发动机燃烧室试验的先进测试技术

作者：沈阳发动机设计研究所 关玉波

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 摘 要:由于燃烧室燃烧过程的复杂性和不可预知，目前描述燃烧流场的变化细节和计算出流场的相关参数，都必须进行相关试验验证，获取试验数据所采用测试方法尤为重要。常规插入式探针测量方法，会引起内部的流动参数变化，干扰内流场，测出试验数据不是十分真实。激光测试技术可以避免对被测对象扰动，测量试验数据真实可靠，能够较真实反映出燃烧室燃烧流场的工况。 关键词: 燃烧室 燃烧流场 激光测量 试验数据 1. 引言 燃烧室是航空发动机三大核心部件之一，燃烧室起到将燃料化学能转换成动能和机械能的重要作用，是发动机动力的主要来源，有发动机“心脏”之称。燃烧室的性能直接影响着整个发动机的性能。燃烧过程包含着复杂的物理变化和化学变化过程，有气体流动、燃油雾化、油气掺混、燃烧放热、传热传质、压力速度脉动相互影响及部件相扰引起的燃烧不稳定等。现有的燃烧室理论、经验和设计方法，还不能全部的、准确的设计出满足发动机要求的新型燃烧室。未来相当长时间燃烧室的研制还是离不开燃烧试验。 特别是近年利用计算机技术，可以模拟燃烧室内流场变化。即在给定燃烧室的几何形状、结构尺寸、进气参数（总压、总温、流量）、进气流量分配、燃油流量及雾化特性等条件下，计算模拟燃烧室出燃烧室内流场变化，主要有速度场、压力场、温度场、两相浓度场等。但是由于对燃烧室发生的物理变化、燃料化学动力学机理的认识还不十分清楚，再加上湍流、两相和化学非平衡效应以及其它的不确定因素，超出了现有计算流体力学的能力。这些理论完善和发展还必须依赖于大量的试验进行验证。在试验过程中获取准确试验数据，必须有先进测试技术。 2. 先进测试技术要求和特点 在燃烧室试验过程中，测量参数已经不局限对燃烧室的总压、总温、气流速度、燃油和空气流量等性能参数，越来越多提出对燃烧流场进行实时测量（显示），它包括温度场、速度场、压力场、两相浓度场等，并且测试方法要有如下要求和特点： a) 由于燃烧室空间有限，测量信号采取时应避免对被测对象造成物理性和化学性干扰。 b) 采取测量信号应专一，即只对所需的变化信号有反应，而不接受其它变化信号。 c) 测量时应有较高几何空间的分辨率。 d) 具有较高测量分辨率和较快响应时间。 激光测试技术能够符合上述的测量要求，在燃烧室内流场（如温度场、速度场、压力场、两相浓度场等）的测量上具有无比的优势，获得试验数据能够较准确反映燃烧室的真实工况，在燃烧内流场试验中不断得到了应用。 3. 燃烧室内流场先进测试技术 3.1 相位多普勒粒子分析仪（PDPA） 相位多普勒粒子分析仪（简称 PDPA），是目前测量球形粒子的粒径和速度的高精度仪器。最初是被用于对喷雾流动粒子的测量，后来又逐渐扩展到喷射火焰和两相湍流等的研究，最近又在气固流化床动力学研究方面获得了较好的应用。只是由于光学限制，它目前还只能被用在固体浓度较低的环境中。但由于相位多普勒粒子分析仪能够提供丰富、定量、实时的两相流动信息，因而逐渐成为了一个研究多相动态流动特性的强有力工具。 相位多普勒粒子分析仪所依据的基本光学原理是 Lorenz－Mie 散射理论，一般包括激光器、入射光学单元、接收光学单元、信号处理器和数据处理系统等几部分。如同声波的多普勒效应一样，光源与物体相对运动也具有多普勒效应。在相位多普勒粒子分析仪中，通过分析穿越激光测量体的球形粒子反射或折射的散射光产生的相位移动来确定粒径的大小，依靠运动微粒的散射光与照射光之间的频差来获得速度信息。 3.2 粒子成像速度技术（PIV） PIV 粒子成像测速技术是一种最近发展起来的崭新现代流场测量技术，它融计算机图象处理技术、CCD 技术、激光技术为一体，突破了空间单点测量技术的局限性，可在同一时刻记录下整个测量平面的有关信息，从而可以获得流动的瞬时平面场、脉动速度场和涡量场等。因而 PIV非常适合于研究涡流、湍流等复杂的流动结构。 PIV 分析显示系统包括帧抓取器、分析显示软件（安装于计算机内）。帧抓取器将粒子图像数字化到 256 级灰度．并可将连续图像捕捉数据储存到计算机的内存中；用处理软件包分析视频或相图像获得两维速度场。可以实时显示采样的图像数据，在线显示速度矢量场。 测试过程中，PIV 系统利用光学元件把激光源发出的光束转变为片光，并照亮放有示踪粒子的流场。通过设置脉冲间隔△t 脉冲延迟期、帧数等，使同步器控制图像捕捉和激光脉冲的次序，高速 CCD 相机捕捉到两个激光脉冲分别照亮流场的两幅图像，将图像转化为数字信号传入计算机．通过和软件采用互相关或自相关的统计技术匹配图像对，测量出在 t 时间内示踪粒子在 x、y 方向上的位移△x 、△y，进而计算出其在该方向的移动速度。因此广泛用于燃烧室速度场的测量。 3.3 激光诱导荧光法(LIF) 激光诱导荧光法(LIF)是可实时测量燃气一维（空间点）或二维（平面）的组分浓度、温度、压力和速度，并有空间分辨力。因此，适合燃烧试验的多种试验参数测量。LIF 是检测特定量子态下原子和分子布局密度的一种光谱技术。其原理是当激光波长调谐到分子的某两个特定能级时，分子就发生共振并吸收光子能量而激发到高能态，在从高能态返回基态过程中，分子就会发出荧光；荧光用光电倍增管接收，其信号为： Pf = hｖ·(Ｋ/4π)·Ωc·Vc·N2 其中，hｖ为荧光光子能量，Ｋ为荧光上能级自发辐射系数，Ωc、Vc分别为光学收集系统的立体角和有效的荧光体积，N2为荧光上能级粒子数。 在利用 LIF 方法作定量分析时，为了得到浓度的绝对值，必须对荧光信号进行校正，也就是考虑荧光体积 Vc、荧光收集立体角 Ωc、光学系统的荧光传递效率以及荧光的吸收、俘获、极化和碰撞加宽因素对荧光信号的影响。并且用 LIF 方法来研究内燃机这样的高温、高气压燃烧过程，还必须考虑荧光的淬熄效应。淬熄效应是指分子吸收了光子能量而跃迁到激发态时，能量不是以荧光而是通过碰撞弛豫到达其他能级。特别是在高温高气压下，粒子浓度大，平均自由程短，这种效应更加明显，严重时可能会收不到荧光光谱。 LIF 方法最诱人的特点除了它的高灵敏度外，还有它可以用平面二维图形显示燃烧场的浓度分布，在一个激光脉冲内，就能得到一张二维的瞬态燃烧场分布图，实现了实时处理。因此，在燃烧试验中，LIF 方法以及改进后的 PLIF 法(平面激光诱导荧光法)成为近年来国际上广泛采用的方法之一。 3.4 线性（自发）拉曼散射法(LRS) 线性（自发）激光拉曼散射(LRS)的优点是可用单波长激光器同时测量温度和组分，且对碰撞猝熄不敏感。这种同时测量的能力提供了一种内部基准，以修正与激光功率脉动、接收光学及电子系统有关的不确定。 当光通过气体分子时，部分光会被分子散射，并且发生频移，其散射光强为 ： 其中，I0 为入射光强，dσ1(Ｖｏ）/dΩ 是频率为Ｖｏ的光的微分散射截面，δΩ、δS、η 分别是光学系统收集立体角、由光学系统决定的散射强度和光学系统的传输系数，n１是分子下能级的粒子数。 由于分子振动能级不均匀以及与转动能级间相互作用而造成的，所以每个振动能级的拉曼频移都不相同；又由于各能级粒子数随温度而变化，拉曼信号也随温度而变化。通过对拉曼谱线两个强度峰值的测量比较，然后进行拟合，就可求得温度。 3.5 相干反斯托克斯光谱法(CARS) 相干反斯托克斯光谱法（CARS）适于燃烧流场温度和组分浓度测量。其测量原理为：当两束频率为ωP 和ωs 的高能激光束聚在一点入射到某一介质中时，如果 ωR=2ωP-ωs 正好是分子的某一共振谱线，且满足非线性光学中的相位匹配条件，那么ωR 频率的光会极大地增强。用这一信号就可以对燃气成分和浓度进行鉴别，这就是 CARS 法。 一般ωP 固定，ωs 可通过调谐激光器改变频率，所以ωR 总可以与某一分子能级实现共振。另外，由于温度对光谱的影响完全可以确定，因此通过光谱线型拟合分析就可以确定燃气的温度。CARS 法是一种利用非线性光学的方法，它的特点是：具有高的信号强度，能产生比拉曼信号大105 倍～1010 倍信号。同时，CARS 法信号是一束频率为ωR=2ωP-ωs的高于泵浦光频率的相干光，所以信噪比高，而且不受燃油和火焰中各种成分的荧光影响，可用于燃烧室的动态、稳态温度场和浓度场的测量。 4. 结束语 发动机燃烧室试验已经越来越多需要对燃烧流场进行测量，由于激光测试技术本身特点，在燃烧流场测试方面有着广阔的发展和应用前途。 参考文献 [1] 张宝诚，陈本柱，盛元生编著，吴大观主审，航空发动机试验技术。航空工业出版社。 [2] 燃烧燃烧论文专集。1986年8月。 [3] 王亮编著，燃烧实验诊断学。国防工业出版社。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/17/2012)