一种新型燃烧不稳定智能抑制器
技术领域
本发明属于燃烧领域，涉及一种燃烧不稳定抑制器，具体是一种新型燃烧不稳定智能抑制器。
背景技术
近年来人们逐渐关注燃烧低污染排放问题，而贫燃料燃烧技术在降低排放方面具有较大的发展潜力，但这使得燃料燃烧对于声波扰动变得更加敏感，容易发生燃烧不稳定现象。燃烧不稳定现象广泛存在于燃气轮机燃烧室、火箭发动机以及锅炉等燃烧系统中。燃烧火焰等产生的声波扰动经过系统边界反射到达火焰位置后进一步对火焰进行干扰，当火焰热释放脉动与声波同相位（相位差小于90°）时两者相互耦合、相互驱动，产生幅值较大的振荡声波，其不仅增加了燃烧熄火的风险，还会对燃烧系统造成严重的结构破坏。
综上所述，燃烧不稳定是声波脉动与火焰脉动之间的相互耦合引起的，因此不同学者研究了不同种控制方法以降低热释放脉动，同时通过吸收声波能量来降低燃烧不稳定的发生风险或者降低振荡压力的脉动幅值。对于燃烧不稳定的控制方法主要分为主动控制和被动控制。在燃烧不稳定主动控制中控制系统根据采样的振荡压力信号通过动作器（高频电磁阀或者扬声器等）向燃烧系统内输入控制能量对声波或者火焰进行干扰；而在燃烧不稳定被动控制中则不需要额外向被控系统中输入能量，往往会由于被动控制器的加入改变了原始系统的特性，使得原始系统的燃烧不稳定现象得到消除或者减弱。
一种典型的燃烧不稳定被动控制器为亥姆霍兹共振器，其由短管和声腔体构成，设计亥姆霍兹共振器的共振频率与燃烧不稳定的振荡压力主频一致，则其对振荡压力具有吸收效果，由此降低了燃烧不稳定的振荡强度。但亥姆霍兹共振器或者其他吸声结构在对燃烧不稳定的抑制时存在诸多缺点，比如其工作频率单一、工作频率带宽较窄，当燃烧系统的振荡频率与共振器的共振频率稍有偏差时其控制效果明显变差。因此，对于燃烧不稳定的被动控制器的深入研究，譬如如何扩大其工作频率带宽问题，使其具有更广的适应范围成为研究热点。
发明内容
本发明就是基于现有技术中被动控制器的发展思路，公开了一种新型燃烧不稳定智能抑制器，该抑制器主要由末端可调的吸声管道与控制系统构成。控制系统通过对燃烧不稳定产生的振荡压力实时监测，智能调节波长管末端活塞位置，以此增加其工作频率范围，解决了传统燃烧不稳定被动控制器控制频率单一、工作频段较窄的问题。
本发明是这样实现的：
一种新型燃烧不稳定智能抑制器，所述的抑制器包括燃烧装置壁面上分别设置的吸声管道以及振荡压力传感器，所述的吸声管道内部活动设置密封活塞，所述的密封活塞至燃烧装置壁面的距离为吸声管道的工作长度；本发明通过吸声管道来吸收燃烧不稳定产生的振荡压力波，吸声管道内的密封活塞起到封闭作用，密封活塞到底部距离为工作长度。
吸声管道的一端与燃烧系统连接，吸声管道的长度的实际工作长度是可以调节的，由控制系统在线实时调节。通过调节吸声管道中密封活塞的位置，使其共振频率与燃烧不稳定环境中振荡压力主频一致，可以较好的吸收振荡压力。抑制器将被动方式与主动方式相结合，活塞的移动由控制系统完成，控制系统对振荡压力进行采样，分析得到燃烧不稳定的振荡主频，进一步通过执行结构移动活塞到合理位置。
密封活塞上设置有精密丝杠，所述的吸声管道顶端设置传动装置，所述的精密丝杠与传动装置连接，所述的传动装置包括旋转升降部件，所述的精密丝杠与旋转升降部件相连接，所述的旋转升降部件在外部设置步进电机；通过步进电机的转动，带动旋转升降部件控制精密丝杠的移动，进而控制密封活塞的移动，调整吸声管道的工作长度。
进一步，所述的吸声管道的工作长度利用密封活塞的移动调节；所述的吸声管道的直径在10~50mm之间；所述的吸声管道在底部开设有恒定温度空气进口。恒定温度空气进气口安装在吸声管道的底端，该位置不会对活塞造成影响。引入到吸声管道中的空气可以是环境空气或者其他温度稳定的气体即可，其主要是为了维持吸声管道内稳定的温度环境，因此吸声管道的工作长度与其吸收的声波频率呈线性对应关系。
进一步，所述的旋转升降部件在外部设置齿轮，利用齿轮与步进电机连接。在旋转升降部件的外部安装齿轮，使得齿轮与步进电机通过齿轮配合进行传动，方便了旋转升降部件的灵活转动，方便传动控制。抑制器中传动装置的结构设计，使得步进电机角度转动转变为吸声管道中活塞的位置移动。并且将齿轮安装在旋转升降部件外部，旋转升降部件通过轴承与吸声管道连接，此种结构设计方便了零部件的采购与加工，同时保证了安装的简便性与可靠性。
进一步，所述的旋转升降部件与精密丝杠通过螺纹连接，其中旋转升降部件与精密丝杠通过螺纹连接，当旋转升降部件转动时，精密丝杠带动密封活塞可进行上下移动；所述的旋转升降部件通过轴承与吸声管道安装连接。
进一步，所述的燃烧装置壁面上设置有振荡压力测量管道，通过在振荡压力测量管道的顶端设置振荡压力传感器，将振荡压力传感器与燃烧装置壁面隔离。由于传感器的长时间耐温受到限制，因此需要设计振荡压力测量管道将振荡压力传感器与燃烧装置壁面隔离，避免振荡压力传感器受到高温破坏。
进一步，所述的步进电机以及振荡压力传感器分别与数据采集卡的一端连接，所述的数据采集卡的另一端连接控制系统。
本发明的核心思想是将主动控制思想应用到了被动控制机构中，可以使得吸收声波管道具有更加灵活的调整方案。吸声管道的工作长度可在一定范围内根据燃烧不稳定主频进行调整，使其具有在线实时智能调整特性，当燃烧不稳定的振荡主频发生变化时，控制系统可以迅速调整吸声管道的工作长度，保证最佳吸声效果。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
本发明的抑制器能够很方便地安装在燃烧系统的壁面上，燃烧系统外部留有适当空间即可，此种方式不对燃烧系统产生较大的几何破坏；控制系统在对振荡压力采样和分析后，迅速调节抑制器末端活塞位置，这使得抑制器能够实时追踪燃烧不稳定的振荡频率，解决了传统被动控制中频率单一、频段较窄的问题。控制系统实时保证抑制器与燃烧不稳定的共振频率一致，这使得抑制器具有最佳的吸声效果，燃烧不稳定释放的声波被抑制器吸收后其脉动幅值降低，从而进一步减弱了声波对燃烧的干扰；
本发明提出了末端可调的吸声管道用以对燃烧不稳定进行抑制，控制系统根据采样压力智能调节末端活塞位置，结合了被动控制与主动控制，可以在线实时监测振荡压力，这使得被动控制器的工作频率在一定范围内任意可调。实验结果也证实了该种燃烧不稳定智能抑制器可有效降低振荡压力的脉动幅值，能够应用到燃烧系统中对燃烧不稳定进行抑制，可有效降低燃烧不稳定的振荡强度。
附图说明
图1为本发明的一种新型燃烧不稳定智能抑制器的结构示意图；
图2为本发明的燃烧不稳定智能抑制器局部放大图；
其中， 1-燃烧装置壁面，2-恒定温度空气进口，3-吸声管道，4-密封活塞，5-轴承，6-齿轮，7-旋转升降部件，8-精密丝杠，9-步进电机，10-控制系统，11-数据采集卡，12-振荡压力传感器，13-振荡压力测量管道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1~2所示，本发明设计的燃烧不稳定智能抑制器主要由吸声管道3、密封活塞4、传动装置、步进电机9、振荡压力传感器12、振荡压力测量管道13和控制系统等组成。通常燃烧被局限在封闭的空间内，比如锅炉中燃烧被限制在炉膛内，而燃气轮机中燃烧则被限制在燃烧室内。因此本发明中的燃烧装置壁面1代表了发生了燃烧不稳定的某燃烧装置的壁面，具体的实际中可以是炉膛壁面或者是燃烧室壁面。本发明设计的吸声管道3起到吸收燃烧不稳定产生的振荡声波的作用，其直径设计在一定范围内即可，比如在10~50mm范围内，也可以根据实际效果进行调整。其原理与四分之一波长管的作用一致，即当管道（一端开口一端封闭）长度与声波波长的四分之一长度相等时，管道可以吸收该声波。
本发明的吸声管道3内部活动设置密封活塞4，所述的密封活塞4至燃烧装置壁面1的距离为吸声管道3的工作长度。所述的密封活塞4上设置有精密丝杠8，所述的吸声管道3顶端设置传动装置，所述的精密丝杠8与传动装置连接；在传动装置外连接控制系统10；所述的传动装置包括旋转升降部件7，所述的精密丝杠8与旋转升降部件7相连接，所述的旋转升降部件7在外部设置步进电机9；通过步进电机9的转动，带动旋转升降部件7控制精密丝杠8的移动，进而控制密封活塞4的移动，调整吸声管道3的工作长度。
本发明将密封活塞4和控制传动系统引入到抑制器中，使得管道的工作长度方便调整，使其具有吸收各种频率声波的能力。为了方便密封活塞4的移动，将精密丝杠8与其相连接，并且通过传动装置控制精密丝杠8的移动。
本发明的传动装置中，利用旋转升降部件7与精密丝杠8通过螺纹连接，当旋转升降部件7转动时，精密丝杠8带动密封活塞4可进行上下移动。同时旋转升降部件7通过轴承5与吸声管道3安装，方便了旋转升降部件7的灵活转动。为方便传动控制，在旋转升降部件7的外部安装齿轮6，使得齿轮6与步进电机9通过齿轮配合进行传动，细节结构参见图2所示。当步进电机9转动时，吸声管道3内的密封活塞4进行移动，由此可以通过步进电机9调整吸声管道3的工作长度。
本发明中的吸声管道3的工作频率是由其工作长度决定的，并且需要根据吸声管道3内空气介质温度进行计算，而在密封活塞4移动过程中难免将燃烧装置内的高温气体引入到吸声管道内，这将改变吸声管道3的工作频率。因此在吸声管道3靠近的燃烧装置壁面1底端开设有恒定温度空气进口2，将少量恒定温度的空气或者氮气等引入到吸声管道中，一方面其可以对吸声管道进行冷却，防止长时间工作导致吸声管道温度升高而改变了工作频率；另一方面其可以防止由于活塞移动吸入高温燃气。本发明向吸声管道内输入恒定温度的介质，比如空气或者氮气等。任何吸声结构均需要根绝介质温度计算其吸收声波的频率，为了避免吸声管道内气体温度的不均匀性及不确定性，需要向吸声管道内通入恒定温度的介质，以此固定了抑制器吸声管道内的介质温度，使得抑制器的工作频率与步进电机的转动角度呈线性对应关系。
本发明中的步进电机9具有精确的转动角度，在传动方面具有广泛的应用。通过控制系统10对步进电机9进行控制，根据燃烧不稳定的振荡主频调整吸声管道3的工作长度，而燃烧不稳定的振荡主频通过对振荡压力的采样分析得到。由于一般传感器的长时间耐温受到限制，因此需要设计振荡压力测量管道13将振荡压力传感器12与燃烧装置壁面1隔离，避免振荡压力传感器12受到高温破坏。振荡压力传感器12将振荡压力信号转换为电信号后经过数据采集卡11通过控制系统10进行数据采集，通过频谱分析手段，比如傅里叶变换对振荡压力信号进行频谱分析，得到燃烧不稳定的振荡主频。本发明的控制系统10通过采样的振荡压力分析得到燃烧不稳定的振荡主频，随后控制系统通过步进电机调整吸声管道到合适的工作长度，保证吸声管道可以实时调整工作长度，从而实现实时对燃烧不稳定进行抑制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
