环形模型燃烧室燃烧不稳定模态实验研究.pdf
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1、燃烧科学与技术 Journal of Combustion Science and Technology 2023,29(5):):581-588DOI 10.11715/rskxjs.R202308021 收稿日期:2022-03-26 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51806204).作者简介:柳伟杰(1989),男,博士,高级工程师.通信作者:柳伟杰,.环形模型燃烧室燃烧不稳定模态实验研究 柳伟杰,薛然然,张 良,苏 贺,杨 谦,王慧汝(中国航空发动机研究院基础与应用研究中心,北京 101304)摘 要:针对环形模型燃烧室燃烧不稳定模态开展实验测量研究,对燃烧室内的压力脉动及不稳定
2、模态进行识别分析,探讨了当量比和周向火焰个数对燃烧不稳定模态和模态转变的影响规律实验结果表明,环形模型燃烧室所有喷嘴均工作时,燃烧室内同时存在纵向模态和周向模态,且周向模态在驻波模态和旋转模态之间发生相互转变当量比为 0.72 时燃烧室周向主导模态为负向旋转模态,其他当量比下为周向平均气流调制下的驻波模态随着周向火焰个数的减少,环形模型燃烧室周向脉动幅值增加,脉动频率降低不过周向火焰个数对周向脉动主导模态类型影响很小 关键词:环形模型燃烧室;燃烧不稳定性;旋转模态;驻波模态;旋转比 中图分类号:TK16 文献标志码:A 文章编号:1006-8740(2023)05-0581-08 Combus
3、tion Instability Modes in an Annular Model Combustor Liu Weijie,Xue Ranran,Zhang Liang,Su He,Yang Qian,Wang Huiru(Basic&Applied Research Center,Aero Engine Academy of China,Beijing 101304,China)Abstract:This paper presents an experimental study on combustion instability modes in an annular model com
4、-bustor.Pressure fluctuation and instability modes in the annular combustor were identified and analyzed.Effects of equivalence ratio and flame number on combustion instability modes and mode switching were discussed.Experi-mental results show that the longitudinal mode and azimuthal mode co-exist i
5、n the annular combustor when all the nozzles are opened.The azimuthal mode switches between the standing mode and the spinning mode.The dominant mode is a negative spinning mode when the equivalence ratio is 0.72,otherwise,it becomes a standing mode under the modulation of the mean azimuthal flow.As
6、 the flame number in the combustor decreases,the amplitude of pressure fluctuation increases while the corresponding frequency decreases.The impact of flame number on the dominant azimuthal instability mode is not apparent.Keywords:annular model combustor;combustion instability;spinning mode;standin
7、g mode;spin ratio 为了降低污染物排放,民用航空发动机和地面燃气轮机燃烧室通常采用燃料/空气贫预混燃烧 然而,在贫预混状态下燃烧室易于发生燃烧不稳定性现象1.燃烧不稳定性将会缩小发动机稳定运行范围,影响燃烧室性能,甚至对发动机部件造成结构破坏2 开展燃烧不稳定性研究,掌握燃烧不稳定性热声耦合机理,实现在燃烧室早期设计阶段就从燃烧不稳定性的角度对设计进行指导,对于研制先进航空发动机及燃 燃烧科学与技术 第 29 卷 第 5 期 582 气轮机燃烧室具有重要意义 由于实验测量的复杂性,大部分燃烧不稳定性研究主要集中于简单的层流火焰或单旋流火焰 这些研究揭示了引起热声耦合的不同诱因,
8、包括速度波 动3、旋涡脱落4、旋流波动5、当量比波动6和火焰不稳定拉伸7等 然而,通常情况下这些单喷嘴火焰只发生纵向模态的热声耦合,与环形燃烧室有很大区别8 这种区别主要体现在:第一,环形燃烧室几何特征与单喷嘴燃烧室不同 从声学角度上来看,环形燃烧室的周向尺寸是主导尺寸,低阶谐波是沿燃烧室周向分布的,即发生周向燃烧不稳定性;第二,环形燃烧室周向方向上存在多点火焰热释放,导致环形燃烧室内的模态结构更为复杂;第三,环形燃烧室内相邻火焰之间存在相互作用,会对火焰的动态响应特性产生影响 剑桥大学 Worth 和 Dawson9最早开展了环形燃烧室周向燃烧不稳定性火焰动力学特性实验研究 通过动态压力和高
9、速火焰荧光测量发现了环形燃烧室内的周向旋转和驻波模态,且发现这两种模态发生连续的相互转变10 进一步的研究还表明驻波模态下压力波腹下脉动幅值最大,波节位置脉动 最小;旋转模态下环形燃烧室周向火焰热释放不对 称11-12 Bourgouin 等13通过实验也观测到了环形燃烧室的周向驻波模态和旋转模态,同时还发现了环形燃烧室内的纵向模态 Durox 等14研究了环形燃烧室流量、当量比、喷嘴结构对环形燃烧室燃烧不稳定性的影响,研究表明相邻火焰之间的相互作用导致火焰形态发生改变,在特定工况下模态结构发生转变.Prieur 等15发现环形燃烧室不仅存在纵向模态、旋转模态、驻波模态和倾斜模态,还存在间歇模
10、态及双模态区 上述研究发现了环形燃烧室内周向主导的压力脉动形式及模态分布特点 在此基础上,本文针对环形模型燃烧室的燃烧不稳定模态开展实验测量研究,对燃烧室内的压力脉动规律及不稳定模态进行识别分析,探讨了当量比和周向火焰热释放对燃烧不稳定模态及模态转变规律的影响,以期为环形燃烧室燃烧不稳定性抑制及相应的预测模型校验提供一定的实验依据及数据支撑 1 实验装置及测量系统 1.1 环形模型燃烧室实验装置 环形模型燃烧室实验装置如图 1 所示 该实验装置主要包括空气入口段、空气腔室、预混旋流喷嘴和环形模型燃烧室 高压空气经稳压、减压后从实验装置底部供给环形燃烧室实验台 为了避免上游空气扰动与燃烧室内压力
11、脉动的相互影响,在燃烧室入口段安装了缩口孔板 空气流量采用孔板流量计计量,测量精度为 1%空气经匀流多孔板整流后由空气腔室平均分配给 16 个旋流预混喷嘴 16 个预混旋流喷嘴具有相同的结构,沿环形燃烧室周向均匀分布 甲烷经燃料总管和支管平均分配给 16 个预混旋流喷嘴 在每根燃料支管上安装了燃料阀,可以通过燃料阀的开关实现相应喷嘴工作与否 甲烷流量由质量流量控制器调节控制,流量控制精度为 1%空气与燃料在预混旋流喷嘴内发生充分混合形成预混旋流气 预混旋流气进入环形模型燃烧室充分燃烧,燃烧后的高温燃气排向环境大气 环形模型燃烧室由内外两个同心石英玻璃管组成,燃烧室外径为340mm,内径为 20
12、0mm,平均直径为 270mm 内外石英玻璃管的长度分别为 200mm 和 300mm (a)实验装置 (b)脉动压力测点分布 图 1 环形模型燃烧室实验装置示意(单位:mm)Fig.1Schematic of experimental setup of the annular model combustor(unit:mm)单个预混旋流喷嘴的结构如图 2 所示 该喷嘴由燃料预混器、预混段和轴向旋流器组成 喷嘴的出口直径为 28mm 燃料预混器由两排 4 个相互垂直的燃料喷射柱组成 两排喷射柱错位安装,位于旋流柳伟杰等:环形模型燃烧室燃烧不稳定模态实验研究 燃烧科学与技术 583 器上游 10
13、0mm 处 燃料通过喷射孔高速喷出与来流空气发生充分掺混,在预混段内形成充分混合的预混气 旋流器由环形旋流通道和中心通道组成,安装在距离喷嘴出口 30mm 上游处 环形旋流通道由 8 个旋流叶片组成,旋流器叶片的安装角度为 37 在旋流器中心通道下方安装了一片多孔板,多孔板上开设若干直径为 1.4mm 的小孔,用于控制旋流气和中心非旋流气的比例 经计算该旋流器的旋流数为 0.55.该预混旋流喷嘴详细结构参数可详见文献16 图 2 单个预混旋流喷嘴结构示意(单位:mm)Fig.2 Schematic of the structure of a single premixedswirling no
14、zzle(unit:mm)1.2 测量采集系统 环形模型燃烧室实验装置测量采集系统主要包括脉动压力测量和多喷嘴火焰结构测量 对于脉动压力测量,在环形模型燃烧室周向 4 个预混旋流喷嘴上各布置了两个动态压力传感器 PA和 PB(Kulite XTEL-190M),如图 1(a)所示 这两个压力传感器与内壁齐平安装,两者之间的轴向距离为 60mm 为了监测环形模型燃烧室内的压力脉动,在燃烧室端部沿周向安装了 4 个动态压力传感器 PC(Kulite XTEL-190M)采用半无限长引压管测量燃烧室压力脉动 引压管的长度为 25m,内径为 4mm 采用高速相机(Phantom VEO 710L)和像
15、增强器(Invisible Vision UVi 1850B-10)捕获环形燃烧室多喷嘴火焰整体结构脉动过程像增强器前安装了(30710)nm 的窄带滤光片用于接收火焰 OH*信号.用火焰自发 OH*化学荧光强度表征火焰释热率17.高速相机的分辨率为 1280800,拍摄频率为7500Hz.高速相机通过外置信号触发,每组工况高速相机记录的瞬态火焰图片为 6216 张 采用 NI PXI模块(NI PXIe-4303)对所有脉动压力和高速相机触发信号进行高速同步采集 采样频率为 20kHz,每组工况采样时长为 10s 1.3 实验工况 实验过程中,保证喷嘴出口平均速度 9.5m/s(Re1980
16、0)不变,改变环形燃烧室整体当量比和周向火焰个数 当量比的变化范围为 0.660.80 在讨论周向火焰个数对燃烧室不稳定性影响时,通过环形燃烧室周向 16 个燃料阀门的开关组合控制相应喷嘴的开启或关闭,形成 3 种不同的周向火焰个数:所有喷嘴全部开启,周向上具有 16 个预混旋流火焰;每隔 3 个喷嘴关闭一个燃料阀,形成 12 个火焰;每隔一个喷嘴关闭一个燃料阀,周向上为 8 个火焰,3 种不同火焰热释放方案示意如图 3 所示 方案切换过程中,保证 3 种方案下工作中的单个火焰当量比为 0.80 不变 N 分别为 16、12 和 8 的 3 种方案下燃烧室整体当量比分别为 0.80、0.59
17、和 0.42,相应的燃烧室热负荷分别为 260kW、195kW 和 130kW 图 3 环形燃烧室不同周向火焰热释放示意 Fig.3Schematic of flame heat release in the annular combustor with different flame numbers 2 环形燃烧室周向声波动简化分析模型 环形燃烧室周向声波动可以分解为两个反向的行波,如图 4 所示 由于环形燃烧室喷嘴气流的旋流运动导致燃烧室气流具有整体的周向平均流动,该周向平均气流流速为v 将传播方向与周向平均流动方 图 4 环形燃烧室周向声波动示意 Fig.4Schematic of wa
18、ve propagation in the annular model combustor 燃烧科学与技术 第 29 卷 第 5 期 584 向一致的波称为正行波,方向相反的波称为反行波.周向平均流动的存在导致两个反向声波传播速度不一样,正行波沿周向的传播速度为cv+,而反行波的传播速度为cv,c 为燃烧室环腔内的平均声速.这样,环形燃烧室周向位置k处的压力脉动可以表示为 (/)(/)eee+=+kkit Rit Ri tkpAA(1)式中:A+和A分别是正行波和反行波的压力脉动幅值;R 是环形燃烧室平均半径;是角频率 由于气流周向平均速度v相比于声速 c 很小,总体上看,环形燃烧室周向模态频
19、率是以2cR为基频,同时受到/2vR低频调制的脉动 当|AA+=且0v=时,为驻波模态;当|0A+=或|0A=且0v=时,为反向旋转或正向旋转的旋转模态;当|AA+=且0时,为缓旋模态 驻波模态下环形燃烧室周向压力波腹和波节的位置保持不变;旋转模态下模态结构保持不变,压力波腹和波节以声速沿燃烧室周向旋转;缓旋模态下压力波腹和波节沿着周向以速度v缓慢旋转.针对环形燃烧室周向模态识别,Bourgouin 等18提出采用旋转比SR来判断环形燃烧室内的模态:S+=+AARAA(2)当SR0 时,为纯驻波模态;当SR1 时,为正向旋转的旋转模态;当SR-1 时,为反向旋转的旋转模态 由于气流平均切向速度
20、v相比于声速 c 很小,所以可以在很短的时间内(通常为几个声脉动周期)认为声脉动波形是不变的,该波形只是在流动时间尺度内缓慢旋转基于这个假设,为了求解A+、A和/t R,Wolf 等19提出将环形燃烧室内不同周向位置上动态压力传感器采集的脉动压力相加构建模态因子()C t:i11()(,)e=kNkkkC tptN(3)相应地,在本文中将燃烧室周向位置 Pc1、Pc2、Pc3和 Pc4处测量的时域脉动压力信号通过式(3)构建模态因子()C t 然后采用最小二乘法对局部()C t进行拟合,确定出A+、A和/t R 这样就可以通过式(2)计算出旋转比,进而确定出环形燃烧室内周向脉动模态类型 3 实
21、验结果与讨论 3.1 燃烧不稳定模态识别分析 本文首先基于脉动压力数据对环形模型燃烧室所有喷嘴均工作(N16)时的燃烧不稳定模态进行识别及分析 在处理脉动压力数据时,首先将 10s 内采集的数据分为 10 等分数据段,然后对每个数据段内的脉动数据分别进行快速傅里叶变换,最后对所有数据段的频谱数据进行平均,获取相应的脉动压力频谱.图 5 为当量比为 0.80 时预混旋流喷嘴和环形燃烧室内脉动压力频谱 从图 5(a)燃烧室压力脉动频谱上可以看出,不同周向位置上(PC1、PC2、PC3和 PC4)均存在两个明显的脉动主频:692Hz 和 1126Hz,平均脉动幅值分别为 11.2Pa 和 4.6Pa
22、 通过前面周向声波动分析可以知道,环形燃烧室周向模态脉动频率可以用/2=fcR估计 假设当量比 0.80 下燃烧室内平均温度为 2000K,平均声速为 900m/s,则预估环形 模 型 燃 烧 室 一 阶 周 向 模 态 频 率m/=fcd 1061 Hz,与实际测得的 1126Hz 十分接近 通过后面的分析,发现这两个频率其实就是环形燃烧室系统的纵向脉动模态和周向脉动模态频率 图 5(b)为预混旋流喷嘴内 PB的压力脉动频谱 从图中看出,不同周向位置上的预混旋流喷嘴只存在一个与环形燃烧室纵向模态一致的脉动频率,不存在周向的脉动频率,且脉动幅值比环形燃烧室内的压力脉动幅值小 (a)环形燃烧室
23、(b)预混旋流喷嘴 图 5当量比为 0.80 时环形燃烧室和预混旋流喷嘴内压力脉动频谱 Fig.5Pressure spectra in the annular combustor and premixed swirling nozzle when equivalence ratio is0.80 柳伟杰等:环形模型燃烧室燃烧不稳定模态实验研究 燃烧科学与技术 585 为了进一步识别环形模型燃烧室系统内的压力脉动模态,基于图 5 压力脉动频谱对 692Hz 和1126Hz 两个典型脉动频率下的时域压力脉动信号进行了提取分析 图 6 为提取的脉动频率为 692Hz的两个不同时刻 PA2、PB2、
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