先進激光測量技術在航空發動機燃燒室研發中的應用

王培勇，邢 菲

（廈門大學航空系，福建廈門 361005）

0 引言

燃氣輪機技術對國防建設與能源安全和實現環境可持續發展具有重要意義，擁有獨立研發燃氣輪機的技術能力迫在眉睫[1]。該技術無論是對軍用航空領域的動力需求（提高推重比），還是對地面設備民用領域的能源需求（提高熱循環效率），其發展趨勢都是增大發動機壓比以提高循環效率，提高渦輪進口溫度（燃燒室出口溫度）以提高單位推力[2-3]。由此相應地對發動機燃燒室的測量技術提出了更高要求。然而傳統的測量手段已無法實施或不能精確捕捉發動機燃燒室內部的復雜物理現象，使各種發動機燃燒流場的物理圖像至今仍不清晰。對此，新型激光測試技術擁有傳統接觸式測量不可比擬的優點，最大優勢是能夠實現非接觸式無干擾測量和進行發動機燃燒室內復雜流場（如溫度場、速度場、壓力場、組分質量分數場等）的測量，符合流動參數的測量要求。由于激光測速技術和流場顯示技術在試驗領域的應用，從逐點測量變為全場測量，使試驗研究水平大為提高，所獲試驗數據能夠準確反映燃燒室的真實工況，并已部分在航空發動機研發中得到應用[4-5]。

本文對新型的激光測試技術在航空發動機燃燒室設計中的應用進行分析。

1 激光測速技術

傳統的測量手段，因探頭干擾流場、引起激波破壞流場或因探頭的催化作用，均可使測量不精確[4-5]。同時，發動機燃燒室內部流動還具有強時變、強物理場耦合的特點，也給測量增加了難度。

燃燒室內流場的高速和高溫特征決定了需要摒棄對流場具有較大干擾作用的測量方法。目前較為成熟的技術是基于示蹤粒子的測量方法（Particle-Based Velocity Methods）。典型的基于示蹤粒子的測量工具有：激光多普勒測速儀（LDV）、粒子圖像測速儀（PIV）和平面多普勒測速儀（PDV）等[7-8]。

在試驗過程中，基于示蹤粒子的測量方法需使用遠大于分子尺寸的示蹤粒子。在高速來流條件下，示蹤粒子在來流相對速度方向上受到不可忽略的阻力、虛擬質量力和Basset力，使示蹤粒子的速度與被測流場的速度存在較大差別，所以該類方法在高速試驗中存在測量精度不高的缺點。在內流試驗中，示蹤粒子易遷移至壁面，在較短時間內試驗記錄所需的透明觀測窗將被遮蔽。另外，由于示蹤粒子分布不均勻，可能使測量區域內的粒子數目不夠；而對于航空發動機這樣的大型設備需要使用大量的示蹤粒子，從而造成測量成本較高。更為嚴重的是，在整機測試中，由于固體粒子對下游渦輪葉片的刮擦破壞，有可能造成葉片嚴重損傷而不可繼續使用。

1.1 分子標記法

針對傳統測速方法在發動機試驗中的不足，自20世紀末以來，美國等發達國家不斷積極探索新的高精度測量方法和技術。其中分子標記法（MTV）具有較大的潛力，得到了快速發展[9-10]。

分子標記法使用激光格柵標記加入流場中的氣體分子或原子，在給定的時間（μs級）延遲后，使用平面激光掃描標記分子的新位置從而得到位移，可以無干擾精確地測量速度場。在試驗中，常用做標記的有丙酮、一丁二酮、一氧化氮、二氧化氮或鈉等，這些氣體分子、原子或離子中某些具有毒性，或費用較高，不利于實際使用。鑒于此，美國Vanderbilt大學激光燃燒診斷實驗室開發了無需添加額外氣體分子或原子的分子標記方法，即采用氫氧根離子標記測速（HTV）。該方法由193 nm激光通過分光鏡分為2束，分別通過柵格光學組件形成菱形的激光網格。在激光網格通過的流場，高能量的紫外激光會分解流場中的氣體H2O分子生成OH根離子（標記分子），此時OH根離子的位置就是激光網格的位置，這個過程就是激光“寫”過程；經過預先設置的1個時間延遲后，1束平面激光掃描流場，通過OH離子的激光誘導熒光來讀取OH離子的新位置，這個過程稱為激光“讀”過程。通過軟件測量網格節點時間延遲前、后的位置可得OH離子的位移，除以時間可獲得OH離子速度。

1.2 分子標記法的應用實例

目前，HTV技術的應用有一定要求和限制，如：需要自行設計系統，設備投資成本高，對設計和操作水平要求高；同時，HTV技術的測量區域比傳統PIV技術的略小，對于大區域測量，需要逐段掃描。但是由于其卓越的測量能力，該技術已經在航空航天相關領域研制中得到應用。

在HTV方法的測量中，標記氣體分子OH通過激光激勵技術在激光束的近旁區域由被測氣體中的水蒸氣分解產生。美國Vanderbilt大學利用HTV技術對超聲速進氣的沖壓發動機燃燒室內凹腔速度場（冷態）進行了測量[11]。

凹腔的幾何結構和尺寸如圖1所示，試驗系統如圖2所示，試驗激光格柵如圖3所示，試驗結果分析如圖4所示。

圖1 沖壓發動機燃燒室凹腔幾何結構

對于11×11的激光網格，可以同時測量流場中121個點的速度。HTV方法使用1臺ICCD相機進行2維流場測量，如使用2臺成一定角度的ICCD相機可進行3維流場測量。該方法適用于有化學反應的流場，其空間解析精度為10～100 μm，時間解析精度小于 1 μs，速度精度可達±1%。

圖2 HTV的測量系統

圖3 凹腔速度場測量中使用的激光格柵

圖4 凹腔內不同位置處平均速度和均方根速度

2 激光測量溫度組分技術

平面激光誘導熒光（PLIF）技術是激光測量技術之一，可同時測量流場中的多個參數，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方法。

PLIF技術可利用燃燒所產生的自由基作為示蹤粒子，分析燃燒狀態下的流動。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），從而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[7-8]。

應用PLIF技術進行燃燒場的測量時有一定局限性。首先，PLIF技術受到激光器的限制，目前大多測量的是燃燒中間產物，其結果能否真實反映燃燒場的性質和信息還有待考察；其次，目前PLIF技術對溫度、組分的測量實際上只是簡單演示了其測量能力（偏重預混可燃氣體經典流動），其工程應用還需在實踐中繼續檢驗。

2.1 拉曼散射測量原理

氣體分子對光子的彈性散射為瑞利散射，相互之間沒有能量交換，入射光與散射光頻率相同；拉曼散射是氣體分子對光子的非彈性散射，光子和分子有能量交換，散射光與入射光的能量不同，即頻率不同。從理論上講，對于頻率足夠大的入射光，氣體分子都會產生拉曼和瑞利散射。使用拉曼散射進行激光測量要求光源是單一頻率的大功率激光，光源可為可見光或紫外光。

當光子和分子相互作用損失能量、光子頻率降低時，散射過程為斯托克斯拉曼散射；反之，當光子從分子獲得能量、頻率增大時，散射為反斯托克斯拉曼散射。量子力學理論表明，氣體分子的能量是不連續的，能級是離散的；雙原子和多原子氣體分子的能量包含平動能、轉動能（對應量子數J）、振動能（對應量子數v）和電子能等。其中平動能因為能級微小，可認為是連續變化，其他能量形式則為明顯的離散能級。當氣體分子和光子發生能量交換時，氣體分子轉動能級或振動能級發生改變，從光子吸收或給予光子離散能級差從而改變光子頻率。因為每種分子的轉動和振動能級不同，所以拉曼散射的頻率也不相同，可以用來區別分子。同時，由于散射信號與分子質量分數成正比，所以拉曼散射可以用來同時測量多組分氣體的組分質量分數。在激光燃燒診斷中，因為振動能級大，散射信號頻率變化明顯，常用的是振動拉曼散射（Δv=±1）。

瑞利散射、斯托克斯振動拉曼散射和反斯托克斯振動拉曼散射過程如圖5所示，箭頭的粗細表示散射信號的強度。拉曼散射的信號明顯弱于瑞利散射信號，所以測量中需將瑞利散射信號過濾掉。而且斯托克斯散射信號明顯強于反斯托克斯散射信號，所以大部分激光燃燒診斷測量使用斯托克斯拉曼散射。

拉曼散射的信號強度為

式中：C（T）為依賴于溫度的標定參數；σ為拉曼散射的截面；L為激光束的長度；N為氣體組分質量分數；I為激光能量。

因為散射截面與波長的4次方成反比，所以使用波長越小（頻率越高）的激光光源，散射信號急劇增加。這就是紫外激光拉曼散射能夠進行單脈沖動態測量的原因。可見光拉曼散射信號較弱，需要進行較長時間的測量以積累足夠多的散射信號，常用于穩態燃燒測量。紫外激光拉曼散射則對快速變化的流場或湍流信息捕捉方面具有明顯優勢。

2.2 拉曼散射測量的應用實例

與HTV技術相似，拉曼散射溫度與質量分數測量技術的應用也存在一些限制，如：拉曼散射初期設備投資高（僅紫外拉曼散射的專用激光器就需要30萬美元），系統設計和數據處理復雜，對設計和操作水平要求高。目前市場上沒有成熟的商業試驗系統，需要經驗豐富的設計人員自行購買設備搭建。

美國Vanderbilt大學完成了可見光和紫外光拉曼散射系統的搭建，其中可見光系統具體配置如圖6所示[10]。該系統使用倍頻的脈沖YAG激光（波長為532 nm，脈沖時間為7 ns，頻率為10 Hz）。激光束通過0階波片和平面偏光鏡實現能量連續調節。隨后光束通過1個脈沖擴展器（脈沖擴展通過3個分光鏡和對應的光學回路使分光有不同的時間延遲）。脈沖擴展可將激光束的脈沖時間從7 ns拓展到150 ns，其目的是降低單位時間激光的能量流，從而避免聚焦后由于能量密度過大而引起火花。脈沖擴展后的激光通過焦距為300 mm的聚焦鏡頭聚焦為直徑為150 μm的光束，聚焦光束通過處會有較強的拉曼散射，在90°方向通過1個F/2（直徑76.2 mm）和F/7.5的消色差透鏡組收集拉曼散射信號。收集到的拉曼散射信號通過光譜儀將不同測量點、不同頻率的散射信號投射到液氮冷卻的背光CCD相機芯片（1024×1024像素）上的不同位置。光譜儀前通過1個液晶快門（45 μs）和1個機械快門（4.2 ms）來減少環境和火焰光線進入相機；同時還有過濾片屏蔽較強的瑞利散射信號和過濾片來屏蔽火焰的紅外輻射光線。通過Ronchi光柵測出沿著光束方向的空間解析度為98 μm，所以，該系統的空間測點是（空間解析度）直徑為150 μm、長為98 μm的微小圓柱。

圖6 Vanderbilt大學燃燒激光診斷試驗室可見光拉曼散射系統配置

作者曾在Vanderbilt大學通過應用Hencken燃燒器來實現對拉曼散射系統的標定和驗證。通過Hencken燃燒器形成許多微小的擴散火焰，在燃燒器往上約10 cm處燃燒產物處于絕熱平衡狀態，通過Chemkin Equil程序可計算出燃燒產物質量分數和溫度。通過已知的溫度和組分質量分數來標定和驗證拉曼散射系統。

本文使用Vanderbilt大學的可見光拉曼散射系統測量了管形火焰的溫度場和質量分數場，如圖7、8所示。圖中顯示了試驗使用的激光器、管形燃燒器和管形火焰，還有CCD相機拍到的拉曼散射信號；測量溫度、質量分數場和數值計算的比較結果證實了CFD程序和基元化學反應機理的準確性。

美國懷特空軍基地使用Vanderbilt大學的紫外激光拉曼散射系統[11]進行進口馬赫數為2的超聲速發動機燃燒室內溫度、質量分數場測量，通過測量提供了燃燒室內的詳細流場信息，對于燃燒室CFD模擬的校核和燃燒室設計很有幫助。

3 先進激光測量技術的應用方向

3.1 點火技術

點火/高空再點火能力是衡量發動機可靠性的1個重要標準。目前點火電嘴的初步選擇主要根據Lefebvre[12]提出的基于時間的總點火模型，其特征時間主要分為焠熄時間、蒸發時間和化學反應時間。從而得到最小點火能量

式中：ρa為燃燒室內氣流的理論密度；ΔTst為燃燒室內氣流的理論溫升；dq為最小核心火團尺寸直徑（也稱為焠熄直徑），是油氣混合物速度、密度以及上述3種特征時間的函數。

采用先進激光測量系統可以精確高效地獲得燃燒室內流場的速度、溫度和質量分數，可以對這種半理論半經驗的關系式起到良好的改進和支撐作用。有了溫度和質量分數信息，還可以使用軟件（比如CHEMKIN）進行點火條件和點火延遲時間的精確計算。

在高空再點火技術的應用研究階段，通常會將電嘴布置在多頭部的矩形或扇形燃燒室試驗段內進行點火試驗。如果試驗進行得不順利，在不了解燃燒室點火電嘴周圍流場和質量分數場信息的情況下，通常會單向地增加電嘴能量、改變電嘴位置或提高點火油氣比。這樣即使暫時解決了問題，但并不了解其中的真正原因，存在一定的盲目性。在多次試驗時還會浪費大量的時間和經費。

采用先進激光測量系統可以精確高效地測量燃燒室點火電嘴附近氣流的速度、溫度和密度，輔以液滴粒徑分布的測量。可以根據試驗測試結果診斷電嘴附近區域的氣流溫度是否過低、氣流速度是否過高、回流區形成的充分與否，乃至電嘴附近液滴粒徑的大小是否合適等，以徹底查清點火故障的原因。

由此，對某種類型燃燒室、點火電嘴和噴油嘴的結合方式做出評估。通過多次試驗所建立起的相關試驗數據庫，可對后續工作提供極大便利。

3.2 貧油熄火邊界

燃燒室燃燒穩定工作范圍的下邊界是貧油熄火邊界，是發動機的最小穩定工作狀態。傳統的燃燒室貧油熄火邊界是在初級設計階段憑借經驗設置好相應的回流區，創造高溫燃氣與燃油的混合條件；然后確定氣流參數，降低燃油供給量或固定燃油流量，增大氣流速度，在熄火時得到熄火的油氣比。

采用先進激光測量系統及其拓展系統后可以對燃燒室的3維流場、組分場、溫度場和液滴粒徑進行精確測量。通過測量可以觀察到火焰逐漸縮短至噴嘴出口附近，查看燃燒室頭部及邊界層是否存在流動分離、不穩定流動區域和倒流，主回流區的位置和流動狀態隨著油氣比的減小如何變化。通過這些信息獲得的貧油熄火邊界要比單一油氣比的數值更有說服力。在燃燒室機理試驗和應用技術試驗中可發揮重要的作用。

在研究貧油熄火極限的過程中，Lefebvre研究了不同燃油的屬性、主燃燒區流量分配和燃燒室進口參數的變化對幾種發動機（包括J79-17A、J79-17C、F101、TF41、TF39、J85、TF33 和 F100） 燃燒室的燃燒性能的影響。Lefebvre在大量發動機數據基礎上總結了慢車工況貧油熄火的經驗關系式[13]，主要考慮了油滴蒸發、霧化、化學反應動力學及工況的影響。Lefebvre的貧油熄火經驗關系式為

式（3）對于傳統燃燒室有很好的借鑒作用，但是在先進新型燃燒室的預研中需要對其做出必要的修正和補充。而如何獲得燃燒室內氣流參數，如Pb和Tb對于經驗關系式的計算精度至關重要。因此，拉曼散射激光測量系統也可以在貧油熄火經驗關系式的補充和改進中發揮作用。

3.3 低污染排放機理

燃燒室低污染研究面臨的主要問題是在發動機慢車狀態時因燃燒不完全而產生CO和UHC，以及在發動機最大狀態時因高溫而產生NOx。隨著發動機對高推重比的要求，燃燒室出口溫度和加力燃燒室進口溫度都大幅度升高，其中燃燒室出口溫度超過2000 K。這就需要加強對高溫環境下NOx等污染物生成機理的研究。

目前，關于燃燒室內污染物生成研究主要依靠數值分析計算，將計算結果與燃燒室出口組分的測量結果相對比，尋求污染物生成機理。但是僅僅通過對燃燒室出口氣體成分的對比不能充分反映出燃燒室內部污染物生成的過程，而采用PLIF等其他激光測量系統不能同時測量各污染物組分。

采用拉曼散射激光測量系統可以通過對燃燒室內3維流場、溫度場和組分場的測量了解NOx、CO和UHC等污染物質量分數在不同工況下的變化規律，可以通過改變主燃區油氣匹配，改變回流區流動方式，以及運用各種低污染排放燃燒方法控制NOx、CO和UHC的生成。也可通過研究燃油噴射方式和霧化性能，研究主燃區油氣混合、燃油噴嘴下游的燃油質量分數分布與NOx等污染物生成之間的規律。

4 結束語

目前，氫氧根離子標記測速以及拉曼散射溫度、質量分數測量技術在應用上受到一些限制，但是這些技術具有不干擾流場、精度高、空間解析度高、測量范圍廣，以及可同時多點多組分測量等優點，在航空發動機燃燒室的研發過程中非常適用。

采用先進激光測量技術可為突破燃燒室關鍵設計問題提供技術上的有力支撐。

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