基于TDLAS技術的燃燒室出口溫度場測量

戴斌，阮俊，許振宇，李俊松，闞瑞峰，姚路

（1.中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703；2.中國科學院安徽光學精密機械研究所，合肥230031）

基于TDLAS技術的燃燒室出口溫度場測量

戴斌1，阮俊2，許振宇2，李俊松1，闞瑞峰2，姚路2

（1.中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703；2.中國科學院安徽光學精密機械研究所，合肥230031）

為驗證可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術，在航空發(fā)動機燃燒室燃燒流場測量領域的適用性，以自主設計的高溫升模型燃燒室為研究對象，結合多光路正交布網的測量方法，對燃燒室出口的燃氣溫度進行測量，并利用層析算法實現測量截面的二維分布重建，同時采用固定的溫度探針進行測量與對比驗證。結果表明，采用TDLAS結合層析重建的方法，基本能獲得具有時間分辨的燃燒室出口溫度分布的主要特征，可以區(qū)分高溫區(qū)和低溫區(qū)，但單線測量和場分布重建精度還有待于進一步提高。進一步優(yōu)化該系統(tǒng)，可用于航空發(fā)動機燃燒室出口溫度和組分濃度分布測量。

可調諧二極管吸收光譜（TDLAS）；航空發(fā)動機；燃燒室；出口溫度場；多光路正交；試驗驗證；二維重建

1　引言

可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）測量技術，是一種新興的基于激光吸收光譜分析的燃燒診斷技術［1-2］，可實現高溫、高流速環(huán)境下的多流場參數測量。相比傳統(tǒng)的探針式接觸測溫法，TDLAS具有不干擾待測流場、靈敏度高、譜分辨率高、響應時間快、動態(tài)測量范圍寬、多參量同時測量等優(yōu)點。

近年來，TDLAS技術在燃燒流場診斷上的應用研究日益受到重視，內容涵蓋了從實驗室高溫光譜參數研究到燃燒環(huán)境現場測量診斷的各個層面。如Griffiths等［3］首次將該技術應用于脈沖式超燃設備的燃燒室出口溫度測量；Liu等［4］利用該技術在燃燒室出口截面的8個不同高度，同時測量了尾氣溫度和水蒸氣分壓；Rieker等［5］利用燃燒室出口溫度測量結果，成功捕捉了超燃沖壓發(fā)動機中的燃燒振蕩現象；Gruber等［6］利用9個測量光束，得到了燃燒室出口靜溫的大致截面分布，并結合平面激光誘導熒光（PLIF）技術和CFD結果，分析了燃燒狀況；Behrendt等［7］對一預混燃燒器的內部燃燒區(qū)和出口CO和NO等組分濃度進行了測量，并與探針測量結果進行了對比，盡管對比結果不理想，但作者提出了對TDLAS系統(tǒng)的一些改進措施。國內李飛和余西龍等［8-9］開展了TDLAS技術在超燃燃燒流場測量上的應用研究，并取得較大進展。

在TDLAS測量場分布的重建研究方面，國內外學者也開展了大量研究。如Martin［10］、Busa［11］等采用TDLAS結合計算機層析成像技術（CT），完成了在平焰爐上的驗證試驗；Kasyutich等［12］用對射收發(fā)結構，通過伺服旋轉的方式掃描獲取5個投影扇束共計55射束的投影，采用代數迭代（ART）算法對圓形和矩形加熱體組合的溫度分布重建進行了驗證；Wang等［13］采用ART算法對低溫下NH3排放的溫度、濃度分布進行了重建研究；Ma［14］采用6條固定測量光路，選擇H2O在1 333～1 337 nm范圍內的其中100個吸收峰波長位置，進行了Hencken平焰爐爐面溫度和H2O濃度的重建；李寧等［15］采用4投影方向，每組8個均勻分布射束，4個測量波長，利用遺傳模擬退火算法，進行了拋物面上疊加雙高斯峰溫度模型、雙高斯H2O濃度分布模型的重建模擬；姜治深［16］利用H2O的兩條吸收譜線測量了平面燃燒爐上甲烷/空氣的預混平面火焰，并根據采集到的數據，利用編寫的基于ART算法的氣體濃度重建程序，重建了H2O的濃度和溫度的二維分布。

從以上研究可以看出，當前TDLAS技術在國內外的超燃領域應用較成熟，但在航空發(fā)動機燃燒領域應用極少，基本未見相關報道。本文以航空發(fā)動機高溫升模型燃燒室為試驗對象，在其出口截面上，采用TDLAS的雙線直接吸收法，以多光路正交布網的方式，對燃燒室出口的H2O濃度和燃氣溫度進行測量，并與探針測量結果進行對比。后處理中結合CT技術，實現燃燒室出口H2O濃度和燃氣溫度二維分布重建。本次研究是TDLAS技術在航空發(fā)動機燃燒流場測量上的初步嘗試，旨在進行先進的非接觸式測試技術應用探索。

2　TDLAS測量與重建原理

2.1TDLAS測溫原理

激光穿過氣體介質后，其光強變化遵循Beer-Lambert定律：

式中：I、I0分別為吸收后和入射激光強度；Si（T）為該譜線強度（簡稱線強），表示該譜線的吸收強度；p為氣體總壓；L為光學路徑長度；X為氣體體積濃度；?（ν）為線型函數，表示被測吸收譜線形狀。圖1為線強吸收原理示意圖。

圖1　線強吸收原理示意圖Fig.1 The principle of line light intensity absorption

吸收線強是溫度的函數，隨溫度的變化關系主要由低態(tài)能級決定。任何兩個不同低態(tài)能級的吸收躍遷線強比值，為溫度的單調函數（或隨溫度變化的函數唯一）。采用雙線測溫法測氣體溫度時，兩條氣體吸收線為同一種氣體同一吸收路徑下經一次掃描所得，濃度、壓強等參數可通過運算消去，得到關于溫度的表達式：

據此，經試驗測得的兩條躍遷吸收譜線的積分吸光度的比值，就可推算出溫度值：

獲得燃燒場溫度后，便可通過任意一條吸收線來計算吸收組分的摩爾分數：

2.2溫度場分布重建原理

采用多光路相正交的測量方法，即正交固定網格測量法實現溫度場分布測量。其原理是通過將待測區(qū)域分成許多網格，并對待測區(qū)域進行多路測量進而得到每個網格的信息，從而實現同時具有時間和空間分辨的溫度二維分布測量。二維區(qū)域的網格化測量技術按照模擬量的數字化思想實現：首先將二維區(qū)域劃分為一定數量的微區(qū)，假設微區(qū)內的溫度、濃度等參數均勻分布，這樣就得到了若干交匯路徑；再采用CT技術中的ART方法，進一步推算出微區(qū)的待測物理量，據此過程列寫符合的物理規(guī)律方程，如式（5）所示；最后根據先驗邊界條件求解方程，從而獲得每個微區(qū)網格內的物理量平均值，得到具有一定分辨率的二維場。正交網格法的具體實現如圖2所示。

圖2　正交網格法場分布重建示意圖Fig.2 The sketch map of field distributed reconstruction using orthogonal grid method

ART方法本質為在一定最優(yōu)化和邊界約束條件下對式（5）的最優(yōu)求解過程，其對投影射線安排的要求相對自由，能夠在投影數目減少和存在測量噪聲時，實現一定分辨的重建［17］。

3　出口溫度場試驗與驗證

3.1試驗件與測量裝置

試驗件為自主設計的用于燃燒場可視化研究的高溫升模型燃燒室，如圖3所示。其流道為矩形結構，由直壁擴壓器、火焰筒及其頭部、機匣和電嘴等組成。其中火焰筒頭部包括雙級軸向旋流器、燃油噴嘴、擋板和帽罩等組件。本次試驗中，將圖中所示兩側板更換為盲板進行試驗。

出于對TDLAS技術試驗與驗證的目的，需要根據試驗件出口結構尺寸設計光機測量機構，同時還要考慮激光光路的安裝調節(jié)，玻璃視窗的防污染和清潔，以及整體機構的高溫冷卻等。光機測量機構應能實現激光的視線測量及總溫探針的驗證測量。綜合考慮后，該測量裝置設計為圖4所示結構。

圖3　高溫升模型燃燒室試驗件Fig.3 High temperature rise combustor model

圖4　試驗件出口光機測量機構結構3D視圖Fig.4 The 3D view of optical mechanical construction for measurement of sample exit

在鄰近光機測量機構的進口連接法蘭端面處（盡量貼近試驗件出口截面處），采用多光路布網傳輸，相交織光路形式，將燃燒室出口橫截面分成5×3的網格，在壁面上布置帶防油霧和防積碳污染功能的光路探測裝置。緊隨其后，在距TDLAS視線光路所在截面下游2.0 mm處，布置2支7點總溫總壓復合探針用于數據驗證。TDLAS系統(tǒng)光路與探針測量的相對位置如圖5所示，其中1#、3#光路分別對應1#和2#總溫總壓探針的測量點，5#和7#光路與鄰近探針測點的縱向距離為3.0 mm。光路之間間距25.0 mm，每支探針相鄰測點之間間距11.0 mm。整個機構采用帶夾層水套的形式通水冷卻。

圖5　TDLAS系統(tǒng)光路與探針測量相對位置示意圖Fig.5 Opposite measurement position sketch of probe and light path of TDLAS system

3.2測量系統(tǒng)組成

試驗件進口分別采用單支3點總溫總壓復合探針和單點靜壓孔測量進氣總溫、總壓和靜壓，空氣流量采用標準孔板測量。

采用中科院安徽光學精密機械研究所自主設計的TDLAS系統(tǒng)進行測試。該系統(tǒng)主要由控制機箱和數據采集模塊組成，如圖6所示?？刂茩C箱主要實現信號處理，包含DFB激光器、光纖分束器、小型化激光器驅動模塊、激光器掃描波形發(fā)生模塊和弱信號處理模塊。數據采集模塊主要完成對模擬光譜信號的數字化和溫度反演功能?？刂茩C箱與光機測量機構之間通過光纖和同軸電纜連接，實現光電信號傳輸。

圖6　TDLAS測量系統(tǒng)組成Fig.6 The structure of TDLAS measurement system

3.3試驗參數與試驗方法

出于技術驗證的目的，在兩個不同壓力狀態(tài)下進行試驗，具體參數見表1。表中，W為試驗件進口空氣流量，p3為進口總壓，T3為進口總溫。

表1　試驗狀態(tài)參數Table 1 Test state parameters

試驗在中國燃氣渦輪研究院傳熱試驗器上進行，試驗件與光機測量機構現場安裝如圖7所示。根據文獻［18］，在分析了TDLAS的直接吸收和二次諧波兩種測量方法的優(yōu)缺點后，決定采用直接吸收法進行試驗。試驗前先調整TDLAS系統(tǒng)測量光學發(fā)射、接收模塊，使激光能有效接收。系統(tǒng)采用鋸齒波形進行波長掃描，利用每個周期內激光器不出光部分消除輻射背景，同時利用系統(tǒng)本身具有的波長鎖定功能。點火后，TDLAS系統(tǒng)處于待測狀態(tài)，當判斷到有效溫度值時，與探針采集系統(tǒng)同時開始數據保存。試驗過程中，采用氮氣對壁面內通光小孔進行吹掃，以防止油、水和炭黑等進入小孔阻擋光路。采集到的數據傳輸到控制機箱的上位機進行處理，輸出溫度、H2O濃度多路平均結果。

圖7　試驗現場照片Fig.7 The test photo

4　試驗結果與分析

4.1TDLAS測量結果

圖8和圖9分別為表1所示兩個狀態(tài)下，8條光路在H2O的1 398 nm附近的兩條吸收譜線下測量，經式（2）、式（3）推算得到的燃氣靜溫和H2O分壓結果。圖中各曲線是對溫度數據輸出頻率為14 Hz的各光路的數據按秒平均后的結果?？梢?，兩個狀態(tài)下8條光路的測量值均差別較大，且分布規(guī)律基本一致，即3#和4#光路的溫度測量值較高，0#和1#光路的測量值最低，穩(wěn)定時間段最大相差約400 K，其余光路的測量值相對較接近。由此可看出，燃燒室試驗件出口的燃氣溫度分布極不均勻。

4.2對比驗證

為驗證TDLAS系統(tǒng)測溫的準確度，選取圖5中的4條光路進行對比：①1#光路與1#探針的平均測量值；②3#光路與2#探針的平均測量值；③5#光路與16、22兩個測點的平均測量值；④7#光路與12、26兩個測點的平均測量值。將探針測量值換算為靜溫，以時間為橫軸，同一時段內的對比如圖10和圖11所示。

圖10　探針和TDLAS對應光路測溫結果對比（狀態(tài)1）Fig.10 Results comparison of temperature measurements between probe and corresponding light path of TDLAS（test state 1）

圖11　探針和TDLAS對應光路測溫結果對比（狀態(tài)2）Fig.11 Results comparison of temperature measurements between probe and corresponding light path of TDLAS（test state 2）

為具體量化兩者間的差異，分別選取，兩個狀態(tài)的測量時段中，試驗件進口壓力和供油量都非常穩(wěn)定的局部時段的平均測量值進行對比，具體結果見表2。表中α為對比時段內燃燒室余氣系數，Tpro，i（i=1，2）表示探針溫度平均測量值；Ttdl，j（j=1，3，5，7）表示各對比光路溫度測量值，Tpro，（16，22）表示探針上16和22兩個測點的平均測量值，Tpro，（12，26）表示探針上12和26兩個測點的平均測量值，Tpro、Ttdl分別表示2支探針和TDLAS系統(tǒng)8條光路的總體平均值，誤差為TDLAS測量值與探針測量值之差。

表2　探針和TDLAS測溫值對比Table 2 Comparison of temperature measurements between probes and TDLAS

從對比情況看，所選取的TDLAS4條光路測量值與探針測量值相差較大。兩個狀態(tài)下TDLAS的3#和5#光路測量值較探針測量值偏高，1#和7#光路測量值則偏低，除5#光路誤差稍大外，其余光路的誤差值大都在±（100～200）K范圍內。但從總體平均值對比看，TDLAS測量值與探針測量值較接近，絕對誤差不超過50 K，狀態(tài)2基本持平。分析認為，TDLAS的單線測量值偏差較大的原因可能有：

（1）TDLAS測溫主要是應用氣體吸收線強比值隨溫度的單調變化關系。對于選定的吸收線對其躍遷低態(tài)能級差固定，則TDLAS測溫不確定度主要取決于兩條吸收線積分吸光度的相對不確定度和溫度值，即式（6）：

測量中，由于現場電子學干擾串入到光電轉換信號傳輸線中，測量光譜本身疊加了干擾，對其中一條吸收線影響嚴重，典型光譜如圖12所示。如對于1 200 K靜溫，假設Line 1測量不確定度為1%，Line 2測量不確定度分別為3%、10%時，對應的溫度不確定度將分別為41.5 K和131.8 K，Line 2受影響程度更大。

（2）TDLAS測量的溫度，是采用吸收線強比值法計算獲得的沿路徑加權平均意義下的靜溫值。假設測量光譜信噪比滿足要求（溫度測量不確定度相應較?。?，而測量路徑上溫度、H2O濃度不均勻時，測量加權平均結果在路徑最低溫度與最高溫度之間，與熱電偶實際測量值存在差異，差異程度取決于積分路徑上H2O濃度分布均勻情況。

圖12　存在干擾的典型測量光譜Fig.12 The typical measurement spectrum with disturbance

本次試驗中，如果測量截面上包含相對較低的溫度區(qū)域，且H2O濃度也較高，則低溫部分吸收在整個測量光路累加積分結果中將占很大份額，從而導致溫度測量值被拉低。偏差大小與實際分布相關，該部分為理論固有偏差。這也是低溫區(qū)TDLAS的測量值更低的主要原因。

圖13　狀態(tài)1出口溫度分布部分重建結果（順流向）Fig.13 Partial reconstruction results of exit temperature field of test state 1（along the flow direction）

4.3場分布重建結果

圖13和圖14為采用ART方法獲得的不同時間點下的燃燒室試驗件出口溫度2D分布結果?？梢?，燃燒室出口溫度分布極不均勻，順流向看測量截面的右半區(qū)域溫度較高。該溫度的分布趨勢與數值模擬結果大體一致，但在具體像素位置和數值上還存在較大誤差。這一方面與采用較稀疏的5×3正交固定視線測量方法有關，另一方面ART算法本身也存在一定誤差。

圖14　狀態(tài)2出口溫度分布部分重建結果（順流向）Fig.14 Partial reconstruction results of exit temperature field of test state 2（along the flow direction）

目前，國內外在二維溫度場重建的測量光路設計和算法分析方面還不是很成熟。如文獻［19］認為，對于對稱的單峰非均勻溫度場，ART算法的最大偏差和相對偏差都較??；而對于雙峰溫度場，最大偏差和相對偏差都較大，并出現嚴重失真。同時，文中還確定5×5的路徑排布為單峰分布的最佳測量方案。文獻［20］研究了扇形光束和平行光束分布下，光線數目和網格數目對溫度場重建結果的影響規(guī)律，表明光纖間距與網格間距比在0.6～1.0范圍內時，重建溫度場相對均方誤差最小，而本文的這個比值大于等于1.0。文獻［21］通過在平焰爐上的驗證試驗，分析了ART算法對結果的影響，認為當吸收率存在5.0%的測量誤差時，可引起最大10.5%的吸收比誤差；1 500 K溫度下，該誤差最大可帶來16.0%的溫度測量誤差，吸收率的測量誤差決定著最終的溫度重建精度。

5　結論及討論

本文采用TDLAS技術，以及在燃燒室出口采用多光路相正交的測量方法，對航空發(fā)動機高溫升模型燃燒室出口H2O濃度和燃氣溫度開展了測試與驗證研究，并結合層析重建方法，獲得了具有時間和空間分辨的場分布。測量和重建結果基本能反映具有時間分辨的燃燒室出口溫度分布的主要特征，可區(qū)分高溫區(qū)和低溫區(qū)，但單線測量和場分布重建精度還有待進一步提高。

本次研究摸索出了TDLAS技術在溫度場分布測量上的應用方法，發(fā)現了其在實際工程試驗中存在的關鍵技術問題，如信噪比、吸收率誤差、測量視線布局設計和ART算法優(yōu)化等。本文僅是TDLAS技術在航空發(fā)動機燃燒流場測量上的初步應用探索，在測量方案設計、算法選擇、數據處理和重建精度評估等多個方面還需要深入的研究，在下一步工作中將逐步開展。

［1］Hanson R K，Kuntz P A，Kruger C H.High-resolution spectroscopy of combustion gases using a tunable IR diode laser［J］.Applied Optics，1977，16：2045—2047.

［2］Arroyo M P，Hanson R K.Absorption measurements of water-vapor temperature，concentration，and line-shape parameters using a tunable in GaAsP diode laser［J］.Applied Optics，1993，32（30）：6104—6116.

［3］Griffiths A D，Houwing A F P.Diode laser absorption spectroscopy of water vapour in a scramjet combustor［J］.Applied Optics，2005，44：6653—6659

［4］Liu X，Jeffries J B，Hanson R K，et al.Development of a tunable diode laser sensor for measurements of gas turbine exhaust temperature［J］.Applied Physics B，2006，82：469—478.

［5］Rieker G B，Jeffries J B，Hanson R K，et al.Diode laser based detection of combustor instabilities with application to a scramjet engine［R］.AFRL-RZ-WP-TP-2010-2055，2010.

［6］Gruber M，Carter C，Ryan M.Laser-based measurements of OH，temperature and water vapor concentration in a hydrocarbon-fueled scramjet［R］.AIAA 2008-5070，2008.

［7］Behrendt T，Christoph H，Ajmal M，et al.In situ measurement and validation of gaseous species concentrations of a gas turbine model combustor by tunable diode laser absorption spectroscopy（TDLAS）［R］.ASME GT2008-51258，2008.

［8］李飛，余西龍，顧洪斌，等.超燃燃燒室氣流參數診斷［J］.力學學報，2011，43（6）：1061—1067.

［9］李飛，余西龍，陳立紅，等.TDLAS同時測量燃燒溫度和H2O濃度［C］//.第十三屆全國激波與激波管會議論文集.2008：359—364.

［10］Martin E F，Goyne C P，Diskin G S.Analysis of a tomography technique for a scramjet wind tunnel［J］.International Journal of Hypersonics，2010，1（3）：173—180.

［11］Busa K M，Bryner E，McDaniel J C，et al.Demonstration of capability of water flux measurement in a scramjet combustor using tunable diode laser absorption tomographyand stereoscopic PIV［R］.AIAA 2011-1294，2011.

［12］Kasyutich V L，Martin P A.Towards a two-dimensional concentration and temperature laser absorption tomography sensor system［J］.Applied Physics B，2011，102：149—162.

［13］Wang F，Cen K F，Li N，et al.Two-dimensional tomography for gas concentration and temperature distributions based on tunable diode laser absorption spectroscopy［J］. Measurement Science and Technology，2010，21（4）:1-10.

［14］Ma L，Cai W，Caswell A W，et al.Tomographic imaging of temperature and chemical species based on hyperspectral absorption spectroscopy［J］.Optics Express，2009，17（10）：8602—8613

［15］李寧，翁春生.基于多波長激光吸收光譜技術的氣體濃度與溫度二維分布遺傳模擬退火重建研究［J］.物理學報，2010，59（10）：6914.

［16］姜治深.可調諧激光半導體吸收光譜技術應用于火焰中氣體濃度和溫度二維分布重建的研究［D］.杭州：浙江大學，2011.

［17］張順利.ART算法幾種重建模型的研究和比較［J］.航空計算技術，2005，35（2）：39—41.

［18］陶波，胡志云，王晟，等.TDLAS技術測量燃燒流場溫度研究［J］.工程熱物理學報，2014，35（2）：401—404.

［19］李金義，朱可柯，杜振輝，等.一種基于TDLAS的高分辨率二維溫度場重建算法及數值仿真［J］.實驗流體力學，2014，28（3）：63—71.

［20］宋俊玲，洪延姬，王廣宇，等.光纖分布對基于TDLAS溫度場二維重建的影響［J］.紅外與激光工程，2014，43（8）：2460—2465.

［21］李飛，余西龍，林鑫，等.基于TDLAS的層析成像技術TDLAT［J］.力學學報，2014，46（1）：54—59.

Measurement of combustor exit temperature field based on tunable diode laser absorption spectroscopy technology

DAI Bin1，RUAN Jun2，XU Zhen-yu2，LI Jun-song1，KAN Rui-feng2，YAO Lu2
（1.China Gas Turbine Establishment，Jiangyou Sichuan 621703；2.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics，CAS，Hefei 230031）

In order to grope for the applicability of tunable diode laser absorption spectroscopy（TDLAS）technology in the combustion field measurement of aero engine combustor，a high temperature rise model combustor was used for study.The gas temperature at the combustor exit section was measured by TDLAS technology and the grid method of orthogonal intersection of multiple light path.The two dimensional distribution reconstruction in the measurement section was realized combined with tomography arithmetic.The TDLAS measurements were verified using the measured value of fixed temperature probes at the combustor exit.The results indicate that the primary characteristic of combustor exit temperature distribution with time resolution could be captured applying the method of TDLAS combined with tomography reconstruction，and the high and low temperature zone can be distinguished.But the precision of single light path measurement and distribution reconstruction would be improved further in the future.The optimized TDLAS system will be used to measure the temperature and concentration distributions of aero-engine combustor exit.

tunable diode laser absorption spectroscopy（TDLAS）；aero-engine；combustor；exit temperature field；orthogonal intersection of multiple light path；test and verification；two dimensional reconstruction

V231.2；TK311

A

1672-2620（2015）04-0049-08

2015-06-09；

2015-07-20

戴斌（1962-），女，江蘇鹽城人，工程師，主要從事航空發(fā)動機主燃燒室試驗研究。