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一种基于激光吸收光谱的发动机燃烧室推力非接触式测量方法 

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申请/专利权人:北京航空航天大学

摘要:本发明公开了一种基于激光吸收光谱的发动机燃烧室推力非接触式测量方法,所用器件包括可调谐二极管激光器、信号发生器、光纤耦合器、光纤分束器、光纤型标准具、准直镜、光电探测器、匀光片和数据采集卡;所述发动机燃烧室推力测量方法首先利用激光吸收光谱技术测量发动机燃烧室流场中待测位置的气流温度、浓度和压力,然后利用激光吸收光谱的多普勒频移测量流场中气流速度,最后用气流推力与气流速度和压力之间的确定关系,获得发动机燃烧室产生的推力;本发明实现了发动机燃烧室推力的非接触式测量,所用测量系统具有结构简单、成本低、反应时间快等优点,可广泛用于航空发动机等领域。

主权项:1.一种基于激光吸收光谱的发动机燃烧室推力非接触式测量方法,所述发动机燃烧室推力测量方法利用激光吸收光谱技术测量发动机燃烧室流场中待测位置的气流温度和压力,利用激光吸收光谱的多普勒频移测量流场中气流速度,再用气流推力与气流速度和压力之间的确定关系,获得发动机燃烧室产生的推力;所述基于激光吸收光谱的非接触式发动机燃烧室推力测量方法的测量系统,包括两个可调谐二极管激光器、一个信号发生器、一个光纤耦合器、一个光纤分束器、一个光纤型标准具、两个准直镜、三个光电探测器、两个匀光片和一个数据采集卡;其中,所述信号发生器与两个可调谐二极管激光器相连,采用时分复用的策略对两个可调谐二极管激光器进行调制,并使每个可调谐二极管激光器的输出波段覆盖一个目标气体的吸收谱线;两个可调谐二极管激光器产生的可调谐激光用一个光纤耦合器进行合束,再用一个光纤分束器按1:1:1的功率比将可调谐激光分成三束,其中一束可调谐激光入射到一个光纤型标准具中,然后被一个光电探测器接收,用于实时标定可调谐激光波长,并将测量的激光吸收光谱从时域换转到频域;另外两束可调谐激光分别用一个光纤准直镜进行准直,两束准直后的激光通过光学窗口在水平面上交叉穿过发动机燃烧室内部,光束的交叉点位于燃烧室内部,然后两束可调谐激光分别穿过一个匀光片后被光电探测器探测;可调谐激光穿过燃烧室流场后,携带高温高速流场的温度、压力、气体浓度信息,并且由于激光多普勒效应,两路激光吸收光谱信号之间产生多普勒频移量;三路激光信号被光电探测器测得后,由数据采集卡上传至计算机中用于后续信号处理,其特征在于,包括以下步骤:步骤一:信号发生器产生两个激光调制信号,这两个激光调制信号采用时分复用的策略对两个可调谐二极管激光器进行调制,并使每个调制的激光频率均能覆盖一个目标气体的吸收谱线;两个可调谐二极管激光器产生的可调谐激光用一个光纤耦合器进行合束;一个光纤分束器按1:1:1的功率比将可调谐激光分成三束,并用Ii表示可调谐激光的初始光强,其中一束可调谐激光入射到一个光纤型标准具中,然后被一个光电探测器接收,用于实时标定可调谐激光波长,并将测量的激光吸收光谱从时域换转到频域;另外两束可调谐激光分别用一个光纤准直镜进行准直,两束准直后的激光通过光学窗口在水平面上交叉穿过发动机燃烧室内部,光束的交叉点位于燃烧室内部,两个光束之间的夹角为θ,然后两束可调谐激光分别穿过一个匀光片后被光电探测器探测,两束可调谐激光的探测信号分别表示为:It1t=Iiexp-α1vt1It2t=Iiexp-α2vt2其中,αivt,i=1,2是两束可调谐激光穿过流场目标气体后产生的光谱吸收率,表示成: 其中,P是流场中气体压强,L是流场中可调谐激光的吸收路径长度,Xl是流场中目标气体的摩尔体积分数,Tl是流场中目标气体的温度,S[Tl]是所选吸收谱的谱线强度,是吸收谱线的线型函数,满足归一化条件,l表示吸收路径上的位置;步骤二:初始激光强度Ii通过数据拟合获得,选取光谱吸收区域两侧非吸收区域q1和q2,通过拟合非吸收区域q1和q2的数据获得不包含吸收项的基线Ii;在获得基线Ii后,两个谱线的吸收率曲线αivt由步骤一中公式1和2计算得到;可调谐激光在目标气体吸收谱线αiv的积分吸收面积Ai,i=1或2满足: 若路径长度上的气压、温度以及目标气体浓度分布均匀,则两个吸收谱线的积分吸收面积之比是温度的单值函数: 在获取两个吸收谱线的积分吸收面积后,用比色法计算得到路径平均温度T;步骤三:根据步骤二中公式4,在已知目标气体的温度和路径长度,则利用hitran光谱数据库仿真获得目标气体吸收谱线αiv只需要浓度Xabs和气压P两个变量,通过比较仿真和测量的目标气体吸收谱线,对浓度Xabs和气压P进行最优化选取,使用二范数作为约束,目标函数表示为:fXabs,P=||αsν,Xabs,P-αmv||26其中,αsν,Xabs,P和αmν分别表示仿真和测量的目标气体吸收谱线;当fXabs,P小于容差ε时,Xabs和P为所求浓度和气压值;步骤四:流场中气体速度是通过两束交叉的可调谐激光束的多普勒偏移量得到的,两束可调谐激光同一谱线的光谱轮廓峰值位置通过数据拟合获得,两者的差值即为多普勒偏移量;可调谐激光在目标气体处吸收谱线αiv满足voigt线型函数,表示为: 其中,a是多普勒展宽ΔvD和洛伦兹展宽ΔvC的比值,表示为:ω是压力引起的谱线偏移距离,表示为:δ是参考温度的压力偏移系数,v0是谱线中心位置;选取光谱轮廓中吸收峰区域q3,用公式7拟合q3区域的光谱轮廓数据,得到两束可调谐激光同一谱线的光谱轮廓峰值位置,分别为v1和v2;两束可调谐激光同一谱线的多普勒偏移量Δv=v1-v2是速度的函数,表示为: 其中,v0是谱线中心位置,θ是两束交叉可调谐激光束的夹角,u是流场气体速度,c是空气中的光速;若ν0,θ,c和Δν均已知,则通过公式8计算得到流场气体速度u;步骤五:在已知燃烧室流场气体速度、测量位置的气体压力以及测量位置气体流过的横截面积,则发动机推力由下式计算得到,计算公式为: 其中,是推进剂质量流量,由流量计提供,u是测量位置的气体速度,由公式8计算得到,Pe是测量位置的气体压力,由公式6计算得到,Pa是环境气体压力,通常为1标准大气压,Ae是测量位置气体流过的横截面积,提前测量获得。

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