燃料分级对贫预混多喷嘴燃烧器火焰动态响应特性影响的实验研究

贫预混多喷嘴燃料分级技术可以有效降低局部热负荷,从而降低NOx排放并拓宽工况范围,是现代重型燃气轮机低排放燃烧室的主要燃烧方式。本文开展了燃料分级及当量比变化对贫预混多喷嘴燃烧火焰动态响应的影响研究。利用扬声器产生火焰的受迫振荡,利用压力脉动传感器与光电倍增管完成了多喷嘴火焰响应特性的试验分析。试验表明,燃烧室内压力波动与热释放率波动随扰动频率同步变化。当量比低于0.53时,多喷嘴火焰传递函数呈现单峰的特征。当量比大于0.64时,多喷嘴火焰传递函数呈现双峰特征,且火焰响应增强。延迟时间τ随着当量比的增大而减小。燃料分级将使得火焰动态响应特征频率发生偏移。增加喷嘴数量使得火焰传递函数幅值上升,火焰响应增强,峰值频率增大,延迟时间偏短。对于采用多喷嘴燃料分级技术的燃烧室,负荷上升将导致火焰趋于不稳定。

高温升燃烧室热声耦合特性研究

为建立燃烧室热声不稳定性预测和分析方法,以某高温升单管燃烧室试验件为研究对象,构建了试验系统低阶热声网络(LOTAN)模型。基于试验数据,利用优化的方法获得了各工况下的火焰传递函数(FTF),并利用Kriging模型拟合出了增益与迟滞时间对工况参数的响应模型。利用拟合出的FTF响应模型分析了油气比和进气速度对燃烧室热声稳定性的影响。研究结果表明:通过优化得到的FTF能够较准确反映各工况下的非稳态热释放特性,导入LOTAN中计算得到的结果与试验结果吻合较好,最大误差约3.32%;油气比的改变会引起不稳定模态的转变,油气比或进气速度升高时,系统特征频率也随之升高。

喷嘴布局对钝体非预混火焰响应特性影响的试验研究

航空发动机加力燃烧室由于能量密度大、进口速度大、进口温度高,燃料和空气掺混不均匀等,易发生燃烧不稳定现象。加力燃烧室为多喷嘴结构,喷嘴布局会影响燃烧室内的释热率分布,进而影响火焰响应。以模型加力燃烧室为研究对象,对不同喷嘴数量和喷嘴直径的钝体非预混火焰的释热率响应特性进行研究。利用扬声器对火焰施加声激励,通过双麦克风法测量速度脉动,光电倍增管结合CH*滤光片测量释热率脉动。研究表明,喷嘴布局的改变对燃烧室内的释热率分布会产生显著影响,火焰传递函数(FTF)增益呈现典型的双峰特征。随着喷嘴数量增加,增益峰值先减小后增大,增益峰值对应的频率有向高频移动的趋势,系统时滞并未发生明显变化;随着喷嘴直径增加,FTF增益先减小后增大,系统时滞明显增大。

发动机燃烧室中火焰对来流扰动的动态响应研究综述

以航空航天发动机和工业燃气轮机燃烧室中的热声振荡为背景,介绍了热声不稳定性的基本概念和物理特性。首先,讨论了燃烧室中火焰对来流扰动的动态响应,分析了受扰动影响时火焰热释放率的脉动过程,回顾了火焰传递函数和火焰描述函数的实验、仿真和理论研究方法及结果。之后,讨论并分析了横纵向扰动、纵向双频率扰动以及考虑火焰曲率效应下的火焰响应特性。最后,介绍了近年来学界发现的一种与火焰响应密切相关的热声不稳定现象——固有热声不稳定,探究了火焰响应对固有热声不稳定模态的影响作用,分析了火焰响应在燃烧室热声振荡系统中的作用。

结合系统辨识的甲烷掺氢预混火焰热声稳定性研究

为了研究甲烷掺氢燃料对燃气轮机燃烧室热声振荡特性的影响,利用计算流体动力学结合系统辨识(CFD-SI)的方法对某旋流预混燃烧室进行了数值研究。在非定常CFD模拟中提取上游速度与火焰整体热释放率波动的时间序列,并通过相关性分析进行系统辨识,获取了不同甲烷掺氢比下的火焰传递函数(FTF),并结合低阶网络模型对燃烧室热声不稳定性进行了分析。结果表明,随着体积掺氢比的提高,火焰逐渐由“V”形变为“M”形,燃烧器出口处的涡结构先形成后消失,这导致了燃烧室热声振荡特性的改变。在体积掺氢比低于30%时,火焰响应不发生较大变化,燃烧室振荡频率小幅提高;当掺氢比在30%~60%时,火焰对低频的响应逐渐增强,对高频响应先增强后减弱,燃烧室在200Hz附近热声模态的振荡消失,火焰稳定性增强,但高频纯声学模态被激发;而当掺氢比达到60%时,燃烧室内重新出现热声模态的振荡。对于以天然气作为燃料的燃气轮机,适当的掺氢比能改善燃烧室内的热声不稳定性,但氢气加入会更容易激发燃烧室的高频纯声学模态,使其在高频范围内出现振荡。

贫燃预混燃烧室中的分布式火焰传递函数分析

为了深入研究贫油预混燃烧室中的燃烧不稳定机理,采用实验方法测量火焰沿轴向的热释放分布,研究了不同当量比以及空气流量对自激振荡模态下的分布式火焰传递函数尤其是相位分布的影响。结果表明,火焰传递函数的相位所对应的迟滞时间主要由三部分构成:扰动从燃料喷注点传播至头部所需的输运时间、靠近头部出口突扩面处涡环形成的迟滞时间、涡环输运至火焰锋面的输运时间;而其中漩涡环涡环形成所造成的相位增量是研究燃烧不稳定性的关键因素,当量比由0.6增加到0.73的过程中相位增量相应从0.5增加到1.0。自激振荡较强的两个模态中,进气段模态频率为233Hz具有锁频特性,而输运模态频率为180Hz会随着相位增量的变化而变化,由180Hz增加到207Hz。

高压氢氧火箭发动机推力室燃烧稳定性分析

针对高压氢氧火箭发动机推力室不设置隔板喷嘴和声腔的结构方案,利用火焰传递函数+低阶声学模型的解耦预测仿真方法,分析了不同喷注参数和结构参数下燃烧室的燃烧稳定性裕度。采用非定常雷诺平均NS方程(URANS)计算同轴直流喷嘴非稳态燃烧过程以获取火焰传递函数,其中采用Soave Redlich Kwong(SRK)状态方程计算密度等物性参数;考虑到同轴直流喷嘴的火焰长度与声波量级相当,采用分布式火焰结构进行火焰传递函数建模。采用商业软件COMSOL计算加载了火焰传递函数的燃烧室声学模态,使用模态增长率为评定标准,预测燃烧不稳定性。结果表明,给定不同燃气/氧喷注速度比、混合比、相对喷嘴压降、缩进深度比、富氢燃气喷前温度等各工况下,预测得到的燃烧室均未出现燃烧不稳定现象。在推力室设计中通过增加燃气/氧喷注速度比或降低燃烧室混合比,有利于提升燃烧稳定性裕度。所做工作为高压氢氧火箭发动机喷注器设计及燃烧稳定性裕度评估提供参考。

氢体积分数对甲烷-氢贫燃预混钝体火焰燃烧不稳定性影响

通过扬声器创造可调频率和振幅的正弦波声场环境,以甲烷-氢混合气贫燃预混钝体火焰为实验对象,通过火焰传递函数表征整个燃烧系统的燃烧不稳定性特征,借助CH基自发荧光图像描述火焰锋面运动及演化过程,研究了在不同声场频率和速度波动(声场振幅)下氢体积分数的变化(0、10%、20%)对火焰燃烧不稳定的影响。结果表明:随着氢体积分数的提升,在声场频率90～105 Hz区间时,火焰传递函数幅值变小,涡对火焰的影响减弱,火焰稳定性增强,而在115～170 Hz区间时,传递函数幅值增加,火焰长度变短,混合气火焰稳定性差;随着速度波动增加,在160 Hz声作用下甲烷火焰与涡的相互作用程度增强,而随着氢体积分数的提升,涡结构对火焰流场的拉伸和卷吸作用加强,燃烧热释放波动变大,火焰传递函数幅值增加,火焰抵抗外界扰动能力增强。该实验结果可为掌握甲烷-氢混合气燃烧不稳定性机理,发展燃烧不稳定性的主动控制技术提供参考。

分布式非预混火焰传递函数的实验研究

非预混燃烧是动力设备和推进系统中常见的燃烧组织形式。为了理解非预混火焰的动力学特性、预测和控制其振荡燃烧现象,有必要获得其火焰传递函数。本文通过实验测量对分布式非预混火焰的传递函数进行了研究,实验对象为甲烷空气同心射流火焰。实验中使用双麦克风技术测量燃烧室出口速度脉动,作为传递函数的输入量;使用CH基自发荧光测量燃烧过程的放热率脉动,作为传递函数的输出量。搭建了卡塞格林光学测量系统,以提升放热率测量的空间分辨率,实现单点测量,进而得到一维分布式火焰传递函数。结果表明,在频域内,实验中测得的传递函数的幅值沿火焰轴向存在两个峰值,在幅值的峰谷处相位角有180°翻转,这是热斑以对流速度向下游传播,跨越火焰面时所造成的。

值班稳定器燃烧室值班火焰的火焰传递函数研究

为了研究值班火焰的动态特性,采用实验方法获得值班稳定器模型燃烧室中值班火焰的火焰传递函数。燃烧室的动态压力利用动态压力传感器测量,火焰的全局非定常热释放利用光电倍增管测量,光电倍增管采用了CH*带通滤波器,动态压力传感器和光电倍增管可以实现同步采集,利用高速摄像机捕捉了火焰的动态过程。利用速度脉动和非定常热释放得到值班火焰的火焰传递函数,其中速度脉动利用双传声器法和压力脉动数据计算得到。实验结果表明,当值班级甲烷流量为0.552g/s,0.621g/s和0.69g/s时,值班火焰不稳定,延迟时间分别为0.0116s,0.00675s和0.0133s。

基于LabVIEW的火焰传递函数测量系统

火焰传递函数方法常用于理解和研究热声不稳定性问题。设计了火焰传递函数测量系统的总体方案,阐述了实验硬件系统和基于Lab VIEW的实验数据软件处理技术。为了克服声场作用下燃烧系统固有频率及LabVIEW波形测量模块局限性造成的火焰传递函数数据处理失真的影响,进行了底层单边傅里叶变换编程,获得准确的火焰传递函数数据。最后通过比较手工计算得到的火焰传递函数数据,验证了测试系统及软件的准确性。

不同速度波动下氢含量变化对氢气-甲烷钝体火焰燃烧不稳定性的影响

针对燃气轮机贫燃预混条件下容易产生燃烧不稳定问题,探究了不同氢含量对氢气-甲烷混合气钝体火焰燃烧不稳定性的影响,用于获得燃烧不稳定性的控制方法。通过像增强相机(ICCD)、光电倍增管(PMT)、卡塞格林定点采集等装置获得火焰图像,并借助火焰传递函数描述火焰对声场的响应特性。由此得到了不同速度波动A下氢气含量变化(0%,10%,20%,40%)对燃烧不稳定性的影响总规律,并分析了氢含量变化对混合气热释放率的作用机理。实验结果表明:随着速度波动A的增加,燃烧不稳定性增强。当A较小时,火焰传递函数幅值|H|下降较快;当A大于0.3之后,|H|的下降趋势趋于平缓,火焰传递函数发生饱和。当A相同时,分别对90Hz和140Hz作用下的火焰研究后得到了相反的结论。氢气含量的增加导致90Hz作用下的火焰传递函数幅值|H|增加;热释放波动的相位与速度波动的相位相同,并且相位差接近0°,燃烧不稳定性减弱;而140Hz声作用下氢气的加入却使得|H|下降,并且相位差远离0°,热释放波动与速度波动的跟随性变差,燃烧不稳定性增强。

贫预混火焰动力学及稳定性分析

本文在贫预混燃烧容易诱导热声不稳定产生的背景下,采用大涡模拟结合系统辨识的方法,对甲烷燃料掺氢以及不同火焰筒限制两种情况下的贫预混火焰动力学进行了相关分析。之后通过得出的火焰传递函数,采用低阶网络模型的方法对系统进行了稳定性分析。研究结果表明:加入氢气后,明显增大了火焰的频响,同时火焰相位差减小;在一定的频率范围内,火焰更容易捕捉到不同火焰筒限制对响应的影响;通过采用不同的火焰筒限制,可以修改系统的稳定性行为。

燃烧不稳定性实验诊断及数值分析方法研究进展

燃烧科学发展至今,燃烧不稳定性仍然是限制低排放、贫预混(LPM)燃气轮机燃烧系统发展的关键问题。总结了近二十年来燃烧不稳定性的主要研究及分析方法,描述了实验过程中各种信号的采集、分析方法,包括燃烧室内压力脉动及释热波动的采集方式、入口速度激励的施加方式以及火焰图像的处理方法。数值模拟研究方面介绍了两种典型的研究思路,对比了耦合求解和解耦求解两种方式的优缺点。在分析方法上,分别介绍了火焰传递函数及其获取方法和新颖的、具有较高工程应用前景的火焰图像处理方法。列举介绍了各种方法的典型研究成果,对比介绍了不同方法的优缺点。

基于火焰传递函数的旋流预混火焰稳定性分析

为获得燃烧室头部几何参数对火焰形状及火焰传递函数的作用机制,并预判不同结构下燃烧不稳定发生风险。基于大涡模拟,对控制燃烧室头部形状的四个参数进行了DoE试验设计研究,并通过激励响应法从大涡模拟中辨识了火焰传递函数。结果表明,上述四个参数对A型火焰影响小,C型火焰主要受扩张角影响,B型火焰主要受扩张角与燃烧室半径相互作用影响。火焰传递函数结果表明火焰仅对低频段响应明显。工况5,7和8仅有一100 Hz以下频率带;工况9,14和15仅有一200 Hz以上频率带;其它工况响应频率带有2个以上。燃烧室设计中应规避高火焰传递函数增益的结构设计,以降低燃烧不稳定风险。

旋流预混燃烧室火焰动力学奇异谱分析研究

为了从预混燃烧室大涡模拟产生的非稳态、短时及含噪声的热释放率时序数据中有效提取火焰动力学特性以指导设计。首先采用激励响应法获得该序列,使用奇异谱分析重构并降解,并用传递路径函数识别火焰动态响应,同时与动力学模态降解模态对比。结果表明,采用传统火焰传递函数方法,火焰响应特性易被噪声掩盖。采用奇异谱分析重构的热释放率序列可吻合原始序列。获得的奇异谱模态可解析出更多的内在火焰响应频率。该频率与动力学模态降解法获得的频率一致。从动力学模态降解法获得的模态形状可以看出火焰内外层有剪切运动,回流区有混合作用。

基于实验数据的燃烧室火焰传递函数优化方法

为简化火焰传递函数建模过程,在实验数据的基础上,采用随机采样和优化方法对迟滞时间与增益的计算模型进行了研究。首先,建立了贫油预混预蒸发(LPP)模型燃烧室实验系统的低阶热声网络(LOTAN)模型;随后,在该LOTAN模型的基础上,基于实验数据,采用Sobol采样构建n-τ的取值空间,利用优化的方法获得了不同工况条件下的火焰传递函数模型参数;最后,基于Kriging模型对n-τ进行了重构。研究结果表明:基于该方法构建的火焰传递函数能够较准确地反映各工况下的非稳态热释放特征,代入LOTAN模型中预测得到的振荡频率与实验结果吻合得较好,最大误差不超过5%,同时,利用该方法预测的振荡燃烧临界油气比(FAR)与实验结果保持一致。

结合系统辨识方法的旋流部分预混燃烧不稳定预测及控制研究

本文研究了旋流部分预混火焰的燃烧不稳定性预测以及控制方法。利用计算流体力学方法,结合系统辨识理论得到了火焰传递函数,并通过Helmholtz求解器对系统的燃烧不稳定进行了预测分析。预测的系统振荡频率和实验偏差6%,验证了系统辨识方法用于燃烧不稳定预测的准确性。进一步,结合多孔声衬声学阻抗模型,研究了多孔声衬对燃烧不稳定性的抑制效果。结果表明引入多孔声衬后,燃烧器主导模态的增长率由0.24 rad/s降低为-0.13 rad/s,实现了对燃烧不稳定的控制。

预混火焰传递函数的测量与分析

火焰传递函数是理解和控制振荡燃烧的理论基础。本文通过自发化学荧光法测量放热率,双传声器技术获得燃烧器出口的压力和速度脉动,研究了不同雷诺数、当量比和扰动频率下的预混火焰传递函数。结果显示,随着脉动幅值的增加,火焰传递函数将出现由线性到非线性的变化过程。当量比、雷诺数和扰动频率的改变,都会影响火焰传递函数的幅值和相位特性。实验结果显示,放热率脉动同流场及火焰面的周期性变化直接相关。结果为掌握振荡燃烧机理,发展相关的预测理论和抑制技术提供参考。

黎开管中燃烧振荡的非线性现象研究

本文探讨了黎开管系统中燃烧振荡的两类非线性现象—拍振和迟滞,通过改变燃料流量和当量比研究了这两类非线性现象的发生规律。实验发现拍振现象仅在热功率较小、当量比较低的条件下发生;迟滞现象在发生燃烧振荡的当量比上限附近较显著,而当量比下限附近不明显。对于燃烧振荡中的拍振现象,通过热声耦合分析,结合弥散模型和声波传播关系,反演得到了火焰传递函数(FTF),结果可为进一步分析与控制这类非线性振荡现象提供参考。