[發明專利]一種航空發動機燃氣溫度反演方法

有效

• 申請號: 202110698792.4
• 申請日: 2021-06-23
• 公開（公告）號: CN113465768B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 呂金光;趙瑩澤;梁靜秋;王惟彪;秦余欣;陶金;鄭凱豐
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01K11/00
• 分類號: G01K11/00;G01M15/02
• 代理公司: 長春中科長光知識產權代理事務所(普通合伙) 22218
• 代理人: 高一明;郭婷

本發明提供了一種航空發動機燃氣溫度反演方法，利用光譜儀對航空發動機內部燃氣輻射光譜進行實時測量，根據測量輻射光譜與雙波長吸收系數比值數據庫進行迭代計算，當滿足計算的待測燃氣溫度與初始設定溫度差值在計算誤差內時，此時溫度即為待測燃氣的溫度。該方法不需要主動光源，依靠測量航空發動機運行時內部的輻射光譜分布反演燃氣溫度，相較于傳統的燃氣溫度測量方法具有測量實時性好，對現有發動機改裝簡單，測量裝置簡單等優勢，降低了應用成本，提高了測量系統的穩定性。

技術領域

本發明屬于光譜測溫技術領域，具體涉及一種基于被動式航空發動機燃氣溫度反演方法。

背景技術

目前對航空發動機燃氣溫度進行測量的方法主要有以下幾種：

1、燃氣分析測溫法：通過分析燃氣中各種組分的含量，根據燃氣燃燒化學方程推算燃氣溫度的方法。主要通過探針抽取燃氣與燃料的混合物樣品，淬熄后經管路傳輸至氣體分析儀對樣品進行成分及含量分析后，依據燃燒方程計算出燃燒效率以及余氣系數，以此推算出燃氣溫度。常用于在航空發動機地面試驗時測量燃燒室出口溫度場的分布。但采用燃氣取樣的方式進行燃氣溫度測量，取樣探針結構復雜，為了防止取樣探針被高溫燃氣燒蝕，取樣探針需要龐大的水冷機構進行降溫，體積結構較大，只能用于航空發動機地面實驗平臺，無法實現實時燃氣溫度的在線測量。

2、可調諧激光吸收光譜技術：利用燃氣吸收光譜隨溫度變化的特性實現燃氣溫度的測量。具體燃氣吸收光譜譜線的線強與燃氣溫度間具有函數關系，同時測量同一吸收路徑下可調諧激光吸收光譜在兩個不同波長吸收區域的吸收譜線，基于比爾朗伯定律可以計算出兩個波長對應的譜線線強與燃氣溫度的比值函數對應關系，即可得到測量燃氣的溫度。但采用主動式激光的測量方式需要激光器的發射端以及接收端兩個發動機機匣壁開口，對現有發動機的改裝難度較大。在空間十分小的發動機內部空間受限，主動式技術的應用具有局限性。與此同時由于激光發射端和接收端易受到運行時燃氣氣流以及炭黑顆粒的污染導致測量精度降低。

3、傅里葉變換光譜法：基于氣體分子在不同的波段發射帶內轉動常數不同，通過建立分子的轉動常數與溫度之間的關系計算測量氣體溫度。具體為使用傅里葉變換光譜儀測量熱氣體光譜吸收譜線，通過測量氣體在兩個不同參考溫度下的氣體輻射光譜，獲取其轉振光譜帶中轉動常數與溫度之間的函數關系即可得到被測氣體的溫度。但由于傅里葉變換光譜儀獨特的結構，需要通過控制動鏡的移動獲取光譜，因此光譜的獲取需要大約10s左右的時間，這對高速燃氣流的溫度測量具有滯后的缺點，不能反映發動機實時溫度。同時傅里葉變換光譜儀通常用于遙測測量的方式測量發動機排放的尾焰，不能測量發動機內部燃氣的溫度，很難做到將傅里葉變換光譜儀與航空發動機進行集成。

發明內容

本發明為了解決上述測量方法存在的缺陷，提出了一種航空發動機燃氣溫度反演方法。當航空發動機工作時，渦輪葉片和光學探針之間充斥著大量的燃氣，本發明以氣體層輻射傳輸模型作為參考，建立被動式高溫燃氣輻射傳輸模型。當航空發動機工作時，在燃燒室中燃油與空氣混合后點燃，燃燒室后方噴出的大量高溫燃氣(即待測燃氣)經過靜止的導流渦輪葉片進行燃氣整流后推動轉子渦輪葉片旋轉，同時向后噴出的高溫燃氣的高速氣流產生向前的推力。測量時將光學探針放置在導流渦輪葉片與轉子渦輪葉片之間，由于導流渦輪葉片在航空發動機工作的過程中不旋轉運動，表面的溫度分布也比較穩定，導流渦輪葉片與探針之間的氣流比較穩定，探針與導流渦輪葉片之間的距離較小，可以將導流渦輪葉片與測量探針之間的燃氣流場看作是均勻分布的。因此將導流渦輪葉片作為整個測量模型中背景輻射的來源。通過雙波長吸收系數比值測溫法對待測燃氣溫度進行反演，實現航空發動機燃氣溫度實時測量。為實現上述目的，本發明采用以下具體技術方案：

一種航空發動機燃氣溫度反演方法，包括以下步驟：

S1、根據式(1)的擬合函數關系模型，計算待測燃氣溫度T_gas＝T_a時，雙波段氣體吸收系數比