CN111650171B - 一种燃油喷嘴高温高压燃油浓度场定量测量及校正方法 - Google Patents

一种燃油喷嘴高温高压燃油浓度场定量测量及校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃油喷嘴高温高压燃油浓度场定量测量及校正方法，包括燃油浓度场与激光诱导荧光信号强度相关性标定、压力/温度对激光诱导荧光量子效率影响规律和函数拟合和燃油浓度分布校正函数开发，其目的在于借助压力和温度对燃油‑激光诱导荧光量子效率的影响规律构建高温高压条件下燃油浓度分布测量校正函数，提高燃油激光诱导荧光方法用于发动机燃烧室内燃油浓度空间分布测试的测量精度。

Description

一种燃油喷嘴高温高压燃油浓度场定量测量及校正方法
技术领域
本发明属于燃气轮机燃油喷嘴技术领域，涉及一种燃油喷嘴高温高压雾化特性测量和校正方法，尤其涉及一种利用高温高压对燃油-激光诱导荧光量子效率影响规律对燃油浓度场测量进行校正的雾化特性测量方法，其目的在于借助压力和温度对燃油-激光诱导荧光量子效率的影响规律构建高温高压条件下燃油浓度分布测量校正函数，提高燃油激光诱导荧光方法用于发动机燃烧室内燃油浓度空间分布测试的测量精度。
背景技术
对于使用液体燃料的燃气轮机发动机，燃油雾化和混合对发动机燃烧性能、燃烧效率和污染物排放具有决定性的影响，而对燃油喷嘴雾化特性的测量一直是先进发动机燃烧室的研制难点之一。
发动机燃烧室内的燃油雾化和油气混合是通过燃油喷嘴实现的，燃油喷嘴随航空发动机性能的发展而逐渐从蒸发管式喷嘴、单油路离心喷嘴、双油路离心喷嘴和空气雾化喷嘴，发展到最新提出的组合式空气雾化喷嘴。组合式空气雾化喷嘴采用空气分层和燃油分级方法并借助多种雾化方式组合来组织气动雾化场，燃油分级、空气分级和多级旋流都增加了组合式空气雾化喷嘴雾化过程的复杂性，因而也增加了组合式燃油喷嘴雾化特性测量和表征的难度。同时，相对于压力雾化喷嘴，组合式空气雾化喷嘴燃油雾化和混合过程中燃油液滴和旋流空气及其各级旋流空气之间相互作用强，这使得组合式空气雾化喷嘴在开放空间或常温常压条件下的雾化特性与发动机燃烧室高温高压条件下的雾化特性差别巨大，目前尚缺少有效的组合式空气雾化喷嘴雾化特性试验模化方法。
已有的燃油喷嘴雾化测量试验研究大多在开放空间或常温常压条件下开展的，由于目前在发动机燃烧室上广泛采用的组合式空气雾化喷嘴的雾化特性在开放空间或常温常压条件下与发动机燃烧室内高温高压受限空间差别较大，最近，国内外各大航空发动机GE、PW、R-R和中航发都与大学或研究所合作开展燃油喷嘴高温高压雾化特性测量方法。受到光学诊断方法光路或探测器空间布置限制、高温高压环境对测量信号的影响和光学可视窗的污染等问题影响，目前，组合式空气雾化喷嘴高温高压雾化特性测量精度偏低并且可用的测量方法非常有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为克服上述现有技术的缺点和不足，本发明提出了一种燃油喷嘴高温高压燃油浓度场测量校正方法，利用高温高压条件对燃油-激光诱导荧光量子效率的影响规律，构建燃油浓度场校正函数，通过标定实现燃油喷嘴高温高压条件下发动机燃烧室内燃油浓度场的高精度测量。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案：
一种燃油喷嘴高温高压燃油浓度场定量测量及校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
SS1.构建一燃油浓度均匀的燃油蒸汽-空气光学器皿，所述光学器皿与发动机燃烧室的形状和尺寸相当，所述光学器皿设有温度调控模块、压力调控模块和燃油浓度调控模块，可分别实现对所述光学器皿中燃油的温度、压力和浓度的调控，其中燃油浓度为燃油蒸汽与空气混合物中燃油蒸汽的浓度，且燃油中具有荧光组分，在激发光诱导下可产生荧光信号；
SS2.在所述光学器皿外布置激光光源和信号采集设备，在所述激光光源的激发光强度和信号采集设备的各项参数固定不变的前提下，保持所述光学器皿内部空间为常温常压条件，渐次调节燃油浓度，标定常温常压条件下燃油浓度θ0与激光诱导荧光信号强度S0之间的相关性函数C＝θ0/S0，建立常温常压条件下燃油浓度θ0与激光诱导荧光信号强度S0之间的相关性；
SS3.保持所述激光光源的激发光强度和信号采集设备的各项参数不变，依次开展温度和压力对燃油-激光诱导荧光(Fuel-PLIF)信号强度的影响规律试验，其中，在开展温度对燃油-激光诱导荧光(Fuel-PLIF)信号强度影响规律试验时，需在保持所述光学器皿内燃油浓度θ、压力p不变的前提下，渐次调节所述光学器皿内的温度t；在开展压力对燃油-激光诱导荧光(Fuel-PLIF)信号强度影响规律试验时，需在保持所述光学器皿内燃油浓度θ、温度t不变的前提下，渐次调节所述光学器皿内的压力p；
SS4.基于步骤SS3所开展的温度和压力对燃油-激光诱导荧光(Fuel-PLIF)信号强度的影响规律试验，分别拟合温度对燃油-激光诱导荧光信号强度的影响函数α(t)和压力对燃油-激光诱导荧光信号强度的影响函数β(p)；
SS5.基于步骤SS2所标定的常温常压条件下燃油浓度θ0与激光诱导荧光信号强度S0之间的相关性函数C＝θ0/S0、以及步骤SS4所拟合的温度对燃油-激光诱导荧光信号强度的影响函数α(t)和压力对燃油-激光诱导荧光信号强度的影响函数β(p)，构建高温高压条件下燃油浓度分布校正函数θ(t,p)＝C×S(t,p)/(α(t)×β(p))。
优选的，所述燃油浓度的范围覆盖在全工况范围内发动机燃烧室内的油气比。
优选的，采用该方法进行燃油喷嘴高温高压浓度场定量测量，其前提是燃油浓度θ与激光诱导荧光信号强度S在整个浓度范围内是单值函数。
优选的，采用该方法进行燃油喷嘴高温高压浓度场定量测量及校正，其前提是温度对燃油激光诱导荧光量子效率的影响函数α(t)与压力对燃油激光诱导荧光量子效率的影响函数β(p)是相互独立的。
本发明的燃油喷嘴高温高压燃油浓度场定量测量及校正方法，其工作原理为：借助一定浓度均匀的燃油蒸汽-空气光学器皿，光学器皿与发动机燃烧室的形状和尺寸相当，首先在常温常压条件下建立燃油浓度与激光诱导荧光信号强度的相关性，在此基础上利用温度、压力和燃油浓度可调控的燃油蒸汽-空气高温高压光学器皿，开展温度和压力对燃油激光诱导荧光量子效率影响规律研究，并拟合温度对燃油-激光诱导荧光信号强度的影响函数α(t)和压力对燃油-激光诱导荧光信号强度的影响函数β(p)，用于校正高温高压条件下的燃油浓度测量结果，最终，根据燃油浓度与激光诱导荧光信号强度的相关性和温度、压力对燃油激光诱导荧光的影响函数构建燃油浓度分布校正函数，实现对高温高压条件下燃油浓度分布的高精度定量测量。
本发明的燃油喷嘴高温高压燃油浓度场定量测量及校正方法，其与现有技术相比所具有的优点为：
(1)本发明通过建立燃油浓度与燃油激光诱导荧光信号强度的相关性实现燃油浓度定量测量。
(2)本发明通过拟合压力和温度对燃油激光诱导荧光量子效率的影响函数，提高了高温高压条件下燃油空间分布测量的精度。
(3)本发明中的燃油喷嘴高温高压浓度场定量测量及校正方法，提高了燃油激光诱导荧光方法在发动机燃烧室内高温高压条件下燃油浓度测量的应用成熟度。
附图说明
图1是本发明的燃油喷嘴高温高压燃油浓度场定量测量及校正方法的框架示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的燃油喷嘴高温高压燃油浓度场定量测量及校正方法，包括常温常压条件下燃油浓度与激光诱导荧光信号强度相关性函数的构建及标定、温度/压力对燃油激光诱导荧光强度的影响规律及函数拟合和燃油浓度分布校正函数的构建等步骤。
常温常压条件下燃油浓度与激光诱导荧光信号强度相关性函数的构建及标定，包括步骤1和步骤2，即首先构建一定浓度均匀的燃油蒸汽-空气高温高压光学器皿，光学器皿与发动机燃烧室的形状和尺寸相当，光学器皿设有温度调控模块、压力调控模块和燃油浓度调控模块，可分别实现对光学器皿中燃油的温度、压力和浓度的调控，其中燃油浓度为燃油蒸汽与空气混合物中燃油蒸汽的浓度，且燃油中具有荧光组分，在激发光诱导下可产生荧光信号；其次，在光学器皿外布置激光光源和信号采集设备，在激光光源的激发光强度和信号采集设备的各项参数固定不变的前提下，保持光学器皿内部空间为常温常压条件下，渐次调节燃油浓度，标定常温常压条件下燃油浓度θ0与激光诱导荧光信号强度S0之间的相关性函数C＝θ0/S0，即建立常温常压条件下燃油浓度θ0与激光诱导荧光信号强度S0之间的相关性。
温度/压力对燃油激光诱导荧光强度的影响规律及函数拟合过程包括四步，首先开展温度对燃油激光诱导荧光(Fuel-PLIF)的影响试验3，即在保持光学器皿内燃油浓度θ、压力p不变的前提下，渐次调节光学器皿内的温度t，利用此试验结果构建和拟合温度对燃油激光诱导荧光(Fuel-PLIF)的影响函数α(t)4，其次开展压力对燃油激光诱导荧光(Fuel-PLIF)的影响试验5，即在保持光学器皿内燃油浓度θ、温度t不变的前提下，渐次调节光学器皿内的压力p，利用此试验结果构建和拟合压力对燃油-激光诱导荧光信号强度的影响函数β(p)6。最后，利用在前步骤中所标定的常温常压条件下燃油浓度与激光诱导荧光信号强度相关性函数C、温度对Fuel-PLIF的影响函数α(t)和压力对Fuel-PLIF的影响函数β(p)构建燃油浓度分布校正函数7，即θ(t,p)＝C×S(t,p)/(α(t)×β(p))。
本发明的燃油喷嘴高温高压燃油浓度场定量测量及校正方法中，一定浓度均匀的燃油蒸汽-空气高温高压光学器皿构建1具有燃油浓度、温度和压力调控模块，燃油浓度调节模块通过向光学器皿中注入燃油调节燃油蒸汽浓度，温度调控模块通过加热器实现，压力调节模块通过接通活塞空气注射器实现。
本发明的燃油喷嘴高温高压浓度场定量测量及校正方法中，常温常压条件下燃油浓度与激光诱导荧光信号强度相关性标定2、温度对燃油激光诱导荧光(Fuel-PLIF)的影响试验3和压力对燃油激光诱导荧光(Fuel-PLIF)的影响试验5，此试验过程中激光参数和激光诱导荧光信号采集设备参数设置相同。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (1)

1.一种燃油喷嘴高温高压燃油浓度场定量测量及校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
SS1.构建一燃油浓度均匀的燃油蒸汽-空气光学器皿，所述光学器皿与燃油喷嘴的形状和尺寸相当，所述光学器皿设有温度调控模块、压力调控模块和燃油浓度调控模块，可分别实现对所述光学器皿中燃油的温度、压力和浓度的调控，其中燃油浓度为燃油蒸汽与空气混合物中燃油蒸汽的浓度，且所述燃油浓度的范围覆盖在全工况范围内发动机燃烧室内的油气比，且燃油中具有荧光组分，在激发光诱导下可产生荧光信号；
SS2.在所述光学器皿外布置激光光源和信号采集设备，在所述激光光源的激发光强度和信号采集设备的各项参数固定不变的前提下，并且在燃油浓度θ与激光诱导荧光信号强度S在整个浓度范围内是单值函数的前提下，保持所述光学器皿内部空间为常温常压条件，渐次调节燃油浓度，标定常温常压条件下燃油浓度θ0与激光诱导荧光信号强度S0之间的相关性函数C＝θ0/S0，建立常温常压条件下燃油浓度θ0与激光诱导荧光信号强度S0之间的相关性；
SS3.保持所述激光光源的激发光强度和信号采集设备的各项参数不变，依次开展温度和压力对燃油-激光诱导荧光信号强度的影响规律试验，其中，在开展温度对燃油-激光诱导荧光信号强度影响规律试验时，需在保持所述光学器皿内燃油浓度θ、压力p不变的前提下，渐次调节所述光学器皿内的温度t；在开展压力对燃油-激光诱导荧光信号强度影响规律试验时，需在保持所述光学器皿内燃油浓度θ、温度t不变的前提下，渐次调节所述光学器皿内的压力p；
SS4.基于步骤SS3所开展的温度和压力对燃油-激光诱导荧光信号强度的影响规律试验，分别拟合温度对燃油-激光诱导荧光信号强度的影响函数α(t)和压力对燃油-激光诱导荧光信号强度的影响函数β(p)，且温度对燃油激光诱导荧光量子效率的影响函数α(t)与压力对燃油激光诱导荧光量子效率的影响函数β(p)相互独立；
SS5.基于步骤SS2所标定的常温常压条件下燃油浓度θ0与激光诱导荧光信号强度S0之间的相关性函数C＝θ0/S0、以及步骤SS4所拟合的温度对燃油-激光诱导荧光信号强度的影响函数α(t)和压力对燃油-激光诱导荧光信号强度的影响函数β(p)，构建高温高压条件下燃油浓度分布校正函数θ(t,p)＝C×S(t,p)/(α(t)×β(p))。
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