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行业知识

生物质燃烧机热声振动特性的试验研究

生物质燃烧机热声振动特性的试验研究

    热声振动是现代燃气轮机和航空发动机等设备的常见现象【11,即发动机工作过程中,发动机内部空间存在大振幅的压力振动,发出强烈的噪声。热声振动是燃料燃烧过程中火焰的热释放脉动与燃


烧室固有的声学脉动之间耦合造成的一种燃烧不稳定现象:当燃烧热释放脉动与燃烧室声场的相位相同时,燃烧室内的压力振动被不断加强,最后形成稳定的大振幅压力振动。

    在燃烧领域,一方面,人们想利用热声振动开发出高效的脉动燃烧技术;另一方面,人们追求有效地控制烧过程的热声振动。不管是利用热声振动以增加燃烧效率,还是控制燃烧设备的热声振动,


都需要深入研究燃烧热声振动的特性,研究影响燃烧热声振动的强度和频率的相关参数。在国外,热声振动的研究起步较早,

    在前人的研究基础上,搭建了Rik e型预混燃烧器热声振动特性试验台架。试验研究了不同燃烧功率(llgW- 431W环口不同化学当量比①(Q&L 0和L 2)对燃烧温度、热声振动频率和强度的影响。试


验获得的燃烧温度位于611 K_943 K之间;热声振动频率在440 Hz- 476 Hz之间;热声振动声压级位于131 cIBr146 dB之间。同时,试验得到燃烧温度、热声振动频率和强度随燃烧功率和化掌当量比的变


化规律。

1试验装置

    图1(a)为自行设计建造的R iikE型预混生物质燃烧机热声振动特性试验台架的系统图。压缩空气和甲烷分别经过D07系列质量流量控制器以实现对压缩空气和甲烷流量的精确控制,其出厂精度为1J 


5%。试验燃烧器为直径40 rruy管长1 066 rrrn的不锈钢圆管,管壁厚度为4 nry外壁面裸露在空气中,不设保温层。燃烧器下端封闭,上端开口,致密堇青石材质的多孔介质稳燃体位于燃烧器四分之一


管长。

    图中1 2分别为甲烷和压缩空气;3 4为质量流量控制器;5为混合室;6为方孔形火焰稳燃体,孔隙率约为Q 72,7为HP VX班机;8为HP日432A数据采集模块,内建8通道并行采样通道;9为HP E8491A通


讯模块;10为HP 34970 A主机,提供3模块插槽,精度为6位半;11为HP 34908A数据采集接线模块;Tl T6为WPR-100热电偶,精度为Q 25%; P1  坤为动态压力传感器,精度为Q 5%。在试验开展过程中,


压力信号的采集是试验开展的难点和关键点。试验选用的动态压力传感器的频响范围为20 kH4数据采集模块HP E1432A的采样速度为SL2 KSa/,s精度为读数的0. 01%,其先进先出堆栈(firstin_ 


filstcxlt   FII(》大小为2M vxi主机与计算机通信的模块为HPE8491A使用JEEE-1394电缆,其数据传输速率为400MbP争我们使用A9ilent VEE开发了高速连续并行的实时数据采集程序,经实际考验,该


程序能稳定高效地运行。试验开展了一系列酌工况研究试验的工况表

2实验结果及分析

2 1压力波形及频谱分析

    图2给出①-L 0工况6的压力波形图和频谱分析图。从图2(a)可以看到,此时Rik燃烧器内存在强烈的热声振动,振动波形均匀光滑,振幅达300印从图2(呦员谱分析可以看到,此时的热声振动的主峰


频率在454 H,z在157 H处有一幅度很小的热声振动。在贫燃大功率下,生物质燃烧机内的热声振动波形呈现出低频大振幅的振动与高频主峰振动并存的现象,如图3所示。图3给出了①一Q 8工况7的压力


波形图和频谱分析,燃烧功率为431W由图3(a)可见,此时压力波形整体上与图2(a)不相同,低频的大振幅热声振动明显。这种低频大振幅振动反应了此时Riikel=LJJ燃烧器内的燃烧非常不稳定,试验时


听到一强一弱的周期性轰鸣声。发动机工作日寸,低频大振幅振动将强烈地破坏发动机内的沆场,从而使工作点偏离设计点,甚至出现局部熄火或者完全熄火,是需要通过重新设计燃烧器结构或引入主


动控制系统以重点避免的。从图3(b)可以看到,热声振动主峰频率为473 8 H,z而在464 1 Hat.zL存在一个侧边峰旧,两者频率相差10 Hz从图3(b)和图2(b)的对比可以发现,频率发生了平移,从中一1.0


燃烧功率为41g W的热声振动频率454 H呼移到中-Q 8燃烧功率为431 W的热声振动频率473 8 Hz两者相差接近20 Hz图4(a)给出了①一1.01况6的PI  B处的极限周期振动,图4(b)给出了相隔Q 00109时P1  


B处压力幅值沿轴向的变化趋势。图4(a)中的曲线是采用测量点之间的直线连接来表示的,由此可以看到试验采用的数据采集速度能满足试验要求,不会产生波形失真。当燃烧器内某一流体微元得到的热


量输入大于其对外做功时,多余的热量转化为燃烧室内的声能,当燃烧器内的火焰释热脉动与燃烧室声场相位一致时,燃烧室的脉动不断增大,最后当声能的增加与生物质燃烧机出口的声损失相平衡日


寸,热声振动达到极限周期振动。PI  B和B的振动波形存在相位差,这是由于声源同时向上下游传播造成的,事实上,F1  B构成了一维的麦克风阼列。从图4(b)可见,此时燃烧器内的日处为热声振动波


节,晓处的热声振动最为强烈,为振动波腹。

 2.2试验结果分析

    图5给出化学当量比为Q&1.0和L 2的三组工况的燃烧温度(rB处温度值,rB位于火焰稳燃体下游20 rrrn所口热声振动幅值随燃烧功率的变化规律。试验获得的燃烧温度位于611 K-943 K之间;热声振


动声压级位于131  dB- 146 dB之间,压力幅值位于78 Pa_399 Pw2_间。从图5(9可见,RiikOf-LJ预混生物质燃烧机的燃烧温度在同一燃烧功率下基本一致,不受化学当量比的影响。这是容易理解的,


因为同样的燃烧功率,预混可燃物的总流量比较小,贫燃时多余的空气量并不能显著影响到火焰稳燃体下游20 rrrn处rB的温度。从图5(晰可见,热声振动强度强烈依赖于燃烧功率和化学当量比,同一


燃烧功率不同化学当量的热声振动强度并不相同。与化学当量比为Q 8和1.0的热声振动强度相当,化学当量比力L 2的热声振动强度较小,但是这不能说明贫燃时的热声振动幅度比富燃时的热声振动幅度


大,因为还有一系列的化学当量比没有进行试验。在燃烧功率为300 W时,①一1.0工况4的振动幅度为326 P~Q =1. 2工况4的振动幅度为244垮两者相差达25%。在大燃烧功率时,①-1. 0工况6的振动幅值


为399 P,aQ一1.2工况4的振动幅度为201 Pa两者相差达5 0%。另外,对于试验的3组工况中最大燃烧功率的工况,贫燃和富燃时的振动幅值没有继续上升,反而急剧下降,而化学当量比为1.0时振动幅值


却继续增加,由于质量流量计的量程范围限制,没有进行更高燃烧功率的试验研究。图6给出燃烧温度( rB处温度值潮热声振动幅值随入口速度的变化规律,从中可以看出入口速度作为燃烧系统的一个重


要参数对燃烧温度和热声振动幅值的影响。同一入口速度时,①-Q 81Yj燃烧温度最低,①=1. 0与①=12的燃烧功率基本一致;同一入口速度时,①-1. 0的振动幅值远远大于①一Q 8和①-1. 2的振动幅


值,而巾-Q 8和中一1.2的振动幅值在低入口速度时基本一致。

    (a)    (b)

图5固定化学当量日寸|(a)燃烧温度和

(b)压力幅值随燃烧功率的变化趋势

    (a)    (b)

囹6固定化学当量日寸|(a)燃烧温度和

(b)压力幅值随入口速度的变化趋势

    热声振动强度随功率上升而迅速增大的现象是由生物质燃烧炉内的热释放脉动与声场之间的相互关系造成的。R iike生物质燃烧炉内的非线性源有火焰的热释放和管口的声辐射【71。功率的上升导


致更多的热量转化为声能,同时管口声辐射强度也不断增大,最终的结果是生物质燃烧炉内进入极限周期振荡的状态,此时的极限周期振荡幅值与低功率时的极限周期振荡幅值相比有较大的增加,具体


的数学解释可见参考文献[ 7]0另外,同一燃烧功率不同化学当量的热声振动强度相差很大,这可能是由于火焰面及其下游小部分区域化学组分的变化造成的‘12- 13]。

    图7给出热声振动的主峰频率随燃烧功率和入口速度的变化规律。热声振动频率随着燃烧功率的增加轻微上升,但变化的幅度不大。从图7(a)可见,同一燃烧功率不同化学当量比时频率的变化幅度不


相同,贫燃和富燃时频率随燃烧功率的增加有较大的增加,而化学当量比为LO时频率变化很小。对于试验的3组工况中最大燃烧功率的工况,贫燃和富燃的振动频率有一较大的增加,上文已经提到,此时


的振动幅值并没有继续增加,反而急剧下降。产生的原因我们将在今后采用计箅流体力学方法进行研究。从图7(b)可见,同一入口速度下,中-12的热声振动频率均比①一Q 8YJ振动频率大,而①-L 0时


的振动频率几乎不受入口速度的影响。

    (a)燃烧功率和(b)入口速度的变化趋势

    热声振动频率随燃烧功率的增加轻微上升的现象是由于生物质燃烧炉内的温度升高造成的,从相关的线性理论‘14-1出发,可以推导出R ike生物质燃烧炉内热声振动的频率计算公式,从而得到频率


与温度的关系为&仃、所以,随着燃烧功率的增加,热声振动频率将轻微地升。上文己提到,贫燃和富燃时振动频率随燃烧功率增加而上升的幅度与化学当量比为LO时的上升幅度比要大得多,这可能是由


于Riik~内的非线性造成的[19,我们将在今后的工作中采用计算流体力学来研究这一现象,相关的声场模拟工作可作为参考【17]。另外,在贫燃大燃烧功率④-Q 8功率为431W)时出现了低频大振幅振动


与高频振动并存的现象,这是由于贫燃条件下局部区域的化学当量比波动产生的局部熄火造成的‘”。

3结论

    搭建了R iike型预混生物质燃烧炉热声振动特性试验台架,开发了高速连续并行的实时数据采集程序。试验进行了化学当量比中为Q&L 0和L2的3组工况研究,获得了以下结论:

    1)试验获得的燃烧温度位于611 K-943 K之间;热声振劝频率在440 Hz- 476 H~_间;热声振动声压级位于131  dB- 146  dB之间。

    2) Riike型预混生物质燃烧炉的燃烧温度随燃烧功率的上升而上升,基本上不受化学当量比的影响。

    3)热声振动频率随燃烧功率的增加轻微上升,同一燃烧功率不同化学当量比下的振动频率的变化幅度不相同,贫燃和富燃时频率随燃烧功率的增加有较大的增加,而化学当量比为LO时的振动频率几


乎不受燃烧功率的影响。贫燃大燃烧功率时出现了低频大振幅振动与高频振动并存的现象。

    4)热声振动强度强烈依赖于燃烧功率和化学当量比,同一燃烧功率不同化学当量的热声振动强度相差可达50%。


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点击次数:  更新时间:2017-02-18 13:42:42  【打印此页】  【关闭