激光診斷技術在航空發動機測試領域發展現狀

胡文成，張寶華，王冬冬，竇義濤

（沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

1 引言

航空發動機設計研制經常會遇到許多傳統方法無法解決的測試問題。為此，美國的NASA、法國的 SNECMA、德國的 DLR和DASA，以及英國的Cranfield大學等，早在20世紀80年代，就開始了光學診斷技術在航空發動機等領域應用的研究，許多光學測試技術早已發展成熟，但由于種種原因而未能廣泛應用。經過20多年的發展，現代激光診斷技術已經可以用于測量航空發動機內多種參數，如發動機進口流場溫度、燃燒室內的霧化、射流摻混、燃燒產物濃度、氣膜冷卻效果、葉柵和擴壓段的氣流分離、激波寬度等，為發動機設計和故障診斷帶來了極大便利，許多傳統測量方法無法解決的問題得以順利解決。

本文介紹了多種激光診斷技術在航空發動機測試中的應用。

2 激光測速診斷技術

2.1 激光粒子圖像測速技術

激光粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry,PIV）技術能夠測量瞬態速度場，并可以把觀測到的速度矢量描繪出來。其基本原理是利用脈沖激光將隨流體運動的示蹤粒子照亮，用CCD相機拍攝示蹤粒子圖像，通過圖像處理得到示蹤粒子的速度矢量。采用PIV技術可以對內燃機、燃氣輪機進氣道附近流場，垂直起飛飛機和直升機水平翼表面附近等瞬態流場進行測量。

PIV技術對光學畸變的影響很敏感，如觀察窗的污染、光折射率的變化等都會使測量結果產生偏差。在測量燃燒室內流場的試驗中，折射率變化帶來的影響尤為重要，并且這種影響與燃燒室的尺寸、壓力等因素有關，因此，PIV技術應用在燃燒室試驗中有一定的局限性。G.F.Naterer和P.S.Glockner[1]在 2001年采用 PIV技術測得了噴氣發動機進氣流場速度分布（如圖1所示），并利用多相湍流模型進行了模擬計算。

圖1 G.F.Naterer實驗給出的部分流場速度分布

2.2 激光多普勒測速技術

激光多普勒測速（Laser Doppler velometer,LDV）技術是在20世紀60年代中期發展起來的。其基本原理是運動的粒子經過由2個交叉激光束形成的探測區，散射光干涉條紋移動的時間頻率與粒子運動速度有一定的函數關系（多普勒效應）。

LDV技術的空間分辨率高，可測很小體積內的流速。該技術采用點測量方式，適用于穩態流場的測量，具有良好的方向靈敏度，并可進行三維測量。NASA的Lewis研究中心已經采用LDV技術對渦輪部件內的流場進行了三維測量。

LDV技術應用于非反應流測量中，其結果比較準確；而應用于反應流測量中，由于組分粒子折射系數不同，使得探測體扭曲，從而影響測量效果。

2.3 多普勒全局速度成像技術

多普勒全局速度成像(Doppler Global velocimetry,DGV)技術也稱 PDV（Planar Doppler Velocimetry） 技術，是 1991年Komine等人首先提出的[2]，可測量被激光片光源所照亮的平面流場速度。其基本原理是激光經過運動的粒子散射后發生多普勒效應，產生的多普勒頻移信號與粒子運動速度成一定的函數關系[3]。

利用DGV技術可在薄片光平面內測量流場的三維速度，數據采集和處理速度快。適用于較惡劣的試驗條件，可用于發動機進氣道、燃燒室和尾噴管的流場測量。

DGV技術與傳統的LDV技術相比有很多優點。后者是點測量技術，適于穩態流場測量；而前者是平面測量技術，能夠測量非穩態的瞬態流場。DGV采用的是多普勒頻移測速技術，不會受光學畸變影響。因此，在光學畸變無法避免的情況下，與PIV技術相比，DGV技術顯示出獨到優勢。

1999年，Thomas J.Beutner,Glenn W.Williams和Henry D.Baust等人利用該技術測得了波音BLI模型流場速度分布[4]（如圖2所示）。

圖2 Thomas J.Beutner等人測得的速度分布（波音BLI模型）

2.4 激光相位多普勒技術

燃燒室內的湍流運動會影響氧與燃油的燃燒反應。燃油粒子和空氣流動的相對速度對燃油的蒸發、燃燒效率和燃燒污染物的形成有影響。因此，同時獲得燃油粒徑和粒子運動速度的分布對研究燃燒過程有重要作用。在激光測速技術基礎上，W.D.Bachalo和Mike Houser成功地實現了對粒徑和速度的同時測量[5]。

激光相位多普勒（Phase Doppler Particle Analyzer,PD PA）技術現已成為測量噴霧粒子速度和大小的標準方法。該技術利用散射光的干涉條紋移動進行測量，以波長為單位，所以，比通過測量散射光強度得到粒徑的方法精確，并且無需經常標定。

該技術的基本原理是：交叉區域的激光束照射到被測粒子上時，其散射光的干涉條紋移動的時間頻率（多普勒頻率）與粒子的運動速度有關，干涉條紋移動的空間頻率與粒徑有關（多普勒頻率信號相位差）。通過同時測量干涉條紋的多普勒頻率和相位差就可以同時獲得粒子的運動速度和粒徑信息。

3 激光燃氣分析技術

3.1 激光誘導白熾光技術

在噴氣發動機研制過程中，由不完全燃燒而產生炭粒子的問題不容忽視。產生的大量的炭粒子不僅使燃燒效率降低，而且由于碳的堆積極易堵塞燃油噴嘴，破壞物化質量，全面影響燃燒室性能。另外，燃燒產生的炭粒子、二氧化氮等化學物質是環境和人類健康的重要污染源，在大型飛機發動機研制過程中，這一點越來越受到重視。對于如何減少污染物排放的問題，國際上近年來也做了大量試驗研究。

激光誘導白熾光（laser-induced incandescence,LII）技術利用激光誘導白熾光原理對炭粒子濃度進行分析，是測量航空發動機尾氣中炭粒子含量的強有力工具。其原理是用脈沖激光束將小粒子炭加熱到非常高的溫度，通過對在此溫度下產生的可見的白熾光信號（黑體輻射）進行處理分析，得到炭粒子濃度信息。2002年，T.P.Jenkins,J.L.Bartholomew,和 P.A.DeBarber[6]等人利用LII技術對渦輪發動機產生的炭粒子濃度進行了研究，其結果如圖3、4所示。

圖3 LII信號強度與C濃度關系（實驗數據并非同一天所得）

圖4 利用LII技術得到的某型航空發動機基炭圖像

3.2 平面激光誘導熒光技術

平面激光誘導熒光（Planner Laser-Induced Fluorescence,PLIF）技術具有優越的時間和空間分辨能力，并且可以得到流場的二維圖像，可以對不同物質分子的不同量子態進行探測，因此，采用該技術可同時測量流場的多個參數，如流場內某物質的濃度、溫度、壓力和流動速度等；這些特性與其卓越的時間和空間分辨能力有機地結合在一起，使其在超聲速和高超聲速流場研究中占有獨特地位，已成為研究燃燒流動的有效診斷工具。

PLIF技術可利用燃燒所產生的自由基作為示蹤粒子，研究燃燒狀態下的流動。其測速原理與DGV技術的相似，激光照射到自由基上發出熒光信號；由于自由基的運動，熒光產生多普勒頻移（多普勒效應）；通過多普勒頻移可得到自由基的運動速度。常見的待測自由基有 OH、HCHO、CH、CO、CO2、NO、NO2等。

1990年，B.K.McMillin,M.P.Lee和 R.K.Hanson[7]等人采用PLIF技術對NO在震激管中激波加熱流動成像，對激波的結構進行了研究；1999年，Jonathan H.Frank等人采用PLIF技術得到OH在燃燒室內不同壓力下的噴射火焰圖像[8]（最大試驗壓力為2026.5 kPa）；2002 年，R.K.Hanson[9]采用PLIF技術對超聲速燃燒進行了研究；2005年，H.Seyfried,G.A.Omrane[10]等人采用PLIF和LIP技術分別對RM12型發動機（如圖5所示）加力燃燒室內殘余的燃油濃度分布（如圖6所示）和燃燒室內的溫度分布進行了研究。

圖5 RM12發動機剖面[10]

圖6 某狀態下未參與燃燒的燃油濃度分布（灰度表示）[10]

3.3 兼并四波混頻技術

采用兼并四波混頻（Degenerate four-wave mixing,DFWM）技術可以對噴氣發動機燃氣中某些物質的濃度進行分析[11]，相關的試驗設備簡單，在試驗信號較弱時也能得到較好的試驗結果而無需其他技術輔助。3束光（2束泵浦光和1束探測光）照射到被探測物質后，形成1束新的信號光，其光強信號包含了被探測物質的一些濃度信息(如圖7所示)。該技術下的空間分辨率與光束交叉區的大小有關，因此，該技術具有卓越的空間分辨能力；利用的是超短激光脈沖,因此具有非常好的時間分辨能力（大約 30 ns）。

圖7 DFWM信號與噴氣發動機尾噴口處NO2濃度關系[11]

4 激光掃描壓力敏感漆技術

激光技術與激光掃描壓力敏感漆(Laser-scanning Pressure-Sensitive Paint,PSP)技術相結合，可用于測量壓氣機葉片的表面靜壓分布。其原理是：激光照射到被測部件的PSP涂層上，產生的冷光信號與部件表面的靜壓有一定的函數關系[12]。表面靜壓測量的傳統方法是采用在被測物體表面排布壓力傳感器來進行，雖然能夠測得物體表面局部靜壓，但不能全面給出物體表面的靜壓分布，而且不可避免地會破壞原有流場。PSP技術可以避免出現這類問題，通過測量壓氣機葉片的表面靜壓分布可為葉型設計以及材料選擇提供寶貴的試驗依據。采用PSP技術可瞬時得到試驗體的表面壓力分布，無需通過建立復雜的理論模型來計算，節省了研發時間和資金。

5 溫度場測量技術

測量溫度的傳統方法大多是點測量，有很多局限性，如被測溫度不能太高，采用接觸式測量會破壞流場，無法獲得整個溫度場的信息等。因為通過光譜分析可以同時得到燃燒溫度以及相應燃燒產物（N2,CO2,H2,CO,CH4等）濃度的信息，且具有較好的時間和空間分辨能力，光譜分析技術被廣泛應用。

以激光技術為基礎的光譜測量技術，可以測量2000 K以上的溫度，而且可以提供整個溫度場的信息。

5.1 相干反斯托克斯拉曼散射技術

相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering,CARS）技術也稱相干反斯托克斯拉曼光譜技術（Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy）。

采用CARS技術可同時獲得燃燒室內燃氣溫度和某燃燒產物的物質的量分數。產生的相干信號可增加信噪比，并可以用空間濾波器來減少高溫燃氣帶來的干擾光信號，因此增強了測量信號的質量，這些優點使得CARS技術在高溫燃燒溫度測量中具有獨特優勢。

采用CARS技術，NASA蘭利研究中心的P.M.Danehy和R.DeLoach[13]等人較精確地測得了超聲速燃燒室的溫度場分布，Christoph Hassa，Chris Willert等人測得高壓燃燒室的燃氣溫度[14]，M.Fischer,E.Magens,H.Weisgerber[15]等人測量了工作狀態下吸氣沖壓發動機模型的溫度，NASA蘭利研究中心對2000 K以上的溫度場進行了測試研究[16]。

5.2 激光掃描熱敏感漆技術

用傳統方法測量試驗件的傳熱分布是無法滿足需要的。

激光掃描熱敏感漆(Laser-scanning Temperature-Sensitive Paints,TSP)技術可以很好地解決采用傳統方法時所遇到的難題，可以測量對流傳熱、發動機渦輪表面溫度分布[17]。

6 結束語

隨著激光測量技術的發展，激光診斷技術在國外航空領域的應用愈加廣泛。在中國航空工業領域則應用較少。

在航空發動機研制過程中，采用具有非接觸、自動化程度高、數據處理速度快、測量精度高、效率高、空間分辨率高等突出特點的激光診斷技術，不僅可以縮短研發周期，而且可以大大減少研發投資，具有廣闊的應用前景。

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[4]Beutner Thomas J,Williams Glenn W,BaustHenry D.Characterization and Applications of Doppler Global Velocimetry[C].37th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit,January 11-14,1999/Reno,NV.

[5]Bachalo W D,Hous M J.Development of the Phase Doppler Spray Analyzer for Liquid Drop Size and Velocity Characterization[R].1984,IAA-84-119.

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[8]FrankH J,Mille M F,Allen M G.Imaging of Laser-Induced Fluorescence in a High-Pressure Combustor[C].37th AIAA Aerospace Sciences Meeting&Exhibit,January 11-14,1999/Reno,NV.

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[14]Christoph Hassa,Chris Willert,Michael Fischer, et al.Nonintrusive Flow field,Temperature And Species Measurementson a Generic Aeroengine Combustor at Elevated Pressures[C].ASME Turbo Expo 2006:Power for Land,Sea and Air May 8-11,2006,Barcelona,Spain.

[15]Fischer M,Magens E,Weisgerber H,et al.Cars Temperature Measurements on an Air Breathing Ram Jet Model[Z],American Institute of Aeronautics and Astronautics,Inc.1997.

[16]Tedder S A,Byrne S O,Danehy P M,et al.CARS Temperature and Species Concentration Measurements in a Supersonic Combustor with Normal Injection[C].43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit10-13 January2005,Reno,Nevada.

[17]Campbell Bryan T,Crafton Jim,Witte Gerhard R,etal.Laser Spot Heating/Temperature-Sensitive Paint Heat Transfer Measurements[J].American Institute of Aeronautics and Astronautics,1998.