小进气口处，由于流道内截面积较小，因此速度更快，可以携带更多的铁粉粒子。能够最大利用来流预混气的压力，提高预混气输运铁粉的能力。

被控制的燃烧机构包括供气组件和燃烧组件，供气组件用于为燃烧组件提供预混气体，燃烧组件包括燃烧器221、第一石英管222和第二石英管223，第一石英管222的一端套设于第二石英管223，燃烧器221与金属粉添加组件120连通，并且燃烧端位于第二石英管223远离第一石英管222的一端内。

第一石英管222和第二石英管223均沿竖直方向同轴设置，并且第一石英管222位于第二石英管223的上方。第一石英管222的内径略大于第二石英管223的外径，并且第一石英管222的下端部套设于第二石英管223的外部。

燃烧器221设于第二石英管223的下方，并且燃烧器221的出气口位于第二石英管223的下端部的内部。燃烧器221与第二石英管223同轴设置，避免偏心等因素的影响。

供气组件提供的预混气体先进入粒子发生器121，从粒子发生器121中排出的混合气体进入燃烧器221并进行燃烧。可通过调节第一石英管222与第二石英管223之间重合的长度，从而可以调节两者形成的整体的长度和内径。当调节第一石英管222向上运动时，第一石英管222与第二石英管223之间重合的长度减小，整体长度增长，并且内径增大，当其他因素不变时，燃烧组件产生的振荡频率降低。当调节第一石英管222向下运动时，第一石英管222与第二石英管223之间重合的长度增大，整体长度减小，并且内径减小，当其他因素不变时，燃烧组件产生的振荡频率增加。

在本申请的一个实施例中，声压监测组件包括第一麦克风311和第二麦克风312，第一麦克风311和第二麦克风312配置为监测模型燃烧室中热声振荡的声压。

如图1所示，第一麦克风311设于第一石英管222的上方，并与第一石英管222的开口相对，第二麦克风312设于第二石英管223的下方，并与第二石英管223的开口相对。第一麦克风311和第二麦克风312均与控制组件中的数据采集卡112信号连接，用于将采集的声压信号传送至控制组件。实验过程中，第一麦克风311和第二麦克风312采集燃烧过程中的声压，并将采集的声压信号传输至控制组件，控制组件分析声压的变化，并根源声压控制金属粉的添加量。

在本申请的一个实施例中，监测机构还包括火焰面热释放监测组件320和火焰形态监测组件330，火焰面热释放监测组件320和火焰形态监测组件330均与控制组件信号连接。

具体地，火焰面热释放监测组件320和火焰形态监测组件330分别设于第二石英管223下端部的两侧，并且均与燃烧器221的燃烧端相对设置，以能够采集燃烧时火焰的相关信息。在燃烧组件的两侧设置火焰面热释放监测组件320和火焰形态监测组件330，燃烧过程中能够采集更多的信号，为调节金属粉的添加量提供参考。

火焰面热释放监测组件320包括光电倍增管321和第一滤波片322，光电倍增管321与燃烧组件相对设置，第一滤波片322与光电倍增管321配套设置，并位于燃烧组件与光电倍增管321之间。第一滤波片322为CH自由基波动的滤波片，其中心波长为431nm，带宽为10nm。实验过程中，第一滤波片322对火焰产生的光进行过滤，光电倍增管321结合CH自由基滤波片监测火焰面热释放信号，并将采集的信号传送至控制组件。

火焰形态监测组件330包括相机331和第二滤波片332，相机331与燃烧组件相对设置，第二滤波片332与相机331的镜头配套设置，并位于燃烧组件与相机331之间。具体地，相机331选用高速相机，第二滤波片332的中心波长为580nm，带宽为100nm。实验过程中，第二滤波片332对火焰产生的光进行过滤，相机331采集金属粉燃烧的形态及光强变化，并将采集的信号传送至控制组件。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于金属粒子添加的热声振荡主动控制装置，用于控制燃烧机构产生的热声振荡，其特征在于，包括：控制机构和监测机构；

所述控制机构包括控制组件和金属粉添加组件（120），所述控制组件与所述金属粉添加组件（120）信号连接，用于控制所述金属粉添加组件（120）向所述燃烧机构中定量添加金属粉；

所述监测机构包括声压监测组件，所述声压监测组件与所述控制组件信号连接;

所述声压监测组件包括第一麦克风（311）和第二麦克风（312），所述第一麦克风（311）和所述第二麦克风（312）配置为监测模型燃烧室中热声振荡的声压。

2.根据权利要求1所述的热声振荡主动控制装置，其特征在于，所述监测机构还包括火焰面热释放监测组件（320）和火焰形态监测组件（330），所述火焰面热释放监测组件（320）和所述火焰形态监测组件（330）均与所述控制组件信号连接。

3.根据权利要求2所述的热声振荡主动控制装置，其特征在于，所述火焰面热释放监测组件（320）包括光电倍增管（321）和第一滤波片（322），所述第一滤波片（322）与所述光电倍增管（321）配套设置。

4.根据权利要求2所述的热声振荡主动控制装置，其特征在于，所述火焰形态监测组件（330）包括相机（331）和第二滤波片（332），所述第二滤波片（332）与所述相机（331）的镜头配套设置。

5.根据权利要求1所述的热声振荡主动控制装置，其特征在于，所述金属粉添加组件（120）包括粒子发生器（121）和振动器（122），所述粒子发生器（121）安装于所述振动器（122），所述振动器（122）与所述控制组件信号连接。

6.根据权利要求5所述的热声振荡主动控制装置，其特征在于，所述粒子发生器（121）包括底壳（1211）和上盖（1212），所述底壳（1211）设有第一进气通道（1215）和第二进气通道（1216），所述第一进气通道（1215）的轴线和所述第二进气通道（1216）的轴线均向远离所述底壳（1211）的轴线的方向倾斜设置，并关于所述底壳（1211）的轴线对称设置；

所述上盖（1212）盖合于所述底壳（1211）的开口端，并设有掺混出气口（1217）。

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