一种航空发动机高温燃气浓度及温度测量方法技术

本发明专利技术属于红外光谱分析技术领域，采用高温高压燃气光谱透过率分布差异的红外光谱分离算法实时提取测量光谱中来自涡轮叶片的辐射能量和来自高温燃气的辐射能量，采用燃气透过率光谱的高压和高温校正算法，根据测量值分别计算涡轮叶片的温度及高温燃气的各个成分的浓度情况，实现对涡轮叶片温度及高温燃气浓度实时高精度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种航空发动机高温燃气浓度及温度测量方法
本专利技术属于红外光谱分析
，特别涉及一种利用高温光学探针及红外光纤光谱仪器，实时测量航空发动机运行过程中燃气浓度温度的测量方法。
技术介绍
随着航空工业的发展，对发动机推力、比重等性能提出了更高的要求，致使航空发动机燃烧室出口温度越来越高，为了保证航空发动机燃料的燃烧效率需要实时监测燃烧室燃烧气体产物的浓度及温度参数。由于航空发动机燃烧室长期工作在高温高压的极端环境中，传统的热电偶测温方式需要改装发动机，测量点较少，不能全面反映涡轮叶片表面温度分布情况等问题，已经无法适应航空发动机严苛的工作环境，无法保证测量结果具有较高的精度。红外光谱测温方式相较于传统的测温方式，具有响应速度快、动态范围广、测温精度高、与涡轮叶片无物理接触，不干扰被测涡轮叶片表面温度分布及周围介质，温度测量上限高等优点。此外，航空发动机燃烧产物的污染排放指标已经成为衡量发动机性能指标的重要参数，因此对其进行实时气体成分及浓度检测可以获取航空发动机污染气体排放物情况，而且能够利用燃烧气体产物的浓度及温度估算发动机燃烧效率。综上，对航空发动机高温燃气浓度及温度在线测量，可以为航空发动机的运行状态控制提供直接依据，满足航空发动机的实验监测和科学研究的要求，为我国航空发动机涡轮叶片的研究提供第一手资料。针对航空发动机复杂的工作环境，采用基于光谱仪的辐射探针测量系统，同时得到高温燃气的浓度及温度分布，解决传统测量装置体积较大，无法实时在线测量，测量精度较低等缺点，对提高我国航空发动机研发具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术为解决航空发动机运行时，同时监测高温高压燃气的浓度及温度的问题。通过光学探针采集来自航空发动机运行中高温高压燃气及涡轮叶片的热辐射信号，通过红外光谱仪接收，本专利技术采用高温高压燃气光谱透过率分布差异的红外光谱分离算法实时提取测量光谱中来自涡轮叶片的辐射能量和来自高温燃气的辐射能量，采用燃气透过率光谱的高压和高温校正算法，根据测量值分别计算涡轮叶片的温度及高温燃气的各个成分的浓度情况，实现对涡轮叶片温度及高温燃气浓度实时高精度测量。为实现上述目的，本专利技术采用以下具体技术方案：一种航空发动机高温燃气浓度及温度测量方法，包括：S1、对获取的航空发动机内部涡轮叶片和待测燃气的红外热辐射光谱，建立光谱仪接收辐射传输模型：L(λi)＝εgas(λi,Tgas)Lgas(λi,Tgas)+τgas(λi,Tgas)Lblade(λi,Tblade)(1)；其中，λi(i＝1,2…n)为光谱仪响应波段范围内的波长分布；εgas为高温燃气的发射率，εgas＝1-τgas；τgas为高温燃气的透过率；Lgas为高温燃气的辐射能量；Lblade为涡轮叶片的辐射能量；Tgas为高温燃气的温度；Tblade为涡轮叶片的温度；根据高温燃气辐射特性，利用光谱分离算法计算待测高温燃气辐射光谱透过率分布曲线Tgas；S2：将燃气辐射传输模型，结合高温燃气温度，由光谱分离算法反演得到高温燃气透过率光谱曲线：S3：将高温燃气透过率光谱曲线，与标准数据库中二氧化碳和水蒸气气体透过率光谱曲线进行拟合，结合上述两种气体成分特征峰波段，使通过光谱仪测量的待测燃气透过率与标准数据库中计算的两种混合气体的透过率分布的差值平方和具有最小值，获得待测燃气中所含主要的二氧化碳和水蒸气的浓度值：式中，和为二氧化碳和水蒸气的吸收系数。优选地，步骤S1之前包括以下步骤：S0：校正探针系统获取的航空发动机内部涡轮叶片和待测燃气的红外热辐射光谱，并对红外热辐射光谱进行燃气光谱特征峰识别，确定测量高温燃气中气体的种类。优选地，步骤S0中通过以下步骤调整红外热辐射光谱：S01：对光谱仪测量得到的红外辐射光谱进行滤波处理，保留低频信号的有效信息，消除高频尖刺信号的影响，以及测量过程中发动机内部造成的震动、噪声等干扰因素；S02：对经过滤波处理后的红外辐射光谱在不同测量温度下进行黑体辐射校正，得到光谱仪及探针系统组成的光学测量系统的辐射增益k(λ)和偏置b(λ)：其中，Vi(λ,T)为光谱仪测量值；Li(λ,T)为入射光谱的辐射亮度；i为光谱仪不同的测量波长。优选地，步骤S0还包括以下步骤：S03：建立不同燃气成分及温度下红外辐射光谱曲线数据库，确定不同燃气成分的特征峰分布波段；S04：根据燃气红外光谱曲线特征峰分布波段，对光谱测量系统得到的燃气红外辐射曲线进行特征峰识别，确定待测燃气中包含的气体种类。优选地，步骤S1中，待测高温燃气辐射光谱透过率分布曲线Tgas从光谱仪接收到的等效辐射光谱温度谱线中分离得到：Tgas＝max[T(λi)]；其中，光谱仪接收到的等效辐射光谱温度由普朗克公式求出：式中，c1＝3.7418×10-16W·m2；c2＝1.4388×10-2m·K。优选地，步骤S3中，拟合后的混合气体透过率光谱曲线表达式为：本专利技术能够取得以下技术效果：1、引入了红外光谱分离算法，可以同时对高温燃气的浓度及温度进行测量，缩小了测量仪器的体积和重量，降低成本。2、利用高温燃气在不同波段内的选择吸收性导致的燃气透过率不同，对光谱仪器测量的包含高温燃气和涡轮叶片辐射光谱进行分离，实现对高温燃气温度的反演。3、根据燃气透过率分布曲线，计算燃气中有效成分的浓度分布情况。附图说明图1是本专利技术一个实施例的一种航空发动机高温燃气浓度及温度测量方法的系统示意图；图2是本专利技术一个实施例的等效辐射温度谱示意图；图3是本专利技术一个实施例的航空发动机工作过程中燃气含量百分比示意图；图4是本专利技术一个实施例的航空发动机高温燃气透过率示意图；图5是本专利技术一个实施例的流程图。附图标记：涡轮叶片1、待测燃气2、探针系统3、聚光镜组4、视场光阑5、准直镜组6、光纤7、光谱仪8、数据处理系统9。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，而不构成对本专利技术的限制。本专利技术的目的是提供一种测量航空发动机运行过程中燃气浓度及温度的测量方法，该方法包括通过光学测量探针得到高温燃气红外热辐射光谱，建立发动机内部燃气热辐射传输模型，基于特征峰识别的学习算法建立高温燃气特征峰识别模型确定预处理后辐射光谱中燃气的种类，由高温燃气光谱分离算法计算燃气光谱温度及透过率分布曲线，通过与标准燃气透过率光谱谱拟合反演高温燃气温度。下面将对本专利技术提供的一种航空发动机高温燃气浓度及温度测量方法，通过具体实施例来进行详细说明。如图1示出的测量系统，包括涡轮叶片1、待测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航空发动机高温燃气浓度及温度测量方法，其特征在于，包括：/nS1、对获取的航空发动机内部涡轮叶片和待测燃气的红外热辐射光谱，建立光谱仪接收辐射传输模型：/nL(λ

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机高温燃气浓度及温度测量方法，其特征在于，包括：
S1、对获取的航空发动机内部涡轮叶片和待测燃气的红外热辐射光谱，建立光谱仪接收辐射传输模型：
L(λi)＝εgas(λi,Tgas)Lgas(λi,Tgas)+τgas(λi,Tgas)Lblade(λi,Tblade)(1)
其中，λi(i＝1,2…n)为光谱仪响应波段范围内的波长分布；
εgas为高温燃气的发射率，εgas＝1-τgas；
τgas为高温燃气的透过率；
Lgas为高温燃气的辐射能量；
Lblade为涡轮叶片的辐射能量；
Tgas为高温燃气的温度；
Tblade为涡轮叶片的温度；
根据高温燃气辐射特性，利用光谱分离算法计算待测高温燃气辐射光谱透过率分布曲线Tgas；
S2：将所述燃气辐射传输模型，结合高温燃气温度，由光谱分离算法反演得到高温燃气透过率光谱曲线：



S3：将所述高温燃气透过率光谱曲线，与标准数据库中二氧化碳和水蒸气气体透过率光谱曲线进行拟合，结合上述两种气体成分特征峰波段，使通过光谱仪测量的待测燃气透过率与标准数据库中计算的所述两种混合气体的透过率分布的差值平方和具有最小值，获得待测燃气中所含主要的二氧化碳和水蒸气的浓度值：






式中，和为二氧化碳和水蒸气的吸收系数。


2.根据权利要求1所述的航空发动机高温燃气浓度及温度测量方法，其特征在于，步骤S1之前包括以下步骤：
S0：校正探针系统获取的航空发动机内部涡轮叶片和待测燃气的红外热辐射光谱，并对所述红外热辐射光谱进行燃气光谱特征峰识别，确定测量高温燃气中气体的种类。


3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕金光，梁静秋，赵莹泽，郑凯丰，王惟彪，秦余欣，陶金，王超，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22