CN115200046A - 全环燃烧室试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全环燃烧室试验装置及其试验方法。其中全环燃烧室试验装置包括：外机匣，所述外机匣具有朝向轴向的第一方向敞开的开口，所述外机匣的外侧壁设置有传声器；内机匣，所述内机匣设置于所述外机匣内，所述内机匣与所述外机匣之间存在径向间距；第一转动件与第二转动件，所述第一转动件与所述第二转动件能够相互独立地沿周向绕所述内机匣的轴心线转动，所述第一转动件与所述第二转动件在所述内机匣的轴向上的投影位于所述内机匣与所述外机匣之间。由于第一转动件与第二转动件能够独立地转动，当第一转动件与第二转动件的相对位置发生改变时，声边界也会随之发生改变，从而实现声边界的调整。

Description

全环燃烧室试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，特别涉及一种全环燃烧室试验装置及其试验方法。

背景技术

为了应对严格的适航排放要求，低排放燃烧室技术是现代民用航空发动机的主要技术特点之一，其中贫油燃烧在降低排放方面更具有前景。但贫油燃烧容易对外界扰动产生响应，当这种响应与燃烧室内压力波动耦合时会发生振荡燃烧。振荡燃烧产生的大幅值压力/速度波动会使发动机共同工作线靠近喘振边界，引发发动机推力振荡，严重时会造成热端部件疲劳失效。

对于同一构型的燃烧室技术方案，振荡燃烧在全环燃烧室试验装置和核心机试验装置上所呈现的振荡特性就存在较大的差异；造成这种差异的原因与燃烧室进出口声边界有关，也与燃烧室内油气掺混周向均匀性有一定的关联。但现有的全环燃烧室试验装置并不能对核心机燃烧室进出口声边界进行模拟，也就不能在全环试验装置上复现核心机试验装置上的振荡燃烧特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中现有技术无法对核心机燃烧室进出口声边界进行模拟的缺陷，提供一种全环燃烧室试验装置及其试验方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种全环燃烧室试验装置，所述全环燃烧室试验装置包括：

外机匣，所述外机匣具有朝向轴向的第一方向敞开的开口，所述外机匣的外侧壁设置有传声器；

内机匣，所述内机匣设置于所述外机匣内，所述内机匣与所述外机匣之间存在径向间距；

第一转动件与第二转动件，所述第一转动件与所述第二转动件能够相互独立地沿周向绕所述内机匣的轴心线转动，所述第一转动件与所述第二转动件位于所述外机匣的开口处，所述第一转动件与所述第二转动件在所述内机匣的轴向上的投影位于所述内机匣与所述外机匣之间。

在本方案中，利用传声器，可以测量全环燃烧室试验装置的声场参数，并得到燃烧室进出口声边界。由于第一转动件与第二转动件能够独立地转动，当第一转动件与第二转动件的相对位置发生改变时，声边界也会随之发生改变，因此可以通过调节第一转动件与第二转动件之间的相对位置，从而实现声边界的调整，当声边界调整至与实际燃烧室进出口声边界一致时，则可以复现发动机燃烧室的全环燃烧室试验件上的振荡燃烧特性，从而有利于进行拓宽稳定燃烧边界的研究。

较佳地，所述全环燃烧室试验装置还包括绕所述内机匣的轴心线转动的第一作动杆和第二作动杆，所述第一转动件连接于所述第一作动杆的端部，所述第一转动件连接于所述第二作动杆的端部。

在本方案中，通过驱动第一作动杆和第二作动杆可以带动第一转动件与第二转动件，结构简单可靠。

较佳地，所述全环燃烧室试验装置还包括用于驱动所述第一作动杆转动的第一转轴、以及用于驱动所述第二作动杆转动的第二转轴，所述第一转轴与所述第二转轴都相对于所述内机匣同轴设置，所述第一转轴具有沿轴向延伸的中心通孔，所述第二转轴穿设于所述中心通孔内。

在本方案中，第一转轴与第二转轴同轴设置，从而保证第一转动件与第二转动件都绕内机匣轴心线转动，由于第二转轴穿设于中心通孔内，因此第一转轴与第二转轴的布置较为紧凑。

较佳地，所述全环燃烧室试验装置还包括用于驱动所述第一转轴转动的第三转轴、以及用于驱动所述第二转轴转动的第四转轴，所述第三转轴与所述第四转轴都垂直于所述内机匣的轴心线，且所述第三转轴与所述第四转轴从所述外机匣的同一侧伸出。

在本方案中，利用第三转轴与第四转轴向第一转轴与第二转轴输出动力，而且第三转轴与第四转轴在全环燃烧室试验装置的同一侧部伸出，因此较少占用全环燃烧室试验装置的内部空间，结构较为紧凑，也有利于对第三转轴与第四转轴的降温。

较佳地，所述第一转动件到所述内机匣轴心线的距离、所述第二转动件到所述内机匣轴心线的距离相等。

在本方案中，第一转动件与第二转动件的运动轨迹都为等径的圆形，有助于全环燃烧室试验装置模拟实际的振荡模态。

较佳地，所述传声器设置有多个，多个所述传声器沿所述外机匣的周向间隔地排布。

在本方案中，多个传声器能够获得较多方向的声阻抗数据，更好地测量出实际的声场参数。优选地，相邻传声器之间的间隔相等。传声器数量可以为3～10个。

较佳地，所述全环燃烧室试验装置设置有冷却水路，所述冷却水路用于冷却所述第一转动件与所述第二转动件。

在本方案中，利用水冷的方式对第一转动件与第二转动件冷却，减少第一转动件与第二转动件在高温环境下发生损坏的可能性。

较佳地，所述第一转动件与所述第二转动件都具有突出部，所述突出部朝所述第一方向延伸。

在本方案中，第一转动件与第二转动件的截面都为L形。

较佳地，所述第一转动件在轴向上相对于所述内机匣的距离与所述第二转动件在轴向上相对于所述内机匣的距离相同。

一种全环燃烧室试验装置的试验方法，所述试验方法包括：

S1、测量核心机的振荡模态，提供如前所述的全环燃烧室试验装置，定义第一转动件到内机匣轴心线的连线与第二转动件到内机匣轴心线的连接线之间形成的夹角为相对安装角；

S2、驱动所述第一转动件与所述第二转动件沿周向转动，并保持所述相对安装角不变；

S3、利用传声器测量全环燃烧室试验装置的声场参数，获取全环燃烧室试验装置的振荡模态；

S4、比较核心机的振荡模态与全环燃烧室试验装置的振荡模态，若二者相同，则进入步骤S5，否则，重新调整相对安装角，并进入步骤S2；

S5、在保持所述相对安装角不变的情况下，调整全环燃烧室试验装置的结构，以拓宽稳定燃烧区域。

在本方案中，通过调整相对安装角，可以改变全环燃烧室试验装置的声边界，不断调整相对安装角，直至全环燃烧室试验装置的声边界与实际的全环燃烧室声边界一致，从而能够复现核心机或整机试验件的高频振荡，在此基础上，来优化燃烧室喷嘴装机顺序(即优化油气掺混周向均匀性)，拓宽稳定燃烧边界。

较佳地，步骤S5中，所述调整全环燃烧室试验装置的结构包括：调整全环燃烧室试验装置的喷嘴安装位置。

在本方案中，可以通过调整燃烧室头部组件以及喷嘴的安装顺序，来改变喷嘴的响应特性，从而拓宽稳定燃烧区域

本发明的积极进步效果在于：通过调整第一转动件与第二转动件之间的相对位置，改变全环燃烧室试验装置的声边界，在保留已有的全环试验件功能的前提下，仍能在全环试验件上有效复现核心机试验件乃至整机试验件上的振荡燃烧特性。通过在出口声边界可调的全环试验件上复现核心机/整机试验件的高频振荡，来优化燃烧室喷嘴装机顺序(即优化油气掺混周向均匀性)，拓宽稳定燃烧边界，有利于加速型号研制。通过在出口声边界可调的全环试验件上，进一步探索油气掺混周向均匀性与高频振荡之间的关联，进一步探索涡轮一级导向器构型与燃烧室出口声边界的关联，完善燃烧室设计过程，有利于开展基础研制。

附图说明

图1为现有技术中发动机燃烧室的全环燃烧室试验件示意图。

图2为图1的全环燃烧室试验件的旋转位移机构顺气流方向的示意图。

图3为图1的全环燃烧室试验件的振荡燃烧边界特性试验结果。

图4为当图3的旋转位移机构的θ＝0°时，振荡模态无量纲结果。

图5为当图3的旋转位移机构的θ＝-33°时，振荡模态无量纲结果。

图6为本发明一实施例的全环燃烧室试验装置的结构示意图。

图7为本发明一实施例的全环燃烧室试验装置的动态压力测点的设置位置示意图。

图8为本发明一实施例的全环燃烧室试验装置的第一转动件与第二转动件的位置示意图。

图9为本发明一实施例的全环燃烧室试验装置的试验方法的流程图。

附图标记说明

前转接段1

环形进口段2

燃烧室本体3

喷嘴组件31

头部组件32

外环火焰筒组件33

内环火焰筒组件34

燃烧室外机匣35

燃烧室内机匣36

旋转位移机构4

水冷内机匣41

水冷外机匣42

作动杆43

测试耙44

全环燃烧室试验装置5

外机匣51

内机匣52

第一转动件53

第二转动件54

第一作动杆55

第二作动杆56

第一转轴57

中心通孔571

第二转轴58

第三转轴59

第四转轴60

传声器7

锥齿轮8

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。

参见图1所示，现有技术中发动机燃烧室的全环燃烧室试验件包括前转接段1、环形进口段2、燃烧室本体3、旋转位移机构4。其中，燃烧室本体3包括喷嘴组件31、头部组件32、外环火焰筒组件33、内环火焰筒组件34、燃烧室外机匣35、燃烧室内机匣36。旋转位移机构4包括水冷内机匣41、水冷外机匣42、作动杆43和测试耙44；其中测试耙44为出口温度耙或燃气取样耙。其中，作动杆43可相对于水冷内机匣41旋转，并带着测试耙44沿着水冷内机匣41的周向旋转。

旋转位移机构4的顺气流方向视图如图2所示，作动杆43共有4个，4个作动杆43位置相对固定，且相邻两个作动杆43的夹角为90°，各作动杆43均与一支测试耙44相连接。

在图2中，定义作动杆43按逆时针方向旋转角度为正值；定义旋转位移机构的初始角度为0°。其中，当图2中最右侧的作动杆43转动至虚线位置时，旋转位移机构的角度为θ，图2中的旋转位移机构处于θ＝0°。在燃烧室进口温度T＝750K开展试验。在相同的进气条件下，分别获取了当θ＝0°时和θ＝-33°的振荡燃烧边界特性线，如图3所示。横坐标为油气比，纵坐标为主燃级燃油分配比例。特性线的右上角为振荡区域，左下角为稳定区域。对于产品而言，希望稳定区域越大越好。图3的结果表明，燃烧室出口声边界影响稳定燃烧的区域范围。

全环燃烧室试验件上布置了5个动态压力测点(Pd1～Pd5)，其周向位置见图4和图5。

当θ＝0°时燃烧室发生的振荡燃烧，其振荡模态如图4所示，主燃级分级比例对应图3中的边界点1～边界点4。当θ＝-33°时燃烧室发生的振荡燃烧，其振荡模态如图5所示，主燃级分级比例对应图3中的边界点5～边界点8。

通过对比图4与图5，可以看到，θ＝0°的振荡模态与θ＝-33°的振荡模态形状相同(即无量纲的振型相同)，仅因为旋转位移机构转动，导致声边界发生变化，振荡模态的空间角度对应发生了变化。两种试验条件下，振型相同(图4和图5)，但稳定燃烧区域变化很大(图3)，该现象说明，燃烧室头部的油气掺混周向不均匀性(由于加工因素引发)对不同的声场模态产生的振荡响应特性有较大的差异。

反过来说，如果能设定燃烧室出口边界，可以通过调整燃烧室头部组件32以及喷嘴组件31的安装顺序，来改变响应特性，从而拓宽稳定燃烧区域。

如果通过核心机或整机试验，初步获取了燃烧室的振荡模态，那么通过一个出口声边界可调的全环燃烧室试验件，来复现核心机的振荡模态。那么在此基础上，可以开展头部组件32以及喷嘴组件31的安装顺序优化，来拓宽稳定燃烧区域；再将优化后的结果(或规律)，再安排其他台份核心机或整机开展试验进一步验证工作。

基于上述试验结果和分析过程，本实施例提供一种全环燃烧室试验装置5，参见图6所示，全环燃烧室试验装置5包括外机匣51、内机匣52、第一转动件53与第二转动件54，外机匣51具有朝向轴向的第一方向敞开的开口，外机匣51的外侧壁设置有传声器7，内机匣52设置于外机匣51内，内机匣52与外机匣51之间存在径向间距，第一转动件53与第二转动件54能够相互独立地沿周向绕内机匣52的轴心线转动，第一转动件53与第二转动件54位于外机匣51的开口处，第一转动件53与第二转动件54在内机匣52的轴向上的投影位于内机匣52与外机匣51之间。

利用传声器7，可以测量全环燃烧室试验装置5的声场参数，并得到燃烧室进出口声边界。由于第一转动件53与第二转动件54能够独立地转动，当第一转动件53与第二转动件54的相对位置发生改变时，声边界也会随之发生改变，因此可以通过调节第一转动件53与第二转动件54之间的相对位置，从而实现声边界的调整，当声边界调整至与实际燃烧室进出口声边界一致时，则可以复现发动机燃烧室的全环燃烧室试验件上的振荡燃烧特性，从而有利于进行拓宽稳定燃烧边界的研究。例如，可以调整第一转动件53到内机匣52轴心线的连线与第二转动件54到内机匣52轴心线的连接线之间的夹角。

具体在本实施例中，参见图6和图8所示，全环燃烧室试验装置5还包括绕内机匣52的轴心线转动的第一作动杆55和第二作动杆56，第一转动件53连接于第一作动杆55的端部，第一转动件53连接于第二作动杆56的端部。通过驱动第一作动杆55和第二作动杆56可以带动第一转动件53与第二转动件54，结构简单可靠。

全环燃烧室试验装置5还包括用于驱动第一作动杆55转动的第一转轴57、以及用于驱动第二作动杆56转动的第二转轴58，第一转轴57与第二转轴58都相对于内机匣52同轴设置，第一转轴57具有沿轴向延伸的中心通孔571，第二转轴58穿设于中心通孔571内。第一转轴57与第二转轴58同轴设置，从而保证第一转动件53与第二转动件54都绕内机匣52轴心线转动，由于第二转轴58穿设于中心通孔571内，因此第一转轴57与第二转轴58的布置较为紧凑。

全环燃烧室试验装置5还包括用于驱动第一转轴57转动的第三转轴59、以及用于驱动第二转轴58转动的第四转轴60，第三转轴59与第四转轴60都垂直于内机匣52的轴心线，且第三转轴59与第四转轴60从外机匣51的同一侧伸出。利用第三转轴59与第四转轴60向第一转轴57与第二转轴58输出动力，而且第三转轴59与第四转轴60在全环燃烧室试验装置5的同一侧部伸出，因此较少占用全环燃烧室试验装置5的内部空间，结构较为紧凑，也有利于对第三转轴59与第四转轴60的降温。具体在本实施例中，第三转轴59与第四转轴60平行延伸，且都垂直于全环燃烧室试验装置5的中心轴。具体在本实施例中，第三转轴59通过锥齿轮8驱动第一转轴57转动，第四转轴60通过锥齿轮8驱动第二转轴58转动。

第一转动件53到内机匣52轴心线的距离、第二转动件54到内机匣52轴心线的距离相等。第一转动件53与第二转动件54的运动轨迹都为等径的圆形，有助于全环燃烧室试验装置5模拟实际的振荡模态。在本实施例中，第一转动件53与第二转动件54的运动轨迹基本为重合的。

如图7所示，传声器7设置有多个，多个传声器7沿外机匣51的周向间隔地排布。多个传声器7能够获得较多方向的声阻抗数据，更好地测量出实际的声场参数。优选地，相邻传声器7之间的间隔相等。传声器7数量至少为3个。

全环燃烧室试验装置5设置有冷却水路，冷却水路用于冷却第一转动件53与第二转动件54。利用水冷的方式对第一转动件53与第二转动件54冷却，减少第一转动件53与第二转动件54在高温环境下发生损坏的可能性。

第一转动件53与第二转动件54都具有突出部，突出部朝第一方向延伸。第一转动件53与第二转动件54的截面都为L形。

本实施例还提供一种全环燃烧室试验装置5的试验方法，参见图9所示，试验方法包括：

S1、测量核心机的振荡模态，提供如前的全环燃烧室试验装置5，定义第一转动件53到内机匣52轴心线的连线与第二转动件54到内机匣52轴心线的连接线之间形成的夹角为相对安装角；

S2、驱动第一转动件53与第二转动件54沿周向转动，并保持相对安装角不变；

S3、利用传声器7测量全环燃烧室试验装置5的声场参数，获取全环燃烧室试验装置5的振荡模态；

S4、比较核心机的振荡模态与全环燃烧室试验装置5的振荡模态，若二者相同，则进入步骤S5，否则，重新调整相对安装角，并进入步骤S2；

S5、在保持相对安装角不变的情况下，调整全环燃烧室试验装置5的结构，以拓宽稳定燃烧区域。

通过调整相对安装角，可以改变全环燃烧室试验装置5的声边界，不断调整相对安装角，直至全环燃烧室试验装置5的声边界与实际的全环燃烧室声边界一致，从而能够复现核心机或整机试验件的高频振荡，在此基础上，来优化燃烧室喷嘴装机顺序(即优化油气掺混周向均匀性)，拓宽稳定燃烧边界。

具体地，参见图8所示，第一作动杆55与水平面的夹角为

第二作动杆56与水平面的夹角为

最小相对安装角为

与

的差值。

第一作动杆55和第二作动杆56存在最小相对安装角

其中，M为某具体角度值，由关注振荡频率的波长范围确定，同时受到转动件的厚度尺寸安装干涉等因素限制。

例如，在相对安装角

保持180°的情况下，同时旋转第一作动杆55和第二作动杆56，可以复现燃烧场关于对称声边界的响应。又例如，在相对安装角

保持在M与180°之间的情况下，同时旋转第一作动杆55和第二作动杆56，可以复现燃烧场关于非对称声边界的响应。

其中，步骤S5中，调整全环燃烧室试验装置5的结构包括：调整全环燃烧室试验装置5的喷嘴安装位置。可以通过调整燃烧室头部组件以及喷嘴的安装顺序，来改变喷嘴的响应特性，从而拓宽稳定燃烧区域，最终获得优化后的喷嘴安装位置。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种全环燃烧室试验装置，其特征在于，所述全环燃烧室试验装置包括：

外机匣，所述外机匣具有朝向轴向的第一方向敞开的开口，所述外机匣的外侧壁设置有传声器；

内机匣，所述内机匣设置于所述外机匣内，所述内机匣与所述外机匣之间存在径向间距；

第一转动件与第二转动件，所述第一转动件与所述第二转动件能够相互独立地沿周向绕所述内机匣的轴心线转动，所述第一转动件与所述第二转动件位于所述外机匣的开口处，所述第一转动件与所述第二转动件在所述内机匣的轴向上的投影位于所述内机匣与所述外机匣之间。

2.如权利要求1所述的全环燃烧室试验装置，其特征在于，所述全环燃烧室试验装置还包括绕所述内机匣的轴心线转动的第一作动杆和第二作动杆，所述第一转动件连接于所述第一作动杆的端部，所述第一转动件连接于所述第二作动杆的端部。

3.如权利要求2所述的全环燃烧室试验装置，其特征在于，所述全环燃烧室试验装置还包括用于驱动所述第一作动杆转动的第一转轴、以及用于驱动所述第二作动杆转动的第二转轴，所述第一转轴与所述第二转轴都相对于所述内机匣同轴设置，所述第一转轴具有沿轴向延伸的中心通孔，所述第二转轴穿设于所述中心通孔内。

4.如权利要求3所述的全环燃烧室试验装置，其特征在于，所述全环燃烧室试验装置还包括用于驱动所述第一转轴转动的第三转轴、以及用于驱动所述第二转轴转动的第四转轴，所述第三转轴与所述第四转轴都垂直于所述内机匣的轴心线，且所述第三转轴与所述第四转轴从所述外机匣的同一侧伸出。

5.如权利要求1所述的全环燃烧室试验装置，其特征在于，所述第一转动件到所述内机匣轴心线的距离、所述第二转动件到所述内机匣轴心线的距离相等。

6.如权利要求1所述的全环燃烧室试验装置，其特征在于，所述传声器设置有多个，多个所述传声器沿所述外机匣的周向间隔地排布。

7.如权利要求1所述的全环燃烧室试验装置，其特征在于，所述全环燃烧室试验装置设置有冷却水路，所述冷却水路用于冷却所述第一转动件与所述第二转动件。

8.如权利要求1所述的全环燃烧室试验装置，其特征在于，所述第一转动件与所述第二转动件都具有突出部，所述突出部朝所述第一方向延伸。

9.如权利要求1所述的全环燃烧室试验装置，其特征在于，所述第一转动件在轴向上相对于所述内机匣的距离与所述第二转动件在轴向上相对于所述内机匣的距离相同。

10.一种全环燃烧室试验装置的试验方法，其特征在于，所述试验方法包括：

S1、测量核心机的振荡模态，提供如权利要求1-9中任意一项所述的全环燃烧室试验装置，定义第一转动件到内机匣轴心线的连线与第二转动件到内机匣轴心线的连接线之间形成的夹角为相对安装角；

S2、驱动所述第一转动件与所述第二转动件沿周向转动，并保持所述相对安装角不变；

S3、利用传声器测量全环燃烧室试验装置的声场参数，获取全环燃烧室试验装置的振荡模态；

S4、比较核心机的振荡模态与全环燃烧室试验装置的振荡模态，若二者相同，则进入步骤S5，否则，重新调整相对安装角，并进入步骤S2；

S5、在保持所述相对安装角不变的情况下，调整全环燃烧室试验装置的结构，以拓宽稳定燃烧区域。

11.如权利要求10所述的全环燃烧室试验装置的试验方法，其特征在于，步骤S5中，所述调整全环燃烧室试验装置的结构包括：调整全环燃烧室试验装置的喷嘴安装位置。

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