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《燃烧室热声振荡压力脉动特性测试方法》标准化发展报告

StandardizationDevelopmentReportonTestMethodforPressurePulsationCharacteristicsofCombustionChamberThermoacousticOscillation

摘要

热声振荡是先进能源与动力装置（如航空发动机和燃气轮机）燃烧室研发和运行中面临的重大技术挑战，其引发的压力脉动可能导致燃烧不稳定、结构损坏等严重后果。当前行业内缺乏统一的热声振荡测试标准，导致不同机构测试结果缺乏可比性，增加了研发成本和技术交流障碍。本报告详细阐述了《燃烧室热声振荡压力脉动特性测试方法》标准的立项背景、技术内容和应用价值。

该标准通过规范测试术语、关键参数表征、试验条件和数据处理方法，为热声振荡特性评价提供了科学依据。标准适用于航空发动机和燃气轮机燃烧室的研发测试，主要内容包括测试原理与方法、试验流程、数据采集与处理规范等。实施该标准将显著提高测试数据的可靠性和可比性，为热声振荡预测与控制技术发展提供支撑，对提升我国先进动力装置燃烧室设计水平具有重要意义。

关键词：热声振荡；压力脉动；燃烧室；测试标准；燃气轮机；航空发动机

Keywords:thermoacousticoscillation;pressurepulsation;combustionchamber;teststandard;gasturbine;aero-engine

正文

1.标准立项背景与意义

热声振荡是燃烧室在固有声学模态作用下产生的大幅振荡燃烧现象，是先进能源与动力装置研发中的关键挑战。根据研究数据，热声振荡引发的压力脉动幅值可达平均压力的10%-20%，频率范围通常为50-1000Hz。这种振荡会导致燃烧不稳定、热负荷异常升高，严重时可能造成燃烧室结构损坏。

目前，国内外主要研究机构和制造商（如GE、Rolls-Royce、中国航发等）都面临热声振荡测试标准缺失的问题。各单位的测试方法差异导致数据难以直接比较，增加了研发成本。据统计，缺乏统一标准使燃烧室研发周期平均延长15%-20%，测试重复率高达30%。

《燃烧室热声振荡压力脉动特性测试方法》标准的制定将：

1)建立统一的测试规范，提高数据可比性

2)降低研发成本，缩短产品开发周期

3)为热声振荡机理研究和控制技术发展提供可靠数据基础

4)促进国内外技术交流与合作

2.标准适用范围与技术内容

2.1适用范围

本标准适用于：

-航空发动机燃烧室（包括军用、民用发动机）

-燃气轮机燃烧室（发电用、工业用）

-燃烧室部件级试验（单头部、全环燃烧室）

-整机试验条件下的热声振荡测试

2.2主要技术内容

标准包含以下核心技术内容：

术语和定义

明确定义了热声振荡、压力脉动幅值、振荡频率、模态特征等23个专业术语，参考了ISO18740:2015《燃烧振荡术语》国际标准。

测试原理与方法

规定了动态压力传感器选型要求（频响≥5kHz，量程0-5MPa）、测点布置原则（轴向/周向间距≤λ/8，λ为声波波长）、信号采集要求（采样率≥10kHz，分辨率≥16bit）。

试验条件与要求

-进口参数范围：总温300-2000K，总压0.1-4MPa

-燃油流量测量精度：±0.5%

-环境振动控制：振动加速度≤0.1g

试验流程

制定了标准化的试验程序，包括：

1)预试验检查（传感器校准、系统气密性检查）

2)基准工况测试

3)变工况测试矩阵设计

4)数据采集与实时监测

数据处理规范

-时域分析：峰峰值、RMS值计算

-频域分析：FFT变换（窗函数选择、频率分辨率要求）

-模态识别：采用ProperOrthogonalDecomposition(POD)方法

试验报告要求

规定了报告必须包含的12项核心内容，如测试条件、数据处理方法、不确定度分析等。

3.技术创新点

1)多参数协同测试：首次将压力脉动与进口参数、燃油流量、振动信号等参数进行关联测试

2)模态识别方法：引入先进POD方法进行热声模态特征提取

3)不确定度评估：建立了完整的测试不确定度评估体系

4)数字化标准：配套开发了标准化的数据处理软件工具

主要参与单位介绍

中国航空发动机研究院作为本标准的主要起草单位，是我国航空发动机领域权威研究机构。该院拥有亚洲最大的航空发动机燃烧室试验平台，包括：

-高压燃烧试验台（最高压力4MPa）

-高温燃烧试验台（最高温度2000K）

-全环燃烧室试验系统

-先进光学诊断平台（PIV、PLIF）

研究院在热声振荡研究领域取得多项突破：

-开发了热声振荡主动控制技术，使振荡幅值降低60%

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