陳苗苗，袁 汀，蔣榮偉，張 險

(中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲412002)

1 引言

航空發(fā)動機燃燒室燃燒機理研究中，燃燒室點火成功與否是一項重要的研究內(nèi)容。傳統(tǒng)的點/熄火測量主要是通過熱電偶等接觸式方法獲得點燃與否的燃燒試驗數(shù)據(jù)。經(jīng)過多年研究，接觸式測溫技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟且測量準(zhǔn)確度較高，但該技術(shù)對燃燒室的點/熄火判斷仍有較大的局限性。如探針布局受空間限制以致取樣代表性不足，探針測量范圍有限和存在熱傳遞誤差等。此外，熱電偶溫升法獲得的一些宏觀參量(如溫度等)，不足以完全驗證設(shè)計技術(shù)，設(shè)計者們需要在時間和空間上更加精準(zhǔn)、快速的試驗測試信息，如點火瞬間火焰?zhèn)鞑シ较蚣案訙?zhǔn)確的點/熄火燃燒圖像和數(shù)據(jù)等。

鑒于傳統(tǒng)接觸式測量方法存在的不足，以及計算機技術(shù)和光測量技術(shù)的發(fā)展，研究人員對基于光學(xué)的非接觸式測量技術(shù)開展了大量研究。同時，由于燃燒時會伴隨著聲、光、熱等多種物理現(xiàn)象，近年來大量學(xué)者利用火焰圖像的非接觸式測量技術(shù)對鍋爐燃燒進行了研究[1-3]。然而將火焰圖像技術(shù)應(yīng)用到航空發(fā)動機燃燒室上，國內(nèi)還處在比較原始的階段，僅通過在燃燒室機匣上開孔，透過觀察窗觀測燃燒過程[4-5]——這是火焰圖像技術(shù)最基本的應(yīng)用，不能做到自動診斷燃燒結(jié)果，也不能獲得全面的燃燒信息。通過火焰觀測系統(tǒng)獲取燃燒室實時的燃燒圖像，是發(fā)動機燃燒室點/熄火試驗時最直接的試驗結(jié)果。因此，深入分析實時火焰圖像，采用火焰圖像判定燃燒室點/熄火狀況更加直接和真實。本文通過在燃燒室排氣端增加一套火焰觀測系統(tǒng)，實時觀測燃燒室內(nèi)部火焰燃燒情況，同時檢測提取火焰圖像信息并結(jié)合普朗克黑體定律，實現(xiàn)準(zhǔn)確、快速地診斷燃燒室點/熄火，獲得實時燃燒室點/熄火試驗結(jié)果，對研究人員理解燃燒室的組織形式和燃燒機理具有重要意義。

2 火焰圖像測試技術(shù)

2.1 火焰圖像亮度與溫度的關(guān)系

目前基于火焰圖像的溫度場測量共有3種模式[6-8]：①三維燃燒火焰在二維平面上的累積疊加效應(yīng)形成的診斷溫度場測量；②基于輻射傳遞方程反演的二維截面溫度場測量；③基于輻射傳遞方程反演的三維溫度場測量。相比較，模式②和模式③均涉及較為復(fù)雜的輻射傳遞逆求解，而模式①不用考慮輻射傳遞過程的反演，方法簡單可靠。對于本文研究，僅通過火焰圖像診斷燃燒室燃燒狀況，采用模式①即可。

普朗克輻射定律描述了黑體輻射與溫度之間的定量關(guān)系，對于溫度在3 000 K以下及波長在400～800 nm之間的燃燒火焰，可以使用Wien公式近似替代，即：

2.2 火焰圖像處理及特征提取

進行燃燒室點/熄火診斷前，需要把濾波后包含大量火焰特征量的二維火焰圖像在未著火、著火、聯(lián)焰成功的特征信息提取出來。從圖1某環(huán)型燃燒室從未著火到聯(lián)焰成功過程圖像可看出，未著火到燃燒室聯(lián)焰成功時火焰亮度提高非?？臁Ｍ瑯?，從圖2所示的燃燒室熄火過程也可看到相同的火焰圖像特征。故通過燃燒室出口火焰圖像亮度變化就可知燃燒室點/熄火與否。但對于燃燒室聯(lián)焰成功與否不能僅僅通過火焰亮度變化識別，還需通過燃燒室環(huán)面上噴嘴著火的數(shù)量識別，或根據(jù)燃燒室出口截面的點燃面積百分比判定。

判斷燃燒室是否聯(lián)焰時，主要是檢測著火的噴嘴數(shù)量。燃燒室點火過程中，隨著燃燒強度的增加，整個燃燒室環(huán)面的火焰亮度也在不斷增加，點燃的噴嘴周圍必然會出現(xiàn)較強的亮度，這容易造成對相鄰噴嘴燃燒狀況的誤判。為解決診斷燃燒室聯(lián)焰時點燃噴嘴對相鄰噴嘴的影響，可用噴嘴周圍火焰圖像的有效灰度來反應(yīng)燃燒室的燃燒狀況?；鹧嬗行Щ叶扔嬎闶娇杀硎緸椋?/p>

式中：m、n分別為以噴嘴為中心噴嘴火焰圖像中沿x軸和y軸方向的像素個數(shù)，g(x)為域值函數(shù)，fij為圖像中j列第i行像素點的灰度，fy為預(yù)先設(shè)定的閾值，L為燃燒室噴嘴徑向截面亮度取點總個數(shù)(2m× 2n)。

雖然火焰有效灰度可表征作為表征噴嘴著火與否的集合特征量，但也可通過統(tǒng)計燃燒室噴嘴周圍有一定灰度級以上的所有像素點的個數(shù)來表征噴嘴著火狀況，即通過噴嘴周圍的有效燃燒面積來表征該噴嘴是否著火。這主要是由于每個噴嘴點燃時其周圍燃燒面積應(yīng)大致相同，故可用噴嘴有效燃燒面積表征噴嘴燃燒狀況。噴嘴燃燒面積可定義為：

式中：A(x）為域值函數(shù)，F(xiàn)ij為圖像中j列第i行像素點的灰度，-Fy為預(yù)先設(shè)定的閾值。通常，在判斷燃燒室噴嘴是否真實點燃時，可將噴嘴燃燒火焰有效灰度和燃燒室噴嘴周圍燃燒的有效面積相結(jié)合進行診斷，以獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

3 試驗驗證

試驗時首先通過火焰觀測系統(tǒng)拍攝燃燒室點火過程火焰視頻圖像，然后經(jīng)圖像處理軟件提取點火過程的火焰圖像特征，最后采用噴嘴周圍的有效灰度判斷噴嘴是否著火，通過式(3)和式(4)計算當(dāng)前是否有噴嘴點燃。采用高電平1代表有噴嘴著火、低電平0代表沒有噴嘴著火給出試驗時的著火曲線。在判斷是否有噴嘴著火的同時，統(tǒng)計當(dāng)前燃燒室噴嘴點燃數(shù)量。當(dāng)點燃噴嘴數(shù)量大于等于噴嘴總數(shù)的80%時，給出判定結(jié)果高電平1，判定燃燒室聯(lián)焰成功，代表此時燃燒室有80%以上的噴嘴著火；反之則給出判定結(jié)果低電平0，判定聯(lián)焰不成功代表當(dāng)前噴嘴著火數(shù)量不足燃燒室噴嘴總數(shù)的80%。同樣，通過式(5)和式(6)統(tǒng)計大于某一燃燒面積百分比的噴嘴數(shù)量，診斷當(dāng)前燃燒室噴嘴的燃燒情況，并實時給出著火噴嘴占總噴嘴數(shù)百分比的診斷曲線。

圖3、圖4為利用火焰圖像技術(shù)診斷的某燃燒室點火狀況。圖5為通過熱電偶溫升法得到的點火試驗過程中燃燒室出口溫度的變化。對比圖3與圖5可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃燒室點火成功后，圖5中3只熱電偶探針?biāo)查g溫度就超過250℃，熱電偶法判定此時燃燒室聯(lián)焰成功，時間為8.1 s；火焰圖像法也判定燃燒室聯(lián)焰成功，時間為7.8 s，較熱電偶法縮短了0.3 s。但從圖4中發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，在12.5 s、13.0 s等多處有噴嘴熄滅的現(xiàn)象，燃燒室并非一直處于聯(lián)焰狀態(tài)(因氣流波動等因素造成)。但由于熱電偶自身的缺陷，僅根據(jù)熱電偶的溫度判定，無法識別此時有噴嘴熄滅。對比圖4與圖5也可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃燒室點火成功的面積低于80%時，圖4判定為燃燒室聯(lián)焰失敗，兩種診斷方法給出圖形結(jié)果一致，可判定該結(jié)果真實可靠。故采用熱電偶溫升法診斷燃燒室點/熄火狀態(tài)存在結(jié)果片面的現(xiàn)象，火焰圖像法判定燃燒室點/熄火的狀態(tài)不但更加準(zhǔn)確，而且能給出更多有關(guān)燃燒室點火過程的信息。

4 結(jié)論

(1)火焰圖像法提供了一種燃燒室點/熄火試驗的新測試方法，該方法可彌補傳統(tǒng)熱電偶溫升法的不足，獲得準(zhǔn)確的燃燒室點/熄火試驗結(jié)果。

(2)基于火焰圖像法的燃燒室點/熄火判斷技術(shù)，不僅可用于單管/單頭部燃燒室點/熄火試驗，還可用于不同結(jié)構(gòu)類型的環(huán)形燃燒室點/熄火試驗。

(3)采用火焰圖像觀測系統(tǒng)可實時觀測燃燒室點/熄火全過程，這為研究火焰前鋒從一個噴嘴向相鄰噴嘴的傳播提供了可能。

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