張自來， 杜世強(qiáng)， 葛 冰， 孫培鋒, 臧述升

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院,葉輪機(jī)械研究所，上海 200240；2.中國船舶重工集團(tuán)第七一一研究所，上海 201108)

在當(dāng)今社會，環(huán)境保護(hù)越來越成為現(xiàn)代工業(yè)考慮的主要問題.因此，排放標(biāo)準(zhǔn)需進(jìn)一步提高.貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒是航空發(fā)動機(jī)上最具發(fā)展?jié)摿Φ牡蚇Ox燃燒技術(shù).在預(yù)混燃燒系統(tǒng)中，燃燒工況遠(yuǎn)偏離化學(xué)恰當(dāng)比，使得空氣過剩，火焰的溫度顯著降低，NOx的生成量大幅度減少.但預(yù)混火焰的穩(wěn)定性較差，對流場參數(shù)變化、化學(xué)當(dāng)量比的波動和外加干擾十分敏感.火焰不穩(wěn)定就會產(chǎn)生聲音的振蕩[1]，在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的聲音會受到邊界的反射，進(jìn)而與燃燒過程中的火焰相互作用，產(chǎn)生燃燒熱聲耦合振蕩[2].Cohen等[3]對貧燃預(yù)混燃燒室進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)化學(xué)當(dāng)量比接近貧燃極限時，在燃燒室軸向上流體漩渦會發(fā)生周期性脫落，當(dāng)渦脫落頻率與聲波振型同向時，渦和聲學(xué)振蕩之間交換能量，會加劇燃燒的不穩(wěn)定性.Lieuwen[4]通過建立簡單的直管道火焰模型，描述了聲波、渦旋和熵波與燃燒過程間的火焰相互作用以及聲波和火焰之間的相互影響.韓飛等[5]給出了引起熱聲振蕩的非線性效應(yīng)因素.徐艷英等[6]研究了燃燒室內(nèi)的壓力振蕩特性，分析了尾管結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱負(fù)荷和過量空氣系數(shù)對燃燒室內(nèi)壓力振幅的影響.Schneider等[7]發(fā)現(xiàn)燃燒振蕩與燃燒室的聲學(xué)模態(tài)有關(guān)，其模態(tài)不僅影響燃燒噪聲，也會調(diào)制燃燒速度.

雖然針對聲音信號在振蕩燃燒火焰中的作用有較多研究，但均集中在氣體預(yù)混燃燒火焰方面，關(guān)于聲音信號在貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)振蕩火焰中的作用研究較少.為此，筆者設(shè)計(jì)并搭建了貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒試驗(yàn)臺，并進(jìn)行了振蕩燃燒試驗(yàn)，分析了在振蕩狀態(tài)和過渡狀態(tài)(點(diǎn)火工況、穩(wěn)定到振蕩燃燒工況、振蕩到穩(wěn)定燃燒工況和熄火工況)下燃燒室聲音信號的特征，并探討了燃燒裝置的聲學(xué)模態(tài)，總結(jié)出貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)振蕩燃燒的聲場特征.

1 試驗(yàn)設(shè)備及測量系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)件

貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)振蕩燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括燃料供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)和燃燒試驗(yàn)臺.空氣供應(yīng)系統(tǒng)中壓縮空氣由空氣壓縮機(jī)供出后，經(jīng)過減壓閥減壓至0.3 MPa，再經(jīng)歐司朗電加熱器加熱至500 K后供向燃燒試驗(yàn)臺.由圖1可以看出，旋流器的葉片旋流角為55°，整個預(yù)混預(yù)蒸發(fā)段長度為265 mm，噴嘴為Spring公司的LN 1.0噴嘴，采用供油泵對主噴嘴進(jìn)行供油.預(yù)熱空氣與燃料混合后通過整流格柵，再經(jīng)過旋流器進(jìn)入燃燒室，并點(diǎn)火燃燒.

圖1 貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)振蕩燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)圖

1.2 測量系統(tǒng)

采用2個PCB公司生產(chǎn)的麥克風(fēng)傳感器對預(yù)混室和燃燒室內(nèi)的聲音信號進(jìn)行采集.預(yù)混室的聲音測點(diǎn)為預(yù)混預(yù)蒸發(fā)末端上游165 mm處；在燃燒室的上游距離端部50 mm處設(shè)置一個麥克風(fēng)傳感器和一個Kulite動態(tài)壓力傳感器.

1.3 試驗(yàn)工況及分析方法

測試的燃燒室特征頻率小于500 Hz，采樣率設(shè)為2 500 Sa/s.燃燒室振蕩信號的分析方法主要有2種，即功率譜分析和短時傅里葉變換(STFT).在穩(wěn)定燃燒工況下，燃燒室的信號為平穩(wěn)信號，可采用功率譜分析方法研究信號的特征頻率.在過渡狀態(tài)下燃燒室的信號為非平穩(wěn)信號，需把時域分析與頻域分析結(jié)合起來，STFT可實(shí)現(xiàn)這一要求.STFT給非平穩(wěn)信號p′(t)施加一個滑動窗函數(shù)w(t-τ)，隨著移位因子τ的改變，滑動窗函數(shù)可連續(xù)截取信號，再對每小段信號作傅里葉變換，從而可得到信號的聯(lián)合時頻分布：

(1)

式中：τ為移位因子；f為頻率；t為時間；e為自然對數(shù)的底;j為虛數(shù)符號.

滑動窗的寬度越小，時域分辨率越好，局部平穩(wěn)性的假設(shè)也越成立.

分別以入口空氣流速不變和燃油質(zhì)量流量不變?yōu)榍疤嵩O(shè)計(jì)了8個工況，具體參數(shù)如表1所示.工況1～工況4中保持入口空氣流速為31 m/s，燃油質(zhì)量流量由5.3 kg/h增加至6.5 kg/h.工況5～工況8中保持燃油質(zhì)量流量為5.7 kg/h，入口空氣流速由25 m/s增大至43 m/s.

表1 試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)壓力脈動的幅值超過5%時，認(rèn)為發(fā)生燃燒振蕩[8]，因此可以通過壓力信號的脈動分析來判斷工況的燃燒狀態(tài)，結(jié)果如表2所示.從燃燒室壓力信號的幅值可以看出，工況1～工況6為振蕩燃燒工況，工況7存在主頻，且壓力幅值僅略低5%，因此可認(rèn)為工況7為振蕩燃燒工況，工況8為穩(wěn)定燃燒工況.

2.1 預(yù)混室與燃燒室的聲音信號

由表2可以看出，預(yù)混室和燃燒室的聲音信號主頻一致.為研究預(yù)混室與燃燒室的聲音信號特性，選擇工況1進(jìn)行分析，試驗(yàn)中燃燒室和預(yù)混室的聲壓波動和功率譜如圖2和圖3所示.由圖2和圖3可以看出，燃燒室和預(yù)混室聲場的相位是一致的；在特征頻率附近燃燒室和預(yù)混室的聲場頻譜幾乎重疊，說明預(yù)混室內(nèi)的聲場特征對燃燒室內(nèi)的聲場波動有直接影響，燃燒室內(nèi)的聲場波動也對預(yù)混室內(nèi)的聲場波動產(chǎn)生反作用，二者相互耦合，聲場趨于同頻同相；在高頻聲場區(qū)域(大于1 000 Hz)，燃燒室和預(yù)混室的功率譜具有較大差異，說明在此區(qū)域內(nèi)二者之間不存在相互耦合關(guān)系；在特征頻率點(diǎn)上，預(yù)混室的聲壓功率密度小于燃燒室的聲壓功率密度，這是因?yàn)榛鹧鏌後尫诺拿}動與燃燒室的聲場振動之間產(chǎn)生相互耦合作用，從而導(dǎo)致燃燒室內(nèi)的聲壓振蕩相應(yīng)加強(qiáng).

表2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2 工況1的聲壓時域

圖3 工況1的聲壓功率譜

2.2 振蕩燃燒工況的聲音信號分析

在相同入口空氣流速(31 m/s)下燃油質(zhì)量流量對燃燒振蕩的影響如圖4所示.在相同燃油質(zhì)量流量(5.7 kg/h)下入口空氣流速對燃燒振蕩的影響如圖5所示，由于工況8為穩(wěn)定燃燒工況，因此不分析其結(jié)果.

由圖4可以看出，在相同入口空氣流速(31 m/s)下，隨著燃油質(zhì)量流量的增加，燃燒室的振蕩主頻逐漸增強(qiáng)，聲音信號幅值先增大，在工況3時達(dá)到最大值，再逐漸下降.由圖5可知，在相同燃油質(zhì)量流量(5.7 kg/h)下，燃燒室的振蕩主頻不隨化學(xué)當(dāng)量比的變化而改變，隨著入口空氣流速的增大,聲音信號幅值先增大，在工況6時達(dá)到最大值，再逐漸下降.這說明燃燒室的主頻僅與燃油質(zhì)量流量有關(guān)，與入口空氣流速相關(guān)性不大，因?yàn)槿加唾|(zhì)量流量影響燃燒室的熱釋放，而熱釋放與燃燒室內(nèi)聲壓振動發(fā)生激振時，就會形成熱聲耦合振蕩，進(jìn)而影響燃燒室的振蕩主頻.

(a) 振蕩主頻隨燃油質(zhì)量流量的變化

(b) 聲音信號幅值隨燃油質(zhì)量流量的變化

(a) 振蕩主頻隨入口空氣流速的變化

(b) 聲音信號幅值隨入口空氣流速的變化

2.3 過渡狀態(tài)的聲音信號分析

為研究過渡狀態(tài)下聲音信號在燃燒振蕩中的應(yīng)用，共設(shè)計(jì)了4種過渡狀態(tài)，依次為點(diǎn)火工況、穩(wěn)定到振蕩燃燒工況、振蕩到穩(wěn)定燃燒工況和熄火工況.圖6為燃燒室的點(diǎn)火過程，圖6(a)為燃料的時間歷程曲線，圖6(b)為燃燒室聲音信號的STFT云圖.由圖6(a)可以看出，保持入口空氣質(zhì)量流量不變，在0.8 s時打開燃油路閥，進(jìn)行點(diǎn)火.由圖6(b)可知，0.8 s后燃燒室點(diǎn)火成功，因此燃燒室的聲壓脈動能量明顯增加，但聲壓脈動壓力強(qiáng)度較小，為穩(wěn)定燃燒，未進(jìn)入振蕩燃燒工況.

(a) 點(diǎn)火工況的穩(wěn)態(tài)參數(shù)時間曲線

(b) 燃燒室的動態(tài)聲壓STFT云圖

由圖7(a)可知，保持入口空氣質(zhì)量流量不變，6 s開始增加燃料路的燃油質(zhì)量流量，在9 s左右從穩(wěn)定燃燒工況進(jìn)入振蕩燃燒工況.由圖7(b)可知，燃油質(zhì)量流量開始增加時，135 Hz附近的主頻能量開始增強(qiáng)，并且出現(xiàn)倍頻和3倍頻.在燃料進(jìn)入振蕩燃燒工況后，主頻、倍頻和3倍頻穩(wěn)定存在，進(jìn)入振蕩燃燒階段.

由圖8(a)可以看出，保持燃油質(zhì)量流量不變，從30 s開始增加入口空氣質(zhì)量流量，在40 s左右燃燒從振蕩燃燒工況進(jìn)入穩(wěn)定燃燒工況.由圖8(b)可知，當(dāng)入口空氣質(zhì)量流量增加時，135 Hz附近的主頻能量逐漸減弱，而倍頻的衰減更明顯，40 s后主頻與倍頻消失，燃燒進(jìn)入穩(wěn)定燃燒工況.

(a) 穩(wěn)定到振蕩燃燒工況的穩(wěn)態(tài)參數(shù)時間曲線

(b) 燃燒室的動態(tài)聲壓STFT圖

(a) 振蕩到穩(wěn)定燃燒工況的穩(wěn)態(tài)參數(shù)時間曲線

(b) 燃燒室的動態(tài)聲壓STFT圖

由圖9(a)可知，2.2 s后關(guān)閉燃料路的閥門，同時保持入口空氣質(zhì)量流量不變，燃燒進(jìn)入熄火階段.由圖9(b)可以看出，進(jìn)入熄火階段后，聲壓的能量在400 Hz附近先衰減，并逐步向低頻區(qū)發(fā)展，并在2.5 s后進(jìn)入徹底熄火狀態(tài).

(a) 熄火工況的穩(wěn)態(tài)參數(shù)時間曲線

(b) 燃燒室的動態(tài)聲壓STFT圖

從上述結(jié)果可以看出，聲音信號能很好地反映燃燒的變化過程，也可用來分析和預(yù)測貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒振蕩的趨勢.

3 試驗(yàn)裝置的聲學(xué)模態(tài)分析

模態(tài)是指物體結(jié)構(gòu)的固有振動特性，模態(tài)分析[9]可用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的振動特性，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù).在燃燒反應(yīng)過程中，燃燒室內(nèi)的漩渦形成、脫落和破碎過程與燃燒室聲學(xué)模態(tài)具有相互耦合作用，會激發(fā)特定頻率和振型的壓力振蕩，從而引發(fā)自激振蕩燃燒，因此模態(tài)分析也是振蕩燃燒分析中常用的手段.

為更好地了解試驗(yàn)臺架本身結(jié)構(gòu)對燃燒的影響，采用Ansys Apdl軟件分析了試驗(yàn)裝置固有的聲學(xué)模態(tài).整個試驗(yàn)裝置分為3個區(qū)域，計(jì)算入口為上游堵塞的縮孔板，排氣端為開口邊界條件，具體部件尺寸見圖10.

3個區(qū)域的物性參數(shù)如表3所示.因燃燒室中激勵的振蕩燃燒為低頻振蕩燃燒，故重點(diǎn)分析了試驗(yàn)裝置的軸向聲學(xué)模態(tài)，并得到了前4階軸向聲學(xué)模態(tài)，如表4所示.計(jì)算得到燃燒室的第2階固有軸向模態(tài)頻率為139 Hz，這與試驗(yàn)時動態(tài)壓力傳感器測得的135～145 Hz振蕩主頻基本吻合.因此，可認(rèn)為燃燒室激發(fā)的振蕩燃燒屬于2階軸向振蕩模態(tài).

圖10 貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒試驗(yàn)裝置的聲學(xué)模態(tài)分析示意圖

Fig.10 Schematic diagram for acoustic analysis of the experimental LPP combustor

表3燃燒裝置聲學(xué)模態(tài)分析物性參數(shù)

Tab.3PhysicalparametersforacousticanalysisoftheLPPcombustor

參數(shù)區(qū)域(1)區(qū)域(2)區(qū)域(3)溫度/K5001200700壓力/Pa1.1×1051.1×1051.1×105密度/(kg·m-3)0.7060.2940.504聲速/(m·s-1)449695531

表4 燃燒試驗(yàn)裝置的聲學(xué)模態(tài)分析

4 結(jié) 論

(1) 在振蕩燃燒工況下，燃燒室與預(yù)混室的聲音信號振蕩主頻一致，二者的相位也一致，即二者為同頻同相的信號，存在耦合關(guān)系.在特征頻率點(diǎn)上，預(yù)混室的聲壓功率密度小于燃燒室的聲壓功率密度.因此在振蕩燃燒工況下，可利用預(yù)混室的聲音信號來反映燃燒室的聲音特征.

(2) 在相同入口空氣流速下，燃燒室的主頻隨燃油質(zhì)量流量的增加而增強(qiáng)，聲音信號的幅值隨燃油質(zhì)量流量的增加而增大，但達(dá)到最大值后開始減弱；在相同燃油質(zhì)量流量下，燃燒室的主頻不隨入口空氣流速的變化而改變，聲音信號的幅值隨入口空氣流速的增加而增強(qiáng)，但達(dá)到最大值后開始減弱.

(3) 在點(diǎn)火工況下，點(diǎn)火后聲音信號的脈動能量明顯增強(qiáng)；在燃燒從穩(wěn)定到振蕩的過程中，隨著工況的變化，聲音信號的主頻能量逐漸增強(qiáng)，且在達(dá)到振蕩燃燒工況后出現(xiàn)倍頻和3倍頻；在燃燒從振蕩到穩(wěn)定的過程中，聲音信號的倍頻開始衰減，然后主頻能量也衰減，最后進(jìn)入穩(wěn)定燃燒工況，主頻與倍頻消失；在熄火工況下，隨著燃料路閥的關(guān)閉，聲音信號的脈動能量從400 Hz開始衰減，并逐步向低頻區(qū)發(fā)展.

(4) 通過對燃燒裝置聲學(xué)模態(tài)的分析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中測得的聲音信號主頻為2階軸向振蕩模態(tài).

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