基于聲學特征信號提取的燃燒不穩定性試驗研究

杜 軍，文 璧

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川綿陽 621000)

1 引言

燃燒不穩定是航空發動機燃燒室中一種比較常見的現象，大多數航空發動機的燃燒室在慢車及慢車以下狀態運行時會出現燃燒不穩定現象，特別是低排放燃燒室。燃燒不穩定發生時會產生大幅度的壓力波動和速度振蕩，進而造成推力振蕩、燃燒室壁面熱應力增加、熄火和回火現象等，直接影響燃燒室的燃燒效率，使發動機的性能參數發生變化。燃燒室長期工作在燃燒不穩定狀態下，會產生疲勞損傷，造成結構破壞。目前，航空發動機正朝著低污染、低排放的方向發展，燃燒不穩定性已成為該領域的一個重要研究熱點。

國外很早就開始了燃燒不穩定性研究，其主要內容包括基礎理論、影響因素、不穩定診斷方法、不穩定控制方法等。Rayleigh[1]研究了燃燒不穩定的驅動機制(即瑞利準則)，認為熱釋放波動與聲學壓力波動的相位滿足一定關系時，不穩定燃燒振蕩將會被放大。Lieuwen等[2]通過對預混燃燒室燃燒不穩定機制的研究，獲得了當量比波動對燃燒不穩定的影響特性。Nair等[3]研究了燃燒不穩定性的先兆及預警方法，總結了三種判斷燃燒不穩定的方法，為燃燒不穩定性診斷提供了參考。Lang等[4]運用外部聲激勵方法對燃燒不穩定性進行主動控制，獲得了可以應用于燃燒不穩定性控制的方法。此外，美國很多年前就在其飛機推進研究計劃中開始了對先進軍用發動機燃燒系統燃燒不穩定現象的研究，并將研究結果引入到航空發動機燃燒室設計之中。國內在燃燒室燃燒不穩定性方面也做了些研究工作。如Han等[5-6]研究了擴壓器對燃燒不穩定的影響，結果表明燃燒不穩定在有擴壓器時沒有明顯的振蕩，而沒有擴壓器時會有強烈的振蕩；對高溫高壓環境下的LPP燃燒室進行了燃燒不穩定試驗研究，獲得了燃燒不穩定發生時的特征頻率現象，并對產生特征頻率的原因進行了詳細分析。但國內研究多停留在基礎研究上，工程應用研究較少。

大量研究[7-11]表明，燃燒不穩定的主要特征是燃燒室某階聲模態下的大幅度波動現象，主要包括縱向模態、橫向模態(徑向、角度模態)。本文對某型燃燒室進行了燃燒不穩定狀態下的聲學測試，并運用特征頻率信號加強的奇異值分解方法對特征信號進行提取，獲得了該型燃燒室不穩定燃燒時的聲波傳播特性。

2 測試方案

燃燒不穩定性試驗在高溫高壓燃燒室試驗器上進行。試驗件為單級旋流多點噴射單頭部燃燒室，其具體結構及聲學測試截面見圖1，測試截面坐標見圖2。其中，Ⅰ～Ⅳ截面均在水平方向布置單測點，Ⅴ截面周向均布10個測點，以此獲得聲波的縱向和周向傳播情況。聲學測試采用聲壓測量方式。由于燃燒室的高溫、高壓環境，聲壓傳感器受限于使用溫度而無法直接安裝在燃燒室上進行聲壓測量，因此采用了一種間接測量方法，即通過水冷聲波導管將燃燒室內部聲學壓力傳遞到外部室溫條件下的聲壓傳感器中進行測量。聲波導管的存在改變了測試系統的聲學動態特性，使得測點處的聲壓與實際采集到的聲壓有差異(主要是幅值及相位差異)，需要對聲波導管進行動態特性標定，獲得其動態特性，對測試結果進行修正。聲波導管安裝方式見圖3，其動態特性標定結果見圖4。

圖1 燃燒室結構及聲學測試截面Fig.1 The combustor structure and acoustic test sections

圖2 測試截面坐標Fig.2 The coordinates of test sections

圖3 聲波導管安裝方式Fig.3 The installation mode of acoustic waveguide

圖4 聲波導管動態特性標定結果Fig.4 The dynamic characteristics of acoustic waveguide

3 燃燒不穩定特征分析

3.1 信號頻譜分析

對各測點采集到的聲壓數據進行頻譜分析，發現各測點均出現了明顯的離散單音特征頻率伴隨高階倍頻的現象。由于各測點的頻譜結構一致，因此只選取單一測點的頻譜作為代表。圖5為Ⅱ截面聲壓測點頻譜，可看出該頻譜存在270 Hz的特征頻率及倍頻。因此，可認為270 Hz聲學特征頻率是由燃燒不穩定產生的。為研究燃燒不穩定時的聲波傳播情況，需要對其聲學特征信號進行分析。

圖5 Ⅱ截面測點頻譜Fig.5 The spectrum of the Ⅱsection measuring point

3.2 特征信號提取

從測試信號中提取特征信號之前，先應用圖4中的聲波導管動態特性對測試數據進行修正還原處理，得到測點處的真實聲壓數據，然后再應用特征頻率信號加強的奇異值分解方法提取特征信號。該方法能有效地保留特征信號的幅值及相位特性，主要思路(圖6)為：在原始信號X(i)中加入一個與待提取特征頻率f(i)一致的強信號Y(i)形成重組信號C(i)，然后應用奇異值分解方法獲得特征分量信號T(i)，最后從特征分量信號中減去強信號Y(i)得到提取的特征信號W(i)。圖7、圖8分別為Ⅱ截面測點提取的270 Hz特征信號與修正還原后信號的時域及頻域對比結果。從圖中可看出，提取的270 Hz特征信號與修正還原后的信號吻合度很好，很好地保留了信號的相位特性，且提取后的270 Hz特征信號幾乎沒有改變幅值，很好地保留了信號的幅值特性。

圖6 特征頻率信號加強的奇異值分解方法Fig.6 The SVD method based on characteristic frequency signals enhancement

圖7 提取特征信號與修正后信號的時域對比Fig.7 The time domain comparison of characteristic signals extracted and corrected

圖8 提取特征信號與修正后信號的頻域對比Fig.8 The frequency domain comparison of characteristic signals extracted and corrected

3.3 聲波傳播分析

通過上述特征信號提取方法獲得各個測點的特征信號，并進行二維聲波波形繪制。周向聲波時序圖可以反映燃燒不穩定時聲波在周向上的傳播情況，而縱向聲波時序圖可以反映燃燒不穩定時聲波在軸向上的傳播情況。圖9、圖10分別為周向及縱向聲波時序圖，其中縱坐標代表測點位置，不同顏色代表聲壓大小(暖色代表波峰，冷色代表波谷)。

圖9 周向聲波時序圖Fig.9 The sequence diagram of circumferential acoustic waves

圖10 縱向聲波時序圖Fig.10 The sequence diagram of longitudinal acoustic waves

從圖9可看出，波峰與波谷平行，且同一時間到達各個測點，不存在相位差，表明該型燃燒室燃燒不穩定時沒有出現周向模態。從圖10可看出，波峰與波谷在時間軸上呈現出弧形，且波峰及波谷最早出現位置在軸向位置300～350 mm之間。該位置對應于燃燒室火焰筒內的火焰區域，即火焰區域是聲源起始位置。由于Ⅰ截面位置(軸向位置0 mm處)距聲源位置相對于其他測點更遠，因此該位置衰減較多，表現為聲壓較小。根據以上分析可得到，燃燒不穩定發生時的聲波傳播為縱向傳播，且整個波形呈弧形，同一時間截面上只有一個波峰和波谷，證明為一階模態，即燃燒不穩定發生時的聲模態為一階縱向模態。

4 結論

應用基于特征頻率信號加強的奇異值分解方法，對某型航空發動機燃燒室燃燒不穩定時的聲學特征進行了分析，得到以下主要結論：

(1) 應用聲波導管間接測量燃燒室聲學信號，需要對聲波導管進行動態標定以修正還原測試數據。

(2) 基于特征信號加強的奇異值分解方法能很好地保留特征信號的幅值及相位特征，可應用于航空發動機燃燒室燃燒不穩定測試信號的提取。

(3) 該型航空發動機燃燒室燃燒不穩定時產生的明顯聲學特征信號，主要為離散單音特征頻率伴隨著高階倍頻。燃燒不穩定發生時的聲源位置位于火焰筒內的火焰區域，聲波傳播為縱向傳播，聲模態為一階縱向模態。