火焰图像技术在航空发动机燃烧室点/熄火试验中的应用

陈苗苗，袁 汀，蒋荣伟，张 险

(中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲412002)

1 引言

航空发动机燃烧室燃烧机理研究中，燃烧室点火成功与否是一项重要的研究内容。传统的点/熄火测量主要是通过热电偶等接触式方法获得点燃与否的燃烧试验数据。经过多年研究，接触式测温技术已经发展得较为成熟且测量准确度较高，但该技术对燃烧室的点/熄火判断仍有较大的局限性。如探针布局受空间限制以致取样代表性不足，探针测量范围有限和存在热传递误差等。此外，热电偶温升法获得的一些宏观参量(如温度等)，不足以完全验证设计技术，设计者们需要在时间和空间上更加精准、快速的试验测试信息，如点火瞬间火焰传播方向及更加准确的点/熄火燃烧图像和数据等。

鉴于传统接触式测量方法存在的不足，以及计算机技术和光测量技术的发展，研究人员对基于光学的非接触式测量技术开展了大量研究。同时，由于燃烧时会伴随着声、光、热等多种物理现象，近年来大量学者利用火焰图像的非接触式测量技术对锅炉燃烧进行了研究[1-3]。然而将火焰图像技术应用到航空发动机燃烧室上，国内还处在比较原始的阶段，仅通过在燃烧室机匣上开孔，透过观察窗观测燃烧过程[4-5]——这是火焰图像技术最基本的应用，不能做到自动诊断燃烧结果，也不能获得全面的燃烧信息。通过火焰观测系统获取燃烧室实时的燃烧图像，是发动机燃烧室点/熄火试验时最直接的试验结果。因此，深入分析实时火焰图像，采用火焰图像判定燃烧室点/熄火状况更加直接和真实。本文通过在燃烧室排气端增加一套火焰观测系统，实时观测燃烧室内部火焰燃烧情况，同时检测提取火焰图像信息并结合普朗克黑体定律，实现准确、快速地诊断燃烧室点/熄火，获得实时燃烧室点/熄火试验结果，对研究人员理解燃烧室的组织形式和燃烧机理具有重要意义。

2 火焰图像测试技术

2.1 火焰图像亮度与温度的关系

目前基于火焰图像的温度场测量共有3种模式[6-8]：①三维燃烧火焰在二维平面上的累积叠加效应形成的诊断温度场测量；②基于辐射传递方程反演的二维截面温度场测量；③基于辐射传递方程反演的三维温度场测量。相比较，模式②和模式③均涉及较为复杂的辐射传递逆求解，而模式①不用考虑辐射传递过程的反演，方法简单可靠。对于本文研究，仅通过火焰图像诊断燃烧室燃烧状况，采用模式①即可。

普朗克辐射定律描述了黑体辐射与温度之间的定量关系，对于温度在3 000 K以下及波长在400～800 nm之间的燃烧火焰，可以使用Wien公式近似替代，即：

2.2 火焰图像处理及特征提取

进行燃烧室点/熄火诊断前，需要把滤波后包含大量火焰特征量的二维火焰图像在未着火、着火、联焰成功的特征信息提取出来。从图1某环型燃烧室从未着火到联焰成功过程图像可看出，未着火到燃烧室联焰成功时火焰亮度提高非常快。同样，从图2所示的燃烧室熄火过程也可看到相同的火焰图像特征。故通过燃烧室出口火焰图像亮度变化就可知燃烧室点/熄火与否。但对于燃烧室联焰成功与否不能仅仅通过火焰亮度变化识别，还需通过燃烧室环面上喷嘴着火的数量识别，或根据燃烧室出口截面的点燃面积百分比判定。

判断燃烧室是否联焰时，主要是检测着火的喷嘴数量。燃烧室点火过程中，随着燃烧强度的增加，整个燃烧室环面的火焰亮度也在不断增加，点燃的喷嘴周围必然会出现较强的亮度，这容易造成对相邻喷嘴燃烧状况的误判。为解决诊断燃烧室联焰时点燃喷嘴对相邻喷嘴的影响，可用喷嘴周围火焰图像的有效灰度来反应燃烧室的燃烧状况。火焰有效灰度计算式可表示为：

式中：m、n分别为以喷嘴为中心喷嘴火焰图像中沿x轴和y轴方向的像素个数，g(x)为域值函数，fij为图像中j列第i行像素点的灰度，fy为预先设定的阈值，L为燃烧室喷嘴径向截面亮度取点总个数(2m× 2n)。

虽然火焰有效灰度可表征作为表征喷嘴着火与否的集合特征量，但也可通过统计燃烧室喷嘴周围有一定灰度级以上的所有像素点的个数来表征喷嘴着火状况，即通过喷嘴周围的有效燃烧面积来表征该喷嘴是否着火。这主要是由于每个喷嘴点燃时其周围燃烧面积应大致相同，故可用喷嘴有效燃烧面积表征喷嘴燃烧状况。喷嘴燃烧面积可定义为：

式中：A(x）为域值函数，Fij为图像中j列第i行像素点的灰度，-Fy为预先设定的阈值。通常，在判断燃烧室喷嘴是否真实点燃时，可将喷嘴燃烧火焰有效灰度和燃烧室喷嘴周围燃烧的有效面积相结合进行诊断，以获得更加准确的结果。

3 试验验证

试验时首先通过火焰观测系统拍摄燃烧室点火过程火焰视频图像，然后经图像处理软件提取点火过程的火焰图像特征，最后采用喷嘴周围的有效灰度判断喷嘴是否着火，通过式(3)和式(4)计算当前是否有喷嘴点燃。采用高电平1代表有喷嘴着火、低电平0代表没有喷嘴着火给出试验时的着火曲线。在判断是否有喷嘴着火的同时，统计当前燃烧室喷嘴点燃数量。当点燃喷嘴数量大于等于喷嘴总数的80%时，给出判定结果高电平1，判定燃烧室联焰成功，代表此时燃烧室有80%以上的喷嘴着火；反之则给出判定结果低电平0，判定联焰不成功代表当前喷嘴着火数量不足燃烧室喷嘴总数的80%。同样，通过式(5)和式(6)统计大于某一燃烧面积百分比的喷嘴数量，诊断当前燃烧室喷嘴的燃烧情况，并实时给出着火喷嘴占总喷嘴数百分比的诊断曲线。

图3、图4为利用火焰图像技术诊断的某燃烧室点火状况。图5为通过热电偶温升法得到的点火试验过程中燃烧室出口温度的变化。对比图3与图5可发现，当燃烧室点火成功后，图5中3只热电偶探针瞬间温度就超过250℃，热电偶法判定此时燃烧室联焰成功，时间为8.1 s；火焰图像法也判定燃烧室联焰成功，时间为7.8 s，较热电偶法缩短了0.3 s。但从图4中发现，随着时间的推移，在12.5 s、13.0 s等多处有喷嘴熄灭的现象，燃烧室并非一直处于联焰状态(因气流波动等因素造成)。但由于热电偶自身的缺陷，仅根据热电偶的温度判定，无法识别此时有喷嘴熄灭。对比图4与图5也可发现，当燃烧室点火成功的面积低于80%时，图4判定为燃烧室联焰失败，两种诊断方法给出图形结果一致，可判定该结果真实可靠。故采用热电偶温升法诊断燃烧室点/熄火状态存在结果片面的现象，火焰图像法判定燃烧室点/熄火的状态不但更加准确，而且能给出更多有关燃烧室点火过程的信息。

4 结论

(1)火焰图像法提供了一种燃烧室点/熄火试验的新测试方法，该方法可弥补传统热电偶温升法的不足，获得准确的燃烧室点/熄火试验结果。

(2)基于火焰图像法的燃烧室点/熄火判断技术，不仅可用于单管/单头部燃烧室点/熄火试验，还可用于不同结构类型的环形燃烧室点/熄火试验。

(3)采用火焰图像观测系统可实时观测燃烧室点/熄火全过程，这为研究火焰前锋从一个喷嘴向相邻喷嘴的传播提供了可能。

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