先进航空发动机燃烧室试验温度激光测量技术

１激光测量的技术特点
激光测试技术是一种新型的测量方法，拥有其他 测量方式不可比拟的优点，测量精度高，最大特点是 可非接触式测量，能够实现无干扰地测量，符合流动 参数的测量要求。由于激光测速技术和流场显示技术 在实验领域的应用，从稳态测试转入动态测试，逐点 测量变为全场测量，使实验研究水平大为提高。在燃 烧室内复杂流场（如温度场、速度场、压力场、两相浓 度场等）的测量上具有很大的优势，获得试验数据能够 准确反映燃烧室的真实工况，因而已经引起人们越来 越多的重视。由于电子计算机的发展，计算机具有完 成自动控制、数据（图像）采集与处理系统、实时显示等 多种功能，推动了激光测试技术的快速发展，使这项 技术发展日趋完善，在工程上得到了广泛应用。 激光是光的受激辐射，而普通光源是光的自发辐 射，相比而言激光测量技术具有如下显著特点： ①激光的单色亮度极高，以掺铷硅酸盐玻璃为工 质的激光器脉冲输出功率已达１０１３ Ｗ：
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《测控技术》２０１０年第２９卷增刊
先进航空发动机燃烧室试验温度激光测量技术
毛茂华，黄春峰，石小江
（中国燃气涡轮研究院，四川江油６２１７０３）
摘要：燃烧实验诊断一直是航空发动机工程发展中研究燃烧室流动特性的极其重要的试验技术手段，要 求以先进测量技术作支撑。激光测试技术是近十几年来迅速发展起来的一门高新技术，以能量密度高、 方向性和相干性好的激光为光源，可对发动机燃烧场的温度、组分浓度、压力、流速等状态参数进行无 扰动、高时空分辨的在线测量，对于研究燃烧室中化学反应流体动力学有着非常重要的价值．详细叙述 了发动机燃烧室温度激光测试技术的原理、方法、发展概况及其应用前景。 关键词：航空发动机；燃烧流场；激光测量；非接触测量；温度测量
弓＝鬼ｘ（ｘ／４，０ｘｇｘＶｏｘ，Ｖ２
的校准精度。已经获取了紊流反应流的ＯＨ、ＣＨ、０２ 和温度的荧光图像。这几种图像还不能构成详尽的研 究，尚缺少ＮＯ和其他主要污染物的荧光图。平面ＬＩＦ 诊断技术的潜力在于研究瞬态数据，例如浓度和梯度 场、浓度和浓度场、浓度和速度场等。这些相关的空 间数据是很有用的，可以深入研究紊流反应流中的化 学反应现象。
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⑦空间分辨率高，可以测很小体积内的流速，如
流场中近管壁处中的速度分布：
⑧测鞋范围广，动态响应快，是研究湍流、测量
脉动速度的有效方法。 因此，由于激光具有单色、相干、定向、高能量 密度和线性偏振等特性，它在非接触式燃烧实验诊断 中得到了广泛的应用。
２燃烧流场温度激光测量技术方法
燃烧温度是表征燃烧过程的一个重要参量。通常， 燃烧温度指的是火焰气体处于热平衡状态时的温度。
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｏｆ ｅｎｇｉｍｅ
ａｒｅ
ｄｅｐｉｃｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏ－ｅｎｇｉｎｅ；ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ：ｌａｓｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｅ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
燃烧实验诊断一直是航空发动机工程发展中研究 燃烧室流动特性极其重要的试验技术手段。这主要是 因为人们对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他的 不确定因素，超出了现有计算流体力学的能力。目前 理论上不能准确描述燃烧流场的细节和计算出流场的 详细参数，因此对燃烧室内流场的认识还必须依赖于 大量的试验数据。通常，燃烧实验诊断学涉及两相反
中图分类号：Ｖ２３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８８２９（２０１０）Ｓ０．００７６．０８
Ｌａｓｅｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ
Ａｄｖａｎｃｅｄ Ａｅｒｏ－Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ Ｔｅｓｔ ＭＡＯ Ｍａｏ—ｈｕａ，ＨＵＡＮＧ Ｃｈｕｎ－ｆｅｎｇ，ＳＨＩ Ｘｉａｏ－ｊｉａｎｇ
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《测控技术》２０１０年第２９卷增刊
的荧光，应用强度控制开启ＣＣＤ相机，通过适当选择 标志分子，可以获得流体的定量二维图形。根据这些 图形得到有关标志分子浓度的定性测量和随时间变化 的扰动，用来研究流动系统内的流体混合。目前已经 将Ｎ０２和丙酮作为标志分子应用于实际的气体混合研 究中。如果选择一种合适的配置能减小激光的吸收和 荧光捕获的失真以及对分子碰撞的依赖性，对给定组分 的平面激光诱导荧光图像就可以转换成浓度分布图。 关于绝对浓度，其数据的准确性取决于全场成像系统
ｉｎｄｕｃｅｄ ｆｌｕｏｒｅｓｃ
②激光的方向性极好，方向敏感度高，发散角很
小，在ｌＯ七球面度量级的立体角内基本成直线传播， 可进行多维测量。 ③激光是纯正的单色光，以氦氖气体为工质的激 光器发出的橙红色光束的单色性要比氪灯（普通光中 单色性最好的光源）高上万倍。 ④激光是迄今为止最理想的相干光源，有固定的 相位差，其相干性能远比普通光源好。 ⑤激光测最属于非接触测量，激光束的焦点就是 测鼍探头，它不影响流场分布，可测远距离的速度场 分布或狭窄通道中的速度分布； ⑥激光测量精度高，一般可以达到０．５％～１．０％；
ｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ
ｓｐａｃｅ
ｎｏ－ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ．ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｍｅｔｈｏｄｓ，ｇｅｎｅｒａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｍ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ａｓ
பைடு நூலகம்
ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ
ｌｉｇｈｔ
ｓｏｕｒｃｅ
ｔｏ
ｍｅａｓｕｒｅ ｓｔａｔｅ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｓｕｃｈ
０１１
ａｓ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｔｉｍｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅ ａｎｄ
ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ
（Ｃｈｉｎａ
Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ
Ｅｓｔａｂｉｓｈｍｅｎｔ，Ｊｉａｎｇｙｏｕ ６２ １ ７０３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ
ｔｅｓｔ
ｄｉａｇｎｏｓｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ
ｂｅｉｎｇ
ｏｎｅ
ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｅｓｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉＣＳ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａｅｒｏ－ｅｎｇｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｌａｓｅｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ
ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ ｆｌｏｗ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ
ａ
ｃｏｕｒｓｅ
ｈｉｇｈ ａｎｄ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｓｔ ｓｅｖｅｒａｌ ｙｅａｒｓ，ｕｓｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｏｆ ｈｉ【ｇｈ ｅｎｅｒｇｙ
．ｅｎｃｅ）是一种光学的方法，可用来测最燃烧组分，除了 它的非干涉式特性之外，ＬＩＦ与传统的燃气分析法相 比，还具有如下优点：高的空间分辨力和时间分辨力， 能够测量不稳定的组分，并且还可以用来测量燃烧温 度。如今，ＬＩＦ视为燃气涡轮燃烧室设计与评估的霞要 工具，广泛应用在液体燃料的燃气涡轮燃烧室等恶劣
作者简介：毛茂华（１９６８一），男，重庆人，主要从事航空发动 机档案管理和情报研究工作；黄春峰（１９５９一），男，湖南人， 硕士研究生，高级工程师，主要从事航空发动机情报和翻译工 作，以及国外发动机预研．试验与制造的跟踪研究．
先进航空发动机燃烧室试验温度激光测量技术 明是在分子水平上对过程的不断了解，并伴随着光电 测试与数据图像处理技术的发展与应用，这为燃烧实 验诊断学开创了新局面。各种光谱法实验诊断技术不 仅为反应流提供了瞬时流动与热力学性质，并还具有 必要的时间与空间分辨率。特别是温度、速度与组分 浓度的同时测量可直接确定能量和组分浓度守恒方程 的相关项。 当然，这些新技术同样也有局限性，主要是需要 光学通路，因为观察窗、背景照明、激光诱导效应和 激光杂散散射等的干扰有时难以避免。例如为穿过稠 密的燃烧区常用强激光，而强激光会使介质受热，诱 发受激拉曼散射、光分解和光磁裂效应。为此要精心 设计光路结构，采用空问滤波，选用合适的激光波长 和光路接收系统等。因此，燃烧实验诊断技术还有待 进一步完善与发展。
（１）
的环境中。 ＬＩＦ法的基本原理是通过单一和多级相互作用图 的逐步演变，提供在激光区域所要研究的组分浓度和 荧光信号之间的关系。这种非干扰的技术提供了具有 很高空间和时间分辨率的图像，有效地获得某一瞬间 的流动状态。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：
要诊断燃烧流场的化学和物理过程的变化是很困难
的，燃烧流场的温度诊断也是燃烧诊断学中一个长期 未能很好解决的问题，与流场的速度诊断相类似，温 度诊断也可分为接触式和非接触式两大类，常见的高 温燃气温度测量方法有：高温热电偶、燃气分析以及 黑体式光纤高温计等测量方法。 常规经典测温方法是属于接触式的热电偶法。这 种方法结构简单，测量可靠；但当介质为高温火焰时， 这种方法将暴露出一些严重缺点，如：不能承受很高 的温度：干扰燃烧流场；空间和时间分辨率低；测出
收稿日期：２０１０－１）６－（０
应流测量。人们把与高温气体和气一凝两相流有关的测 量领域称为“诊断”。“诊断”不是简单的“测量”，目 的是要在各种错综复杂的因素里找出问题，以便更好 地解决问题。 燃烧流场的诊断不同于一般的流体测量，它具有 高温燃烧的火焰辐射和气一凝两相的复杂流动选两个 特点。因此，一般的流场测量方法不能直接适用于燃 烧流场诊断。直至２０世纪６０年代初，测量气相燃烧 系统的主要手段一直是插入式探针。探针法简单、经 济、便于使用，但对火焰的扰动以及恶劣的测试环境 限制了探针的精度与应用范围。相比之下，光谱法有 许多优点，例如，可非接触式测量以减小或避免气动、 热或化学扰动，能承受高温和恶劣环境等。激光的发
的只是滞止温度：难于精确和有效地进行标定等。
光学方法，特别是以激光为光源的非接触测温法 可以克服上述的测量困难，而且可进行远距离的现场 逐点测量，因而已成为或正在成为高温火焰测量的主 要手段。 ２．１激光诱导荧光法（ＬＩＦ） 未来航空发动机燃烧室的温度和压力越来越高， 设计者面临的难题是，在维持高的燃烧效率的同时设 法降低燃烧室对环境的影响，如研制低排放的燃烧室， 减少不可燃烧的碳氢化合物、烟气、粒子以及氮的氧 化物（ＮＯｘ）等。为了更好地理解和控制排放物产生的机 制，燃烧室部件研制的辅助工具是必不可少的。 当前测量燃气涡轮燃烧室内组分的方法是，利用 燃气中可提取的样品，确定其中主要成分的浓度，并 由此推测火焰的温度。但这些方法无法用来测量不稳 定的燃烧产物，并且具有较差的时间分辨力和空间分 辨力。这种干涉式的取样方法还会使燃烧室内的流场 受到干扰。 平面激光诱导荧光法（Ｌ正，ｌａｓｅｒ
式中，ｈ，为荧光光子能量；五为荧光上能级自发辐射
系数；ｑ、圪分别为光学收集系统的立体角和有效的
荧光体积；Ⅳ２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
体积圪、荧光收集立体角Ｑ、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。 ＰＬＩＦ法硬件系统有：