火焰圖像技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室點(diǎn)/熄火試驗(yàn)中的應(yīng)用

陳苗苗，袁 汀，蔣榮偉，張 險(xiǎn)

(中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒機(jī)理研究中，燃燒室點(diǎn)火成功與否是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。傳統(tǒng)的點(diǎn)/熄火測(cè)量主要是通過熱電偶等接觸式方法獲得點(diǎn)燃與否的燃燒試驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)過多年研究，接觸式測(cè)溫技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟且測(cè)量準(zhǔn)確度較高，但該技術(shù)對(duì)燃燒室的點(diǎn)/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(cè)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(yàn)證設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)者們需要在時(shí)間和空間上更加精準(zhǔn)、快速的試驗(yàn)測(cè)試信息，如點(diǎn)火瞬間火焰?zhèn)鞑シ较蚣案訙?zhǔn)確的點(diǎn)/熄火燃燒圖像和數(shù)據(jù)等。

鑒于傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方法存在的不足，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和光測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，研究人員對(duì)基于光學(xué)的非接觸式測(cè)量技術(shù)開展了大量研究。同時(shí)，由于燃燒時(shí)會(huì)伴隨著聲、光、熱等多種物理現(xiàn)象，近年來大量學(xué)者利用火焰圖像的非接觸式測(cè)量技術(shù)對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行了研究[1-3]。然而將火焰圖像技術(shù)應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室上，國內(nèi)還處在比較原始的階段，僅通過在燃燒室機(jī)匣上開孔，透過觀察窗觀測(cè)燃燒過程[4-5]——這是火焰圖像技術(shù)最基本的應(yīng)用，不能做到自動(dòng)診斷燃燒結(jié)果，也不能獲得全面的燃燒信息。通過火焰觀測(cè)系統(tǒng)獲取燃燒室實(shí)時(shí)的燃燒圖像，是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室點(diǎn)/熄火試驗(yàn)時(shí)最直接的試驗(yàn)結(jié)果。因此，深入分析實(shí)時(shí)火焰圖像，采用火焰圖像判定燃燒室點(diǎn)/熄火狀況更加直接和真實(shí)。本文通過在燃燒室排氣端增加一套火焰觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)觀測(cè)燃燒室內(nèi)部火焰燃燒情況，同時(shí)檢測(cè)提取火焰圖像信息并結(jié)合普朗克黑體定律，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速地診斷燃燒室點(diǎn)/熄火，獲得實(shí)時(shí)燃燒室點(diǎn)/熄火試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)研究人員理解燃燒室的組織形式和燃燒機(jī)理具有重要意義。

2 火焰圖像測(cè)試技術(shù)

2.1 火焰圖像亮度與溫度的關(guān)系

目前基于火焰圖像的溫度場(chǎng)測(cè)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(yīng)形成的診斷溫度場(chǎng)測(cè)量；②基于輻射傳遞方程反演的二維截面溫度場(chǎng)測(cè)量；③基于輻射傳遞方程反演的三維溫度場(chǎng)測(cè)量。相比較，模式②和模式③均涉及較為復(fù)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(jiǎn)單可靠。對(duì)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(guān)系，對(duì)于溫度在3 000 K以下及波長(zhǎng)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(jìn)行燃燒室點(diǎn)/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(lián)焰成功的特征信息提取出來。從圖1某環(huán)型燃燒室從未著火到聯(lián)焰成功過程圖像可看出，未著火到燃燒室聯(lián)焰成功時(shí)火焰亮度提高非?？?。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(diǎn)/熄火與否。但對(duì)于燃燒室聯(lián)焰成功與否不能僅僅通過火焰亮度變化識(shí)別，還需通過燃燒室環(huán)面上噴嘴著火的數(shù)量識(shí)別，或根據(jù)燃燒室出口截面的點(diǎn)燃面積百分比判定。

判斷燃燒室是否聯(lián)焰時(shí)，主要是檢測(cè)著火的噴嘴數(shù)量。燃燒室點(diǎn)火過程中，隨著燃燒強(qiáng)度的增加，整個(gè)燃燒室環(huán)面的火焰亮度也在不斷增加，點(diǎn)燃的噴嘴周圍必然會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的亮度，這容易造成對(duì)相鄰噴嘴燃燒狀況的誤判。為解決診斷燃燒室聯(lián)焰時(shí)點(diǎn)燃噴嘴對(duì)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(yīng)燃燒室的燃燒狀況。火焰有效灰度計(jì)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(gè)數(shù)，g(x)為域值函數(shù)，fij為圖像中j列第i行像素點(diǎn)的灰度，fy為預(yù)先設(shè)定的閾值，L為燃燒室噴嘴徑向截面亮度取點(diǎn)總個(gè)數(shù)(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(tǒng)計(jì)燃燒室噴嘴周圍有一定灰度級(jí)以上的所有像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)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(gè)噴嘴點(diǎn)燃時(shí)其周圍燃燒面積應(yīng)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(shù)，F(xiàn)ij為圖像中j列第i行像素點(diǎn)的灰度，-Fy為預(yù)先設(shè)定的閾值。通常，在判斷燃燒室噴嘴是否真實(shí)點(diǎn)燃時(shí)，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(jié)合進(jìn)行診斷，以獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)時(shí)首先通過火焰觀測(cè)系統(tǒng)拍攝燃燒室點(diǎn)火過程火焰視頻圖像，然后經(jīng)圖像處理軟件提取點(diǎn)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(jì)算當(dāng)前是否有噴嘴點(diǎn)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(yàn)時(shí)的著火曲線。在判斷是否有噴嘴著火的同時(shí)，統(tǒng)計(jì)當(dāng)前燃燒室噴嘴點(diǎn)燃數(shù)量。當(dāng)點(diǎn)燃噴嘴數(shù)量大于等于噴嘴總數(shù)的80%時(shí)，給出判定結(jié)果高電平1，判定燃燒室聯(lián)焰成功，代表此時(shí)燃燒室有80%以上的噴嘴著火；反之則給出判定結(jié)果低電平0，判定聯(lián)焰不成功代表當(dāng)前噴嘴著火數(shù)量不足燃燒室噴嘴總數(shù)的80%。同樣，通過式(5)和式(6)統(tǒng)計(jì)大于某一燃燒面積百分比的噴嘴數(shù)量，診斷當(dāng)前燃燒室噴嘴的燃燒情況，并實(shí)時(shí)給出著火噴嘴占總噴嘴數(shù)百分比的診斷曲線。

圖3、圖4為利用火焰圖像技術(shù)診斷的某燃燒室點(diǎn)火狀況。圖5為通過熱電偶溫升法得到的點(diǎn)火試驗(yàn)過程中燃燒室出口溫度的變化。對(duì)比圖3與圖5可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃燒室點(diǎn)火成功后，圖5中3只熱電偶探針?biāo)查g溫度就超過250℃，熱電偶法判定此時(shí)燃燒室聯(lián)焰成功，時(shí)間為8.1 s；火焰圖像法也判定燃燒室聯(lián)焰成功，時(shí)間為7.8 s，較熱電偶法縮短了0.3 s。但從圖4中發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，在12.5 s、13.0 s等多處有噴嘴熄滅的現(xiàn)象，燃燒室并非一直處于聯(lián)焰狀態(tài)(因氣流波動(dòng)等因素造成)。但由于熱電偶自身的缺陷，僅根據(jù)熱電偶的溫度判定，無法識(shí)別此時(shí)有噴嘴熄滅。對(duì)比圖4與圖5也可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃燒室點(diǎn)火成功的面積低于80%時(shí)，圖4判定為燃燒室聯(lián)焰失敗，兩種診斷方法給出圖形結(jié)果一致，可判定該結(jié)果真實(shí)可靠。故采用熱電偶溫升法診斷燃燒室點(diǎn)/熄火狀態(tài)存在結(jié)果片面的現(xiàn)象，火焰圖像法判定燃燒室點(diǎn)/熄火的狀態(tài)不但更加準(zhǔn)確，而且能給出更多有關(guān)燃燒室點(diǎn)火過程的信息。

4 結(jié)論

(1)火焰圖像法提供了一種燃燒室點(diǎn)/熄火試驗(yàn)的新測(cè)試方法，該方法可彌補(bǔ)傳統(tǒng)熱電偶溫升法的不足，獲得準(zhǔn)確的燃燒室點(diǎn)/熄火試驗(yàn)結(jié)果。

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

(3)采用火焰圖像觀測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)觀測(cè)燃燒室點(diǎn)/熄火全過程，這為研究火焰前鋒從一個(gè)噴嘴向相鄰噴嘴的傳播提供了可能。

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