面向航空发动机燃烧振荡主动控制的火焰温度探测方法研究

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航空发动机燃烧室燃烧振荡问题可以通过主动控制方法(ACC)进行抑制,进而起到降低污染物排放、提高航空发动机效率以及避免损坏燃烧室甚至发动机整机的风险的作用。主动控制的前提是获得燃烧过程的特征参数,热释放率就是其中的关键参数,而火焰温度可以反映燃烧过程的热释放率。本文研究了一种基于光电二极管的新型火焰温度传感器,并成功在燃烧振荡主动控制试验中加以应用。论文的具体内容如下。(1)基于光谱辐射的温度传感器设计理论分析。针对航空发动机燃烧室内高温高压的特殊环境,选择光谱辐射测温方法;以丙烷在压缩空气中燃烧为例,选择羟基的发射光谱(305-315nm)进行研究;利用光谱仿真软件LIFBASE得到温度与光谱强度比值的反演表达式,拟合误差在5%以内。(2)基于碳化硅光电二极管设计了火焰温度传感器。利用镀膜实现光谱波段选择,进而获得用于温度反演的两波段光谱信号。针对目标光谱强度幅值小、信噪比低的特点,设计了信号放大电路和滤波电路。采用ADA4817设计了双级放大电路,其中初级放大器是增益为180d B的跨阻放大器,后级放大器增益为20d B;为了抑制50Hz工频干扰和大量高频噪声,设计了100-2000Hz的巴特沃斯带通滤波器。利用稳定光源对传感器的响应特性测试表明,阶跃响应的上升时间为0.3ms,-3d B带宽为747Hz,可以满足试验要求。(3)温度传感器的温度探测试验。选择丙烷作为燃料,搭建了包含气路单元、燃烧单元和光谱仪的温度标定试验平台;设置不同的油气比,得到不同的火焰温度,记录有镀膜和无镀膜两个波段的传感器输出电压值与光谱仪测量的光强参数;基于光谱仪测量的光强对传感器的输出电压进行标定,利用比色法得到的反演公式由光强之比计算出对应的温度,最终得到不同油气比下火焰温度的数值。(4)基于温度传感器的燃烧振荡主动控制试验。在温度标定试验平台的基础上增加了控制器模块,搭建了一套主动燃烧振荡控制试验系统,在贫油工况下成功激励出燃烧振荡现象,基于所设计的温度传感器对燃烧振荡特征进行探测。对设计的比例增益为1的反向比例控制器进行数字仿真,振荡信号的幅值被抑制了60d B;在搭建的燃烧系统中,引入反向比例控制器1.2s后,振荡幅度抑制可达20d B,成功实现了燃烧振荡的主动抑制。
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