扬声器对Rijke型燃烧器热声不稳定控制效果的研究

周 昊， 黄 燕， 丁 芳， 王恒栋， 岑可法(浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027)



扬声器对Rijke型燃烧器热声不稳定控制效果的研究

周 昊， 黄 燕， 丁 芳， 王恒栋， 岑可法(浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027)

扬声器布置在Rijke管型燃烧器入口和出口处，输出不同频率和声压级的声波可以对热声不稳定进行开环主动控制。试验发现在热声管燃料入口燃料管路布置扬声器是一种有效的热声不稳定主动控制方法，扬声器发出的声波可以使热声不稳定的压力振荡有所衰减，同时也会产生新的和声波同频的压力振荡；在某些工况下，和声波同频的压力振荡幅值甚至会高于热声不稳定的压力振荡幅值；在该试验中，当扬声器声波频率为50 Hz、声压级为100 dB时，控制效果最好，达到38.55%。布置在热声管开口端的扬声器也是一种有效的热声不稳定主动控制方法，在该试验中，当扬声器声波频率为300 Hz、声压级为115 dB时，控制效果最好，此时控制效果可达34.58%。

扬声器；Rijke型燃烧器；热声不稳定；控制效果

随着燃气轮机贫燃预混技术的广泛采用，热声不稳定现象也越来越为人们所重视。贫燃预混技术可以降低NOx的排放，但是其受到燃烧热声不稳定的制约。燃烧室热释放和声场的耦合产生低频高幅的压力振动，不但影响燃烧室的性能，严重时可能破坏燃烧室的结构[1-2]。因此，热声不稳定的控制技术是开发低NOx燃气轮机的关键技术。

热声不稳定的被动控制是指通过改变燃烧系统的几何结构和运行参数或者声学边界条件等来避免放热和声压之间的耦合[3]。主动控制是指通过执行器控制燃烧系统的某些参数，从而抑制热释放的波动，打破放热和声压之间的耦合[4]。由于被动控制技术对燃烧系统改造较大，且不能适用于所有燃烧设备，具有昂贵的成本。而主动控制技术则比较灵活，调试容易，适用性强，因此也更容易得到人们的青睐和研究。

目前关于热声不稳定主动控制的研究，一方面是基于闭环的自适应参数主动控制，需要结合先进的控制理论和控制方法[5-7]，另一方面是开发新颖的开环主动控制方法，如采用扬声器和快速响应阀作为执行器[8-9]，研究开环控制频率和热释放振幅以及声压级变化的关系；开发射流执行器调整气体流量来实现对热释放振荡频率的控制[10-19]；或基于粗糙集理论进行结构振动模糊控制[20]等。但是国内尚处于起步阶段研究较少，如研究穿孔板和环形背腔偏流的存在对声能吸收的影响[21-22]，或者开发主动控制的自适应算法进行热声控制[23]等。

虽然扬声器作为一种常用的执行器控制热声振动的研究较多，但扬声器位于燃烧器不同位置处的声学控制效果尚未有人进行深入分析过。基于此，本文设计了Rijke型燃烧器热声不稳定试验台架，在热声管入口和出口处各布置一个扬声器进行试验，研究了这两个位置处扬声器对热声不稳定控制效果的影响。

1 试验简介

图1为自行设计的扬声器控制Rijke型燃烧器热声不稳定的试验系统图。Rijke预混燃烧器采用直径40 mm，管长1 066 mm，管壁厚3 mm的不锈钢圆管，燃烧器下端封闭，上端开口，在燃烧器下端1/4管长处放置致密堇青石材质的多孔介质稳燃体，甲烷与空气流量分别通过Alicat气体流量计精确控制，预混后在稳燃体上方燃烧作为热源。采用量程精度0.5%、频响20 kHz的CYG系列压力传感器测量压力，并通过NI-6210数据采集卡和LABVIEW程序进行高速连续并行的实时数据采集，采样率为25 600 Hz。压力传感器安装在标高160 mm、460 mm和660 mm高(以热声管底端为起始位置)处，半无限法测量用以避免声波的反射效应。在Rijke管入口燃料输送管路和Rijke管出口端上方100 mm处各放置一个扬声器和功率放大器构成声波发生系统。

1.甲烷；2.压缩空气；3、4.Alicat流量计；5.预混室；6.火焰稳燃体；7.高能点火器；8、9、10.动态压力传感器；11.NI数据采集卡；12.电脑和LABVIEW采集程序；13.功率放大器；14、15.扬声器；16.密封箱；17、18、19.热电偶；20.热声管 图1 试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

扬声器布置在黎开管入口燃料输送管路上的试验工况如表1所示，扬声器布置在黎开管开口端的试验工况如表2所示，甲烷流量记为qCH4，空气流量记为qAir，化学当量比记为φ，声波频率记为fe，声压级记为SPL，两组工况中工况1设为参照工况。

表1 扬声器布置在黎开管入口 燃料管路的试验工况Tab.1 Experimental case with loudspeaker excitation at the fuel inlet pipe

表2 扬声器布置在黎开管开口端的试验工况Tab.2 Experimental case with loudspeaker excitation at Rijke open end

2 试验结果及分析

2.1 压力波形和频谱分析结果

图2为表1中工况1的压力波形(选取1 s)及频谱分析，图3为其极限周期振荡波形，压力取值于压力传感器8的信号采集，此处最接近于速度入口，且不会存在含有大量水蒸气的燃烧烟气流过，与压力传感器9和10仅有振幅大小和相位的区别，因此仅取一个代表性的压力测点信号进行频谱分析即可。从图2的波形中可以看出，压力振荡均匀，没有突变现象，从图3的波形中可以看出，当燃烧器处于稳定的振动时，其极限周期振荡波形光滑，几乎没有毛刺，其它工况亦均是如此，在此不一一列出。将连续采样的25 600个数据点，进行加窗Hanning函数FFT频谱分析，可以看出，相较其它低频分量和倍频分量来说，热声振动的主峰振幅十分明显，代表了燃烧器中声能的分布。因此本文采用压力振幅作为热声不稳定程度的衡量标准。

图2 压力波形及频谱分析Fig.2 Pressure waveform and spectrum analysis

图3 极限周期振荡Fig.3 Limit cycle pressure oscillation

2.2 扬声器在黎开管入口处对控制效果的影响

表3为扬声器布置在黎开管入口处所有工况的频谱分析结果汇总。可以看出，当在热声管燃料流入口布置扬声器并激发声波时，压力振动幅值有所减小，这说明在热声管燃料入口处布置扬声器具有一定的热声不稳定控制效果，但同时也伴随有和扬声器激励频率相同的压力波动，有时甚至高于热声不稳定的压力波动幅值。为了便于直观分析，图4汇总了扬声器布置在热声管燃料输送入口时压力振幅，图中振幅均采用各个工况的最大振幅作为工况振幅的代表。

表3 扬声器布置在黎开管入口燃料管路处数据处理结果Tab.3 Experimental results with loudspeaker excitation at the fuel inlet pipe

注：fR为热声振动主频，AR为热声振动振幅，Ae为声波同频振幅。

图4 扬声器布置在黎开管入口燃料管路处时的压力振幅Fig.4 The pressure amplitude with loudspeaker excitation at the fuel inlet pipe

结合表3和图4可知，当扬声器施加的声波频率为50 Hz时，随着声波声压级的提高，热声管内压力振幅不断减小，但是在98 dB、100 dB这两个声压级工况下，热声管内的压力振荡主频变为了50 Hz。当扬声器施加的声波频率为100 Hz时，随着声波声压级的提高，热声管内压力振荡幅值先减小后增大，当声波声压级由92 dB增大至94 dB时，热声管内的压力振荡幅值由137.89 Pa减小至113.67 Pa，这两个工况的振动主频分别为468.65 Hz和466.76 Hz，基本没有变化；当声波声压级增大至96 dB、98 dB和100 dB时，热声管内的压力振荡幅值明显增大，为扬声器施加频率100 Hz所对应的压力振幅值。当扬声器施加的声波频率为150 Hz时，压力振幅随声波声压级变化并不明显，热声管内压力振荡幅值都在150 Pa左右，压力振荡的主频也都在467 Hz附近，此时虽然也有对应150 Hz的压力振荡产生，但是幅值都较小在25 Pa以下。

为了定量研究各个工况下声波作用于热声不稳定系统的控制效果，定义施加控制前后的压力振幅之差与控制前压力振幅的比值作为衡量标准，控制效果汇总图如图5所示。当声波频率为50 Hz时，控制效果随声压级的增加不断提高，当声波频率为100 Hz时，控制效果随声压级的增加先增加再迅速减小，当声波频率为150 Hz时，控制效果较小但是比较稳定，基本不随声压级的增大而变化。这是因为在声波扰动频率为50 Hz和100 Hz时，扬声器的声波影响了燃料速度脉动频率，导致了火焰皱褶和热释放率波动，通过热释放频率的波动，逐步衰减了热释放频率和压力振荡之间的耦合，从而使压力振荡逐渐降低[24]。随着声压级的增加，扬声器扰动频率的压力振荡幅值逐渐增大，声波扰动频率取代了热声管内压力振荡的主频，占据主导地位，产生了更加强烈的压力振荡。但当继续增加声波扰动频率，其对燃料速度脉动的影响又逐渐减弱[25]，虽然热声不稳定的压力振荡主峰振幅有所衰减，但衰减幅度很小，控制效果基本上都在10%以内。

图5 扬声器布置在黎开管入口燃料管路处时的控制效果Fig.5 The control effects with loudspeaker excitation at the fuel inlet pipe

2.3 扬声器在黎开管开口端对控制效果的影响

表4为扬声器布置在黎开管开口端所有工况的频谱分析结果汇总，图中振幅均仍采用各个工况的最大振幅作为工况振幅的代表。当在热声管开口端布置扬声器并激发声波时，相较于参照工况1，压力振动幅值有所减小，但是频谱分析结果图显示此处的控制效果和扬声器布置在黎开管入口燃料输送管路时的控制效果有所不同，这一系列的工况中不再出现明显的和声波同频的大幅压力振荡，这是因为扬声器布置在热声管出口处对管内压力和热释放脉动的影响，并没有比布置在燃料输送管路影响燃料速度脉动进而影响管内压力和热释放脉动作用强烈。

当扬声器施加的声波频率从200 Hz逐渐增大至500 Hz的过程中，压力振荡幅值并没有随频率的增加呈简单的增大或减小趋势，而是在300 Hz处表现出较小的压力振荡幅值，在350 Hz和450 Hz压力幅值也有一定衰减，在其他频率工况下，压力振荡幅值相对原始工况虽然有所减小，但并不是非常明显，如表4和图6所示。同时还可以看出，在同一频率下，声压级对压力振幅的影响也没有明显趋势，在200 Hz、250 Hz、350 Hz和450 Hz处，110 dB的压力幅值大于115 dB声压级下的压力幅值，在其他频率时，110 dB的压力幅值小于115 dB声压级下的压力幅值。

表4 扬声器布置在黎开管开口端工况数据处理结果Tab.4 Experimental results with loudspeaker excitation at Rijke open end

注：fR为热声振动主频，AR为热声振动振幅，Ae为声波同频振幅。

图6 扬声器布置在黎开管开口端时的压力振幅Fig.6 The pressure amplitude with loudspeaker excitation at Rijke open end

各个工况下声波作用于热声不稳定系统的控制效果汇总图如图7所示。当声波频率为300 Hz时，试验系统取得最好的控制效果，声压级为110 dB时的控制效果为34.18%，声压级为115 dB时的控制效果为34.58%。当声波频率为350 Hz和450 Hz时，也能取得较好的控制效果，本文在这两个频率处取得的最好控制效果为18.49%和19.27%。在其他频率处，也能取得一定的控制效果，但是控制效果有限，基本上都在10%以内。

图7 扬声器布置在黎开管开口端时的控制效果Fig.7 The control effects with loudspeaker excitation at Rijke open end

3 结 论

通过Rijke型燃烧器热声不稳定试验台架，研究了基于扬声器的热声不稳定控制方法，分别把扬声器固定在黎开管燃料入口管路和黎开管开口端两个位置，通过软件驱动扬声器产生一定频率和声压级的声音信号，对黎开管内的热声不稳定进行主动控制。试验获得以下结论：

(1)当扬声器布置在黎开管入口燃料输送管路上时，扬声器发出的声波可以使热声不稳定的压力振荡有所衰减，同时也会产生新的和声波同频的压力振荡。在某些工况下，和声波同频的压力振荡幅值甚至会高于热声不稳定的压力振荡幅值。布置在黎开管入口燃料流管路的扬声器是一种有效的热声不稳定主动控制方法，但是对声波的频率和声压级都有严格要求，在本文试验中，当扬声器声波频率为50 Hz、声压级为100 dB时，控制效果最好，此时控制效果可达38.55%。

(2)当扬声器布置在黎开管开口端时，随着声波扰动频率的增加，压力振荡幅值并没有随频率的增加呈简单的增大或减小趋势，但相对于扬声器布置在燃料入口的方法，声波同频的压力振荡幅值明显减小。布置在黎开管开口端的扬声器是一种有效的热声不稳定主动控制方法，在本节试验中，当扬声器声波频率为300 Hz、声压级为115 dB时，控制效果最好，此时控制效果可达34.58%。

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Investigation on control effects of loudspeaker on the thermoacoustic instability in a rijke combustor

ZHOU Hao, HUANG Yan, DING Fang, WANG Hengdong, CEN Kefa

(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Loudspeakers were used for active control of the thermo acoustic instability in combustors. The loudspeakers were placed on the fuel inlet and outlet of a Rijke tube type of combustor to output acoustic frequencies and sound pressure levels for the open-loop active control of thermoacoustic instability. It is found that loudspeakers placed on the fuel inlet pipe is an effective method to control the thermoacoustic instability in the Rijke combustor. Sound waves from the loudspeaker could attenuate the thermoacoustic pressure oscillations. At the same time, a new pressure oscillation is generated by sound waves with the same frequency of sound waves. In certain experiment cases, the amplitude of the new pressure oscillation caused by sound waves could be higher than that due to thermoacoustic instability. In the experiment case with sound frequency of 50 Hz and sound pressure level of 100 dB, the efficiency of pressure amplitude reduction can reach 38.55%. Placing loudspeakers on the open end of the Rijke combustor is also an effective way. In the experiment case with sound frequency of 300 Hz and sound pressure level of 115 dB, the efficiency of pressure amplitude reduction can reach 34.58%.

loudspeaker; Rijke combustor; thermoacoustic instability; control effect

国家重点基础研究发展计划(2015CB251501)

2015-05-29 修改稿收到日期：2015-11-11

周昊 男，博士，教授，博士生导师，1973年1月生

TK124；TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.22.011