CN202954883U - 燃油流量脉动控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃油流量脉动控制装置，包括：流量传感器、振动器和信号采集及处理单元，流量传感器和振动器设置在燃油管内，信号采集及处理单元分别与流量传感器和振动器相连，信号采集及处理单元从流量传感器接收燃油管内的压力脉动信号，根据压力脉动信号估计振动器所在位置的幅值、相位和振荡角频率，并驱动振动器发出与估计的幅值相同、振荡角频率相同，而相位相反的振动信号。本实用新型在燃油管中靠上游的位置设置流量传感器和振动器，采用主动控制方式，通过实时监测流量传感器所在位置的压力脉动信号，通过振动器在燃油管内发出特定频率和振幅的声波，来抑制流量脉动，以确保燃油喷入燃烧室时燃油量和油气比不产生较大脉动。

Description

燃油流量脉动控制装置

技术领域

本实用新型涉及燃气轮机燃油管路技术，尤其涉及一种燃油流量脉动控制装置。

背景技术

振荡燃烧是非稳定燃烧放热和压力脉动相互耦合而导致***振荡的过程，其最终表现为燃烧室内高强度的压力振荡。振荡燃烧现象普遍存在于各类工业及推进装置，例如锅炉，燃气轮机，火箭等。

对于航空发动机而言，传统的扩散燃烧方式虽有较好的燃烧稳定性，但其产生大量NOx已无法满足国际上日益严苛的污染排放需求。而新兴的预混燃烧方式虽然能较好地控制NOx生成，但却面临着严重的振荡燃烧问题。由不稳定燃烧带来的压力和速度振荡会对燃烧室乃至整个***造成巨大危害：高强度的压力振荡会对燃烧室壁面施加额外振动，从而对燃烧室部件造成破坏。另外，伴随不稳定燃烧而来的放热不均匀现象，则会导致燃烧室内局部区域过热，产生所谓的“热斑”，从而增加产生NOx和CO的可能性。

影响燃烧不稳定性的因素主要是油气比振荡，燃油管道内的燃油流量脉动则是引起油气比振荡的重要因素之一，而目前工业界还缺乏对燃油管内的燃油流量脉动的抑制措施。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种燃油流量脉动控制装置，能够抑制燃油管内的燃油流量脉动，以提高燃烧室内的燃烧稳定性。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种燃油流量脉动控制装置，包括：流量传感器、振动器和信号采集及处理单元，所述流量传感器和振动器设置在燃油管内，所述信号采集及处理单元分别与所述流量传感器和振动器相连，所述信号采集及处理单元从所述流量传感器接收所述燃油管内的压力脉动信号，根据所述压力脉动信号估计所述振动器所在位置的幅值、相位和振荡角频率，并驱动所述振动器发出与估计的幅值相同、振荡角频率相同，而相位相反的振动信号。

进一步的，还包括用来消除所述振动器发出的振动影响的振动消除器，所述振动消除器设置在所述燃油管的外部。

进一步的，还包括设置在燃烧室腔内所述燃油管的燃油喷嘴附近的压力传感器，所述压力传感器与所述信号采集及处理单元相连，所述信号采集及处理单元根据所述压力传感器所反馈的压力脉动信号对驱动所述振动器发出的振动信号的相位及幅值进行微调。

进一步的，所述振动器为扬声器类振动器。

进一步的，所述振动消除器为套设在所述燃油管外周表面的消声套。

进一步的，所述消声套采用消声材料制成，并包括直管结构部分和U形结构部分，所述振动器设在所述燃油管的内部与所述直管结构结构对应的位置，所述U形结构部分处于燃油流动方向上所述直管结构部分的下游。

进一步的，所述消声材料为波峰消声棉。

进一步的，所述扬声器类振动器为压电陶瓷微型声波发生器。

进一步的，还包括设置在所述振动器和信号采集及处理单元之间的功率放大器。

进一步的，所述信号采集及处理单元能够根据所述流量传感器所在位置的压力脉动信号和所述流量传感器与所述振动器之间的距离估计所述振动器所在位置的幅值、相位和振荡角频率，或者直接将所述流量传感器所在位置的压力脉动信号作为所述振动器所在位置的幅值、相位和振荡角频率的估计值。

基于上述技术方案，本实用新型在燃油管中靠上游的位置设置流量传感器和振动器，采用主动控制方式，通过实时监测流量传感器所在位置的压力脉动信号，通过振动器在燃油管内发出特定频率和振幅的声波，来抑制流量脉动，以确保燃油喷入燃烧室时燃油量和油气比不产生较大脉动。

在另一个实施例中，还包括用来消除所述振动器发出的振动影响的振动消除器，所述振动消除器设置在所述燃油管的外部。为了避免振动器所产生的振动影响到燃油管附近的其他装置，可以利用设在燃油管外部的振动消除器来消除不必要的振动。

在另一个实施例中，还包括设置在燃烧室腔内所述燃油管的燃油喷嘴附近的压力传感器，所述压力传感器与所述信号采集及处理单元相连，所述信号采集及处理单元根据所述压力传感器所反馈的压力脉动信号对驱动所述振动器发出的振动信号的相位及幅值进行微调。增加压力传感器可以实时的了解到在振动器发出振动信号后实际上对燃油喷嘴附近的燃油压力的影响，并且可以以此作为反馈控制的基础，通过反馈控制可以获得更有效、更精确的燃油流量脉动抑制效果。

在另一个实施例中，所述振动器为扬声器类振动器，且设计成向燃油管下游定向传播声波。由于燃油管内的燃油流量和压力脉动的频率较高，通常在100Hz以上，因此选择扬声器类振动器在频率范围、体积和可调性上都十分合适。

在另一个实施例中，所述振动消除器为套设在所述燃油管外周表面的消声套。消声套可以使扬声器类振动器产生的声波更容易被消除和吸收，避免了声波对燃油管附近的其他装置的影响。

在另一个实施例中，所述消声套采用消声材料制成，并包括直管结构部分和U形结构部分，所述振动器设在所述燃油管的内部与所述直管结构部分对应的位置，且设计成向燃油管下游定向传播声波，所述U形结构部分处于燃油流动方向上所述直管结构部分的下游。在直管部分振动器所发出的定向声波可以控制振动传递的方向，而且振动可以被直管结构部分和U形结构部分更容易吸收，避免对声波对燃油管附近的其他装置的影响。而且将振动器设在所述燃油管的内部与所述直管结构对应的位置，且设计成向燃油管下游定向传播声波，这样也使得振动器所产生的振动尽量不传递回燃油管的上游，造成新的脉动影响因素。U形结构部分可以使振动确保在燃油管内耗散，使得该振动不至于传递到下游喷嘴位置，而对该处的燃油流量和压力造成脉动影响。

在另一个实施例中，还包括设置在所述振动器和信号采集及处理单元之间的功率放大器。通过功率放大器可以获得需要的声波振动功率。

在另一个实施例中，所述信号采集及处理单元能够根据所述流量传感器所在位置的压力脉动信号和所述流量传感器与所述振动器之间的距离估计所述振动器所在位置的幅值、相位和振荡角频率，或者直接将所述流量传感器所在位置的压力脉动信号作为所述振动器所在位置的幅值、相位和振荡角频率的估计值。在计算振动器所在位置的幅值、相位和振荡角频率时，可以考虑振动器与流量传感器之间的实际距离，根据其实际距离可以根据流量传感器所在位置的幅值、相位和振荡角频率来估算出振动器所在位置的幅值、相位和振荡角频率，而如果脉动的波长大于振动器与流量传感器之间的实际距离3倍以上时，就无需计算两者的相位差，可以直接将流量传感器所在位置的压力脉动信号作为振动器所在位置的幅值、相位和振荡角频率的估计值。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型燃油流量脉动控制装置的一实施例的结构示意图。

图2为本实用新型燃油流量脉动控制装置的另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

首先对燃油管的上下游以及喷嘴***的脉动影响进行分析。流经燃油管的燃油流量主要受到燃烧室腔内压力和燃油管上游的压力影响，可表示为：

$\stackrel{\·}{m}=c_{d}A\sqrt{2\mathrm{\ρ}(p_3-p_5)}$

其中c_d为流量系数，A为燃油管截面积，ρ为燃油密度，p₃和p₅分别为燃油管上游供油压力和燃烧室腔内燃油喷嘴处压力。当燃烧室腔内压力p₅产生振荡时，p₃也会随之发生波动，使燃油流量发生变化。p₃和p₅可分别表示为：

p₅=A₅sinωt

p₃=A₃sin[ω(t+τ)]

其中，ω表示振荡角频率，τ表示p₃相对p₅的延迟时间，A3为燃油压力脉动还未经过处理时幅值，振幅较大。A5为经过脉动抑制处理后的脉动幅值，即喷嘴出口处的压力脉动幅值。

对于由燃油管上游的燃油泵、燃油管本身以及燃油管喷嘴出口的燃烧室腔体三者连通的燃油输送及喷射***来说，由于三者连通的关系，因此三者各自的不稳定脉动和振荡现象也是相互耦合的。比如说，在该三者作为一个***运作时，当燃油泵所供应的燃油流量突然发生了改变，那么燃油管内的流量也会发生改变，随之而来的是喷嘴出口处的压力发生变化；而当喷嘴出口处的燃烧室腔内的燃烧放热量突然发生变化时，那么喷嘴出口处的气体压力也会发生变化，该压力变化会通过喷嘴和燃油管一路传递至上游的燃油泵，使得燃油泵供给的燃油流量也发生了改变。在真实运作情况中，这两个不同影响方向的变化时刻存在，于是就产生了喷嘴处出口压力的脉动和燃油管内流量的脉动，燃油管上油（油泵）和下游（喷嘴出口）产生的脉动互相作用并影响。随着时间推移，上下游的脉动会变得逐渐规律并最终达到一个稳定脉动的状态，此时上下游的压力都会呈现出类似正弦波的形态，也就是公式中所述的P3（燃油泵供油压力脉动）和P5（燃油管喷嘴出口处压力脉动）。

基于上述分析，可以看出如果对燃油管上游的脉动进行干预可以对喷嘴出口压力的脉动造成影响，以便达到预期的流量脉动抑制效果。

如图1所示，为本实用新型燃油流量脉动控制装置的一实施例的结构示意图。在本实施例中，燃油流量脉动控制装置包括：流量传感器3、振动器4和信号采集及处理单元7，流量传感器3和振动器4设置在燃油管1内，信号采集及处理单元7分别与流量传感器3和振动器4相连，信号采集及处理单元7从流量传感器3接收燃油管内的压力脉动信号，根据该压力脉动信号估计振动器4所在位置的幅值、相位和振荡角频率，并驱动振动器4发出与估计的幅值相同、振荡角频率相同，而相位相反的振动信号。利用这种振动信号来降低燃油流量脉动，确保燃油在喷入燃烧室时燃油量和油气比不产生较大脉动。

在上述技术方案中，利用振动器来抵消燃油管内的脉动是一种主动控制的方式，这种方式可以应对不同频率和振幅特性的燃油流量脉动，具有很强的适应性。

在振动器的选择上，考虑到燃油管内的流量和压力脉动频率较高，通常在100Hz以上，因此优选振动频率范围、体积和可调性方面比较合适的扬声器类振动器，首先其可实现的振动频率范围比较容易达到100Hz以上，而且扬声器体积较小，且其发出的声波的频率、振幅和相位均比较容易调节。其他的振动器也可以考虑选用，例如振动板等。另外，振动器由于浸没在燃油中，因此应具备防油特征。

采用了振动器以后，振动器所发出的振动可以对燃油管内的燃油脉动进行抵消，抑制传递到燃烧室内的燃油流量脉动，但这种振动信号还可能进一步对燃油管附近的其他装置以及下游的燃油喷嘴位置的燃油造成不利影响，因此优选在燃油管的外部设置振动消除器，用来消除振动器发出的振动影响。当然，如果燃油管附近没有什么其他装置或者不易受到影响，而且燃油管具有足够距离时的振动在到达燃油喷嘴前耗散，也可以不设置振动消除器。

当选用扬声器类振动器（例如压电陶瓷微型声波发生器等）时，优选振动器消除器为套设在燃油管外周表面的消声套2。消声套2可采用消声材料（例如波峰消声棉等，便于造型和拆卸）制成，能够保证声波被限制在燃油管内，不至于对其他部件和油路***造成影响。

消声套2可包括直管结构部分和U形结构部分，振动器4可以设在燃油管1的内部与直管结构部分对应的位置，且设计成向燃油管下游定向传播声波。这样就可使得声波被限制在燃油管内，不会穿透燃油管壁，而且向下游定向传播声波，也可以避免声波向上游传播时对上游燃油泵造成脉动影响，而这种影响可能会对***信号控制不利。当然，如果这种影响并不显著，也可以采用非定向的扬声器类振动器。

U形结构部分处于燃油流动方向上直管结构部分的下游，可以吸收扬声器类振动器发出的声波，使得声波能够在燃油喷口前确保耗散，避免对燃油喷嘴所对的燃烧室造成二次扰动。应说明的是，不仅是U形结构部分，其他的形状例如S形结构等也可以作为消声套的一部分，只要其能够协助声波的耗散即可。

在尺寸上，考虑到过短的消声套长度则可能无法完全消除脉动而且可能无法保证声波被限制在燃油管内，因此消声套的直管结构部分的长度可基于燃油速度脉动的波长和燃油管安装所需的空间而设为10cm以上，而U形结构部分的直径可设为小于直管结构部分的长度的二分之一。

在振动器4和信号采集及处理单元7之间还可以设置功率放大器6，能够对信号采集及处理单元7发出的信号进行放大，以便扬声器类振动器获得能够工作的指令信号。而功率放大器6和信号采集及处理单元7可集成为一个装置。

本实施例的工作过程为：燃油在燃油泵产生的压力下进入燃油管，设置在燃油管内的流量传感器测得该位置的压力脉动信号，并传递给信号采集及处理单元，信号采集及处理单元根据该压力脉动信号估计振动器所在位置的幅值、相位和振荡角频率，并向振动器发出指令信号，驱动振动器发出与估计的幅值相同、振荡角频率相同，而相位相反的振动信号。该振动信号在传播过程中不断与燃油脉动进行抵消，并在燃油喷嘴之前逐渐耗散完，这样就降低了燃油管内的燃油脉动，并进一步使经燃油喷嘴进入到燃烧室内的燃油脉动得以抑制。

为了能更精确和有效的对经燃油喷嘴进入到燃烧室内的燃油脉动进行抑制，还可以增加反馈控制的装置，即在燃烧室腔内燃油管的燃油喷嘴附近设置压力传感器5，具体参见图2所示实施例。该压力传感器5与信号采集及处理单元7相连，信号采集及处理单元7可以根据压力传感器5所反馈的压力脉动信号对驱动振动器4发出的振动信号的相位及幅值进行微调。

如果压力传感器5依然检测到有不希望的压力脉动时，就需要对振动器发出的振动信号进行调整，调整的过程可以是一个不断迭代的过程，例如在0到360的相角范围内调整扬声器类振动器所发声波的相位，并通过压力传感器5不断监测每次调整相位后所在位置的压力脉动情况，直到确定某个能使该位置的压力脉动达到最小的相位。同样的，也可通过不断调整扬声器声波的脉动幅值来确定最佳抑制该位置的压力脉动的幅值。

在信号采集及处理单元7进行振动器所在位置的幅值、相位和振荡角频率的估计时，由于信号采集及处理单元7接收到的压力脉动信号是流量传感器3所在位置的幅值、相位和振荡角频率，而燃油管内流量传感器3和振动器4之间的距离是已知的，就可以通过该距离估算出振动器4所在位置的随时间变化的压力脉动振幅和频率及相位。这里需要提到的是，由于不同频率的脉动的波长不同，当波长大于流量传感器3和振动器4两处间距的3倍以上时，信号采集及处理单元7就无需分析流量传感器3和振动器4之间的相位差，信号采集及处理单元7可直接将流量传感器3所在位置的压力脉动信号作为振动器4所在位置的幅值、相位和振荡角频率的估计值。

通过上述对本实用新型燃油流量脉动控制装置的实施例说明，可以看到本实用新型具备以下优点：

1、能够有效降低燃油流量脉动，确保燃油喷入燃烧室时燃油量和油气比不产生较大脉动；

2、使用主动控制方式，可应对不同频率和振幅特性的燃油流量脉动；

3、采用U型消声套管可保证声波被限制在燃油管内，不会对其余部件或油路***产生影响。声波与燃油流动方向同向，沿燃油管直管产生纵向的振动模态，而U型弯处，声波将被逐渐吸收，从而避免消声套下游燃油受到声波的二次扰动。

4、本实用新型中的传感器信号采集和控制等装置可与整个发动机健康管理或控制***相集成，符合未来智能发动机发展趋势。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种燃油流量脉动控制装置，其特征在于，包括：流量传感器、振动器和信号采集及处理单元，所述流量传感器和振动器设置在燃油管内，所述信号采集及处理单元分别与所述流量传感器和振动器相连，所述信号采集及处理单元从所述流量传感器接收所述燃油管内的压力脉动信号，根据所述压力脉动信号估计所述振动器所在位置的幅值、相位和振荡角频率，并驱动所述振动器发出与估计的幅值相同、振荡角频率相同，而相位相反的振动信号。 

2.根据权利要求1所述的燃油流量脉动控制装置，其特征在于，还包括用来消除所述振动器发出的振动影响的振动消除器，所述振动消除器设置在所述燃油管的外部。 

3.根据权利要求1所述的燃油流量脉动控制装置，其特征在于，还包括设置在燃烧室腔内所述燃油管的燃油喷嘴附近的压力传感器，所述压力传感器与所述信号采集及处理单元相连，所述信号采集及处理单元根据所述压力传感器所反馈的压力脉动信号对驱动所述振动器发出的振动信号的相位及幅值进行微调。 

4.根据权利要求2所述的燃油流量脉动控制装置，其特征在于，所述振动器为扬声器类振动器。 

5.根据权利要求4所述的燃油流量脉动控制装置，其特征在于，所述振动消除器为套设在所述燃油管外周表面的消声套。 

6.根据权利要求5所述的燃油流量脉动控制装置，其特征在于，所述消声套采用消声材料制成，并包括直管结构部分和U形结构部分，所述振动器设在所述燃油管的内部与所述直管结构部分对应的位置，且设计成向燃油管下游定向传播声波，所述U形结构部分处于燃油流动方向上所述直管结构部分的下游。 

7.根据权利要求6所述的燃油流量脉动控制装置，其特征在于，所述消声材料为波峰消声棉。 

8.根据权利要求4所述的燃油流量脉动控制装置，其特征在于， 所述扬声器类振动器为压电陶瓷微型声波发生器。 

9.根据权利要求4所述的燃油流量脉动控制装置，其特征在于，还包括设置在所述振动器和信号采集及处理单元之间的功率放大器。 

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