本发明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(nox)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nox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。
从目前公开的文献看，开展旋流火焰研究的试验设备存在功能单一，存在工况参数无法灵活设置或主要功能部件无法拆分替换的特点。2014年李仁府等人设计了一种旋流燃烧室实验装置(授权公告号为cn203849024u)，包括气流供给系统、燃油供给系统、旋流实验件和测试系统，用于测试不同旋流器、油气比和气流速度对三维速度矢量分布、温度分布和尾气组分的影响，判断和改进旋流燃烧室的性能和结构。但该装置仅能模拟不同油气比下的旋流燃烧情况，不能对不同的燃烧模式进行模拟，也未涉及对热声振荡的模拟，功能单一。2017年，杨瑶等人设计了一种测量旋流燃烧器热声传递关系的装置(授权公告号为cn207019906u)，包括配气室、燃烧室、旋流燃烧器、声振器、热线风速探头、光电倍增管和高速相机，用于测量声学激励对火焰形态和反应放热速率的影响，从而研究旋流燃烧器热声耦合的热声传递关系。但该装置仅能研究预混燃烧模式下声学激励对旋流燃烧的影响，未涉及其他燃烧模式，将预混燃料直接通入配气室，存在燃料回火风险。同时预混燃料可能进入下游的声场激励器内部，引起装置的损坏和危险。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有技术存在的旋流燃烧热声振荡试验装置功能单一、试验参数范围受限、存在预混燃料回火风险的问题，提供一种用于旋流燃烧热声振荡特性研究的模块化试验装置，该装置具有能模拟预混燃烧状态、扩散燃烧状态和混合燃烧状态下旋流燃烧流场特征及旋流燃烧的热声振荡特性，可有效防止火焰回传，采用模块化设计，可更换各主要功能部件，可灵活调节试验工况参数、声场条件、喷注位置。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于旋流燃烧热声振荡特性研究的模块化试验装置，包括自下而上排列的扬声器段、空气驻室段、旋流器段、开窗燃烧段和燃烧室延长段以及管道系统。
所述扬声器段内部设有扬声器；所述空气驻室段内型面呈收缩状，内部设有整流格栅，下部同一水平面上设有一个管道入口和对称分布的多于一个空气入口，上部设有上部法兰，所述上部法兰与空气驻室外壁面套合形成的环形间隙构成集气环腔，所述集气环腔通过喷孔与所述空气驻室段内腔相通和；所述的旋流器段包括旋流器套筒和旋流器，所述旋流器同轴套合于所述旋流器套筒内形成整体叠套，其上部伸入所述开窗燃烧段内；所述开窗燃烧段包含开窗燃烧室框架、燃烧室壁面平板和开窗盖板，所述燃烧室壁面平板上设有点火电极；各段之间依次采用法兰紧固同轴连接。
所述管道系统包括空气输送管道、预混燃料管道、扩散燃料管道和开窗燃烧段燃料喷注管道；所述空气输送管道与所述空气入口相连接；所述预混燃料管道与所述集气环腔相连接；所述扩散燃料管道通过所述管道入口进入到所述空气驻室段，连接到设于所述开窗燃烧段内的扩散燃料喷嘴；所述开窗燃烧段燃料喷注管道与所述燃烧室壁面平板上设置的喷注孔相连接。
优选地，所述空气输送管道包括空气接口法兰、空气直管道、空气抱环和空气入口分支，所述空气直管道一端与所述空气接口法兰相连，一端与所述空气抱环的外侧壁相连；所述空气抱环为开口环状，环的内侧壁的对称位置分别与四个所述空气入口分支相连；所述空气入口分支与在所述空气驻室段下部对称设置的四个所述空气入口相连接。
优选地，所述预混燃料管道包括预混燃料输运管道、预混燃料抱环和预混燃料径向支管构成，管道之间通过焊接或螺纹锁紧紧密封连接；所述预混燃料径向支管与所述集气环腔连接。
优选地，所述扩散燃料管道包括扩散燃料水平输运管、扩散燃料垂直输运管和扩散燃料喷嘴；所述扩散燃料水平输运管穿过所述管道入口与所述扩散燃料垂直输运管相连，所述扩散燃料水平输运管与所述空气驻室外壁面通过螺母和垫片压紧密封；所述扩散燃料垂直输运管穿过整流格栅和旋流器的中心，与所述扩散燃料喷嘴连接。
优选地，所述旋流器包括旋流器支架、旋流叶片和旋流轮毂；所述旋流叶片呈一定斜角分布，所述旋流叶片的大小、数目和角度保证轴向上不透光。
优选地，所述燃烧室壁面平板有两种，分别为石英玻璃材质和金属材质制成；所述石英玻璃材质燃烧室壁面平板用于火焰观测，所述金属材质燃烧室壁面平板的壁面设有阵列孔，用作燃料喷注孔和点火电极孔。
优选地，所述点火电极包括点火电极针、点火电极绝缘体、点火针外套和电极锁紧螺母，所述点火电极针可在所述点火电极中轴向移动；所述点火电极可布置于所述燃烧室壁面平板的壁面阵列孔的不同孔中。
优选地，在所述扬声器段和所述空气驻室段之间设置有隔热垫。
优选地，本发明用于旋流燃烧热声振荡特性研究的模块化试验装置还包括一个底座，所述扬声器段、所述空气驻室段、所述旋流器段、所述开窗燃烧段和所述燃烧室延长段整体垂直安装在所述底座上。
通过上述技术方案，主体部分采用垂直方式安装，采用模块化设计，各部件之间采用法兰连接，可方便拆卸。扬声器段内安装有扬声器，对主流空气施加一定频谱特性的声学特征。空气驻室段用于对抱环分支入口的空气进行汇集整流。旋流器段可安装不同结构特征的轴流式旋流器，对空气施加切向分量。开窗燃烧段用于旋流燃烧过程的组织，采用矩形四面开窗设计，便于火焰观测。燃烧室延长段用于尾气排放或对主流空气进行节流，控制主流速度和燃烧室压力。主体功能部件组合安装后固定放置在安装底座上。管道系统包括空气输送管道和三类燃料输送管道，分别为预混燃料供应管道、扩散燃料供应管道、开窗段燃烧室供应管道。空气输送管道用于向空气驻室输送空气和形成流场，三类燃料输送管道通过不同喷注位置的选择，可实现旋流预混火焰、旋流扩散火焰及其混合模式下的燃烧，且没有回火风险。同时，在这些旋流火焰的配合下，可实现在开窗燃烧室实现二次火焰的燃料横向喷注和燃烧。
本发明的试验装置具有如下优点：
1、采用模块化设计思路，主要功能零部件采用分立式设计，可灵活拆卸和快速更换，能够适应试验功能的多样化需求，大大节约试验成本和试验准备周期。
2、底部设置扬声器对来流空气施加声场扰动，通过控制声场的频率、振幅、波形、功率等参数，调制出不同的燃烧室声场特征，能满足燃烧室声学振荡机理、燃烧室振荡抑制方法等门类的试验研究。
3、旋流器部件可以灵活拆卸，可根据试验需要更换不同旋流数、不同叶片尺寸等结构参数的旋流器，以此获得不同旋流流动特征的流动条件。
4、设置多个燃料喷注入口，试验时通过不同喷注位置的选择，可实现预混、扩散及其混合模式下的多种旋流火焰工作模式，预混燃烧模式下没有回火风险。
5、燃烧室采用分段设计，由开窗燃烧段和燃烧室延长段构成，之间通过法兰连接，开展试验时可以根据试验需要，灵活选择和更换不同长度和面积收缩特征的延长段。
6、开窗燃烧段采用矩形四面开窗设计，通过石英玻璃材质燃烧室壁面平板，可实现燃烧火焰的全周向光学测量，获得全方位的火焰振荡特性光学流场诊断数据。
7、开窗燃烧段的金属材质燃烧室壁面平板上预设阵列式安装孔，用于压力测点的布置或点火电极的安装，并可实现点火位置的灵活调节。
附图说明
下列附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，其与下述的具体实施方式一起用于解释本发明，但本发明的保护范围并不局限于下述附图及具体实施方式。在附图中：
图1是本发明的试验装置外观示意图；
图2是本发明的试验装置剖面示意图；
图3是图2中圆圈a部分的局部放大图；
图4是旋流段部分外观立体图；
图5是旋流段部分剖面示意图；
图6是开窗燃烧段结构示意图；
图7是金属材质燃烧室壁面平板示意图；
图8是图7的a-a向剖视图；
图9是空气输送管道结构示意图；
图10是预混燃料输运管道主要结构示意图；
图11是扩散燃料管道及附近主要结构示意图；
图12是点火电极结构示意图。
附图标记说明
1空气驻室段2燃烧室延长段
3开窗燃烧段4旋流器段
5扬声器段6底座
7管道系统8点火电极
11空气驻室外壁面12整流格栅
13管道入口14空气入口
15上部法兰16集气环腔
17喷孔18隔热垫
19下部法兰31开窗燃烧室框架
32燃烧室壁面平板33开窗盖板
311开窗燃烧法兰41旋流器套筒
42旋流器421旋流器支架
422旋流叶片423旋流轮毂
51扬声器52扬声器段外壁面
53隔腔54扬声器鼓膜面
61安装底座台面62安装底座支腿
63安装底座固定脚71空气输送管道
711空气接口法兰712空气直管道
713空气抱环714空气入口分支
72预混燃料管道721预混燃料输运管道
722预混燃料抱环723预混燃料径向支管
73扩散燃料管道731扩散燃料水平输运管
732扩散燃料垂直输运管733扩散燃料喷嘴
74开窗燃烧段燃料喷注管道81点火电极针
82点火电极绝缘体83点火针外套
84电极锁紧螺母
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，本发明的保护范围并不局限于下述的具体实施方式。
图1是本发明的试验装置一个实施例的外观示意图。试验装置主体部分采用垂直方式安装，自下而上包括扬声器段5、空气驻室段1、旋流器段4、开窗燃烧段3、燃烧室延长段2。各段之间采用法兰连接，可方便装卸。各段的各个部分可预先设置安装孔，布置测温、测压等监测器件，用于获得内部的流场和声场信息。试验装置主体部分安装在安装底座6上。燃烧室延长段2可采用等面积截面设计、收缩设计或配合尾气排泄的需要用于燃烧废气排放。采用截面收缩设计时，收缩面积的大小可用于调节开窗燃烧段3内空气的流速和压力大小。试验装置的管道系统7包含四类管道，分别为空气输送管道71，预混燃料管道72，扩散燃料管道73，开窗燃烧段燃料喷注管道74。其中空气输送管道71用于为试验段提供所需的主流空气，空气输送管道接口与空气气源管道之间采用标准法兰结构，空气流量根据燃烧室所需要的空气的流速范围的大小而选定，燃烧室的流速范围可在0～150m/s之间调节。预混燃料管道72用于提供形成预混燃烧条件所需的燃料喷注供应通道。扩散燃料管道73用于提供形成扩散燃烧条件所需要的燃料喷注供应通道。开窗燃烧段燃料管道74用于在开窗燃烧段的不同位置提供燃料喷注的供应通道。各燃料管道可根据试验需要同时或各自进行燃料供应，燃料流量通过在上游管路中设置的流量控制器或比例阀等设备进行精确控制。
图2是本实施例的剖面示意图。空气驻室段1采用收缩型通道，内部安装有空气整流格栅12和扩散燃料管道73。整流格栅12可拆卸更换，试验中根据需要选择不同透光率的格栅型号。整流格栅用于将大尺度涡结构打碎成小尺度结构，提高流场均匀性品质。空气驻室段1的下部同一水平面上设有一个管道入口13和四个空气入口14，四个空气入口14在空气驻室外壁面11的水平面上对称分布。如图3所示，空气驻室段1的上部法兰15和空气驻室外壁面11套合形成的环形间隙构成预混燃料的集气环腔16，集气环腔16的内壁开有预混燃料的喷孔17。如图3所示，本实施例采用整体式焊接结构。在需要对预混燃料的喷孔进行更换的情形下，空气驻室段1的上部法兰15与空气驻室外壁面11之间也可采用法兰连接的分离式设计，并实现预混燃料的集气环腔16的良好密封。预混燃料的喷注位置由于设置在空气驻室段1的收缩型面位置，流动速度高，一方面有利于燃料和空气的快速掺混，另一方面可有效防止预混燃料回火现象的发生。
如图3所示，旋流器段4压紧于开窗燃烧段3和空气驻室段1之间，采用紧固螺栓依次穿过空气驻室段上部法兰15和开窗燃烧室法兰311的法兰孔，对准锁紧连接，端面接触部位开密封槽，并放置密封垫圈。旋流器段4由旋流器套筒41和旋流器42套合组成。如图4、图5所示，旋流器42包括旋流器支架421、旋流叶片422和旋流轮毂423三部分，各部分之间采用焊接或整体加工形成。旋流叶片422的形状参数包括旋流角、叶片数等，不同的形状参数的组合可形成不同旋流数。旋流轮毂423内部有燃料供应通道，用于扩散燃料的输运，端部连接扩散燃料喷嘴733。扩散燃料喷嘴733可根据试验工况的需求进行灵活更换。
开窗燃烧室段3采用四面矩形开窗设计。如图6所示，燃烧室壁面平板32扣合在开窗燃烧室框架31上，围拢成矩形的旋流燃烧空间。开窗段的窗口可根据试验需要，选择石英玻璃材质燃烧室壁面平板32和/或不锈钢材质燃烧室壁面平板32。选用石英玻璃时，试验过程中可采用光学手段对燃烧火焰进行观测和测量。可兼容的光学测量设备包括但不限于plif、piv、tdlas、高速相机火焰成像等手段。如图7、图8所示，金属材质燃烧室壁面平板32可采用不锈钢等制成，根据试验需要在不同位置设置阵列孔，用于点火电极和喷注器的安装。如图2所示，燃烧室壁面的两相对面可布置点火电极对8，并可通过壁面上阵列排布的安装孔进行上下调节，以实现不同点火位置的选择。点火电极结构如图12所示，点火电极针81由绝缘体82包覆后套合在点火针外套83中，同时被电极锁紧螺母锁紧固定。点火电极可以横向移动调节。阵列孔除了可以安装电极外，也可以安装燃料喷注器。燃料喷注器的位置可以根据试验需要而调整。在开窗燃烧段进行燃料喷注，可以实现在旋流火焰的配合下的二次火焰燃料的掺混或燃烧研究。
如图2所示，扬声器段5与空气驻室段1通过空气驻室段下部法兰19之间通过螺栓连接，连接截面处采用隔热垫18隔开，防止燃烧室产生的热量向扬声器产生热传导作用。扬声器51采用市场上成熟的产品，放置在扬声段的容腔内，扬声器鼓膜面54朝向空气驻室段1。扬声器51与扬声器段外壁面52之间的间隙隔腔53采用隔音棉或其它软性材料充填，防止产生回音反射。扬声器的信号接线通过在外壁面开孔与外部的信号功率放大器相连，功率大小可调。采用信号发生器产生所需频率、振幅和波形特征的声学信号。
安装底座6用于托放试验装置的主体部分。安装底座台面61和安装底座固定脚63之间通过安装底座支腿62固定，之间采用螺栓紧固连接，螺栓之间的间隙可用于将平台调整至水平位置。
图9是空气输送管道结构示意图，空气输送管道71包括依次连接的空气接口法兰711、空气直管道712、空气抱环713和空气入口分支714。空气抱环713为开口环状；空气入口分支714有四个，对称分布于空气抱环713的内侧。空气入口分支714连接于空气驻室段上的空气入口14，如图2所示，空气经空气输送管道71由空气入口14进入空气驻室内。经空气整流格栅12的整流作用后进入驻室的收缩段。在此过程中，驻室下部安装的扬声器鼓膜面54的振动作用对空气施加一定频率和振幅特征的声场脉动。空气经整流后经驻室的收缩段进入旋流器段4。空气流经不同旋流数特征的旋流器后在下游开窗燃烧室区域形成不同旋流流型结构的流场特征。
如图2、图11所示，扩散燃料管道73的扩散燃料水平输运管731横向穿过空气驻室段1上的管道入口13后，在空气驻室的中心轴线位置偏折90度角，并沿中心轴线向旋流器段4延伸，形成扩散燃料垂直输运管732。扩散燃料垂直输运管732穿越整流格栅12的中心和旋流器42的中心与扩散燃料喷嘴733相连接。扩散燃料喷嘴733可选用成熟的商业用气体喷嘴或雾化喷嘴，采用螺纹连接，可拆卸可更换。燃料管道直接采用锥形密封面通过螺纹压紧密封，各组件之间可拆卸，可更换和维修。扩散燃料水平输运管731与管道入口13之间的间隙通过螺母和垫片压紧密封。
如图10所示，预混燃料管道72由预混燃料输运管道721、预混燃料抱环722和预混燃料径向支管723依次连接构成，管道之间通过焊接或螺纹锁紧紧密封连接；预混燃料径向支管723与空气驻室段1上部的集气环腔16相连接。燃料经预混燃料输运管道721后进入预混燃料抱环722，再经预混燃料径向支管723进入集气环腔16，通过预混燃料喷孔17进入空气驻室段1。
预混燃料的喷孔17以环形圆周阵列的方式布置在驻室的壁面上。喷孔17的数量根据燃料流量和穿透高度的需要进行设计。喷孔17的形状可为径向直孔或斜切孔，燃料经喷孔17进入旋流器通道后与空气快速掺混并向下游燃室输运，形成燃料和空气的预混气流。燃料自喷注点至旋流叶片之间的距离决定了燃料的预混程度，该段距离可参照空气收缩管道内的流速大小进行优化设计。
本实施例的工作原理如下：空气进入空气驻室段1后，在扬声器51鼓膜振动的扰动作用下，获得一定频谱特征的声学特征量。经过整流格栅12的整流作用，大尺度涡被打碎，空气获得轴向的速度分量，流场速度、涡尺度特征等宏观流场的均匀性品质得到提升。整流后的空气沿驻室收缩段进入旋流器段4，速度进一步提高，由于旋流叶片422的阻挡作用改变方向，使主流空气获得一个切向分量。空气进入开窗燃烧室后形成了典型的旋流燃烧流场。不同的叶片旋流数下将获得不同旋流流场的定常特征和旋流涡破碎的非定常特征。燃料可选用气态燃料或液态燃料。不同的燃料喷注位置的选择意味着不同的燃烧模式。在预混燃烧模式下，燃料通过预混燃料管道72供应，在空气驻室段1的收缩位置处的喷孔17喷注，与主流进行掺混，经过一定的混合距离后，燃料和空气混合性能不断提升，经过旋流叶片422的搅拌作用后形成更加充分的预混合状态，点火后形成预混燃烧状态。扩散燃料管道73中的燃料在旋流轮毂423末端的扩散燃料喷嘴733喷注时，燃料直接与主流旋流空气进行掺混，经点火后形成的是非预混扩散火焰。试验中两种喷注位置的配合适用，可形成预混和扩散燃烧两种条件下的混合燃烧模态。开窗燃烧段燃料喷注管道74中的燃料在开窗燃烧段3的壁面上横向喷注时，可实现横向混合的扩散燃烧，在旋流火焰的配合下可用于开展二次火焰燃料的掺混或燃烧研究。开窗燃烧段3采用全开窗设计，燃烧火焰的光辐射信号透过石英玻璃材质的燃烧室壁面平板32，可被piv、tdlas、plif等光学诊断系统的探测部件接收。
从以上描述可以看出，本发明的试验装置具有如下优点：
采用模块化设计思路，主要功能零部件采用分立式设计，可灵活拆卸和快速更换，能够适应试验功能的多样化需求，大大节约试验成本和试验准备周期。
通过底部设置的扬声器51对来流空气施加声场扰动，通过控制声场的频率、振幅、波形、功率等参数，调制出不同的燃烧室声场特征，能满足燃烧室声学振荡机理、燃烧室振荡抑制方法等门类的试验研究。
旋流器42部件可以灵活拆卸，可根据试验需要更换不同旋流数、不同叶片尺寸等结构参数的旋流器，以此获得不同旋流流动特征的流动条件。
设置多个燃料喷注入口，试验时通过不同喷注位置的选择，可实现预混、扩散及其混合模式下的多种旋流火焰工作模式，预混燃烧模式下没有回火风险。
燃烧段采用分段设计，由开窗燃烧段3和燃烧室延长段2构成，之间通过法兰连接，开展试验时可以根据试验需要，灵活选择和更换不同长度和面积收缩特征的延长段。
开窗燃烧段3采用矩形四面开窗设计，通过更换石英玻璃材质燃烧室壁面平板32，可实现燃烧火焰的全周向光学测量，获得全方位的火焰振荡特性光学流场诊断数据。
通过在金属材质燃烧室壁面平板32上预设的阵列式安装孔，用于压力测点的布置和/或点火电极8的安装，并可实现点火位置的灵活调节。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。