一种环形燃烧室振荡抑制试验装置

1.本发明涉及环形燃烧室技术领域，具体涉及一种环形燃烧室振荡抑制试验装置。


背景技术：

2.燃气轮机和航空发动机均由三大核心部件组成：压气机、燃烧室和涡轮，其中，燃料在燃烧室中发生化学反应，形成高温高压气体，在燃烧的过程中，将产生氮氧化物、一氧化碳等污染物。随着全球气候变化问题日益严峻，世界各国对污染物的排放要求愈加严格，其中，污染物排放指标，特别是氮氧化物的排放指标，成为燃烧室设计中的关键考核内容之一。一般通过增强反应物的混合过程和降低这些反应物在热火焰区的停留时间来降低氮氧化物的形成。目前现代燃烧室主要应用干式低排放（dln或dle）技术控制燃烧的最高火焰温度，进而降低氮氧化物的排放。然而，该干式低排放技术有一个显著的不稳定性问题，即热声振荡问题，表现为火焰筒内压力波动振荡不稳定，当振荡幅值超过一定范围后，将对燃烧室部件造成严重损坏。
3.抑制热声振荡的方法主要有主动控制和被动控制两种。主动控制是指在燃机运行过程中通过动态调整燃烧控制参数，如燃料流量、空气流量等抑制热声振荡；被动控制是指通过改变燃烧室结构，如在燃料管路或火焰筒上布置谐振器，如亥姆霍兹谐振腔、四分之一波长管等改变燃烧室热声特性以抑制振荡。
4.亥姆霍兹谐振腔是一种常见的消声结构，其原理是通过其喉部与谐振腔内空气的运动，消除外部主流道中某一频率的声波振动，亥姆霍兹共振腔的几何结构决定了所消除的声波振动的频率。当发生热声振荡时，燃烧室内某个声波频率的幅值会显著增加，此时通过亥姆霍兹共振腔抑制该频率的幅值即可实现减弱热声振荡的现象。
5.环形燃烧室由于其结构特性，运行时存在的压力波动主要以周向振荡为主，为了抑制环形燃烧室的热声振荡，可以在环形燃烧室上设置谐振器来实现。在环形燃烧室设计过程中，可以通过试验来测试谐振器所的最佳布置方式和布置尺寸。


技术实现要素：

6.本发明针对背景技术中所提出的技术问题：为了在环形燃烧室试验中能够得到谐振器的最佳布置方式和布置尺寸。提出了一种结构简单、调节手段多样的环形燃烧室振荡抑制试验装置。
7.本发明是通过以下技术方案予以实现的：一种环形燃烧室振荡抑制试验装置，包括环形燃烧室和谐振调节组件，所述环形燃烧室包括头部燃烧器、燃烧室内环圈、燃烧室外环圈，所述燃烧室外环圈上开有周向180
°
的半圆槽，所述谐振调节组件设置在所述半圆槽的外部，所述谐振调节组件包括谐振环带、可调节谐振器、l型限位环，所述可调节谐振器与所述谐振环带固定连接并与所述环形燃烧室连通，所述谐振环带的轴向宽度大于所述半圆槽的轴向宽度，所述谐振环带套在所述燃烧室外环圈的外侧并覆盖所述半圆槽，在所述谐振环带的轴向两侧设有第一l型限位环和
第二l型限位环，所述第一l型限位环和第二l型限位环与所述燃烧室外环圈固定连接并构成容纳腔和滑动槽，所述谐振环带位于所述容纳腔中并可在周向上绕所述环形燃烧室自由转动，所述可调节谐振器沿所述滑动槽跟随所述谐振环带一起运动，所述第一l型限位环和第二l型限位环的周向上设有锁紧螺栓，所述锁紧螺栓沿径向穿过所述第一l型限位环和第二l型限位环，所述锁紧螺栓的螺栓头位于所述容纳腔的外侧，另一端位于所述容纳腔内，旋拧所述锁紧螺栓时可以沿径向挤压所述谐振环带使其压紧在所述燃烧室外环圈的外表面。
8.作为本发明的进一步改进，所述燃烧室外环圈的外表面设有密封条并位于所述容纳腔内，所述密封条包围所述半圆槽，旋拧所述锁紧螺栓时可以沿径向挤压所述谐振环带使其压紧在所述密封条上。
9.作为本发明的进一步改进，所述可调节谐振器包括谐振腔喉部、谐振腔下半、谐振腔上半，所述谐振腔喉部呈中空的圆柱形，所述谐振腔喉部的外侧与所述谐振环带固定连接，所述谐振腔下半为中空凸柱，包括喉部连接部和腔连接部，所述谐振腔上半呈一端封闭的中空圆柱，所述喉部连接部与所述谐振腔喉部的内表面螺纹连接，所述谐振腔上半的内表面与所述腔连接部的外表面螺纹连接，所述谐振腔喉部、谐振腔下半、谐振腔上半组合后构成一个完整的亥姆霍兹谐振腔。试验中可以对喉部连接部与谐振腔喉部的螺纹连接长度进行调节从而改变亥姆霍兹谐振腔的喉部长度l，通过调节所述谐振腔上半和所述谐振腔下半的螺纹连接的长度改变亥姆霍兹谐振腔的深度h，通过更换不同直径的谐振腔下半和谐振腔上半，改变亥姆霍兹谐振腔的喉部直径d和腔内直径d，从而改变了亥姆霍兹谐振腔的谐振频率，其公式如下：其中c代表当地声速。
10.作为本发明的进一步改进，所述可调节谐振器为可调节四分之一波长管，包括连接部和调节管，所述连接部呈中空的圆柱形，所述连接部的外侧与所述谐振环带固定连接，所述调节管为一段封闭的圆柱形管，其开口端与所述连接部的内表面螺纹连接。试验中可以通过调节连接部与调节管之间螺纹连接的长度对可调节四分之一波长管进行微调，也可以更换不同长度的调节管来改变可调节四分之一波长管的长度l，从而改变可调节四分之一波长管的谐振频率，其公式如下：作为本发明的进一步改进，所述第一l型限位环和第二l型限位环的表面标有刻度尺。
11.作为本发明的进一步改进，所述第一l型限位环和第二l型限位环为半圆环，在所述第一l型限位环和第二l型限位环上周向均匀布置至少五枚所述锁紧螺栓。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：在环形燃烧室试验中，通过转动谐振环带，可以改变可调节谐振器在环形燃烧室上的周向位置，第一l型限位环和第二l型限位环保证了在转动过程中可调节谐振器不发生轴向移动，改变可调节谐振器的几何参数可以改
变其谐振频率，通过调整参数最终可以获得目标环形燃烧室上谐振器的最佳布置点和最佳布置参数，也可以通过本发明探究不同尺寸的谐振腔对不同频率热声振荡的抑制作用。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1是本发明环形燃烧室振荡抑制试验装置的第一实施例的整体示意图；图2是本发明环形燃烧室振荡抑制试验装置的第一实施例的剖视图；图3是本发明环形燃烧室振荡抑制试验装置的第一实施例的局部剖视图；图4是本发明环形燃烧室振荡抑制试验装置的第一实施例的局部剖视图；图5是本发明环形燃烧室振荡抑制试验装置的第一实施例的谐振腔上、下半结构示意图；图6是本发明环形燃烧室振荡抑制试验装置的第一实施例的部件装配示意图；图7是本发明环形燃烧室振荡抑制试验装置的第一实施例的结构示意图；图8是本发明环形燃烧室振荡抑制试验装置的第一实施例的周向调节示意图；图9是本发明环形燃烧室振荡抑制试验装置的第一实施例的结构调节示意图；图10是本发明环形燃烧室振荡抑制试验装置的第二实施例的局部剖视图；图11是本发明环形燃烧室振荡抑制试验装置的第三实施例的整体示意图；图12是环形燃烧室内周向震荡的幅值和周向角度的对应关系示意图；图13是本发明环形燃烧室振荡抑制试验装置的密封条局部安装示意图。
具体实施方式
15.以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
16.下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
17.第一实施例一种环形燃烧室振荡抑制试验装置，包括环形燃烧室1和谐振调节组件2，环形燃烧室1包括头部燃烧器3、燃烧室内环圈4、燃烧室外环圈5，燃烧室外环圈5上开有周向180
°
的半圆槽6，谐振调节组件2设置在半圆槽6的外部，谐振调节组件2包括谐振环带7、可调节谐振器8、l型限位环，可调节谐振器8与谐振环带7固定连接并与环形燃烧室1连通，谐振环带7的轴向宽度大于半圆槽6的轴向宽度，谐振环带7呈一个完整环带套在燃烧室外环圈5的外侧并覆盖半圆槽6，在谐振环带7的轴向两侧设有第一l型限位环9和第二l型限位环10，待谐振环带7、可调节谐振器8装配完毕后将第一l型限位环和第二l型限位环燃烧室外环圈5进行焊接固定使第一l型限位环和第二l型限位环之间构成容纳腔11和滑动槽12，谐振环带7位于容纳腔11中并可在周向上绕环形燃烧室1自由转动，如图8所示，可调节谐振器8沿滑
动槽12跟随谐振环带7一起运动，第一l型限位环和第二l型限位环的周向上设有锁紧螺栓13，锁紧螺栓13沿径向穿过第一l型限位环和第二l型限位环，锁紧螺栓13的螺栓头位于容纳腔11的外侧，另一端位于容纳腔11内，旋拧锁紧螺栓13时可以沿径向挤压谐振环带7使其压紧在燃烧室外环圈5的外表面。
18.为了减少谐振环带7与燃烧室外环圈5外表面之间的泄漏，在燃烧室外环圈5的外表面设有密封条14并位于容纳腔11内，密封条14包围半圆槽6，旋拧锁紧螺栓13时可以沿径向挤压谐振环带7使其压紧在密封条14上，减少气体的泄漏。
19.在本实施例中，可调节谐振器8包括谐振腔喉部15、谐振腔下半16、谐振腔上半17，谐振腔喉部15呈中空的圆柱形，谐振腔喉部15的外侧与谐振环带7焊接固定，谐振腔下半16为中空凸柱，包括喉部连接部18和腔连接部19，谐振腔上半17呈一端封闭的中空圆柱，喉部连接部18与谐振腔喉部15的内表面螺纹连接，谐振腔上半17的内表面与腔连接部19的外表面螺纹连接，谐振腔喉部15、谐振腔下半16、谐振腔上半17组合后构成一个完整的亥姆霍兹谐振腔。试验中亥姆霍兹谐振腔的喉部尺寸可以认为与谐振腔下半16的喉部连接部18的内径尺寸相等，同时由于谐振腔下半16的腔连接部19与谐振腔上半17螺纹连接，试验中可以忽略螺纹造成的直径的偏差，认为腔连接部19的外径与谐振腔上半17的内径相等且代表了亥姆霍兹谐振腔的腔内直径d。
20.在试验中可以对喉部连接部18与谐振腔喉部15的螺纹连接长度进行调节从而改变亥姆霍兹谐振腔的喉部长度l，通过调节谐振腔上半17和谐振腔下半16的螺纹连接的长度改变亥姆霍兹谐振腔的深度h，通过更换不同直径的谐振腔下半16和与之配套的谐振腔上半17，改变亥姆霍兹谐振腔的喉部直径d和腔内直径d，如图9所示，通过上述调节即可改变亥姆霍兹谐振腔的谐振频率，其公式如下：其中c代表当地声速。
21.为了测量谐振环带7的转动角度，在本实施例中第一l型限位环和第二l型限位环的表面标有刻度尺。
22.在本实施例中，可以将第一l型限位环和第二l型限位环设计为半圆环，谐振环带7可以在周向上绕环形燃烧室1进行180
°
的旋转，由于环形燃烧室内的周向振荡一般为半波长及以上模态的振动，其幅值和周向角度的关系如图12所示，因此可调节谐振器8在180
°
半圆槽上足够捕捉到相应轴向位置振荡的峰值点。此外在第一l型限位环和第二l型限位环上周向均匀布置五枚锁紧螺栓13，均匀布置的锁紧螺栓13可以很好地固定谐振环带7，使其在试验过程中保持在所调节的角度，如果需要改变可调节谐振器8的测量角度，则将锁紧螺栓13适当放松后进行调节。
23.采用本实施例进行试验时，在试验前通过数值模拟等方法估算出所需要亥姆霍兹谐振腔大致的几何参数并按照估算结果设计多组不同尺寸的谐振腔下半16、谐振腔上半17。试验中，在环形燃烧室的外壁安装动态压力测点，用于测量环形燃烧室内的动态压力实时数据，通过数据分析仪得到快速傅里叶变换后的实时频域数据，不断调节可调节谐振器8在环形燃烧室上的周向位置，同时观察测量数据的幅值，当测量数据的幅值达到最小值时表明可调节谐振器8已调节至振荡的峰值点，此时通过第一l型限位环和第二l型限位环表
面的刻度尺可以确定可调节谐振器8已找到最佳布置点，之后固定可调节谐振器8的周向位置，并通过调节如图9中的喉部长度l、深度h或者更换谐振腔下半16、谐振腔上半17改变喉部直径d和腔内直径d使亥姆霍兹谐振腔的谐振频率发生改变并观察动态压力测点测量数据，当测量数据达到最小值时，记录此时的喉部长度l、深度h、部直径d和腔内直径d即为最佳布置尺寸。
24.第二实施例在本实施例中除可调节谐振器8外，其他部分结构与第一实施例相同。
25.在本实施例中，可调节谐振器8为可调节四分之一波长管，如图10所示，包括连接部20和调节管21，连接部20呈中空的圆柱形，连接部20的外侧与谐振环带7焊接固定，调节管21为一段封闭的圆柱形管，其开口端与连接部20的内表面螺纹连接。试验中可以通过调节连接部20与调节管21之间螺纹连接的长度对可调节四分之一波长管进行微调，也可以更换不同长度的调节管21来改变可调节四分之一波长管的长度l，从而改变可调节四分之一波长管的谐振频率，其公式如下：其中c代表当地声速。
26.试验时步骤与第一实施例相似，在找到可调节谐振器8的最佳布置点后，通过调整螺纹连接长度或者更换调节管21来对长度l进行调节，当动态压力测点测量数据达到最小值时，记录此时的管长l为最佳布置尺寸。
27.第三实施例在本实施例中，环形燃烧室1的燃烧室外环圈5在轴向方向上开有多个180
°
的半圆槽，每个开槽的位置都设置有如第一实施例中的谐振调节组件2，如图11所示，可以验证轴向上不同位置的谐振腔对热声不稳定现象的抑制作用。
28.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。