基于被动式光谱技术的航空发动机高温燃气浓度反演方法技术

本发明专利技术提供一种基于被动式光谱技术的航空发动机高温燃气浓度反演方法，包括以下步骤：S1、通过光谱测量系统中的光谱仪接收高温燃气的辐射光谱，得到高温燃气的总辐射能量；S2、根据背景温度和燃气温度计算特征吸收峰处的背景辐射能量以及燃气辐射能量；S3、根据背景辐射能量和燃气辐射能量以及总辐射能量计算在特征吸收峰处的高温燃气透过率分布；S4、根据比尔朗伯定律，通过测量得到的高温燃气透过率与理论计算的高温燃气透过率进行非线性最小二乘法拟合计算得到待测燃气的浓度。相较于传统的测量方式，本发明专利技术具有体积小巧，响应速度快，能够实时测量燃气浓度和温度分布情况，具有较好的适用性。具有较好的适用性。具有较好的适用性。

【技术实现步骤摘要】
基于被动式光谱技术的航空发动机高温燃气浓度反演方法


[0001]本专利技术涉及光学
，特别涉及一种基于被动式光谱技术的航空发动机高温燃气浓度反演方法。

技术介绍

[0002]在新一代航空发动机研制过程中对发动机推重比与燃烧效率提出了更高的要求，推动了航空发动机高温燃气燃烧产物分布监测的需求。高温燃气的生成与航空发动机工作过程中航空煤油的燃烧有着密切的关联，高温燃烧产物分布影响着航空发动机燃烧效率。通过测量燃烧产物中各气体组分的浓度百分比，对航空发动机高温燃气分布进行监测对评估发动机健康状态，调控燃料与空气的最佳混合比例，实现燃油最佳燃烧效率，提高航空发动机的工作效率并减少污染物排放，提高航空发动机运行寿命、可靠性以及动力水平具有重要的意义。
[0003]目前对航空发动机燃烧产物非接触测量主要有以下几种方式：
[0004](1)可调谐激光光谱(TDLAS)技术，通过在航空发动机机匣壁内部开孔，设置可调谐激光器的发射端和接收端，测量发射端调谐激光通过燃烧流场后被高温燃气吸收后的光谱强度分布情况，对发动机燃烧产物浓度进行反演。
[0005](2)基于非色散红外技术(NDIR)，通过采样管路将航空发动机运行时内部燃烧产物导出，经过降温、过滤、除水等预处理步骤后，使用非色散红外气体测量仪对燃烧产物中气体浓度分布进行反演。
[0006](3)傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)，通过红外傅里叶变换成像光谱仪对发动机喷出的燃气尾焰进行遥测，经过光谱反演对航空发动机尾焰燃烧产物定性及定量分析。r/>[0007]综合目前国内外对航空发动机燃烧产物测量技术现状，现有技术方案主要存在以下缺点：
[0008](1)可调谐激光光谱(TDLAS)技术：由于可调谐激光器具有非常窄的调谐波长范围，因此一种中心波长的激光器往往只能对燃烧产物中一种成分进行测量，需要在机匣壁中设置多个开孔才能够实现对航空发动机燃烧产物多成分测量，改装以及测量难度非常大；
[0009](2)基于非色散红外技术(NDIR)：该种方法需要使用采样管路对发动机内部燃气进行采集，采样及预处理装置体积较大，无法实现对燃烧产物的实时测量。
[0010](3)傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)：由于只能对发动机喷出尾焰进行测量，无法实现发动机内部燃烧成分的测量，且由于傅里叶光谱仪在获取光谱时需要内部动镜进行扫描，对燃气测量存在滞后，无法实时对燃烧产物进行测量。
[0011]由于航空发动机内部狭窄空间受限，现有测量技术无法实现对航空发动机内部燃烧产物进行实时监测。

技术实现思路

[0012]为了解决现有航空发动机内部燃烧产物实时定性及定量分析的需求，本专利技术的目的是提出一种基于被动式光谱技术的航空发动机高温燃气浓度反演方法，利用辐射采集探针获取发动机内部受限空间内高温燃气辐射光谱，通过燃气光谱分析实现对航空发动机内部燃烧产物的实时定性及定量分析。
[0013]为实现上述目的，本专利技术采用以下具体技术方案：
[0014]本专利技术提供一种基于被动式光谱技术的航空发动机高温燃气浓度反演方法，基于光谱测量系统进行实现，包括以下步骤：
[0015]S1、通过光谱测量系统中的光谱仪接收高温燃气的辐射光谱，得到高温燃气的总辐射能量：
[0016]L
total
＝k(λ
i
)[τ
gas
(λ
i
,T
gas
)L
b
(λ
i
,T
b
)+ε
gas
(λ
i
,T
gas
)L(λ
i
,T
gas
)]+b(λ
i
)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0017]其中，
[0018]τ
gas
(λ
i
,T
gas
)为燃气透过率；
[0019]ε
gas
(λ
i
,T
gas
)为燃气发射率；
[0020]L
b
(λ
i
,T
b
)为背景辐射能量；
[0021]L(λ
i
,T
gas
)为燃气辐射能量；
[0022]T
gas
为燃气温度；
[0023]T
b
为背景温度；
[0024]k(λ
i
)为光谱测量系统的响应系数；
[0025]b(λ
i
)为光谱测量系统的偏置系数；
[0026]S2、根据背景温度和燃气温度计算特征吸收峰处的背景辐射能量以及燃气辐射能量：
[0027][0028][0029]其中，
[0030]c1＝3.7418
×
10
‑
16
W
·
m2为第一辐射常数；
[0031]c2＝1.4388
×
10
‑2m
·
K为第二辐射常数；
[0032]S3、根据背景辐射能量和燃气辐射能量以及总辐射能量计算在特征吸收峰处的高温燃气透过率分布：
[0033][0034]S4、根据比尔朗伯定律，通过步骤S3测量得到的高温燃气透过率与理论计算的高温燃气透过率进行非线性最小二乘法拟合计算得到待测燃气的浓度；
[0035]拟合后的高温燃气透过率光谱曲线表达式为：
[0036]Δ＝{ln[τ'
gas
(λ
i
,T
gas
)]+k1c
gas1
L+k2c
gas2
L+
…
+k
n
c
gasn
L
‑
δ(λ
i
)}2＝min
[0037]其中，τ'
gas
(λ
i
,T
gas
)为实际测量得到的高温燃气透过率；
[0038]k1,k2…
k
n
为燃气各组成部分气体吸收系数；
[0039]c
gas1
,c
gas2
…
c
gasn
为燃气各组成成分浓度；
[0040]L为光程。
[0041]优选地，在进行燃气浓度反演前需要对总辐射能量L
total
进行基线校正以及暗噪声漂移校正预处理，可以得到：
[0042]L
*total
＝L
total
(λ
i
)
‑
min[L
total
(λ
i
),
…
L
total本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于被动式光谱技术的航空发动机高温燃气浓度反演方法，基于光谱测量系统进行实现，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过所述光谱测量系统中的光谱仪接收高温燃气的辐射光谱，得到高温燃气的总辐射能量：L
total
＝k(λ
i
)[τ
gas
(λ
i
,T
gas
)L
b
(λ
i
,T
b
)+ε
gas
(λ
i
,T
gas
)L(λ
i
,T
gas
)]+b(λ
i
)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，τ
gas
(λ
i
,T
gas
)为所述燃气透过率；ε
gas
(λ
i
,T
gas
)为所述燃气发射率；L
b
(λ
i
,T
b
)为背景辐射能量；L(λ
i
,T
gas
)为所述燃气辐射能量；T
gas
为所述燃气温度；T
b
为背景温度；k(λ
i
)为所述光谱测量系统的响应系数；b(λ
i
)为所述光谱测量系统的偏置系数；S2、根据所述背景温度和所述燃气温度计算特征吸收峰处的背景辐射能量以及燃气辐射能量：射能量：其中，c1＝3.7418
×
10
‑
16
W
·
m2为第一辐射常数；c2＝1.4388
×
10
‑2m
·
K为第二辐射常数；S3、根据所述背景辐射能量和燃气辐射能量以及总辐射能量计算在所述特征吸收峰处的高温燃气透过率分布：S4、根据比尔朗伯定律，通过所述步骤S3测量得到的高温燃气透过率与理论计算的高温燃气透过率进行非线性最小二乘法拟合计算得到待测燃气的浓度；拟合后的高温燃气透过率光谱曲线表达式为：Δ＝{ln[τ'
gas
(λ
i
,T
gas
)]+k1c
gas1
L+k2c
gas2
L+
…
+k
n
c
gasn
L
‑
δ(λ
i
)}2＝min其中，τ'
gas
(λ
i
,T
gas
)为实际测量得到的高温燃气透过率；k1,k2…
k
n
为燃气各组成部分气体吸收系数；c
gas1
,c
gas2
…
c
gasn
为燃气各组成成分浓度；L为光程。2.根据权利要求1所述的基于被动式光谱技术的航空发动机高温燃气浓度反演方法，其特征在于，在进行燃气浓度反演前需要对所...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵莹泽，吕金光，梁静秋，郑凯丰，赵百轩，陈宇鹏，秦余欣，王惟彪，陶金，
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：