張振榮,李國華,葉景峰,方波浪,呂旭飛,王晟,胡志云

(1.西北核技術(shù)研究所, 西安710024; 2.激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室, 西安710024;3.西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院, 西安710072)

利用拉曼散射法在線測量航空發(fā)動機(jī)燃燒場主要組分

張振榮1,2,李國華1,2,葉景峰1,2,方波浪1,2,呂旭飛3,王晟1,2,胡志云1,2

(1.西北核技術(shù)研究所, 西安710024; 2.激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室, 西安710024;3.西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院, 西安710072)

為了分析評價航空發(fā)動機(jī)燃燒狀態(tài)，采用拉曼散射技術(shù)在線測量了航空渦輪發(fā)動機(jī)燃燒流場主要組分?；诎l(fā)動機(jī)實驗現(xiàn)場條件，建立了用于發(fā)動機(jī)燃燒場主要組分測量的拉曼散射實驗系統(tǒng)，測量了發(fā)動機(jī)試驗過程中流場主要組分的拉曼光譜；通過光譜計算獲得了流場主要組分含量信息。實驗結(jié)果表明：采用自發(fā)拉曼散射技術(shù)可以較好地完成航空渦輪發(fā)動機(jī)燃燒場主要組分摩爾分?jǐn)?shù)的測量工作。

拉曼散射；航空渦輪發(fā)動機(jī)；燃燒場；組分

發(fā)動機(jī)是各類飛行器的動力源，它的性能是決定飛行器技術(shù)水平的重要因素之一。一直以來，我國航空領(lǐng)域高速發(fā)展的主要瓶頸是缺乏高性能航空發(fā)動機(jī)，因此，研制高性能的航空發(fā)動機(jī)是提高我國飛機(jī)性能，打破高性能航空發(fā)動機(jī)主要依賴進(jìn)口不利局面的關(guān)鍵。對未來飛機(jī)的需求是更長的航程、更高的巡航速度，特種用途的飛機(jī)還特別突出機(jī)動性和敏捷性的要求。為了滿足這些發(fā)展需求，現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)必須具有更高的推重比和更高的可靠性。主燃燒室是航空發(fā)動機(jī)的核心部件之一，發(fā)動機(jī)的可靠性和壽命在很大程度上取決于燃燒室的可靠性和有效程度。為此，必須提高燃燒室設(shè)計水平，設(shè)計一種燃燒效率高、燃燒穩(wěn)定、壽命長的燃燒室是現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機(jī)研制中的一項重要任務(wù)。

要正確評價發(fā)動機(jī)燃燒室性能，必須開展大量的模擬實驗[1-2]，并對燃燒過程中表征燃燒狀態(tài)的各種參數(shù)，如溫度、組分、速度、壓力等進(jìn)行在線測量。其中，燃燒過程中的組分信息是目前發(fā)動機(jī)試驗極為關(guān)心的關(guān)鍵參數(shù)之一。由于常規(guī)的接觸式探測器往往難以適應(yīng)發(fā)動機(jī)高溫、強(qiáng)氧化環(huán)境，無法實現(xiàn)組分的在線測量，因此需要借助非接觸式的光學(xué)方法在線測量發(fā)動機(jī)流場參數(shù)[3-6]。

可用于發(fā)動機(jī)流場組分測量的方法很多，其中，自發(fā)拉曼散射(spontaneous Raman scattering，SRS)技術(shù)因單次測量就可以實現(xiàn)流場主要組分定量測量，因此，在流場主要組分濃度測量方面具有獨特優(yōu)勢。目前該技術(shù)已初步成功應(yīng)用于多種燃燒流場組分測量[7-11]。Grady等用KrF準(zhǔn)分子激光(248 nm)激勵SRS技術(shù)，測量了燃燒場參數(shù)信息，實驗采用的混合物燃料中，甲烷和氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)分別為70%和30%，與實際使用的燃料相比，該實驗燃料簡單，沒有強(qiáng)熒光干擾[9]。Pitz等采用KrF準(zhǔn)分子激光，診斷了簡單碳?xì)淙剂先紵某曀偃紵鲌觯@得了流場組分其摩爾分?jǐn)?shù)[10]。Wehr等用YAG激光三倍頻(355 nm)輸出激勵一維SRS技術(shù)[11]，診斷了以天然氣為燃料的高壓燃?xì)廨啓C(jī)燃燒場，獲得了燃燒場主要組分及其摩爾分?jǐn)?shù)，實驗結(jié)果可用于對該燃燒過程的理論模擬。Locke采用YAG激光二倍頻(532 nm)輸出激勵SRS技術(shù)，開展了模擬燃燒流場診斷實驗，獲得了燃燒場主要組分摩爾分?jǐn)?shù)[12]。

上述研究一般采用小分子氣體燃料，如CH4、H2、C2H4等采用自發(fā)拉曼散射技術(shù)診斷以煤油為燃料的發(fā)動機(jī)試驗尚未見報道。本文采用SRS技術(shù)對航空渦輪發(fā)動機(jī)試驗過程流場進(jìn)行了診斷。通過拉曼光譜測量與分析，獲得了發(fā)動機(jī)試驗全過程主要組分的摩爾分?jǐn)?shù)，為發(fā)動機(jī)試驗性能分析及數(shù)值模擬提供了必要的數(shù)據(jù)支持。

1 測量原理

激光作用到氣體分子時會產(chǎn)生彈性瑞利散射，同時還會產(chǎn)生較弱的非彈性散射即拉曼散射。拉曼散射光與激勵激光存在一定的頻差，該頻差與激勵激光的波長無關(guān)，由散射分子的振動和轉(zhuǎn)動能級決定。不同的分子，振動能級往往各不相同，因此，一次激發(fā)即可獲得被測氣體中所有組分的拉曼光譜，通過光譜分析可以獲得被測氣體的組分信息，同時還可以根據(jù)各組分拉曼光譜的強(qiáng)度，計算出各組分的摩爾分?jǐn)?shù)。氣體組分的拉曼散射信號強(qiáng)度可以表示為[12]

其中,I為實驗測得的拉曼散射光強(qiáng)度；η為系統(tǒng)的整體收集效率，與收集透鏡的空間立體角、光譜儀接收效率、探測系統(tǒng)的量子效率等有關(guān)；EL為激勵激光的脈沖能量；hvs為散射光子的能量；dσ/dΩ為探測組分的拉曼散射截面，可通過計算或是實驗標(biāo)定的方法獲得；ni為探測組分的粒子數(shù)密度；l為探測區(qū)域的空間尺度；f(T)為溫度的函數(shù)，與探測組分基態(tài)粒子數(shù)在各振動、轉(zhuǎn)動能級上的分布相關(guān)，主要影響拉曼光譜的譜線輪廓。由上式可知，在保持激光、外光路和測試系統(tǒng)等參數(shù)不變的條件下，拉曼散射信號強(qiáng)度與所探測組分的粒子數(shù)密度成正比，所以利用自發(fā)拉曼散射技術(shù)可以較容易地獲得所探測組分的摩爾分?jǐn)?shù)信息。

2 實驗系統(tǒng)

拉曼散射測量系統(tǒng)，如圖1所示。主要由激光光源、光譜儀、信號收集系統(tǒng)、航空發(fā)動機(jī)實驗臺等部分組成。

航空發(fā)動機(jī)模擬實驗臺來流采用電加熱方式，實驗中來流溫度為600 K，流量為0.5 kg·s-1。發(fā)動機(jī)模型的燃燒室在水平側(cè)壁上有2個對開的光學(xué)窗口，用于信號探測；在發(fā)動機(jī)尾部有1個光學(xué)窗口，用于激光入射。3個光學(xué)窗口位于同一高度處。從圖1可看出發(fā)動機(jī)光學(xué)窗口的具體布局。發(fā)動機(jī)燃料采用航空煤油，燃燒室壓力為550 kPa。

圖1 拉曼散射實驗系統(tǒng)Fig.1Raman scattering experiment system

實驗所用的激勵光源為Nd:YAG激光器的三倍頻，波長355 nm，脈寬約8 ns，重復(fù)頻率10 Hz，線偏振。光譜儀使用600 g·mm-1刻線光柵，光譜分辨率為0.2 nm，中心波長為392 nm，光譜測量范圍為370～420 nm，涵蓋了被測主要組分的振動拉曼光譜。信號收集系統(tǒng)由一對大口徑球面透鏡和一塊寬帶反射鏡組成。激勵經(jīng)過一塊半波片后由焦距為0.8 m的透鏡聚焦，經(jīng)過光束轉(zhuǎn)置傳輸，沿水平方向經(jīng)發(fā)動機(jī)尾部的光學(xué)窗口入射到發(fā)動機(jī)燃燒室，產(chǎn)生的拉曼散射信號穿過燃燒室側(cè)面的光學(xué)窗口后，由信號收集系統(tǒng)成像至光譜儀狹縫處，經(jīng)光譜分光后由ICCD接收。實驗測量點位于發(fā)動機(jī)旋流器軸線上，距旋流器出口8 cm處。光譜儀狹縫前放置有長波通濾光片(Semrock)，用于過濾激光散射光。激光傳輸光路上設(shè)置有355 nm半波片，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)使激光入射到燃燒場時處于垂直偏振狀態(tài)，以獲得最大信號強(qiáng)度。

3 測量與分析

發(fā)動機(jī)燃燒流場組分測量實驗可以分為3個階段。第1階段為來流加熱階段，這一階段來流為純凈的熱空氣；第2階段為燃料燃燒階段，發(fā)動機(jī)噴油點火，并在燃燒室內(nèi)燃燒，流場中的組分包括來流氣體及燃燒產(chǎn)物等；第3階段為結(jié)束階段，此時燃燒結(jié)束，流場主要組分為用于管道吹掃的熱空氣。

圖2為發(fā)動機(jī)實驗過程中流場的典型拉曼光譜。

圖2 發(fā)動機(jī)流場組分拉曼光譜Fig.2Raman spectra of species in engine flow field

從測量開始后的前2 s為第1階段，流場主要組分為N2和O2。第2階段，發(fā)動機(jī)噴油點火，此時拉曼光譜所測得的主要組分有CO2、O2、N2和H2O等。發(fā)動機(jī)噴油燃燒共約8 s，隨后噴油結(jié)束，火焰熄滅，來流仍然為熱空氣。在火焰熄滅后的拉曼光譜中出現(xiàn)了燃料的拉曼光譜，主要是由于火焰熄滅后，來流空氣帶出了噴油管道中殘余的燃油，持續(xù)時間約2 s。發(fā)動機(jī)實驗參數(shù)設(shè)置為富氧燃燒狀態(tài)，所以在整個實驗過程中存在較強(qiáng)的氧分子拉曼光譜。

根據(jù)實驗過程中各組分拉曼光譜的強(qiáng)度，由公式計算出各個組分的摩爾分?jǐn)?shù)。圖3為利用拉曼光譜計算獲得的各種主要組分的摩爾分?jǐn)?shù)及其在燃燒過程中的變化情況。燃燒過程中，各種燃燒產(chǎn)物的摩爾分?jǐn)?shù)相對穩(wěn)定，說明雖然在航空發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)流場存在強(qiáng)湍流，但燃燒過程本身比較穩(wěn)定，發(fā)動機(jī)實驗的參數(shù)控制較好。

圖3 主要組分摩爾分?jǐn)?shù)隨時間的變化曲線Fig.3Mole fraction of major species vs. time

4 結(jié)論

采用拉曼散射技術(shù)對航空渦輪發(fā)動機(jī)燃燒流場進(jìn)行了診斷，獲得了以航空煤油為燃料，燃燒壓力為550 kPa條件下，燃燒流場主要組分及其摩爾分?jǐn)?shù)隨時間的變化信息。結(jié)果表明：1)采用自發(fā)拉曼散射技術(shù)可以較好地完成發(fā)動機(jī)燃燒流場主要組分含量的在線測量工作；2)發(fā)動機(jī)實驗過程中，各組分的摩爾分?jǐn)?shù)比較穩(wěn)定，說明發(fā)動機(jī)實驗過程中燃燒參數(shù)控制較好。

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The Online Measuring of the Major Species in Aeroengine Combustor Using Raman Scattering Method

ZHANG Zhen-rong1,2,LI Guo-hua1,2,YE Jing-feng1,2,FANG Bo-lang1,2,LYU Xu-fei3,WANG Sheng1,2,HU Zhi-yun1,2

(1.Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China; 2. State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter,Xi’an710024, China; 3.School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi’an710072,China)

In order to properly evaluate the aeroengine combustion state, spontaneous Raman scattering technique is used to determine the major species in aeroengine combustor. First, according to the engine experimental conditions, spontaneous Raman scattering experimental system for the engine flow field diagnosis is established. Second, the Raman spectra of the major species in aeroengine combustor are measured, and the mole fractions of the major species are calculated by analyzing the Raman spectra. The results show that spontaneous Raman scattering technique works well for mole fraction measurements of aeroengine combustor species, and the results can be utilized for the aeroengine experimental data analysis.

Raman scattering；aeroengine；combustion；species

2016-09-19；

2016-11-02

激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室基金資助項目(SKLLIM1507)

張振榮(1974- )，男，陜西西安人，副研究員，碩士，主要從事激光診斷燃燒流場相關(guān)研究。

E-mail:zhangzhenrong@nint.ac.cn

TN249

A

2095-6223(2016)040303(4)