火焰圖像技術在航空發動機燃燒室點/熄火試驗中的應用

陳苗苗，袁 汀，蔣榮偉，張 險

(中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲412002)

1 引言

航空發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容。傳統的點/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據。經過多年研究，接觸式測溫技術已經發展得較為成熟且測量準確度較高，但該技術對燃燒室的點/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)，不足以完全驗證設計技術，設計者們需要在時間和空間上更加精準、快速的試驗測試信息，如點火瞬間火焰傳播方向及更加準確的點/熄火燃燒圖像和數據等。

鑒于傳統接觸式測量方法存在的不足，以及計算機技術和光測量技術的發展，研究人員對基于光學的非接觸式測量技術開展了大量研究。同時，由于燃燒時會伴隨著聲、光、熱等多種物理現象，近年來大量學者利用火焰圖像的非接觸式測量技術對鍋爐燃燒進行了研究[1-3]。然而將火焰圖像技術應用到航空發動機燃燒室上，國內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]——這是火焰圖像技術最基本的應用，不能做到自動診斷燃燒結果，也不能獲得全面的燃燒信息。通過火焰觀測系統獲取燃燒室實時的燃燒圖像，是發動機燃燒室點/熄火試驗時最直接的試驗結果。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，實時觀測燃燒室內部火焰燃燒情況，同時檢測提取火焰圖像信息并結合普朗克黑體定律，實現準確、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

2.1 火焰圖像亮度與溫度的關系

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、聯焰成功的特征信息提取出來。從圖1某環型燃燒室從未著火到聯焰成功過程圖像可看出，未著火到燃燒室聯焰成功時火焰亮度提高非常快。同樣，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，還需通過燃燒室環面上噴嘴著火的數量識別，或根據燃燒室出口截面的點燃面積百分比判定。

判斷燃燒室是否聯焰時，主要是檢測著火的噴嘴數量。燃燒室點火過程中，隨著燃燒強度的增加，整個燃燒室環面的火焰亮度也在不斷增加，點燃的噴嘴周圍必然會出現較強的亮度，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燃燒室的燃燒狀況。火焰有效灰度計算式可表示為：

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，g(x)為域值函數，fij為圖像中j列第i行像素點的灰度，fy為預先設定的閾值，L為燃燒室噴嘴徑向截面亮度取點總個數(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，Fij為圖像中j列第i行像素點的灰度，-Fy為預先設定的閾值。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合進行診斷，以獲得更加準確的結果。

3 試驗驗證

試驗時首先通過火焰觀測系統拍攝燃燒室點火過程火焰視頻圖像，然后經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，統計當前燃燒室噴嘴點燃數量。當點燃噴嘴數量大于等于噴嘴總數的80%時，給出判定結果高電平1，判定燃燒室聯焰成功，代表此時燃燒室有80%以上的噴嘴著火；反之則給出判定結果低電平0，判定聯焰不成功代表當前噴嘴著火數量不足燃燒室噴嘴總數的80%。同樣，通過式(5)和式(6)統計大于某一燃燒面積百分比的噴嘴數量，診斷當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百分比的診斷曲線。

圖3、圖4為利用火焰圖像技術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可發現，當燃燒室點火成功后，圖5中3只熱電偶探針瞬間溫度就超過250℃，熱電偶法判定此時燃燒室聯焰成功，時間為8.1 s；火焰圖像法也判定燃燒室聯焰成功，時間為7.8 s，較熱電偶法縮短了0.3 s。但從圖4中發現，隨著時間的推移，在12.5 s、13.0 s等多處有噴嘴熄滅的現象，燃燒室并非一直處于聯焰狀態(因氣流波動等因素造成)。但由于熱電偶自身的缺陷，僅根據熱電偶的溫度判定，無法識別此時有噴嘴熄滅。對比圖4與圖5也可發現，當燃燒室點火成功的面積低于80%時，圖4判定為燃燒室聯焰失敗，兩種診斷方法給出圖形結果一致，可判定該結果真實可靠。故采用熱電偶溫升法診斷燃燒室點/熄火狀態存在結果片面的現象，火焰圖像法判定燃燒室點/熄火的狀態不但更加準確，而且能給出更多有關燃燒室點火過程的信息。

4 結論

(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，該方法可彌補傳統熱電偶溫升法的不足，獲得準確的燃燒室點/熄火試驗結果。

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

(3)采用火焰圖像觀測系統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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