（热能工程专业论文）旋流型热声不稳定特性及其控制的试验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 随着环保要求的提高，贫燃预混燃气轮机被广泛地应用于工业生产中，同时 伴随的是热声振动的频繁出现，大振幅的热声振动会使燃气轮机的性能下降，并 使n o x 排放增加，甚至会造成燃气轮机结构上的损坏。本文对旋流型热声不稳 定特性及其被动控制进行了试验研究。 本文首先对热声现象及其理论进行了一定的阐述，同时回顾了热声振动控制 的研究现状。并简要介绍了热声振动的控制机理，并通过一个简单的系统模型讲 述了热声振动控制的方法。 在借鉴前人研究的基础上，自行设计搭建了旋流型热声试验台架，包括旋流 燃烧器，燃料控制系统，温度测量系统和压力测量系统。 在此试验系统上进行了旋流燃烧器热声不稳定特性的试验研究。通过改变化 学当量比和旋流强度，对热声振动的温度和压力进行了研究，得到了热声振动温 度、压力以及频率随各个参数的变化趋势。试验的结果表明，化学当量比和旋流 强度对旋流燃烧器的温度场和热声不稳定的强度影响较大，同时对第一阶频率有 一定的影响，而对第二、三阶的频率影响不大。 利用中心射流进行了热声振动被动控制的研究，研究发现中心射流可以明显 影响旋流燃烧核心区的动力学特性。在中心射流的流量达到总风量的1 5 时，可 以大幅降低热声振动的振幅。中心射流的速度是影响中心射流改变旋流核心区动 力学特性的重要参数。同时我们进行了用直流风代替中心风对比试验研究，发现 热声振动振幅的下降是中心射流的作用，而不是旋流强度下降的结果。 关键词：热声不稳定，旋流燃烧，被动控制 浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h e i m p r o v e m e n t o fe n v i r o n m e n t a l r e q u i r e m e n t s 1 e a np r e m i x e d c o m b u s t i o ng a st u r b i n e sh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r y m e a n w h i l et h e r m o a c o u s t i c i n s t a b i l i t yf r e q u e n t l yo c c u r si nt h eg a st u r b i n e s l a r g e a m p l i t u d et h e r m o a c o u s t i c i n s t a b i l i t yn o to n l yr e d u c et h ep e r f o r m a n c eo fg a st u r b i n e s ，b u ta l s oi n c r e a s et h en o x e m i s s i o n s e v e n l yt h e r m o a c o u s t i ci n s t a b i l i t yc o u l dc a u s es t r u c t u r ed a m a g et og a s t u r b i n e s ae x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h e r m o a c o u s t i ci n s t a b i l i t ya n dp a s s i v ec o n t r o lo f t h e r m o a c o u s t i ci n s t a b i l i t yi nas w i r lc o m b u s t o rw a sd e s c r i b e di nt h i st h e s i s f i r s tw ec l a r i f i e dt h et h e r m o a c o u s t i cp h e n o m e n o na n dt h e r m o a c o u s t i ct h e o r y ， m e a n w h i l ew er e v i e wt h e s t u d yo nc o n t r o lo ft h e r m o a c o u s t i co s c i l l a t i o n t h e n i n t r o d u c et h em e c h a n i s mo fc o n t r o lo ft h e r m o a c o u s t i co s c i l l a t i o n t h r o u g has i m p l e m o d ew ed e s c r i b et h em e t h o d so fc o n t r o lo ft h e r m a x o u s t i co s c i l l a t i o n a f t e rw es u m m a r i z e dt h es t u d yo ns w i r lc o m b u s t i o n ，w ed e s i g n e da n db u i l ta s w i r lc o m b u s t i o nt h e r m a c o u s t i ci n s t a b i l i t ye x p e r i m e n t a ls e t u p ，i n c l u d i n gt h es w i r l c o m b u s t o r ，f u e lc o n t r o ls y s t e m ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e ma n dp r e s s u r e m e a s u r e m e n ts y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e r m o a c o u s t i ci n s t a b i l i t yi ns w i r lc o m b u s t i o nw a ss t u d i e d o nt h es e t u p w em e a s u r e dt h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo ft h e r m a c o u s t i co s c i l l a t i o n a td i f f e r e n tc h e m i c a lr a t e sa n ds w i r li n t e n s i t y a n ds t u d i e dv a r i e t yo ft e m p e r a t u r e ， p r e s s u r ea n df r e q u e n c yo ft h e r m o a c o u s t i co s c i l l a t i o na st h ec h a n g eo fc h e m i c a lr a t e s o rs w i r li n t e n s i t y w ef o u n dt h a tc h e m i c a lr a t e sa n ds w i r li n t e n s i t yg r e a t l ya f f e c t st h e t e m p e r a t u r ei ns w i r lc o m b u s t o ra n dt h ea m p l i t u d eo ft h e r m o a c o u s t i co s c i l l a t i o n ，a l s o i n f l u e n c e st h ef i r s tm o d ef r e q u e n c yo ft h e m a o c o u s t i co s c i l l a t i o n w h i l et h es e c o n d a n dt h et h i r dm o d ef r e q u e n c yc h a n g e dal i t t l e w ep r o g r e s s e dap a s s i v ec o n t r o lo ft h e r m o a c o u s t i ci n s t a b i l i t yi ns w i r lc o m b u s t o r w i t hac e n t r a lj e t w ef o u n dt h a tc e n t r a lj e th a sg r e a ti m p a c t so nt h ed y n a m i c so f c e n t r a lr e c i r c u l a t i o nz o n ei ns w i r lc o m b u s t i o n w h e nt h ev o l u m eo fc e n t r a lj e tr i s e st o 15p e r c e n to ft h et o t a la i rv o l u m e ，ac l e a rd e c r e a s eo ft h ea m p l i t u d e so ft h e t h e r m o a c o u s t i co s c i l l a t i o nc a nb eo b s e r v e d t h ev e l o c i t yo ft h ec e n t r a lj e ti sa n 浙江大学硕士学位论文摘要 i m p o r t a n tp a r a m e t e rw h e nt h ec e n t r a lje ti su s e dt oc h a n g et h ed y n a m i c so fc e n t r a l r e c i r c u l a t i o nz o n e m e a n w h i l ew ea p p l i e das e c o n da i rj e tt os w i r lc o m b u s t o ri n s t e a d o ft h ec e n t r a lj e ta sac o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t w em a k es u r et h a ti ti st h ec e n t r a lj e t w h i c hr e d u c e dt h ea m p l i t u d eo ft h e r m o a c o u s t i co s c i l l a t i o n ，n o tt h ed e c r e a s eo ft h e s w i r li n t e n s i t y k e yw o r d s ：t h e r m o a c o u s t i ci n s t a b i l i t y , s w i r lc o m b u s t i o n ，p a s s i v ec o n t r o l 学号 j 、，2 0 6 0 8 2 0 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江太堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 ， 学位论文作者签名： 驯尹签字日期：压彬年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙婆太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权浙婆太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签字日期：锄哆年乡月j 7 日 签字日期： 罔之 硫譬年6 只 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 在硕士论文完成之际，我要衷心地感谢我的导师周昊教授这两年来对我的指 导和帮助。周老师严谨求实的科学作风、孜孜以求的事业精神和诲人不倦的态度 对我有着深刻的影响。这一切，都是我以后工作学习中值得学习的榜样。 特别感谢李国能师兄，在他的帮助和指导下，试验工作得以有条不紊地进行， 圆满完成。李师兄刻苦的学习精神和严谨的治学态度是我学习的榜样。 感谢尤鸿燕师姐，尤师姐关于课题的前期研究奠定了良好的基础，使我能够 顺利地开展后续研究。 感谢王春林师兄，凌忠钱师兄，斯东波师兄，郑立刚师兄，吴锋师兄，黄雪 锋师兄，王振方师兄和陈君榜师兄，同届的魏光建同学，以及新进来的徐何伟师 弟，赵加佩师弟和沈佳林师弟，课题组融洽的氛围令我获益颇多，在此感谢你们 在学习和生活上对我的帮助。 感谢同寝室的郭飞，李晓明和米海波三位在生活和学习上对我的帮助和支 持。感谢浙江大学热能工程研究所0 6 硕全体同学，感谢大家的支持与关怀。 李时字 2 0 0 8 年5 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 热声现象及热声理论 1 1 1 热声现象的发现 第一章绪论 热声振动由于频繁地出现在新一代的燃气轮机中而为世人所关注。而实际上 热声现象早在两百多年以前就被发现了。在1 7 7 7 年，b y r o nh i g g i n s 发现将氢火 焰放在两端开口的垂直管的一定位置，会激发出声音( 图1 1 ( a ) ) ，这就是热声 现象的第一次发现。在当时就引起了注意，并将其命名为“歌焰”，但其原理一 直到1 8 7 8 年才得到了解释，即r a y l e i g h 准则。c h l a d n i 在1 8 0 2 年用火焰做试验 后，认为热声的发生机理与其它形式发声没什么差别，音高( 或频率) 与管长成 反比，并伴有第一和第二陪音。同年d el ar i v e 在一端为圆泡的玻璃管中滴了 一滴水，加热，水滴化为汽，膨胀，升至管口，又凝结，收缩，发出了声音，由 此他认为声音的产生的机理是由于氢燃烧产生的水蒸汽胀缩，而不是因为火焰。 但在1 8 1 8 年f a r a d a y 发现用一氧化碳在管中燃烧同样可以发声，因此否定了水 蒸汽胀缩的说法，同时他认为发声的机理为：燃气不断地在空气中与氧气化合， 爆炸，每次爆炸把火焰压下，以后又燃烧，爆炸，如此循环，从而发出了声音。 w h e a t s t o n e 用旋转反射镜证实了火焰被压的现象，从旋转反射镜中可以看到火 焰不断地跳动，甚至还可以看到火焰被压入燃气管e l 。s o n d h a u s s 对热声现象进 行了深入的实验研究，结果认为热声现象的产生其供气管起决定性作用，在供气 管中近喷口处堵上棉花，火焰看起来没什么变化，但已不能发出声音。在十八世 纪中期，欧洲的吹玻璃工人发现，在长1 2c m 至1 5c m 的细玻璃管中吹一个直 径2c m 热玻璃泡时，后者会发出声音s o n d h a u s s 对这个现象做了深入细致的 研究，他声明发声与玻璃无关，并定量地取得了发声频率与圆泡、细管尺寸的关 系。同时指出h i g g i n s 管不是热声源的唯一形式，并在1 8 5 0 年创造了一端封闭 的管( 可做成圆泡) ，在封闭端加热以发声的s o n d h a u s s 管( 图1 1 ( c ) ) 。p l r i j k e 用加热的金属丝网代替火焰发展了h i g g i n s 管，r i j k e 管发声声音宏大， 陪音丰富，是研究热声现象的经典装置之一( 图1 - 1 ( b ) ) 。1 9 6 2 年，c a r t e r 等 人在s o n d h a u s s 管里加一类似现代热声堆的平板结构( 图1 1 ( d ) ) ，这一结果 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 大大提高了热声的效率。f e l d m a n 根据他们的理论做了s o n d h a u s s 振荡器，用 6 0 0 w 的热能产生了2 7 w 的声能。这就是现代热声源的先驱，以后热声源就在 严格的热声学理论指导下发展了1 1 。 力口 熟丝网 敢材料 ( a )( b )( c )( d 希根斯管黎开管桑特豪斯管桑特豪撕一卡特管 图1 - 1 几种典型的热声管 1 1 2 热声理论 r a y l e i g h l 2 】在1 8 7 8 年首先提出了对热声现象的定性分析：对做声振动的介 质，若在其最稠密的时候向其提供能量，而在其最稀疏时从其中吸取能量，声振 动就会得到加强( 热能转变为声能) 。反之，若在其最稠密的时候从其中吸取能 量，而在其稀疏时向其提供能量，声振动就会得到衰减( 声能转变为热能) 其后在热声理论的发展中，根据对热声现象中各因素的假设逐步形成了线形 和非线形热声理论。 1 1 2 1 线性热声理论 在小扰动的假设下，r o t t 3 1 忽略动量和能量方程中的二阶项，对基本控制方 程组进行了线性化处理，同时考虑到回热式热机各热力参数的周期性变化的规 律，对线性的热声效应机理进行了定量的理论分析，并给出了热声效应的完全数 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 值解，在理论上描述了热声效应中热能与声能的转换关系。其模型的推导是以线 性的n s 方程、连续性方程、能量方程为基础结合边界条件而建立的。在此基 础上进而求解得到热声系统的时均热声效应，包括：时均能流、时均声功流、时 均热流时均声功产生率等。经过s w i f t 9 1 等人的后续研究和发展完善，线性热声 理论在理论和实验中都取得了很大的成功【1 0 】。 罗二仓 1 1 - 1 2 1 等人建立了简化的线性热声理论，从线形化的质量守恒方程和动 量守恒方程，结合周期性变量的复数运算，可以得到如下的方程： 质量守恒方程： 掣：一z f 痧， ( 1 - 1 ) 动量守恒方程： 掣：一当；，+ 厶丢孕玩 ( 1 - 2 ) 积z c 。a 9 c 气体和固体温度波动的局域解析解，对简单流道： 气体能量守恒方程： 2 恐云卜而f ( c r z 丽n b ) ，+ 赤警警 3 ， 【l + 乓f ( z n b ) 一土业f ( o z n b ) 】 1 一仃2 ，( z ) 1 一仃2 1 4 - s 。f ( c r z ) 。 固体能量守恒方程： t 二j d2 去t 瓦r o q f l o 。五+ 去警譬警， 4 ， ! ! 幺! 塑二堡! 幺! 塑 ，( z 6 ) 一g ( 乙) 对回热器： 气体能量守恒方程： = 篙( 去；，一面u l d r o 5 ， 固体能量守恒方程： 2 盘( 上, o o c v ；，一面u l 誓) ( 1 - 6 ) 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 时均热声效应： 时均纵向总能流：巨= j 1r e 五i ( 1 一r o p o l , ) 一4 i a r o ( 1 7 ) 时均声功流： z e , = 寺r e u tp t 】 ( 1 - 8 ) 时均热流：q = t 一暇= 一三1 瓦属厶r e 妨云卜a ，x a 似r o - ( 1 9 ) 时均声功产生率： = 知m 砑岛1 i li d t o 一互1 紫讯妇毛等以叩 1 1 2 2 非线性热声理论 线性热声理论虽然做了线性化的处理，但它仍然考虑了有限换热和粘性效应 这两种不可逆损失，因此线性热声理论获得了对回热式热机工作机理的新认识， 较之经典热力分析理论更为合理。但是随着近年来对回热式热机的深入研究，特 别是对脉冲管制冷机和自激振荡的热声发动机的研究，线性热声理论的固有局限 性也日益显露出来【1 1 13 1 。线性理论对振动频率以及热身振动必须要超过一定的 临界才能发生的现象存在局限性。同时随着热声装置朝着大振幅振荡的方向发 展，基于小扰动假设发展起来的线性理论必然无法满足试验的需要。因此有必要 对线性热声理论进行非线性修正，一般情况下热声系统的能量效应的形式都是二 阶的，而三阶以上的物理量相对于二阶物理量来说要小很多，因此采用包含二阶 以下物理量的二阶热声模型就可以分析绝大部分热声系统，三阶以上的模型仅在 极少数情况下才是必要的。非线性理论在对流场方程应用到热声系统中做出如下 假定： ( 1 ) 流体为可压缩的简单流体 ( 2 ) 固体介质是固定且刚性的 ( 3 ) 声场是稳定的，不讨论过渡过程 ( 4 ) 声场中不发生紊流转变，因而声场雷诺数应小于5 0 0 在这些假定的基础上，流场方程如下： 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 蝴程：8 a p 2 + 掣o x + 掣+ 掣+ 掣= 。 o x 晰咖 动量方程：届百c g u l + 岛( 警+ 豢+ _ 等) = 一鲁+ 矿8 舶万8 u 2 ) + 号( “等) 蝴士韶届c pa 西_ r , + 扁c 等蚂誓+ m 等，一觚鲁一风c 鲁m 鲁， 能量方程：届p ? + 扁言栅1 云+ m 亏一7 ：詈一风詈蝴1 詈 = 等+ 南( 喏) 蹦程：互细分舢矾掣+ 等+ 掣+ 掣， = 等- 铲- j 等昙c 毛争 固体施p , o c 2 百8 t , 2 慨警咆。等氓。等 状态方程：a = 岛r 正+ 角尺石 以上六个方程构成了热声系统二维二阶理论模型的基础，其中固体换热方程 相应体现了固体内部各物理参数的关系。上述方程虽然以管道近似为无限大平板 为条件进行推导得到，但对于真实情况，管道形状为圆管的模型也可以得到相同 的结果【1 4 】。 时均热声效应： 时均纵向功流：呒= p “出= 1 z r e t u 。五- 。+ ，。昂】 5 i m e 耻 4 伽 雕 1 一 一 盟苏 、 9 确 t 卜 彳 v u 缸 ，妒 啪 m 7 o 即 溉 佩b 2 死 ， 么 p z 魄 ， 钿 儡 = ： 肪 流热纵刖 i + 4 。 舭 历豳 ( 1 - 这就是r a y l e i g h 准则的通用形式。如果满足了不等式，则声波振幅会增大直 到被非线性因素所限制。如果非线性主要表现为释热率而声波保持为线性，则在 系统中声波最初是逐渐增长的，释热饱和或相位改变可以使这两项在压力振幅在 一定值是相等。这个振幅就是循环振动发生的限制值 1 6 - 1 8 】。 方程1 1 3 不仅给出了增加和限制燃烧振动的途径，也给出了消除燃烧不稳 定的方法。即减小能量源项p f - p - i d v ，或增加表面损失f p f f d s 。被动控制可以实 现这两项。硬件改变如改变压力和释热的相位目的是减少能量源项。同时如果表 面s 选择在燃烧室的边界内，而燃烧室外面放置被动设备，声学阻尼方法如 h e l m h o l t z 共鸣器，1 4 波长管，声学衬垫等都能增大表面损失项 1 9 。2 。 主动控制也能实现这两项，早期使用扬声器改变系统边界条件的实验，是基 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 于增加表面损失的考虑，同时发现能量项也随之发生了改变【2 2 1 。近些的方法则 集中在能量源项以及通过不稳定地控制燃料流动比率改变释热率上【2 3 1 。最近的 方法是基于使燃料流喷射的产生的附加释热与压力波反相【2 4 2 5 1 。 1 2 2 热声振动控制模型 实际系统的热声不稳定性通常是比较复杂的，需要详细的火焰和声学模型。 但是各种系统的控制机理都是基于r a y l e i g h 准则，因此可以建立一个简单的系 统模型来说明热声振动控制的一些基本原理。e v e s q u e 2 6 1 建立了一个简单的热声 系统进行了定性分析，这个系统主要由r i j k e 管组成。如图1 3 所示。沿管长表 示为x ，热源的位置x = 0 ，管的底端和顶端分别为x = 一x b ，x - - - - - - x 。，详细参数参见 图1 3 管的底端有一个扬声器，一个控制热量q 。，在同一位置作为主热源。 压力传感器在x = x 他f 。e v e s q u e 在这个系统上做了定性的分析，目的在于得到在 没有控制热量输入的条件下，从扬声器信号v 。，到压力传感器p 化f 的开环传递函 数。这个传递函数可以确定无控制系统的稳定性，同时也为设计一个稳定控制器 提供参考。 压力传感羞 p r f 输入热量 口c 图1 - 3r i j k e 管模型示意图 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 1 声学分析 在这个系统中，假定频率相当低，因为燃烧区域与波长相比很短，而且只有 一维的扰动很重要。忽略熵的波动，忽略平均流动，音速和平均密度在管长范围 是恒定值( 平均密度和音速的变化对系统的稳定性影响很小2 2 1 ) 在燃烧区域以下，压力满足线性波动方程，因此压力和速度可表示为： p g ，) = 彳( ，一言) + b ( ，+ 吾) ，“g ，) = 昙( ，一言) 一去( ，+ 言) c ，- 4 ， 相应地在燃烧区域以上有如下方程： p g ，) = c ( ，一言) + 。( ，+ x ，“g ，) = 昙( r 一吾) 一叁( ，+ 詈) c t 一5 ， 底端和顶端的边界条件可表示为压力反射系数凰和r ，因为是两端开口， 边界条件为大气条件，因此两个值都接近于1 。这使得向内传播的波的振幅可以 用向外传播的波的振幅和扬声器信号来表示，l ( t 一石) 。 为使燃烧区域两端的声振幅发生联系，在燃烧区域应用线性流动守恒方程。 这要求没有压力和速度变化，这与所选区域的单位释热率有关。应用这些方程， 进行l a p l a c e 变换，并取代火焰传递函数，g g ) = 瓦2 日g 。g ) ，其中q 表示单 位区域瞬时释热率，u l 表示燃烧区域下表面附近的流体速度，向外传播的波的振 幅与扬声器的压力信号l ( t ) 有关，表示为下面的方程： - 警1 - r o e - 普1 + r t e - s r 6 脚弋( 吾e - - s x b 5 尸) 在燃烧区域上方的压力传感器需要获得从扬声器信号l ( t ) ，到燃烧区域上 方上行压力波c ( t ) ，的传递函数。方程6 两边同时左乘左边矩阵的逆，如果矩 丽c o ) ：- 2 e - 。m ( 1 + 一，1 归g ) ) 一= 十i ，一i 仃il 、 l ( s ) ( y - 1 ) j 。v7 1 1 、“7 7 ( 1 1 7 ) 所求的开环传递函数g ( s ) ，以扬声器为输入，v 。，麦克风的压力为输出， p 代f o 通过联立扬声器的输入输出方程呒。g ) = t o ) v 。g ) 、用燃烧区域上方的声 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 波方程表示p 化f 、以及方程1 1 7 可得g ( s ) ，其中w 邪( s ) 是扬声器的传递函 数。联立可解得： g 阱裂= 等烯竺嘛办m - 1 ) 删 考虑低频的影响，扬声器的动力学特性是平坦的，因此w 。( s ) 约为定值。 1 2 2 2 燃烧模型 为了得到方程8 中的传递函数，需要假定火焰传递函数的形式，h ( s ) 。最 简单的火焰模型时基于时间滞后模型，假定为： 何g ) 芘p 1 铂 ( 1 1 9 ) 1 2 2 3 传递函数的形式 联立方程8 和方程9 ，代入几何和流动参数可求得开环传递函数。e v e s q u e 为了便于与实验比较，将各参数赋值如下，x b = o 2 5 m ，x t = o 5 m ，x 陀f 印0 9 m ， 飚= 凡= 0 9 5 ，w = 1 ，y = 1 4 。火焰模型时间延时th = o 9 m s ，音速石= 4 0 0 m s 。 同时为了估计燃烧的影响，将火焰分为存在和不存在( h ( s ) = o ，石= 3 5 0r n s ) 两种条件分开绘制传递函数图。试验结果室应用上述几何参数的r i j k e 管，使用 一个白噪声扬声器做输入得到的。对比结果如图1 4 所示。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 增 益 、 乳 咧 、 相 位 2 0 增 。 益一2 0 ，、 乳 一4 0 、 6 0 相 位 ( r s ) 开环传递函数 02 0 4 0 0 06 o8 0 1 0 0 0 01 2 0 0 0 图1 _ 4从v c 到p f e f 的开环传递函数g ( j ) 的b o d e 图f 2 6 】 预计和测得的传递函数吻合的很好。指示系统共振的大的波峰，都在相似的 频率。尽管测得的数据有更显著的峰谷差，一个增大的相位梯度，相位梯度表示 1 1 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 存在一个增加o 5 m s 的延时。考虑到每个模式的二阶传递函数，可以通过穿过波 峰的相位改变来推出每个模式的稳定性。相位增加1 8 0 。表示存在一对不稳定的 变化的极点，而减小1 8 0 。则表示存在一对稳定的变化的极点。在不存在燃烧的 条件下所有模式都是稳定的，从取消任何耦合机构都会导致不稳定这点来说这种 情况的出现并不奇怪。存在燃烧时，第一阶振动变得不稳定，尽管从传递函数来 看其稳定性强烈决定于火焰模型的延时时间th ，以丌( | ) o 的间隔连续变化th 会 使第一模式的稳定性交替变化，见图1 5 。其中( i ) o 是波长为两倍管长的理论基频。 这个结论符合释热改变相位1 8 0 0 的间隔，并与c h u 的研究相吻合。 基于释热延时豹基臻的稳定特性 1 - 不稳定 稳定不稳定 稳定 q0 。511 522 。533 5 t h 咄 图1 - 5 基于释热延时thr i j k e 管基频的稳定区域2 q 这个简单的模型清楚地捕获了燃烧振动的基本机理，阐明了线性声波与不稳 定燃烧产生不稳定性性的相互作用。更进一步，它说明了更直接控制振动的方法。 例如在延时时间的基础上在热声振动频率的附近给扬声器信号增加一个滞后的 相位，就可以实现稳定了。同样可以增加一个不稳定的控制热量输入系统来滞后 释热的平均时间。 1 3 热声振动控制的研究 要控制热声振动，就必须破坏声波与不稳定散热之间的耦合。振动的控制按 控制方法的不同分为主动控制和被动控制。主动控制是通过一定的控制策略来改 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 变燃烧系统的参数。被动控制则是通过改变燃烧器的硬件设施来改变燃烧系统参 数。 主动控制在于用一个激励针对一个测量信号改变系统参数。其主要的机理是 设计一个控制器( 测量信号和驱动信号的关系) 改变不稳定释热和声波的相互作 用，从而使热声振动减弱。因此主动控制地重点在于控制器的设计。 被动控制的方法包括两种，一是通过硬件上的设计降低对声波激励的感受 性，例如改变燃料喷口或燃烧器的几何形状。二是使用节气阀减少声波的能量， 如h e l r n h o l t z 共鸣器，1 4 波长管，穿孔盘，吸声衬垫等。 1 3 1 主动控制的研究 热声振动的主动控制的概念最早是出于火箭发动机燃烧振动的需要。随着热 声振动开始频繁地出现在燃气轮机上，对于热声振动控制的研究也越来越广泛。 对于一个控制回路，激励和控制器其中最重要的两个环节。因此主动控制的研究 也集中在这两个方面。由于热声振动跟声学有关，因此早期的研究大都采用扬声 器来作为激励，采用的控制器也是比较简单的延时或移相控制器。随着实际应用 的需要，采用扬声器作为激励已不能满足需求，首先是所需要的声能要很大，因 而会产生很大的噪声；其次是消耗的能量很大。因此在后期研究以及实际应用中， 多数采用燃料射流作为激励，而相应的控制器也由简单的延时或移相控制器转变 成r o b u s t 控制器和自适应控制器，以满足控制系统稳定性的需要以及变工况的需 要。 f f o w c sw i l l i a m s t 2 7 】和他的学生进行了最早的实验研究，该实验采用r i i l ( e 管， 管内由薄纱形成薄片状火焰。d i n e s 2 8 】进行了最先的实验实证，一个光学滤波器 和图片增效器被用来探测r i j k e 管内火焰c h 自由迸发的光。这个信号经过相位 变换、放大后驱动置于管端附近的扬声器。经过反复试验，获得了最好的增益和 相位变换，使压力水平减少了3 5 d b 。h e c k l 2 2 】随后进行了相似的实验，只是将压 力传感器置于管内的某一位置，用麦克风测量。她证明控制器在一段范围内进行 相位变换可使系统稳定。这些最初的试验都是采用扬声器去改变管一端的边界条 件。根据前面介绍的r a y l e i g h 准则，使用扬声器起初是增加每个周期通过边界 的能量损失，但同时也改变了管内声波的热力学特性，使声波和燃烧的平均能量 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 交换发生了改变。进行适当的相位变换，不等式1 1 3 就可以翻转从而使系统稳 定。为了稳定系统只需将不等式翻转的结论与h e c k l 得到的在一定范围将相位变 换就可使系统稳定的结论一致。这种现象发生在一段相位范围而不依赖于精确的 消除信号，这点与消声不同。 由于扬声器在大尺度应用受到限制，因而研究开始转向r a y l e i g h 准则的能量 源相历r q d v 的改变，直接使用脉动的燃料射流。l a n g h o m e t 2 9 1 进行了最早调节燃 料供应的控制实验，对象是贫燃预混火焰，应用的是用n y q u i s t 法设计的相位变 换控制器。不稳定地增加3 额外的燃料是使不稳定模式的峰值减少了1 2 d b 。 调节燃料供应的研究现在出现了另外一种方式，采用二次燃料射流，只需采 用很少比例的二次燃料就可以达到比较好的效果。t a c h i b a n a 3 0 1 进行了二次燃料 射流实验，对象是贫燃预混燃烧器，采用的是h 2 h ”控制器。该实验使峰值减少 了2 7 7 d b 。二次射流的机理在于它影响了燃烧区域中心回流区的紊流结构，从 而影响热声的耦合，使燃烧振动降低。在此基础上，j o n g t 3 1 1 采用高动量的空气射 流代替二次燃料射流同样达到了控制热声不稳定的目的。 主动控制的另一个主要研究方向就是控制器的设计，控制器基本参数可以通 过模型或测量来获得。根据控制器的参数能不能跟踪运行条件而连续更新，将控 制器分为固定参数控制器和自适应参数控制器。两者都得到了广泛的研究，而自 适应控制器的设计逐近成为研究的主流。另外主动控制的全尺度试验研究也开始 出现，而不再局限于实验室尺度的限制。本文回顾和总结了热声振动主动控制设 计控制系统的体系方法，如表1 1 所示。 表1 - 1 燃烧振动主动控制小纠3 2 】 控制器基于 参数固定 文献模型试验 控制器类型自适应反馈信号激励 ( m e ) ( f a ) d i n e s ( 1 9 8 3 ) 1 2 8 1 e p h a s e s h i f t f c h l o u d s p e a k e r h e c k l ( 1 9 8 8 ) 2 2 1 e p h a s e s h i f t f p _ l o u d s p e a k e r l a n ge ta 1 ( 1 9 8 7 ) 3 习 m e p h a s e s h i f t f p _ l o u d s p e a k e r p o i n s o te ta 1 ( 19 8 9 ) e p h a s e s h i f t f p _ l o u d s p e a k e r b l o x s i d g ee ta 1 ( 1 9 8 8 a ) 【3 5 】 e p h a s e s h i f t f p j i n l e tv a r i a t i o n 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 控制器基于参数固定 文献模型试验 控制器类型 自适应 反馈信号激励 ( m e ) i f a ) l a n g h o m ee ta 1 ( 19 9 0 ) 1 2 9 】 e p h a s e s h i f t f p _ _ c 2 f u e l c o m p e n s a t o r g u l a t i & m a n i ( 1 9 9 2 ) 1 3 6 1 ef p _ l o u d s p e a k e r p h a s e s h i f t p _ _ f u e l y a n ge ta 1 ( 1 9 9 2 ) 3 7 】 m p o l e - p l a c e m e n t f ( d i s t r i b u t e d ) h a t h o u te ta 1 ( 1 9 9 8 ) 3 8 】m l q r f p _ l o u d s p e a k e r c h ue ta 1 ( 1 9 9 8 ) 3 9 mh *f p _ f u e l t i e r n o & d o y l e ( 19 9 2 ) t 4 0 eh o of p _ l o u d s p e a k e r c a m p o s - d e l g a d oe ta 1 - - d i s t u r b a n c e mf p _ l o u d s p e a k e r ( 2 0 0 3 b ) t 4 1 】r e j e c t i o n h o * ) c a m p o s - d e l g a d oe ta 1 m e l q g ，日一 f p _ l o u d s p e a k e r ( 2 0 0 3 a ) t 4 2 1 a n n a s w a m y e ta 1 ( 2 0 0 0 ) t 4 3 】m e l q g h o * f p _ l o u d s p e a k e r m u r u g a p p a ne ta 1 ( 2 0 0 3 ) t 删 e l q g l t r f p _ l o u d s p e a k e r b i l l o u de ta 1 ( 19 9 2 ) 1 4 5 1eu sa p j c 2 f u e l k e m a l b o w m a n ( 19 9 6 ) t 4 6 】 el m sa p _ l o u d s p e a k e r e v e s q u e & d o w l i n g ml m sa p f u e l ( 2 0 0 1 ) 1 4 7 】 l l e u r a ln e t w o r k g u t m a r ke ta 1 ( 1 9 9 3 ) 4 s le a p _ c h f u e l p h a s e s h i f t p o h b l o n b o ue ta 1 ( 2 0 0 0 ) t 4 9 】 e n e u r a ln e t w o r ka l o u d s p e a k e r n e u m e i e r & z i n n ( 19 9 6 ) t 5 0 1 e p h a s e s h i f t a p _ f u e l s a t t i n g e re ta 1 ( 2 0 0 0 ) 。5 1 】 s t r a n n a s w a m y e ta 1 ( 19 9 8 ) 5 2 1m a p l o u d s p e a k e r ( c o m p e n s a t o r ) 1 5 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 控制器基于参数固定 文献 模型试验控制器类型自适应反馈信号激励 ( m e )( f a ) k r s t i ce ta 1 ( 19 9 9 ) t 5 3 】m s t r ( p i ) a p f u e l e v e s q u ee ta 1 ( 2 0 0 3 ) 1 5 4 1 ， s t r m ea p _ f u e l r i l e ye ta 1 ( 2 0 0 3 ) 【5 5 】( c o m p e n s a t o r ) b r o u w e re ta 1 ( 1 9 9 0 ) t 5 6 1 e t r i m a d j u s t m e n t as o o t a i r w a n g d o w l i n g ( 2 0 0 3 ) 5 7 】 e t r i m - a d j u s t m e n t a p r m s p i s t o n 删l v e l o c i t y t e m p f u e h o n ge ta 1 ( 2 0 0 0 ) 【5 s 】 m a t r i m a d j u s t m e n t l m o r a ne ta 1 ( 2 0 0 0 ) 5 9 】 e ( f u l l - s c a l e )p h a s e s h i f t f p f u e l s e u m ee ta 1 ( 19 9 8 ) ，【删 e ( f u l l - s c a l e )p h a s e s h i f t f p _ f u d h o f f m a n ne ta 1 ( 19 9 8 ) t 6 l 】 h i b s h m a ne ta 1 ( 1 9 9 9 ) t 6 2 1 ， e ( f u l l s c a l e )p h a s e - s h i f t f p f u e l c o h e ne ta 1 ( 1 9 9 9 ) 6 3 】 j o h n s o ne ta 1 ( 2 0 0