[实用新型]用于旋流燃烧热声振荡特性研究的模块化试验装置

说明书

本实用新型涉及航空发动机和燃气轮机基础燃烧试验研究领域，公开了一种用于旋流燃烧热声振荡特性研究的模块化试验装置，自下而上分别由扬声器段、空气驻室段、旋流器段、开窗燃烧段、燃烧室延长段五部分构成。空气流经空气供应管道进入驻室后，通过扬声器的激励作用，并流经轴流式旋流器后可获得需要的声场环境和旋流流场环境。三路燃料供应管道可实现在不同位置的燃料喷注，获得预混燃烧、扩散燃烧及其混合模式等旋流燃烧流场特征。本试验装置采用模块化设计，主要功能部件可拆卸更换，试验工况参数、声场条件、喷注位置可灵活调节，可防止火焰回传。矩形四面开窗燃烧室可与各种先进光学设备兼容，便于燃烧诊断数据的测量获取。

技术领域

本实用新型涉及航空发动机和燃气轮机基础燃烧试验研究领域，具体地涉及一种用于旋流燃烧热声振荡特性研究的模块化试验装置。

背景技术

目前全球范围内正面临着日益严重的环境恶化问题，世界各国对污染的源头治理理念也已达成高度共识。而人类对化石能源的过度消费是造成当前环境污染的重要原因。当前能源利用领域扩散燃烧方式大量使用，是产生热力型氮氧化物(NO_X)的主要根源之一。随着燃气轮机、航空发动机排放标准的日益严格，巨大市场需求推动着先进低排放燃烧组织技术的飞速发展。现在发展中的三大低污染燃烧技术包括贫油预混燃烧技术(LPM)、富燃快熄贫燃技术(RQL)、催化燃烧技术。后两者中，RQL技术面临着碳烟形成和混合性能上的难题，催化燃烧技术在成本、寿命、安全方面存在限制。贫油燃烧可以基于现有燃烧技术，不对现有燃烧系统结构进行大幅度改变的前提下进行性能提升改造，因此未来的燃烧系统设计中，贫油预混或贫油预混与扩散燃烧相结合，将更具备大范围应用的潜力。

然而贫油预混燃烧也面临着新的问题，仍需要在实验室条件下对其中涉及的燃烧学基础性问题进行大量的试验研究。相比于传统的扩散燃烧，贫油预混燃烧技术更易于控制火焰温度，可避免局部高温区域存在而导致热力型 NO_X的产生。但是由于潜在的火焰回传、自点火等非定常现象存在，预混燃烧技术存在一定运行风险，特别是贫油燃烧易导致热声振荡，稳定工作边界窄。燃烧振荡发生时，将出现特定频率下的压力大幅脉动，出现燃烧不稳定现象，会影响燃烧系统的正常工作，或诱发发动机喘振，严重时可引起传热恶化并导致结构破坏，限制了贫油燃烧技术的广泛应用。燃烧振荡是燃烧动力学研究的经典课题，其诱发机制复杂，并呈现出一定的非线性特征。基础研究结果认为，“声-涡-热”之间的相互耦合机制是燃烧振荡产生的根本原因。

在试验室条件下对简化燃烧室进行缩尺模拟是该领域中的常见研究手段。为了对其中蕴含的物理机制开展试验研究和验证，需要发展一种基础性燃烧试验平台。由于航空发动机和燃气轮机燃烧室结构设计中大量采用旋流方式稳定火焰、组织燃烧。其中涉及到大量的复杂流动结构，如涡脱落和破碎、进动涡核演化、湍流大尺度相干涡结构、液体燃料喷雾形成等，这些复杂流动与火焰之间的相互作用过程直接影响着燃烧室点火性能、燃烧效率、污染排放、动态特性等各方面工作性能。已有研究表明，燃烧室结构、燃料喷注混合方式、燃料预混程度、来流工况条件等都可能对旋流流场特征、火焰结构特征及其燃烧振荡的发生过程产生影响。因此，为了研究多种参数对旋流燃烧过程的影响，需要一种可对结构参数、工况参数、声场条件进行灵活调节和控制的试验装置作为研究平台，并能够兼容各种先进的流场光学诊断设备，以获取燃烧过程的内部细节信息。