杜 軍，文 璧

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽(yáng) 621000)

1 引言

燃燒不穩(wěn)定是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中一種比較常見(jiàn)的現(xiàn)象，大多數(shù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室在慢車(chē)及慢車(chē)以下?tīng)顟B(tài)運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，特別是低排放燃燒室。燃燒不穩(wěn)定發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生大幅度的壓力波動(dòng)和速度振蕩，進(jìn)而造成推力振蕩、燃燒室壁面熱應(yīng)力增加、熄火和回火現(xiàn)象等，直接影響燃燒室的燃燒效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)發(fā)生變化。燃燒室長(zhǎng)期工作在燃燒不穩(wěn)定狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷，造成結(jié)構(gòu)破壞。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)正朝著低污染、低排放的方向發(fā)展，燃燒不穩(wěn)定性已成為該領(lǐng)域的一個(gè)重要研究熱點(diǎn)。

國(guó)外很早就開(kāi)始了燃燒不穩(wěn)定性研究，其主要內(nèi)容包括基礎(chǔ)理論、影響因素、不穩(wěn)定診斷方法、不穩(wěn)定控制方法等。Rayleigh[1]研究了燃燒不穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)機(jī)制(即瑞利準(zhǔn)則)，認(rèn)為熱釋放波動(dòng)與聲學(xué)壓力波動(dòng)的相位滿足一定關(guān)系時(shí)，不穩(wěn)定燃燒振蕩將會(huì)被放大。Lieuwen等[2]通過(guò)對(duì)預(yù)混燃燒室燃燒不穩(wěn)定機(jī)制的研究，獲得了當(dāng)量比波動(dòng)對(duì)燃燒不穩(wěn)定的影響特性。Nair等[3]研究了燃燒不穩(wěn)定性的先兆及預(yù)警方法，總結(jié)了三種判斷燃燒不穩(wěn)定的方法，為燃燒不穩(wěn)定性診斷提供了參考。Lang等[4]運(yùn)用外部聲激勵(lì)方法對(duì)燃燒不穩(wěn)定性進(jìn)行主動(dòng)控制，獲得了可以應(yīng)用于燃燒不穩(wěn)定性控制的方法。此外，美國(guó)很多年前就在其飛機(jī)推進(jìn)研究計(jì)劃中開(kāi)始了對(duì)先進(jìn)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象的研究，并將研究結(jié)果引入到航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)之中。國(guó)內(nèi)在燃燒室燃燒不穩(wěn)定性方面也做了些研究工作。如Han等[5-6]研究了擴(kuò)壓器對(duì)燃燒不穩(wěn)定的影響，結(jié)果表明燃燒不穩(wěn)定在有擴(kuò)壓器時(shí)沒(méi)有明顯的振蕩，而沒(méi)有擴(kuò)壓器時(shí)會(huì)有強(qiáng)烈的振蕩；對(duì)高溫高壓環(huán)境下的LPP燃燒室進(jìn)行了燃燒不穩(wěn)定試驗(yàn)研究，獲得了燃燒不穩(wěn)定發(fā)生時(shí)的特征頻率現(xiàn)象，并對(duì)產(chǎn)生特征頻率的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析。但國(guó)內(nèi)研究多停留在基礎(chǔ)研究上，工程應(yīng)用研究較少。

大量研究[7-11]表明，燃燒不穩(wěn)定的主要特征是燃燒室某階聲模態(tài)下的大幅度波動(dòng)現(xiàn)象，主要包括縱向模態(tài)、橫向模態(tài)(徑向、角度模態(tài))。本文對(duì)某型燃燒室進(jìn)行了燃燒不穩(wěn)定狀態(tài)下的聲學(xué)測(cè)試，并運(yùn)用特征頻率信號(hào)加強(qiáng)的奇異值分解方法對(duì)特征信號(hào)進(jìn)行提取，獲得了該型燃燒室不穩(wěn)定燃燒時(shí)的聲波傳播特性。

2 測(cè)試方案

燃燒不穩(wěn)定性試驗(yàn)在高溫高壓燃燒室試驗(yàn)器上進(jìn)行。試驗(yàn)件為單級(jí)旋流多點(diǎn)噴射單頭部燃燒室，其具體結(jié)構(gòu)及聲學(xué)測(cè)試截面見(jiàn)圖1，測(cè)試截面坐標(biāo)見(jiàn)圖2。其中，Ⅰ～Ⅳ截面均在水平方向布置單測(cè)點(diǎn)，Ⅴ截面周向均布10個(gè)測(cè)點(diǎn)，以此獲得聲波的縱向和周向傳播情況。聲學(xué)測(cè)試采用聲壓測(cè)量方式。由于燃燒室的高溫、高壓環(huán)境，聲壓傳感器受限于使用溫度而無(wú)法直接安裝在燃燒室上進(jìn)行聲壓測(cè)量，因此采用了一種間接測(cè)量方法，即通過(guò)水冷聲波導(dǎo)管將燃燒室內(nèi)部聲學(xué)壓力傳遞到外部室溫條件下的聲壓傳感器中進(jìn)行測(cè)量。聲波導(dǎo)管的存在改變了測(cè)試系統(tǒng)的聲學(xué)動(dòng)態(tài)特性，使得測(cè)點(diǎn)處的聲壓與實(shí)際采集到的聲壓有差異(主要是幅值及相位差異)，需要對(duì)聲波導(dǎo)管進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定，獲得其動(dòng)態(tài)特性，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正。聲波導(dǎo)管安裝方式見(jiàn)圖3，其動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖1 燃燒室結(jié)構(gòu)及聲學(xué)測(cè)試截面Fig.1 The combustor structure and acoustic test sections

圖2 測(cè)試截面坐標(biāo)Fig.2 The coordinates of test sections

圖3 聲波導(dǎo)管安裝方式Fig.3 The installation mode of acoustic waveguide

圖4 聲波導(dǎo)管動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定結(jié)果Fig.4 The dynamic characteristics of acoustic waveguide

3 燃燒不穩(wěn)定特征分析

3.1 信號(hào)頻譜分析

對(duì)各測(cè)點(diǎn)采集到的聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)了明顯的離散單音特征頻率伴隨高階倍頻的現(xiàn)象。由于各測(cè)點(diǎn)的頻譜結(jié)構(gòu)一致，因此只選取單一測(cè)點(diǎn)的頻譜作為代表。圖5為Ⅱ截面聲壓測(cè)點(diǎn)頻譜，可看出該頻譜存在270 Hz的特征頻率及倍頻。因此，可認(rèn)為270 Hz聲學(xué)特征頻率是由燃燒不穩(wěn)定產(chǎn)生的。為研究燃燒不穩(wěn)定時(shí)的聲波傳播情況，需要對(duì)其聲學(xué)特征信號(hào)進(jìn)行分析。

圖5 Ⅱ截面測(cè)點(diǎn)頻譜Fig.5 The spectrum of the Ⅱsection measuring point

3.2 特征信號(hào)提取

從測(cè)試信號(hào)中提取特征信號(hào)之前，先應(yīng)用圖4中的聲波導(dǎo)管動(dòng)態(tài)特性對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正還原處理，得到測(cè)點(diǎn)處的真實(shí)聲壓數(shù)據(jù)，然后再應(yīng)用特征頻率信號(hào)加強(qiáng)的奇異值分解方法提取特征信號(hào)。該方法能有效地保留特征信號(hào)的幅值及相位特性，主要思路(圖6)為：在原始信號(hào)X(i)中加入一個(gè)與待提取特征頻率f(i)一致的強(qiáng)信號(hào)Y(i)形成重組信號(hào)C(i)，然后應(yīng)用奇異值分解方法獲得特征分量信號(hào)T(i)，最后從特征分量信號(hào)中減去強(qiáng)信號(hào)Y(i)得到提取的特征信號(hào)W(i)。圖7、圖8分別為Ⅱ截面測(cè)點(diǎn)提取的270 Hz特征信號(hào)與修正還原后信號(hào)的時(shí)域及頻域?qū)Ρ冉Y(jié)果。從圖中可看出，提取的270 Hz特征信號(hào)與修正還原后的信號(hào)吻合度很好，很好地保留了信號(hào)的相位特性，且提取后的270 Hz特征信號(hào)幾乎沒(méi)有改變幅值，很好地保留了信號(hào)的幅值特性。

圖6 特征頻率信號(hào)加強(qiáng)的奇異值分解方法Fig.6 The SVD method based on characteristic frequency signals enhancement

圖7 提取特征信號(hào)與修正后信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ菷ig.7 The time domain comparison of characteristic signals extracted and corrected

圖8 提取特征信號(hào)與修正后信號(hào)的頻域?qū)Ρ菷ig.8 The frequency domain comparison of characteristic signals extracted and corrected

3.3 聲波傳播分析

通過(guò)上述特征信號(hào)提取方法獲得各個(gè)測(cè)點(diǎn)的特征信號(hào)，并進(jìn)行二維聲波波形繪制。周向聲波時(shí)序圖可以反映燃燒不穩(wěn)定時(shí)聲波在周向上的傳播情況，而縱向聲波時(shí)序圖可以反映燃燒不穩(wěn)定時(shí)聲波在軸向上的傳播情況。圖9、圖10分別為周向及縱向聲波時(shí)序圖，其中縱坐標(biāo)代表測(cè)點(diǎn)位置，不同顏色代表聲壓大小(暖色代表波峰，冷色代表波谷)。

圖9 周向聲波時(shí)序圖Fig.9 The sequence diagram of circumferential acoustic waves

圖10 縱向聲波時(shí)序圖Fig.10 The sequence diagram of longitudinal acoustic waves

從圖9可看出，波峰與波谷平行，且同一時(shí)間到達(dá)各個(gè)測(cè)點(diǎn)，不存在相位差，表明該型燃燒室燃燒不穩(wěn)定時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)周向模態(tài)。從圖10可看出，波峰與波谷在時(shí)間軸上呈現(xiàn)出弧形，且波峰及波谷最早出現(xiàn)位置在軸向位置300～350 mm之間。該位置對(duì)應(yīng)于燃燒室火焰筒內(nèi)的火焰區(qū)域，即火焰區(qū)域是聲源起始位置。由于Ⅰ截面位置(軸向位置0 mm處)距聲源位置相對(duì)于其他測(cè)點(diǎn)更遠(yuǎn)，因此該位置衰減較多，表現(xiàn)為聲壓較小。根據(jù)以上分析可得到，燃燒不穩(wěn)定發(fā)生時(shí)的聲波傳播為縱向傳播，且整個(gè)波形呈弧形，同一時(shí)間截面上只有一個(gè)波峰和波谷，證明為一階模態(tài)，即燃燒不穩(wěn)定發(fā)生時(shí)的聲模態(tài)為一階縱向模態(tài)。

4 結(jié)論

應(yīng)用基于特征頻率信號(hào)加強(qiáng)的奇異值分解方法，對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒不穩(wěn)定時(shí)的聲學(xué)特征進(jìn)行了分析，得到以下主要結(jié)論：

(1) 應(yīng)用聲波導(dǎo)管間接測(cè)量燃燒室聲學(xué)信號(hào)，需要對(duì)聲波導(dǎo)管進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定以修正還原測(cè)試數(shù)據(jù)。

(2) 基于特征信號(hào)加強(qiáng)的奇異值分解方法能很好地保留特征信號(hào)的幅值及相位特征，可應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒不穩(wěn)定測(cè)試信號(hào)的提取。

(3) 該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒不穩(wěn)定時(shí)產(chǎn)生的明顯聲學(xué)特征信號(hào)，主要為離散單音特征頻率伴隨著高階倍頻。燃燒不穩(wěn)定發(fā)生時(shí)的聲源位置位于火焰筒內(nèi)的火焰區(qū)域，聲波傳播為縱向傳播，聲模態(tài)為一階縱向模態(tài)。