一种基于气动扰动的可控外激励产生装置

1.本发明涉及航空燃烧室不稳定燃烧测量领域，尤其涉及一种基于气动扰动的可控外激励产生装置。


背景技术：

2.不稳定燃烧现象是目前低污染民用发动机燃烧室和先进军用发动机加力、冲压燃烧室设计中遇到的重要难点。当燃烧系统发生不稳定燃烧时，系统内火焰的非定常热释放与声波相互耦合，由油气比脉动、湍流流场脉动等非定常过程引起的微弱压力扰动都可能导致压力振荡振幅持续增加，直至达到极限环状态。此时，燃烧室偏离设计工况，导致效率下降。在极端情况下，剧烈的压力脉动还会破坏燃烧室结构，导致燃烧室出现回火、熄火、爆炸等事故，给设备的效率和安全性带来严重挑战。
3.为避免不稳定燃烧现象的出现，在设计阶段对燃烧室典型工况下的燃烧稳定性进行测试就显得格外重要。在航空燃烧室燃烧稳定性测试中，常需要研究火焰在不同扰动状态下的燃烧响应情况，以优化燃烧室结构，提高燃烧稳定性，这就要求一种可控的扰动激励方案。目前，对于实验室级别的燃烧室，主流激励方案多采用扬声器添加激励。扬声器主要是通过电磁铁带动纸盆振动产生激励，通过控制扬声器的功率和频率输出不同强度和频率的气流扰动。然而对于工程级别的实际航空发动机燃烧室，其典型设计工况为高温高压条件，在燃烧室内高压气体的作用下，纸盆的振动受到极大抑制，造成扬声器实际的激励范围有限，大大限制了可控扰动的测试范围，因此这种声学激励方案难以满足工程实际中的测试需要。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，以拓展燃烧室燃烧稳定性测试试验中可控外激励源的施加方法，为航空发动机热声稳定性能优化提供依据和手段，本发明提供了一种基于气动扰动的可控外激励产生装置，可以运用于高温高压运行状态下的真实航空发动机燃烧室测试试验。
5.本发明的一种基于气动扰动的可控外激励产生装置，包括激励主体，以及用于设置在激励主体上的扰流靶；所述激励主体包括进气管道、扰流靶安装配板、以及多个扰流靶安装孔；扰流靶安装孔沿沿流向中心线设置；
6.扰流靶安装配板设置在进气管道的侧面，扰流靶安装配板及进气管道的相应位置上开设扰流靶安装孔，扰流靶通过扰流靶安装孔、及扰流靶安装配板设置在进气管道上；用于调节燃烧室进口扰动振幅，扰流靶对进气管道内的气体进行扰动，产生具有明显主频和一定幅值扰动的气流,扰流靶越靠近进气管道的出口，所激发的扰动振幅越大。
7.当扰流靶安装孔中没有设置扰流靶时，扰流靶安装孔中设置堵头。
8.当用于激励的气流刚开始进入本发明的激励发生装置时，可近似视为定常来流，气流经过扰流靶靶面后，靶面两侧将会周期性地脱落出旋向相反、排列规则的双列线涡。在
re＝200～15000的范围内，涡脱落频率与来流速度成正比，因此可通过调节来流流速控制激励频率。旋涡随流运动过程中，能量将逐步耗散，因此扰流靶越靠近上游，激励装置出口提供的激励振幅越小，使用时可根据需要调整扰流靶位置，以实现对激励振幅的控制。
9.进一步的，所述扰流靶包括堵头、连接段和可替换的靶面；
10.堵头通过连接段连接靶面，靶面与连接段通过螺栓连接；
11.扰流靶通过安装孔、及扰流靶安装配板设置在气管道时，靶面位于进气管道内，堵头位于扰流靶安装孔中。
12.使用时可根据需要更换不同大小的靶面。同时，也可通过旋转扰流靶改变靶面和来流间的角度，进而调节扰流靶的阻塞比，以实现激励强度的连续变化
13.进一步的，还包括引压管；引压管末端安装麦克风，用于结合双麦克风测量激励扰动幅值和频率；所述引压管垂直设置在进气管道的侧面，靠近进气管道出口，且与进气管道连通。
14.进一步的，扰流靶的位置可调。扰流靶位于的扰流靶安装孔越靠近进气管道出口，所激发的扰动振幅越大。
15.进一步的，动态压力通过引压管从系统中引出后，通过麦克风获取声压信号，最后利用双麦克风法计算激励特性。
16.双麦克风测点位置附近的声压表示为上下行声波的叠加：
[0017][0018]
式中，k＝ω/c0为波数，为压力脉动幅值，分别为上下行声波幅值。根据动量方程得到速度脉动的表达式为：
[0019][0020]
ρ0、x0分别为来流密度和声速。将压力脉动以复数的形式表示为:
[0021][0022]
将(3)代入(1)中，得到方程组：
[0023][0024]aa
、ba、ab、bb可通过对动态压力信号进行fft获取，将(4)式两边分别除以e
iωt
，写成矩阵形式：
[0025][0026]
两边同时乘以逆矩阵可获得上下行声波的波幅，再从以下方程获得双麦克风测点位置的压力脉动和速度脉动的表达式：
[0027][0028][0029]
通过上式即可获得速度脉动的频谱分布情况，进而得到激励幅值和频率。
[0030]
有益效果：
[0031]
(1)本发明公开的一种基于气动扰动的可控外激励产生装置，不仅可作为常温常压下实验室级别燃烧室燃烧稳定性实验的激励源，还尤其适用于高温高压下的工程级别航空发动机燃烧室燃烧稳定性测试试验，满足测试过程中对激励源的要求。
[0032]
(2)传统的声激励方式在使用过程中涉及电能向机械能的转化，在转换过程中存在能量损失，而本发明公开的一种基于气动扰动的可控外激励产生装置在使用过程中无需额外的能量加入，也无需考虑复杂的线路控制系统，降低了实验成本，能够一定程度上节省实验开支。
[0033]
(3)本发明公开的一种基于气动扰动的可控外激励产生装置，设计较为简单，成本低。相较于传统扬声器激励方案，本发明中没有易受破坏的纸盆结构和易老化的电路线路，在使用过程中几乎不存在损耗问题，因此理论上使用寿命更长。
附图说明
[0034]
图1是本发明激励装置主体结构的正视剖面图。
[0035]
图2是激励装置主体结构左视图。
[0036]
图3是扰流靶结构的三维正视图。
[0037]
图4是激励装置装配示意图。
[0038]
其中，1—引压管、2—激励主体、3—扰流靶、4—法兰连接孔、5—法兰盘、6—扰流靶安装配板、7—扰流靶安装孔、8—进气管道、301—堵头、302—螺栓、303—靶面、304—连接段。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图来进一步阐明本发明。
[0040]
本发明的核心思想在于基于气动扰动实现可控外激励。本发明的一种基于气动扰动的可控外激励产生装置，如图1所示，为本发明激励主体结构的正视剖面图，包括激励主体2，以及用于设置在激励主体2上的扰流靶3；所述激励主体2包括进气管道8、扰流靶安装配板6、以及多个扰流靶安装孔7；扰流靶安装孔7沿沿流向中心线设置；
[0041]
扰流靶安装配板6设置在进气管道8的侧面，扰流靶安装配板6及进气管道8的相应位置上开设扰流靶安装孔7，扰流靶3通过扰流靶安装孔7、及扰流靶安装配板6设置在进气管道8上；用于调节燃烧室进口扰动振幅，扰流靶3越靠近进气管道8的出口，所激发的扰动振幅越大。
[0042]
当扰流靶安装孔7中没有设置扰流靶3时，扰流靶安装孔7中设置堵头301。
[0043]
进气管道8通入的气流经过扰流靶作用后，产生具有明显主频和一定幅值的扰动，带扰动的气流通过出口汇入主流，向燃烧室添加激励。
[0044]
所述扰流靶3包括堵头301、连接段304和可替换的靶面303；堵头301通过连接段304连接靶面303，连接段304与靶面303之间通过螺栓302连接；扰流靶3通过安装孔、及扰流靶安装配板6设置在气管道时，靶面303位于进气管道8内，堵头301位于扰流靶安装孔7中。
[0045]
本发明装置还包括引压管1；所述引压管1垂直设置在进气管道8的侧面，靠近进气管道8出口，且与进气管道8连通。引压管1主要用于将系统内压力引出，便于通过双麦克风法测量其激励特性。
[0046]
本发明的激励装置主体采用304不锈钢制作，若来流温度较高可考虑铜和合金等材料，流道面积可根据实验工况设计，本实例中进气管道8流通截面为50mm*50mm正方形截面，流道总长度为270mm，壁厚2mm。
[0047]
进气管道8的出口端通过法兰与燃烧室上游需要添加激励的位置相连。法兰盘5上开设有法兰连接孔4；
[0048]
激励装置进口端通过法兰连接上游气源，若上游气源为离心式风机等具有周期性扰动的气源，可在上游增设整流装置以稳定气源，降低实验不确定度，如蜂窝状整流格栅等。
[0049]
本实例中法兰盘5厚5mm，采用4根螺栓进行连接，螺母侧安装垫片。考虑到实际使用过程中需要通过旋转调节扰流靶3阻塞比，因此在扰流靶3安装位置采用底板进行了局部加厚，以满足螺纹孔的工艺要求。扰流靶安装孔7采用螺纹孔的形式安装扰流靶3，轴向上可设置多个扰流靶安装孔7以满足不同激励强度需求，本实例中，螺纹采用m20*1.5细牙螺纹，并设置了4个扰流靶安装孔7，相邻安装孔圆心距为30mm。
[0050]
图2为激励装置主体结构左视图，本发明装置的进口端与出口端通过法兰盘5分别连接气源和燃烧室进气管路。
[0051]
图3为扰流靶结构的三维正视图，连接段304通过长方体不锈钢块和标准堵头301焊接而成，焊接时焊缝应应尽量小，以免对气流造成影响，增加实验不确定度。靶面303设计为可替换，可通过改变靶面303大小调整扰流靶阻塞比。靶面303的材料可选择铜或者各类合金，本实例中，由于试验工况中来流速度不大，温度也不高，出于成本考虑，采用304不锈钢加工。
[0052]
图4为激励装置装配示意图，本实例只展示了其中一种模式，将扰流靶3安装于第二个安装点，其余安装点安装了堵头301。在实际使用过程中，扰流靶3可根据实际需要安装于四个安装点的任何位置，并可通过转动改变对来流的阻塞比。