航空发动机燃烧不稳定性预测及控制研究进展

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28733

航空发动机非定常流固热声耦合专栏

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航空发动机燃烧不稳定性预测及控制研究进展

孙晓峰¹^,², 张光宇²(), 王晓宇², 李磊², 邓向阳³, 程荣辉⁴

^1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京　100191
^2.北京航空航天大学航空发动机研究院，北京　100191
^3.中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海　200241
^4.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳　110015

收稿日期:2023-03-22 修回日期:2023-04-17 接受日期:2023-05-10 出版日期:2023-07-25 发布日期:2023-05-12
通讯作者: 张光宇 E-mail:guangyu.zhang@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52106038);航空发动机及燃气轮机基础科学中心项目(P2022-B-II-013-001)

Research progress in aero-engine combustion instability prediction and control

Xiaofeng SUN¹^,², Guangyu ZHANG²(), Xiaoyu WANG², Lei LI², Xiangyang DENG³, Ronghui CHENG⁴

^1.School of Energy and Power Engineering，Beihang University，Beijing 　100191，China
^2.Research Institute of Aero-Engine，Beihang University，Beijing 　100191，China
^3.AECC Commercial Aircraft Engine Co. Ltd. ，Shanghai 　200241，China
^4.AECC Shenyang Engine Research Institute，Shenyang 　110015，China

Received:2023-03-22 Revised:2023-04-17 Accepted:2023-05-10 Online:2023-07-25 Published:2023-05-12
Contact: Guangyu ZHANG E-mail:guangyu.zhang@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52106038);Science Center for Gas Turbine Project of China(P2022-B-II-013-001)

摘要/Abstract

摘要：

燃烧不稳定性问题广泛出现在各类航空发动机燃烧室内，该问题是火焰非定常热释放和声波充分耦合的结果，发生时伴随着大幅度的压力脉动，严重威胁发动机的稳定工作及结构安全。目前，包括中国在内的各航空发动机研制国家在多数发动机型号的研制过程中，均遇到了严重的燃烧不稳定性问题，且发动机越先进，该问题越复杂且难以解决。在深入认识其发生机理的基础上，对其进行准确预测并设计有效的控制手段，对航空发动机的研制具有重要意义。系统阐述了该问题的研究现状，介绍了燃烧不稳定性问题发生关键，即军用的钝体燃烧加力燃烧室和民用的贫油预混环形燃烧室的非定常流动及火焰响应特征。综述了该问题研究常用的燃烧不稳定性声网络预测分析模型，重点报告了为了耦合考虑燃烧室声软壁面被动控制设计，团队所发展的三维燃烧不稳定性预测控制模型。基于该模型，介绍了壁面声衬参数及布局对燃烧不稳定模态控制效果影响的研究进展，为先进发动机燃烧不稳定性的排故提供技术储备。

关键词: 航空发动机燃烧室, 燃烧不稳定性, 热声不稳定性, 三维预测模型, 被动控制, 穿孔板声衬

Abstract:

The problem of combustion instability widely exists in various types of aero-engine combustion chambers. This problem is the result of the coupling between the unsteady heat release of the flame and acoustic waves. Its occurrence is accompanied by a large pressure pulsation， which seriously threatens the stable operation and structural safety of the engine. At present， all aero-engine development countries have encountered serious combustion instability problems in the development process of most engine models. The more advanced the engine is， the more complex and difficult it is to solve the problem. It is of great significance for the development of aero-engines to accurately predict and design effective control methods based on its occurrence mechanism. The research status of this problem is systematically described. The key factor of the problem is introduced， that is， the unsteady flow and flame response characteristics of the military bluff body combustion afterburner and the civil lean premixed annular combustor. Furthermore， the eigenvalue-based predictive acoustic network models commonly used in the study of this problem are reviewed. The three-dimensional combustion instability prediction model developed by our team is highlighted， which considers the acoustic soft wall control design of the combustion chamber wall. Based on this model， the research progress of the influence of the parameters and layout of the wall acoustic lining on the combustion instability mode is reviewed， providing technical reserves for improving the combustion instability troubleshooting capability.

Key words: combustion chamber of aero-engine, combustion instability, thermoacoustic instability, three-dimensional prediction model, passive control, perforated liner

中图分类号:

V231

孙晓峰, 张光宇, 王晓宇, 李磊, 邓向阳, 程荣辉. 航空发动机燃烧不稳定性预测及控制研究进展[J]. 航空学报, 2023, 44(14): 628733-628733.

Xiaofeng SUN, Guangyu ZHANG, Xiaoyu WANG, Lei LI, Xiangyang DENG, Ronghui CHENG. Research progress in aero-engine combustion instability prediction and control[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(14): 628733-628733.

图/表 31

表1

图 1

图 2

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

类型	加力燃烧室	LPP环形燃烧室
特点	进口温度高（~1 300 K）进口流速高（~290 m/s）结构紧凑（燃油/稳定器一体化）包线工况复杂（战机Ma~2.0）	高温高压（~2 000 K，40 atm）结构紧凑（燃烧室长度~0.2 m）能量密度比高（~100 MW/（m³∙bar））排放更低（比CAEP6降低60%）
火焰	非预混钝体火焰	预混旋流火焰
非定常过程	燃油喷射穿透、雾化、蒸发、当量比脉动、剪切层、尾迹、燃烧火焰	燃油雾化蒸发、预混、旋流、涡破碎、PVC、剪切层、燃烧火焰
模态特征	纵向不稳定模态50~300 Hz、横向（周向/径向）不稳定模态400~1 500 Hz	周向一阶、二阶不稳定性模态400~1 000 Hz
常用控制方法	防振屏设计、火焰稳定器设计、供油规律设计、喷口调节设计	旋流器设计、分级燃烧、壁面声耗散设计

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