燃烧室热源安装表面及内外壁面被动控制方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种燃烧室热源安装表面及内外壁面被动控制方法和装置，属于航空领域，方法包括：构建燃烧室的压力扰动函数；构建描述热源安装表面阻抗的等价单极子源在扩压腔中形成的、描述燃烧室外壁面声衬阻抗的等价单极子源在声衬背腔中形成的以及描述燃烧室内壁面声衬阻抗的等价单极子源在声衬背腔中形成的散射声场函数；基于压力扰动函数和各个散射声场函数通过拉氏变换得到特征方程；根据特征方程的特征解，判断气孔参数组合对燃烧不稳定性的抑制效果，以确定控制燃烧不稳定性的气孔参数设计方案。本发明专利技术的技术方案，可以准确地判断气孔参数对燃烧不稳定性的抑制效果，确定控制燃烧不稳定性的气孔参数优化设计与故障解决方案。障解决方案。障解决方案。

【技术实现步骤摘要】
燃烧室热源安装表面及内外壁面被动控制方法和装置


[0001]本专利技术涉及航空领域，尤其涉及一种燃烧室热源安装表面及内外壁面被动控制方法和装置。

技术介绍

[0002]在发动机燃烧室的内外壁面和热源安装表面会设计均匀分布的圆形气孔，这些气孔一般扮演着两个方面的作用：首先，这些圆形气孔分布在燃烧室的外侧回转壁面，内侧回转壁面以及燃烧室进口的热源安装表面附近。流经压气机和外涵道的冷却气体会通过这些气孔进入到燃烧室中，冷却燃烧室高温高压环境下的壁面温度，在壁面上形成保护气膜，保证壁面结构在燃烧室高温高压的环境下不会受到损害。其次，未经燃烧的新鲜空气通过气孔进入燃烧室中，为燃烧室提供给了新鲜的空气，在冷却燃烧室壁面温度的同时，也保证了燃烧室内燃料充分燃烧所需要的氧气。而实际上，除了冷却壁面温度和保证燃烧室内燃料充分燃烧两个方面的目的，当燃烧室内的压力扰动作用在气孔上，会在气孔附近形成声
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涡能量转换机制，进而将燃烧室内声波的能量耗散掉。于是，这些穿孔板声衬可以作为阻抗边界条件在一定程度上抑制燃烧不稳定性的发生。而燃烧室内发生的燃烧不稳定性频率对这些气孔的参数，如气孔的穿孔率，气孔的半径，平板的厚度以及流经气孔的冷却气流马赫数等是很敏感的。这也意味着在进行昂贵的系统性实验之前，通过可靠的技术方法给出合适的气孔参数范围抑制燃烧不稳定性是很有意义的。
[0003]现有的技术方案由于受到匹配条件的限制，仅能考虑燃烧室内外壁面气孔参数对燃烧不稳定性的影响，而热源安装表面的气孔对燃烧不稳定性的影响很难一同考虑。而实际上，在燃烧室几何空间受限的情况下，热源安装表面的气孔参数与内外壁面声衬参数具有相同的效果，都对控制燃烧不稳定性的发生具有重要的作用。
[0004]此外，新型航空发动机的主燃烧室多采用环形燃烧室的几何结构，地面工业燃气轮机也以环形或罐形燃烧室为主，其共同特点是沿燃烧室的周向方向均匀分布多个旋流器，由于每个旋流器中的流动和燃烧都不尽相同，于是多个旋流器之间会产生不同的火焰响应。而这些非均匀的火焰响应会影响预测燃烧不稳定性的准确性，也会影响到热源安装表面和内外壁面声衬有效控制参数范围。而现有的技术方案则面临难以考虑多个火焰相互干涉对热源安装表面和内外壁面声衬有效抑制燃烧不稳定性带来的挑战。
[0005]同时，受到燃烧室紧凑几何结构、燃烧和冷却需求的影响，在受限的几何空间中很难通过大幅度改变某些参数抑制燃烧不稳定性的发生，这就造成现阶段通过均匀改变内外壁面声衬参数的技术方案有时在抑制燃烧不稳定性问题时仅能发挥很小的作用。
[0006]综上所述，现有技术难以准确预测燃烧不稳定性以及难以抑制燃烧不稳定性。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术中的至少一个技术问题，本专利技术提供了燃烧室热源安装表面及内外壁面被动控制方法和装置，可以更准确地预测热源安装表面、燃烧室外壁面声衬和燃
烧室内壁面声衬的气孔参数组合对燃烧不稳定性的抑制效果，以确定控制燃烧不稳定性的气孔参数。
[0008]本专利技术的第一方面，燃烧室热源安装表面及内外壁面被动控制方法，包括：
[0009]基于由火焰热源引起的压力扰动、由描述热源安装表面阻抗的单极子源引起的压力扰动、由描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源引起的压力扰动和由描述燃烧室内壁面声衬阻抗的单极子源引起的压力扰动构建燃烧室的压力扰动函数；
[0010]构建描述热源安装表面阻抗的等价单极子源在扩压腔中形成的散射声场函数、描述燃烧室外壁面声衬阻抗的等价单极子源在声衬背腔中形成的散射声场函数以及描述燃烧室内壁面声衬阻抗的等价单极子源在声衬背腔中形成的散射声场函数；
[0011]基于所述压力扰动函数和各个所述散射声场函数，通过拉氏变换得到特征方程；
[0012]根据所述特征方程的特征解，判断热源安装表面、燃烧室外壁面声衬和燃烧室内壁面声衬的气孔参数对燃烧不稳定性的抑制效果，以确定控制燃烧不稳定性的气孔参数。
[0013]可选的，所述构建燃烧室的压力扰动函数之前，所述方法包括：
[0014]构建在硬壁边界条件下包含多个正交模态的三维格林函数；
[0015]基于所述三维格林函数描述所述由火焰热源引起的压力扰动、由描述热源安装表面阻抗的单极子源引起的压力扰动、由描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源引起的压力扰动和由描述燃烧室内壁面声衬阻抗的单极子源引起的压力扰动。
[0016]可选的，所述三维格林函数为：
[0017][0018]其中，表示观察点的空间矢量坐标，包含观察点的周向坐标θ，观察点的径向坐标和观察点的轴向坐标，表示观察点的时间坐标，表示源点的空间矢量坐标，包含源点的周向坐标，源点的径向坐标和源点的轴向坐标，表示源点的时间坐标，m、n和h分别表示环形几何中周向、径向和轴向方向上的模态数，表示几何腔体内的气体声速，l表示几何腔体的轴向长度，表示几何腔体在周向、径向和轴向方向的模态数分别为m、n和h时的几何频率，表示对应模态下的积分，和分别表示径向特征值与径向特征函数，i表示虚数单位。
[0019]可选的，所述压力扰动函数为：
[0020][0021]其中，表示燃烧室的压力扰动，表示燃烧室中由火焰热源引起的压力扰动，表示由描述热源安装表面阻抗的单极子源引起的压力扰动，表示由描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源引起的压力扰动，表示由描述燃烧室内壁面声衬阻抗的单极子源引起的压力扰动，表示第i个观察点的空间矢量坐标，表示第i个观察点的时间坐标；
[0022]其中，
[0023][0024][0025][0026][0027]表示燃烧系统中旋流器的个数；
[0028]表示描述热源安装表面阻抗的单极子源个数；
[0029]表示描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源个数；
[0030]表示描述燃烧室内壁面声衬阻抗的单极子源个数；
[0031]表示燃烧室中的气体平均密度；
[0032]表示旋流器出口与燃烧室相交位置的声质点速度；
[0033]表示描述燃烧室中热源安装表面阻抗的单极子源的速度扰动；
[0034]表示描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源的速度扰动；
[0035]表示描述燃烧室内壁面声衬阻抗的单极子源的速度扰动；
[0036]表示关于燃烧室的格林函数；
[0037]表示第i个观察点的空间矢量坐标；
[0038]表示第i个观察点的时间坐标；
[0039]表示第j个旋流器出口的空间矢量坐标；
[0040]表示第j个旋流器出口的时间坐标；
[0041]表示第k个描述热源安装表面阻抗的单极子源的空间矢量坐标；
[0042]表示第k个描述热源安装表面阻抗的单极子源的时间坐标；
[0043]表示第g个描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源的空间矢量坐标；
[0044]表示第g个描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源的时间坐标；
[0045]表示第o个描述燃烧室内壁面声衬本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.燃烧室热源安装表面及内外壁面被动控制方法，其特征在于，包括：基于由火焰热源引起的压力扰动、由描述热源安装表面阻抗的单极子源引起的压力扰动、由描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源引起的压力扰动和由描述燃烧室内壁面声衬阻抗的单极子源引起的压力扰动构建燃烧室的压力扰动函数；构建描述热源安装表面阻抗的等价单极子源在扩压腔中形成的散射声场函数、描述燃烧室外壁面声衬阻抗的等价单极子源在声衬背腔中形成的散射声场函数以及描述燃烧室内壁面声衬阻抗的等价单极子源在声衬背腔中形成的散射声场函数；基于所述压力扰动函数和各个所述散射声场函数，通过拉氏变换得到特征方程；根据所述特征方程的特征解，判断热源安装表面、燃烧室外壁面声衬和燃烧室内壁面声衬的气孔参数对燃烧不稳定性的抑制效果，以确定控制燃烧不稳定性的气孔参数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建燃烧室的压力扰动函数之前，所述方法包括：构建在硬壁边界条件下包含多个正交模态的三维格林函数；基于所述三维格林函数描述所述由火焰热源引起的压力扰动、由描述热源安装表面阻抗的单极子源引起的压力扰动、由描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源引起的压力扰动和由描述燃烧室内壁面声衬阻抗的单极子源引起的压力扰动。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述三维格林函数为：；其中，表示观察点的空间矢量坐标，包含观察点的周向坐标θ，观察点的径向坐标和观察点的轴向坐标，表示观察点的时间坐标，表示源点的空间矢量坐标，包含源点的周向坐标，源点的径向坐标和源点的轴向坐标，表示源点的时间坐标，m、n和h分别表示环形几何中周向、径向和轴向方向上的模态数，表示几何腔体内的气体声速，l表示几何腔体的轴向长度，表示几何腔体在周向、径向和轴向方向的模态数分别为m、n和h时的几何频率，表示对应模态下的积分，和分别表示径向特征值与径向特征函数，i表示虚数单位。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力扰动函数为：；其中，表示燃烧室的压力扰动，表示燃烧室中由火焰热源引起的压力扰动，表示由描述热源安装表面阻抗的单极子源引起的压力扰动，表示由描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源引起的压力扰动，表示由描述燃烧室内壁面声衬阻抗的单极子源引起的压力扰动，表示第i个观察点的空间矢量坐标，表示第i个观察点的时间坐标；其中，
、、、，表示燃烧系统中旋流器的个数；表示描述热源安装表面阻抗的单极子源个数；表示描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源个数；表示描述燃烧室内壁面声衬阻抗的单极子源个数；表示燃烧室中的气体平均密度；表示旋流器出口与燃烧室相交位置的声质点速度；表示描述燃烧室中热源安装表面阻抗的单极子源的速度扰动；表示描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源的速度扰动；表示描述燃烧室内壁面声衬阻抗的单极子源的速度扰动；表示关于燃烧室的格林函数；表示第i个观察点的空间矢量坐标；表示第i个观察点的时间坐标；表示第j个旋流器出口的空间矢量坐标；表示第j个旋流器出口的时间坐标；表示第k个描述热源安装表面阻抗的单极子源的空间矢量坐标；表示第k个描述热源安装表面阻抗的单极子源的时间坐标；表示第g个描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源的空间矢量坐标；表示第g个描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源的时间坐标；表示第o个描述燃烧室内壁面声衬阻抗的单极子源的空间矢量坐标；表示第o个描述燃烧室内壁面声衬阻抗的单极子源的时间坐标。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述描述热源安装表面阻抗的等价单极子源在扩压腔中形成的散射声场函数为：
；所述描述燃烧室外壁面声衬阻抗的等价单极子源在声衬背腔中形成的散射声场函数为：；所述描述燃烧室内壁面声衬阻抗的等价单极子源在声衬背腔中形成的散射声场函数为：；表示描述热源安装表面阻抗的等价单极子源在扩压腔中形成的散射声场；表示描述燃烧室外壁面声衬阻抗的等价单极子源在外侧声衬背腔中形成的散射声场；表示描述燃烧室内壁面声衬阻抗的等价单极子源在内侧声衬背腔中形成的散射声场；表示第i个观察位置的空间矢量坐标；表示第i个观察位置的时间坐标；表示描述热源安装表面阻抗的单极子源个数；表示描述燃烧室外壁面声衬阻抗的单极子源个数；表示描述燃烧室内壁面声衬阻抗的单极子源个数；表示扩压腔中的气体平均密度；表示燃烧室外壁面声衬背腔中的气体平均密...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓峰，秦蕾，程荣辉，张光宇，刘宝，王晓宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：