RU2738999C1 - Method of determining gas flow temperature in combustion chamber of gas turbine engine with hydrocarbon fuel - Google Patents

Method of determining gas flow temperature in combustion chamber of gas turbine engine with hydrocarbon fuel Download PDF

Info

Publication number
RU2738999C1
RU2738999C1 RU2020109147A RU2020109147A RU2738999C1 RU 2738999 C1 RU2738999 C1 RU 2738999C1 RU 2020109147 A RU2020109147 A RU 2020109147A RU 2020109147 A RU2020109147 A RU 2020109147A RU 2738999 C1 RU2738999 C1 RU 2738999C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
vibrational
radicals
gas flow
spectrum
Prior art date
Application number
RU2020109147A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Викторович Мехреньгин
Георгий Петрович Мирошниченко
Алексей Павлович Чистяков
Игорь Касьянович Мешковский
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО)
Priority to RU2020109147A priority Critical patent/RU2738999C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2738999C1 publication Critical patent/RU2738999C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0014—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiation from gases, flames

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

FIELD: measurement.
SUBSTANCE: invention relates to noncontact measurement of high gas flow temperatures, in particular to methods of measuring temperature of gas flow in combustion chamber and processing spectral data of optical monitoring means, and can be used for experimental studies of working process in combustion zone combustion chambers and improving operating reliability of modern aircraft and helicopter engines and power turbines. Disclosed is method of determining temperature of gas flow in combustion chamber of gas turbine engine with hydrocarbon fuel, which includes recording in the wavelength range from 400 to 800 nm of the spectrum of heat radiation of the stream of gases formed during combustion of hydrocarbon fuel, and the gas flow temperature is determined based on the temperature of soot particles present in the gas stream, which is calculated by approximating Planck's radiation law in Wien coordinates. To calculate temperature of soot particles from the detected spectrum, a region of thermal radiation of the gas stream is selected in the wavelength range from 600 to 800 nm, as per the calculated temperature of soot particles by Planck's formula, spectrum of thermal emission of soot particles is calculated. Calculated spectrum of thermal radiation of soot particles is subtracted from initial spectrum of heat radiation of gas flow, spectrum of chemoluminescence of
Figure 00000154
radicals is calculated, chemiluminescence spectrum of
Figure 00000155
radicals is subtracted from spectrum of heat radiation of gas flow obtained after subtraction of spectrum of thermal emission of soot particles calculated by Planck formula. Integral intensities of the series of electron-vibrational transitions are calculated, and on their basis two ratios of integral intensities of the series of electronic-oscillatory transitions are determined. According to the obtained ratios, and using expressions G (1,0) obtained using a calculation method, and G (-1.0) of ratios of integral intensities of emission bands of radicals
Figure 00000156
from vibrational temperature of radicals, two values of oscillatory temperature of
Figure 00000157
radicals are obtained. Obtained values of the oscillation temperature
Figure 00000158
are compared to obtain the error of calculating the oscillatory temperature
Figure 00000159
. Determining two new values of oscillatory temperature of radicals
Figure 00000160
, calculating a value, on which it is necessary to correct temperature of soot particles using the calculated optimization function, and using the corrected temperature value of particles of soot, repeating said actions until until difference of values of vibrational temperatures of radicals
Figure 00000161
becomes less than a predetermined error value, and temperature value of particles of soot T, at which this condition is met, is taken as reliable value of required temperature of gas flow.
EFFECT: technical result is increase of reliability and expansion of application area of method for determination of gas flow temperature in combustion chamber of gas turbine engine with hydrocarbon fuel based on spectrum of heat radiation of gas flow, due to the compensation calculation and spectral components corresponding to thermal radiation of the particles of soot and
Figure 00000162
radicals in the composition of the total gas flow of the thermal radiation, measuring the vibrational temperature of the
Figure 00000163
radicals in the visible band and determining the gas flow temperature based on the temperature of the soot particles corrected based on the vibrational temperatures of the
Figure 00000164
radicals.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области бесконтактного измерения высоких температур потока газов в камере сгорания газотурбинного двигателя с углеводородным топливом, в частности к способам спектральной пирометрии потоков и обработки спектральных данных оптических средств контроля, и может быть использовано для экспериментальных исследований рабочего процесса в зоне горения камер сгорания и повышения надежности при эксплуатации современных авиационных и вертолетных двигателей, а также энергетических турбин.The invention relates to the field of non-contact measurement of high temperatures of gas flow in the combustion chamber of a gas turbine engine with hydrocarbon fuel, in particular to methods of spectral pyrometry of flows and processing of spectral data of optical control devices, and can be used for experimental studies of the working process in the combustion zone of combustion chambers and increasing reliability in the operation of modern aircraft and helicopter engines, as well as power turbines.

Известен способ спектрометрического определения температуры потока газов (патент РФ №2686385, МПК G01K 13/02, G01J 5/10, G06N 3/02, G06N 3/08, G06F 17/50, приор. 23.05.2018), представляющий собой измерение соотношений интенсивностей излучения потока газов не менее чем в двух областях спектра в видимом диапазоне и не менее чем в двух областях спектра в инфракрасном диапазоне, по которым оценивается текущая температура потока газов при помощи искусственной нейронной сети. Набор весовых коэффициентов для искусственной нейронной сети получен предварительно методом обратного распространения ошибки. В качестве обучающей выборки для искусственной нейронной сети используются в том числе показания опорной термопары. Процесс обучения нейронной сети включает корректировку весовых коэффициентов нейронной сети с целью достижения заданной точности вычисления температуры потока газов.The known method of spectrometric determination of the temperature of the flow of gases (RF patent No. 2686385, IPC G01K 13/02, G01J 5/10, G06N 3/02, G06N 3/08, G06F 17/50, prior. 23.05.2018), which is a measurement of ratios radiation intensities of the gas flow in at least two spectral regions in the visible range and in at least two spectral regions in the infrared range, according to which the current temperature of the gas flow is estimated using an artificial neural network. The set of weighting coefficients for the artificial neural network was previously obtained by the backpropagation method. The readings of the reference thermocouple are also used as a training sample for the artificial neural network. The neural network training process includes adjusting the neural network weight coefficients in order to achieve a given accuracy in calculating the gas flow temperature.

Недостатком способа является применение для определения температуры потока газов искусственной нейронной сети, требующей предварительного обучения на основании показаний опорной термопары, что ограничивает возможности применения представленного способа, поскольку использование термопар в зонах горения камер сгорания современных двигателей не представляется возможным в силу их быстрого перегрева и выхода из строя, а точность измерения предложенного метода ограничена точностью измерений термопары.The disadvantage of this method is the use of an artificial neural network to determine the gas flow temperature, requiring preliminary training based on the readings of the reference thermocouple, which limits the possibilities of using the presented method, since the use of thermocouples in the combustion zones of combustion chambers of modern engines is not possible due to their rapid overheating and exit from scale, and the measurement accuracy of the proposed method is limited by the accuracy of the thermocouple measurements.

Наиболее близким к предлагаемому способу и принятым за прототип является способ определения температуры потока газов в зоне смешения камеры сгорания газотурбинного двигателя, представленный в статье (M.V. Mekhrengin, I.K. Meshkovskii, V.A. Tashkinov, V.I. Guryev, A.V. Sukhinets, D.S. Smirnov, Multispectral pyrometer for high temperature measurements inside combustion chamber of gas turbine engines, Measurement 139 (2019) 355-360, https://doi.org/10.1016/i.measurement.2019.02.084). представляющий собой измерение спектра теплового излучения потока газов в диапазоне длин волн от 400 до 800 нм в зоне горения камеры сгорания и последующее вычисление температуры частиц сажи на основании измеренного спектра при помощи аппроксимации закона излучения Планка в координатах Вина, вычисленное значение температуры частиц сажи принимают за искомую величину температуры потока газов.Closest to the proposed method and adopted as a prototype is the method for determining the temperature of the gas flow in the mixing zone of the combustion chamber of a gas turbine engine, presented in the article (MV Mekhrengin, IK Meshkovskii, VA Tashkinov, VI Guryev, AV Sukhinets, DS Smirnov, Multispectral pyrometer for high temperature measurements inside combustion chamber of gas turbine engines, Measurement 139 (2019) 355-360, https://doi.org/10.1016/i.measurement.2019.02.084). which is a measurement of the spectrum of thermal radiation of a gas flow in the wavelength range from 400 to 800 nm in the combustion zone of the combustion chamber and the subsequent calculation of the temperature of the soot particles based on the measured spectrum using the approximation of the Planck radiation law in the Wien coordinates, the calculated value of the temperature of the soot particles is taken as the desired gas flow temperature value.

Недостатком способа является отсутствие анализа спектральных составляющих, входящих в состав спектра теплового излучения потока газов, и использование области спектра в диапазоне длин волн от 400 до 800 нм для вычисления температуры частиц сажи, приводящее к снижению достоверности температурных показаний и ограничивающее область применения способа для контроля температуры реальных промышленных силовых установок, спектр излучения потока газа в которых неизбежно содержит иные источники излучения в выбранном диапазоне длин волн, такие как радикалы

Figure 00000001
и радикалы
Figure 00000002
The disadvantage of this method is the lack of analysis of the spectral components included in the spectrum of the thermal radiation of the gas flow, and the use of the spectral region in the wavelength range from 400 to 800 nm to calculate the temperature of the soot particles, leading to a decrease in the reliability of temperature readings and limiting the scope of application of the method for temperature control real industrial power plants, the emission spectrum of the gas flow in which inevitably contains other radiation sources in the selected wavelength range, such as radicals
Figure 00000001
and radicals
Figure 00000002

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение достоверности и расширение области применения способа определения температуры потока газов на основе спектра теплового излучения частиц сажи за счет расчета и компенсации спектральных составляющих, соответствующих тепловому излучению частиц сажи и радикалов

Figure 00000003
а также корректировки температуры потока газов на основании колебательных температур радикалов
Figure 00000004
The problem to be solved by the present invention is to increase the reliability and expand the scope of the method for determining the temperature of a gas flow based on the spectrum of thermal radiation of soot particles by calculating and compensating for spectral components corresponding to the thermal radiation of soot particles and radicals
Figure 00000003
as well as adjusting the gas flow temperature based on the vibrational temperatures of the radicals
Figure 00000004

Технический результат достигается за счет регистрации спектра излучения потока газов в области спектра от 400 нм до 800 нм, расчета температуры частиц сажи по области спектра излучения потока газов в области длин волн от 600 до 800 нм, расчета и компенсации спектра теплового излучения частиц сажи на основании формулы Планка, расчета и компенсации спектра хемилюминесценции радикалов

Figure 00000005
измерения интегральных интенсивностей полос излучения радикалов
Figure 00000006
№1 (468-474 нм,), №2 (507-517 нм,), №3 (550-564 нм), а также последующего вычисления двух колебательных температур радикалов
Figure 00000007
по двум отношениям интегральных интенсивностей спектральных полос излучения радикалов
Figure 00000008
в выбранном оптическом диапазоне и определения температуры потока газов на основе температуры частиц сажи, скорректированной на основании двух колебательных температур
Figure 00000009
The technical result is achieved by registering the emission spectrum of the gas flow in the spectral range from 400 nm to 800 nm, calculating the temperature of soot particles in the emission spectrum of the gas flow in the wavelength range from 600 to 800 nm, calculating and compensating the thermal emission spectrum of soot particles based on Planck's formulas, calculation and compensation of the spectrum of chemiluminescence of radicals
Figure 00000005
measurements of integral intensities of radicals emission bands
Figure 00000006
No. 1 (468-474 nm,), No. 2 (507-517 nm,), No. 3 (550-564 nm), as well as the subsequent calculation of two vibrational temperatures of radicals
Figure 00000007
by two ratios of the integral intensities of the spectral bands of radical radiation
Figure 00000008
in the selected optical range and determination of the gas flow temperature based on the temperature of the soot particles, corrected based on the two vibrational temperatures
Figure 00000009

Поставленная задача решается следующим образом.The task is solved as follows.

В способе определения температуры потока газов, включающем регистрацию спектра излучения потока газов, в диапазоне длин волн от 400 до 800 нм в зоне горения камеры сгорания на основании полученного спектра при помощи аппроксимации закона излучения Планка в координатах Вина рассчитывают температуру частиц сажи Т, по которой судят о температуре потока газов, рассчитывают и компенсируют спектральные составляющие, соответствующие тепловому излучению частиц сажи и радикалов

Figure 00000010
в составе суммарного теплового излучения потока газов, измеряют колебательные температуры радикалов
Figure 00000011
по не менее чем трем полосам электронно-колебательных переходов излучения радикалов
Figure 00000012
в видимом диапазоне и определяют температуру потока газов на основе температуры частиц сажи, скорректированной на основании двух колебательных температур
Figure 00000013
In the method for determining the temperature of the gas flow, including the registration of the emission spectrum of the gas flow, in the wavelength range from 400 to 800 nm in the combustion zone of the combustion chamber, on the basis of the obtained spectrum by approximating the Planck radiation law in the Wien coordinates, the temperature of the soot particles T is calculated, according to which on the gas flow temperature, calculate and compensate for the spectral components corresponding to the thermal radiation of soot particles and radicals
Figure 00000010
as part of the total thermal radiation of the gas flow, the vibrational temperatures of the radicals are measured
Figure 00000011
over at least three bands of electronic-vibrational transitions of radical radiation
Figure 00000012
in the visible range and determine the gas flow temperature based on the temperature of the soot particles, corrected based on two vibrational temperatures
Figure 00000013

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на ФИГ. 1 представлена принципиальная схема реализующего заявляемый способ устройства для сбора данных, преобразовываемых в температуру, на ФИГ. 2 представлен типичный спектр горения углеводородного пламени и отмечены основные составляющие этого спектра. В видимом диапазоне данный спектр излучения состоит из трех основных компонентов: непрерывного спектра излучения частиц сажи [1], хемилюминесценции радикалов

Figure 00000014
(250-600 нм), дискретных полос излучения радикалов
Figure 00000015
(468-474 нм, 507-517 нм, 550-564 нм) и хемилюминесценции радикалов СН* [2]. Кроме того, на ФИГ. 2 представлены спектр излучения частиц сажи и спектр хемилюминесценции
Figure 00000016
рассчитанные математически. На ФИГ. 3 представлены зависимости, позволяющие выполнить преобразование отношения полос излучения радикалов
Figure 00000017
в колебательную температуру радикалов
Figure 00000018
На ФИГ. 4 (а) представлена блок-схема способа определения температуры потока газов на основании теплового излучения частиц сажи и колебательной температуры радикалов
Figure 00000019
а также процесс выделения спектра излучения сажи и спектра излучения радикалов
Figure 00000020
из исходного спектра излучения потока газов.The essence of the claimed invention is illustrated by drawings, where FIG. 1 is a schematic diagram of a device for collecting data converted to temperature, which implements the inventive method, in FIG. 2 shows a typical spectrum of combustion of a hydrocarbon flame and shows the main components of this spectrum. In the visible range, this radiation spectrum consists of three main components: continuous emission spectrum of soot particles [1], chemiluminescence of radicals
Figure 00000014
(250-600 nm), discrete bands of radical radiation
Figure 00000015
(468-474 nm, 507-517 nm, 550-564 nm) and chemiluminescence of CH * radicals [2]. In addition, in FIG. 2 shows the emission spectrum of soot particles and the chemiluminescence spectrum
Figure 00000016
calculated mathematically. FIG. 3 shows the dependences that make it possible to transform the ratio of the emission bands of radicals
Figure 00000017
into the vibrational temperature of the radicals
Figure 00000018
FIG. 4 (a) shows a block diagram of a method for determining the temperature of a gas stream based on the thermal radiation of soot particles and the vibrational temperature of radicals.
Figure 00000019
as well as the process of isolating the emission spectrum of soot and the emission spectrum of radicals
Figure 00000020
from the initial emission spectrum of the gas flow.

На ФИГ. 4 (б) - рассчитанный математически спектр теплового излучения частиц сажи в потоке газов на основании Закона излучения Планка и температуры частиц сажи, рассчитанной на первом этапе. На ФИГ. 4 (в) - рассчитанный математически спектр хемилюминесценции

Figure 00000021
и спектр теплового излучения потока газов, полученный после вычитания математически рассчитанного спектра теплового излучения частиц сажи. На ФИГ. 4 (г) - полученный спектр излучения радикалов
Figure 00000022
содержащий набор дискретных компонент, появляющихся в результате электронно-колебательных переходов радикалов
Figure 00000023
FIG. 4 (b) - the mathematically calculated spectrum of thermal radiation of soot particles in a gas flow based on the Planck's law of radiation and the temperature of soot particles calculated at the first stage. FIG. 4 (c) - mathematically calculated spectrum of chemiluminescence
Figure 00000021
and the thermal radiation spectrum of the gas stream obtained after subtracting the mathematically calculated thermal radiation spectrum of the soot particles. FIG. 4 (d) - the obtained spectrum of radiation of radicals
Figure 00000022
containing a set of discrete components appearing as a result of electronic-vibrational transitions of radicals
Figure 00000023

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим. Непрерывный спектр эмиссии частиц сажи лежит в широкой полосе длин волн и описывается законом излучения Планка. В случае углеводородного топлива, область спектра излучения потока газов в диапазоне от 600 до 800 нм включает в себя исключительно тепловое излучение частиц сажи и не искажена хемилюминесценцией других веществ, участвующих в реакции горения. Данная область спектра предоставляет достаточную информацию для изменения температуры частиц сажи, входящих в состав потока газов. Пример спектра теплового излучения частиц сажи, рассчитанный математически, представлен на ФИГ. 2.The essence of the claimed invention is illustrated as follows. The continuous emission spectrum of soot particles lies in a wide wavelength band and is described by Planck's law of radiation. In the case of hydrocarbon fuels, the region of the emission spectrum of the gas stream in the range from 600 to 800 nm includes exclusively the thermal radiation of the soot particles and is not distorted by the chemiluminescence of other substances involved in the combustion reaction. This region of the spectrum provides sufficient information to change the temperature of the soot particles that make up the gas flow. An example of a mathematically calculated thermal emission spectrum of soot particles is shown in FIG. 2.

Хемилюминесценция радикалов

Figure 00000024
описывается непрерывным спектром излучения в диапазоне длин волн от 250 до 600 нм. Пример спектра хемилюминесценции радикалов
Figure 00000025
полученный математически в соответствии с алгоритмом, представленным в статье [4], представлен на ФИГ. 2.Chemiluminescence of radicals
Figure 00000024
is described by a continuous spectrum of radiation in the wavelength range from 250 to 600 nm. An example of a spectrum of chemiluminescence of radicals
Figure 00000025
obtained mathematically in accordance with the algorithm presented in article [4] is presented in FIG. 2.

Спектр излучения радикалов

Figure 00000026
возникает в результате электронно-колебательных переходов молекулы
Figure 00000027
Радикал
Figure 00000028
переходит с одного из колебательных уровней v' возбужденного электронного состояния на один из колебательных уровней и v'' невозбужденного электронного состояния. В результате электронно-колебательного перехода в спектре излучения формируется дискретная составляющая. Разность между колебательными квантовыми числами Δv является основной характеристикой перехода. Так, длины волн фотонов, излученных в рамках переходов с Δv=1 сосредоточены в области длин волн 468,6-473,8 нм, Δv=0: 507,2-516,6 нм, Δv=- 1: 550,3-563,7 нм.Radiation spectrum of radicals
Figure 00000026
arises as a result of electronic-vibrational transitions of the molecule
Figure 00000027
Radical
Figure 00000028
passes from one of the vibrational levels v 'of the excited electronic state to one of the vibrational levels and v''of the unexcited electronic state. As a result of the electronic-vibrational transition, a discrete component is formed in the radiation spectrum. The difference between the vibrational quantum numbers Δv is the main characteristic of the transition. Thus, the wavelengths of photons emitted within the transitions with Δv = 1 are concentrated in the wavelength range of 468.6-473.8 nm, Δv = 0: 507.2-516.6 nm, Δv = - 1: 550.3- 563.7 nm.

Анализ спектра излучения радикалов

Figure 00000029
позволяет оценить колебательную температуру радикалов
Figure 00000030
Интенсивность рассматриваемого излучения можно описать следующим образом:Analysis of the emission spectrum of radicals
Figure 00000029
allows you to estimate the vibrational temperature of radicals
Figure 00000030
The intensity of the radiation under consideration can be described as follows:

Figure 00000031
Figure 00000031

где

Figure 00000032
- частота электронно-колебательного перехода,
Figure 00000033
- населенность колебательного уровня v' возбужденного электронного состояния,
Figure 00000034
- коэффициент Эйнштейна, v' - номер колебательного уровня возбужденного электронного состояния, и v'' - номер колебательного уровня невозбужденного электронного состояния,
Figure 00000035
- приведенная постоянная Планка.Where
Figure 00000032
- frequency of electronic-vibrational transition,
Figure 00000033
is the population of the vibrational level v 'of the excited electronic state,
Figure 00000034
is the Einstein coefficient, v 'is the number of the vibrational level of the excited electronic state, and v''is the number of the vibrational level of the unexcited electronic state,
Figure 00000035
is the reduced Planck's constant.

Коэффициент Эйнштейна показывает вероятность перехода между колебательным уровнем v' возбужденного состояния и колебательным уровнем и v''невозбужденного состояния:The Einstein coefficient shows the probability of a transition between the vibrational level v 'of the excited state and the vibrational level and v' 'of the non-excited state:

Figure 00000036
Figure 00000036

где

Figure 00000037
- дипольный момент электронно-колебательного перехода.Where
Figure 00000037
is the dipole moment of the electronic-vibrational transition.

Дипольный момент характеризует электрические свойства молекулы. Дипольный момент при электронно-колебательном переходе изменяется согласно уравнению:The dipole moment characterizes the electrical properties of the molecule. The dipole moment at the electronic-vibrational transition changes according to the equation:

Figure 00000038
Figure 00000038

где ψgr, ψех - волновые функции электронных состояний,

Figure 00000039
- волновые функции колебательных состояний, р - квантово-механический дипольный оператор, R - межъядерное расстояние, r - координаты электронов.where ψ gr , ψ ex are the wave functions of electronic states,
Figure 00000039
are the wave functions of vibrational states, p is the quantum mechanical dipole operator, R is the internuclear distance, r is the coordinates of electrons.

Квадрат дипольного момента перехода состоит из фактора Франка - Кондона и электрического дипольного момента электрона, который является постоянной:The square of the transition dipole moment consists of the Frank - Condon factor and the electric dipole moment of the electron, which is constant:

Figure 00000040
Figure 00000040

где

Figure 00000041
- фактор Франка - Кондона, ре1 - матричный элемент электронного дипольного момента перехода.Where
Figure 00000041
is the Frank - Condon factor, p e1 is the matrix element of the electron dipole moment of the transition.

Населенность колебательного уровня v' возбужденного электронного состояния можно представить как:The population of the vibrational level v 'of the excited electronic state can be represented as:

Figure 00000042
Figure 00000042

где N - количество молекул на колебательном уровне у' на единицу объема,

Figure 00000043
- энергия колебательного уровня v' возбужденного электронного состояния, k - постоянная Больцмана,
Figure 00000044
- колебательная температура радикалов
Figure 00000045
Z - константа нормализации.where N is the number of molecules at the vibrational level y 'per unit volume,
Figure 00000043
is the energy of the vibrational level v 'of the excited electronic state, k is the Boltzmann constant,
Figure 00000044
- vibrational temperature of radicals
Figure 00000045
Z is a normalization constant.

Как видно из уравнения (5) населенность колебательного уровня зависит от колебательной температуры. Тогда, используя уравнение (1) можно найти зависимость интенсивности излучения от колебательной температуры:As can be seen from equation (5), the population of the vibrational level depends on the vibrational temperature. Then, using equation (1), we can find the dependence of the radiation intensity on the vibrational temperature:

Figure 00000046
Figure 00000046

Из уравнений (2), (4) и (6) получим: From equations (2), (4) and (6) we obtain:

Figure 00000047
Figure 00000047

константа H представлена как:the constant H is represented as:

Figure 00000048
Figure 00000048

Так как каждый электронно-колебательный переход сопровождается вращательным спектром, то спектры электронно-колебательно-вращательных переходов перекрывают друг друга и становятся трудно разрешимы. Также наибольший вклад в интенсивность серий вносят переходы между колебательными уровнями с малыми номерами. Вследствие чего, наиболее удобно интегрировать интенсивность по серии переходов между уровнями с малыми номерами.Since each electronic-vibrational transition is accompanied by a rotational spectrum, the spectra of the electronic-vibrational-rotational transitions overlap each other and become difficult to resolve. Also, the greatest contribution to the intensity of the series is made by transitions between vibrational levels with small numbers. As a result, it is most convenient to integrate the intensity over a series of transitions between levels with small numbers.

Тогда интенсивность электронно-колебательных переходов, с номером колебательного уровня меньше или равным четырем, входящих в серию можно найти по следующей формуле:Then the intensity of electronic-vibrational transitions with a vibrational level number less than or equal to four included in the series can be found by the following formula:

Figure 00000049
Figure 00000049

где

Figure 00000050
- интегральная интенсивность серии электронно-колебательных переходов.Where
Figure 00000050
- integral intensity of a series of electronic-vibrational transitions.

Чтобы сократить константу В, предлагается рассмотреть отношения интенсивности серий электронно-колебательных переходов:To reduce the constant B, it is proposed to consider the intensity ratios of a series of electronic-vibrational transitions:

Figure 00000051
Figure 00000051

где G(1,0) - отношение интенсивности

Figure 00000052
серии электронно-колебательных переходов с Δv=1 к интенсивности
Figure 00000053
серии электронно-колебательных переходов с Δv=0.where G (1,0) is the intensity ratio
Figure 00000052
series of electronic-vibrational transitions with Δv = 1 to the intensity
Figure 00000053
series of electronic-vibrational transitions with Δv = 0.

Figure 00000054
Figure 00000054

где G(-1,0) - отношение интенсивности

Figure 00000055
серии электронно-колебательных переходов с Δv=-1 к интенсивности
Figure 00000056
серии электронно-колебательных переходов с Δv=0,
Figure 00000057
- фактор Франка - Кондонаwhere G (-1.0) is the intensity ratio
Figure 00000055
series of electronic-vibrational transitions with Δv = -1 to intensity
Figure 00000056
series of electronic-vibrational transitions with Δv = 0,
Figure 00000057
- Frank - Condon factor

ФИГ. 3 показывает зависимости отношения интегральных интенсивностей G(1,0) и G(-1,0) от колебательных температур радикалов

Figure 00000058
полученные при помощи выражений (10) и (11).FIG. 3 shows the dependence of the ratio of the integral intensities G (1.0) and G (-1.0) on the vibrational temperatures of radicals
Figure 00000058
obtained using expressions (10) and (11).

Суть предлагаемого способа определения температуры потока газов в камере сгорания газотурбинного двигателя с углеводородным топливом заключается в определении температуры потока газов на основании температуры частиц сажи и дальнейшей верификации данного результата на основании разности колебательных температур радикалов

Figure 00000059
полученных на основании различных пар полос излучения радикалов
Figure 00000060
при помощи функции оптимизации. Блок схема предлагаемого способа представлена на ФИГ. 4 (а).The essence of the proposed method for determining the gas flow temperature in the combustion chamber of a gas turbine engine with hydrocarbon fuel is to determine the gas flow temperature based on the temperature of the soot particles and further verify this result based on the difference in the vibrational temperatures of radicals
Figure 00000059
obtained on the basis of different pairs of emission bands of radicals
Figure 00000060
using the optimization function. A block diagram of the proposed method is shown in FIG. 4 (a).

Исходными данными для способа является спектр излучения потока газов, образующийся при горении углеводородного топлива, а также зависимости, предварительно полученные на основании выражений (10) и (11). Текущую температуру потока газов оценивают на основании частиц сажи, присутствующих в потоке в результате неполного сгорания углеводородного топлива. Схема поясняется далее.The initial data for the method is the emission spectrum of the gas flow formed during the combustion of hydrocarbon fuel, as well as the dependences previously obtained on the basis of expressions (10) and (11). The current temperature of the gas stream is estimated based on soot particles present in the stream as a result of incomplete combustion of the hydrocarbon fuel. The diagram is explained below.

1. Выделяют область из зарегистрированного спектра теплового излучения потока газов в диапазоне длин волн от 600 до 800 нм, преобразуют эту область в координаты Вина и рассчитывают температуру частиц сажи при помощи аппроксимации закона излучения Планка в координатах Вина в соответствии с выражением [1, 3]:1. Select the area from the recorded spectrum of thermal radiation of the gas flow in the wavelength range from 600 to 800 nm, convert this area into the Wien coordinates and calculate the temperature of the soot particles by approximating the Planck radiation law in the Wien coordinates in accordance with the expression [1, 3] :

Figure 00000061
Figure 00000061

где λ - длина волны излучения, I - интенсивность оптического излучения на длине волны λ, ε - степень черноты исследуемого объекта, Т - температура частиц сажи в составе потока газов, С1 и С2 - первая и вторая постоянные Вина, соответственно.where λ - wavelength of the radiation, I - intensity of optical radiation at wavelength λ, ε - the emissivity of the object under study, T - temperature of the soot particles in the flow of gases, C 1 and C 2 - first and second permanent wines, respectively.

Использование части спектра связано с тем, что исходный спектр излучения потока газов включает в себя излучения радикалов

Figure 00000062
радикалов СН*, и радикалов
Figure 00000063
The use of a part of the spectrum is due to the fact that the initial emission spectrum of the gas flow includes the emission of radicals
Figure 00000062
CH * radicals, and radicals
Figure 00000063

2. Расчет спектра теплового излучения частиц сажи в потоке газов на основании Закона излучения Планка и температуры частиц сажи, рассчитанной на первом этапе. Результат данной операции представлен на ФИГ. 4 (б).2. Calculation of the spectrum of thermal radiation of soot particles in a gas flow based on Planck's law of radiation and the temperature of soot particles calculated at the first stage. The result of this operation is shown in FIG. 4 (b).

3. Вычитание спектра излучения частиц сажи из спектра излучения потока газов. Полученный спектр содержит только составляющие, соответствующие хемилюминесценции

Figure 00000064
и излучению радикалов
Figure 00000065
3. Subtraction of the emission spectrum of soot particles from the emission spectrum of the gas flow. The resulting spectrum contains only components corresponding to chemiluminescence
Figure 00000064
and radiation of radicals
Figure 00000065

4. Расчет спектра хемилюминесценции

Figure 00000066
в соответствии с выражением (13). Хемилюминесценция радикалов
Figure 00000067
может быть представлена математически при помощи выражения [4]:4. Calculation of the chemiluminescence spectrum
Figure 00000066
in accordance with expression (13). Chemiluminescence of radicals
Figure 00000067
can be represented mathematically using the expression [4]:

Figure 00000068
Figure 00000068

где

Figure 00000069
- интенсивность хемилюминесценции радикалов
Figure 00000070
на длине волны λ, А - - масштабный коэффициент, λ0 - длина волны, соответствующая максимуму эмиссии радикалов
Figure 00000071
w - параметр ширины спектральной полосы. Результат моделирования представлена на ФИГ. 4 (в).Where
Figure 00000069
- intensity of radical chemiluminescence
Figure 00000070
at a wavelength λ, A - is the scale factor, λ 0 is the wavelength corresponding to the maximum emission of radicals
Figure 00000071
w is the spectral bandwidth parameter. The simulation result is shown in FIG. 4 (c).

5. Вычитание спектра хемилюминесценции

Figure 00000072
из спектра излучения потока газов, полученного в результате шага №3. Полученный спектр содержит только набор дискретных компонент, описывающих излучение радикалов
Figure 00000073
и показан на ФИГ. 4 (г).5. Subtraction of the chemiluminescence spectrum
Figure 00000072
from the emission spectrum of the gas flow obtained as a result of step # 3. The resulting spectrum contains only a set of discrete components describing the radiation of radicals
Figure 00000073
and shown in FIG. 4 (d).

6. Расчет интегральных интенсивностей трех серий электронно-колебательных переходов радикалов

Figure 00000074
наиболее разрешенных в спектрах (ФИГ. 3).6. Calculation of the integral intensities of three series of electronic-vibrational transitions of radicals
Figure 00000074
the most resolved in the spectra (FIG. 3).

7. Расчет двух отношений интегральных интенсивностей серий электронно-колебательных переходов:

Figure 00000075
7. Calculation of two ratios of the integral intensities of a series of electronic-vibrational transitions:
Figure 00000075

8. Предварительно математически получают зависимости G(1,0) и G(-1,0) отношений интегральных интенсивностей серий электронно-колебательных переходов от колебательной температуры радикалов

Figure 00000076
на основании выражений (10) и (11). Зависимости представлены на рисунке ФИГ. 3.8. Preliminarily, mathematically, the dependences G (1.0) and G (-1.0) of the ratios of the integral intensities of the series of electronic-vibrational transitions from the vibrational temperature of the radicals are obtained
Figure 00000076
based on expressions (10) and (11). The dependencies are shown in FIG. 3.

9. Из множества значений зависимостей G(1,0) и G(-1,0) графическим способом находят значения, соответствующие полученным отношениям интегральных интенсивностей

Figure 00000077
соответственно, и таким образом получают колебательные температуры радикалов
Figure 00000078
соответствующие отношениям интегральных интенсивностей
Figure 00000079
Графическое пояснение представлено на ФИГ. 3.9. From the set of values of the dependences G (1,0) and G (-1,0) graphically find the values corresponding to the obtained ratios of integral intensities
Figure 00000077
respectively, and thus get the vibrational temperatures of the radicals
Figure 00000078
corresponding to the ratios of integral intensities
Figure 00000079
A graphical explanation is presented in FIG. 3.

10. Сравнение колебательных температур, полученных на основании отношений G(1,0) и G(-1,0), и вычисление текущего значения ошибки вычисления колебательной температуры радикалов

Figure 00000080
в соответствии с выражением:
Figure 00000081
10. Comparison of vibrational temperatures obtained on the basis of the ratios G (1.0) and G (-1.0), and calculating the current value of the error in calculating the vibrational temperature of radicals
Figure 00000080
according to the expression:
Figure 00000081

где

Figure 00000082
- ошибка вычисления колебательной температуры
Figure 00000083
Figure 00000084
- колебательная температура радикалов
Figure 00000085
найденная по отношению полосы с Δv=1 к полосе с Δv=0,
Figure 00000086
- колебательная температура радикалов
Figure 00000087
найденная по отношению полосы с Δv=-1 к полосе с Δv=0, i - номер шага при корректировке значения температуры частиц сажи. Полученная величина показывает отклонение кривой Планка, восстановленной с помощью пространства Вина от достоверного значения.Where
Figure 00000082
- error in calculating the vibrational temperature
Figure 00000083
Figure 00000084
- vibrational temperature of radicals
Figure 00000085
found from the ratio of the band with Δv = 1 to the band with Δv = 0,
Figure 00000086
- vibrational temperature of radicals
Figure 00000087
found from the ratio of the band with Δv = -1 to the band with Δv = 0, i is the step number when correcting the temperature of the soot particles. The obtained value shows the deviation of the Planck curve, reconstructed using the Wien space, from the reliable value.

Полученную ошибку вычисления колебательной температуры радикалов

Figure 00000088
используют для корректировки вычисленной температуры частиц сажи Т, на основании скорректированного значения температуры частиц сажи Т определяют два новых значения колебательной температуры радикалов
Figure 00000089
, повторяют вышеперечисленные действия до тех пор, пока разница значений колебательных температур радикалов
Figure 00000090
не станет меньше заданного значения погрешности, а значение температуры частиц сажи Т, при котором выполняется это условие, принимается за достоверное значение искомой температуры потока газов.The resulting error in calculating the vibrational temperature of radicals
Figure 00000088
used to correct the calculated temperature of the soot particles T, based on the corrected value of the temperature of the soot particles T, two new values of the vibrational temperature of the radicals are determined
Figure 00000089
, repeat the above steps until the difference in the values of the vibrational temperatures of the radicals
Figure 00000090
will not become less than the specified error value, and the value of the temperature of the soot particles T, at which this condition is met, is taken as a reliable value of the desired gas flow temperature.

Для корректировки значения температуры частиц сажи в потоке газов используется функция оптимизации, вычисляемая на основании значения ошибки работы алгоритма

Figure 00000091
на основании выражения:To correct the temperature of the soot particles in the gas flow, the optimization function is used, calculated based on the value of the algorithm error
Figure 00000091
based on the expression:

Figure 00000092
Figure 00000092

где θ1 и θ2 - параметры функции оптимизации, влияющие на количество шагов,

Figure 00000093
- значение функции оптимизации вычисления колебательной температуры радикалов
Figure 00000094
Значение функции оптимизации показывает на сколько необходимо изменить вычисленную температуры частиц сажи. Параметры функции оптимизации θ1 и θ2 вычисляются при помощи метода градиентного спуска с целью обеспечения минимального количества шагов при корректировки температуры потока газов в рамках представленного способа измерения температуры потока газов в камере сгорания.where θ 1 and θ 2 are the parameters of the optimization function that affect the number of steps,
Figure 00000093
is the value of the optimization function for calculating the vibrational temperature of radicals
Figure 00000094
The value of the optimization function shows how much to change the calculated temperature of the soot particles. The parameters of the optimization function θ 1 and θ 2 are calculated using the gradient descent method in order to ensure the minimum number of steps when adjusting the gas flow temperature within the framework of the presented method for measuring the gas flow temperature in the combustion chamber.

Корректируют значение температуры частиц сажи в соответствии с выражением:Correct the temperature of the soot particles in accordance with the expression:

Figure 00000095
Figure 00000095

где Ti+1 - температура частиц на следующем шаге корректировки температуры потока газов с номером i+1, Ti - температура частиц сажи на текущем шаге корректировки температуры потока газов с номером i.where T i + 1 is the temperature of the particles at the next step of adjusting the temperature of the gas flow numbered i + 1, T i is the temperature of the soot particles at the current step of adjusting the temperature of the gas flow numbered i.

Вышеперечисленные действия повторяют со второго шага способа и в качестве начального параметра использует новое значение температуры частиц сажи. Вышеперечисленные шаги повторяются до тех пор, пока значение функции оптимизации не начнет удовлетворять выражению:The above steps are repeated from the second step of the method and the new value of the temperature of the soot particles is used as the initial parameter. The above steps are repeated until the value of the optimization function begins to satisfy the expression:

Figure 00000096
Figure 00000096

где K - единица измерения «Кельвин». Температура частиц сажи, полученная на последнем шаге корректировки температуры потока газов, принимается за достоверное значение температуры потока газов. Таким образом, полученная величина температуры потока газов определяется не только тепловым излучением частиц сажи, но и хемилюминесценцией радикалов

Figure 00000097
where K is the Kelvin unit. The temperature of the soot particles obtained in the last step of adjusting the gas flow temperature is taken as the reliable value of the gas flow temperature. Thus, the obtained value of the gas flow temperature is determined not only by the thermal radiation of soot particles, but also by the chemiluminescence of radicals
Figure 00000097

Заявляемый способ может быть реализован с помощью устройства (ФИГ. 1), включающего газотурбинный двигатель 1, оптическую схему 2, соединенную при помощи оптического волокна 3 со спектрометром 4. Спектрометр 4 выполняет разложение части оптического сигнала, соответствующей видимому диапазону длин волн, в спектр (ФИГ. 2), дальнейшее оптоэлектронное и аналого-цифровое преобразования сигнала и передачу электрических сигналов, соответствующих интенсивностям излучения потока газов в различных областях спектра, в блок цифровой обработки сигналов (ЦОС) 5. Блок ЦОС 5 реализует предложенный способ (ФИГ. 4 (а)), в том числе: вычисляет тепловую температуру частиц сажи, рассчитывает спектр излучения частиц сажи (ФИГ. 4 (б)), рассчитывает спектр хемилюминесценции радикалов

Figure 00000098
(ФИГ. 4 (в)), получает спектр излучения радикалов
Figure 00000099
(ФИГ. 4 (г)) и на основании полученного спектра рассчитывает не менее чем две колебательные температуры радикалов
Figure 00000100
при помощи предварительно полученных математических зависимостей (ФИГ. 3), рассчитывает значение функции оптимизации (ФИГ. 4 (а)) на основании колебательных температур радикалов
Figure 00000101
которая формирует на выходе значение измеряемой температуры потока газов.The inventive method can be implemented using a device (FIG. 1), including a gas turbine engine 1, an optical circuit 2 connected by an optical fiber 3 to a spectrometer 4. The spectrometer 4 decomposes a part of the optical signal corresponding to the visible wavelength range into a spectrum ( FIG. 2), further optoelectronic and analog-to-digital signal conversion and transmission of electrical signals corresponding to the emission intensities of the gas flow in different spectral regions to the digital signal processing unit (DSP) 5. The DSP unit 5 implements the proposed method (FIG. 4 (a )), including: calculates the thermal temperature of the soot particles, calculates the emission spectrum of the soot particles (FIG. 4 (b)), calculates the chemiluminescence spectrum of radicals
Figure 00000098
(FIG. 4 (c)), obtains the emission spectrum of radicals
Figure 00000099
(FIG. 4 (d)) and based on the obtained spectrum calculates at least two vibrational temperatures of radicals
Figure 00000100
using previously obtained mathematical relationships (FIG. 3), calculates the value of the optimization function (FIG. 4 (a)) based on the vibrational temperatures of the radicals
Figure 00000101
which forms the value of the measured gas flow temperature at the output.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. Оптическое излучение потока газов отводится из зоны горения камеры сгорания газотурбинного двигателя 1 при помощи оптической схемы 2 и передается при помощи оптического волокна 3 на спектрометр 4. Спектрометр 4 выполняет измерение интенсивностей излучения потока газов в оптическом диапазоне от 400 до 800 нм, соответствующем непрерывному спектру излучения частиц сажи, хемилюминесценции радикалов

Figure 00000102
дискретных полос излучения радикалов
Figure 00000103
(468-474 нм, 507-517 нм, 550-564 нм) и хемилюминесценции радикалов CH*. Данные об интенсивностях излучения потока газов в оптическом диапазоне от 400 нм до 800 нм поступают в блок ЦОС 5, где происходит расчет температуры частиц сажи при помощи аппроксимации закона излучения Планка в координатах Вина, вычисление колебательных температур радикалов
Figure 00000104
и дальнейшее вычисление температуры потока газов в соответствии с алгоритмом, представленным ФИГ. 4 (а) Блок ЦОС 5 выдает температуру потока газов потребителю.The claimed method is implemented as follows. The optical radiation of the gas flow is removed from the combustion zone of the combustion chamber of the gas turbine engine 1 by means of an optical circuit 2 and is transmitted by means of an optical fiber 3 to the spectrometer 4. The spectrometer 4 measures the radiation intensities of the gas flow in the optical range from 400 to 800 nm, corresponding to the continuous radiation spectrum soot particles, chemiluminescence of radicals
Figure 00000102
discrete emission bands of radicals
Figure 00000103
(468-474 nm, 507-517 nm, 550-564 nm) and chemiluminescence of CH * radicals. The data on the radiation intensities of the gas flow in the optical range from 400 nm to 800 nm are sent to the DSP unit 5, where the temperature of the soot particles is calculated using the approximation of the Planck law of radiation in the Wien coordinates, and the vibrational temperatures of radicals are calculated
Figure 00000104
and further calculating the temperature of the gas stream in accordance with the algorithm presented in FIG. 4 (a) Block DSP 5 gives the temperature of the gas flow to the consumer.

В качестве конкретного примера выполнения для реализации заявляемого способа предлагается устройство, где оптическая схема, представляет собой совокупность оптического окна и волоконно-оптического кабеля. Оптическое окно выполнено в виде полированного с обеих сторон цилиндра. Волоконно-оптический кабель представляет собой оптическое волокно типа «кварц-кварц» в алюминиевой оболочке, помещенное в оплетку из высокотемпературного теплоизоляционного материала. Волоконно-оптический кабель при помощи оптического коннектора подключается к спектрометру. Спектрометр построен на базе схемы Черни-Тёрнера, а также содержит дифракционную решетку и массив фотоприемных устройств. Дифракционная решетка позволяет распределить свет с разными длинами волн по разным фотоприемным устройствам в составе массива фотоприемных устройств. Массив фотоприемных устройств позволяет измерять интенсивность излучения в вышеупомянутых областях спектра. Примеры спектров теплового излучения потока газов в видимом оптическом диапазоне показаны на ФИГ. 2.As a specific example of implementation for implementing the proposed method, a device is proposed, where the optical circuit is a combination of an optical window and a fiber-optic cable. The optical window is made in the form of a cylinder polished on both sides. Fiber optic cable is an aluminum-sheathed quartz-quartz optical fiber encased in a high-temperature heat-insulating material braid. The fiber-optic cable is connected to the spectrometer using an optical connector. The spectrometer is based on the Czerny-Turner scheme and also contains a diffraction grating and an array of photodetectors. The diffraction grating makes it possible to distribute light with different wavelengths over different photodetectors within an array of photodetectors. The array of photodetectors allows you to measure the radiation intensity in the aforementioned spectral regions. Examples of thermal radiation spectra of a gas stream in the visible optical range are shown in FIG. 2.

Блок ЦОС реализуется на базе платы с программируемой логической интегральной схемой (ПЛИС). Блок ЦОС выполняет аналого-цифровое преобразование данных с массива фотоприемных устройств и передает их в ПЛИС. В ПЛИС реализован алгоритм обработки данных, схема которого представлена на ФИГ. 4 (а) и поясняется выше. В качестве исходных данных алгоритм принимает спектр излучения потока газов, представленный на ФИГ. 2, и предварительно полученные зависимости соотношений G(1,0) и G(-1,0) от колебательной температуры радикалов

Figure 00000105
представленные на ФИГ. 3. Выходное значение алгоритма принимается за измеряемую температуру потока газов.The DSP block is implemented on the basis of a board with a programmable logic integrated circuit (FPGA). The DSP block performs analog-to-digital conversion of data from the array of photodetectors and transmits them to the FPGA. The FPGA implements a data processing algorithm, the diagram of which is shown in FIG. 4 (a) and explained above. As the initial data, the algorithm takes the emission spectrum of the gas flow shown in FIG. 2, and the preliminary obtained dependences of the ratios G (1.0) and G (-1.0) on the vibrational temperature of the radicals
Figure 00000105
presented in FIG. 3. The output value of the algorithm is taken as the measured temperature of the gas flow.

Таким образом, заявляемый способ определения температуры потока газов в камере сгорания позволяет повысить достоверность измерений температуры потока газов в камерах сгорания газотурбинных двигателей с углеводородным топливом, а также расширить область применения способов измерения температуры потока газов в камере сгорания на основе теплового излучения за счет учета вклада хемилюминесценции радикалов

Figure 00000106
(250-600 нм), дискретных полос излучения радикалов
Figure 00000107
(468-474 нм, 507-517 нм, 550-564 нм), а также вычисления колебательной температуры радикалов
Figure 00000108
и использования полученной температуры радикалов
Figure 00000109
для корректировки измеряемой температуры потока газов.Thus, the inventive method for determining the temperature of the gas flow in the combustion chamber makes it possible to increase the reliability of measurements of the temperature of the gas flow in the combustion chambers of gas turbine engines with hydrocarbon fuel, as well as to expand the field of application of methods for measuring the temperature of the gas flow in the combustion chamber based on thermal radiation by taking into account the contribution of chemiluminescence radicals
Figure 00000106
(250-600 nm), discrete bands of radical radiation
Figure 00000107
(468-474 nm, 507-517 nm, 550-564 nm), as well as calculating the vibrational temperature of radicals
Figure 00000108
and using the obtained temperature of radicals
Figure 00000109
to correct the measured gas flow temperature.

Источники информации:Information sources:

[1] M.V. Mekhrengin, I.K. Meshkovskii, V.A. Tashkinov, V.I. Guryev, A.V. Sukhinets, D.S. Smirnov, Multispectral pyrometer for high temperature measurements inside combustion chamber of gas turbine engines, Measurement 139 (2019) 355-360, https://doi.org/10.1016/i.measurement.2019.02.084[1] M.V. Mekhrengin, I.K. Meshkovskii, V.A. Tashkinov, V.I. Guryev, A.V. Sukhinets, D.S. Smirnov, Multispectral pyrometer for high temperature measurements inside combustion chamber of gas turbine engines, Measurement 139 (2019) 355-360, https://doi.org/10.1016/i.measurement.2019.02.084

[2] J. Kojima, Y. Ikeda, T. Nakajima, Detail distributions of OH*, CH* and C2* chemiluminescence in the reaction zone of laminar premixed methane/air flames, 36th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit (2000), https://doi.org/10.2514/6.2000-3394.[2] J. Kojima, Y. Ikeda, T. Nakajima, Detail distributions of OH *, CH * and C2 * chemiluminescence in the reaction zone of laminar premixed methane / air flames, 36th AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit (2000), https://doi.org/10.2514/6.2000-3394.

[3] A.N. Magunov, Spectral pyrometry (Review), Instruments and Experimental Techniques 52(4) (2009) 451-472.[3] A.N. Magunov, Spectral pyrometry (Review), Instruments and Experimental Techniques 52 (4) (2009) 451-472.

[4] N. dos S. Alves, Chemiluminescence analysis of vitiated conditions for Methane and Propane flames (2016), https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/1407770020545087/Resumo_72954.pdf.[4] N. dos S. Alves, Chemiluminescence analysis of vitiated conditions for Methane and Propane flames (2016), https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/1407770020545087/Resumo_72954.pdf.

Claims (13)

1. Способ определения температуры потока газов в камере сгорания газотурбинного двигателя с углеводородным топливом, включающий регистрацию спектра теплового излучения потока газов в диапазоне длин волн от 400 до 800 нм в зоне горения камеры сгорания, на основании полученного спектра при помощи аппроксимации закона излучения Планка в координатах Вина рассчитывают температуру частиц сажи Т, по которой судят о температуре потока газов, отличающийся тем, что для расчета температуры частиц сажи из зарегистрированного спектра выделяют область теплового излучения потока газов в диапазоне длин волн от 600 до 800 нм, по рассчитанной температуре частиц сажи по формуле Планка рассчитывают спектр теплового излучения частиц сажи, вычитают рассчитанный спектр теплового излучения частиц сажи из первоначального спектра теплового излучения потока газов, рассчитывают спектр хемилюминесценции радикалов
Figure 00000110
вычитают спектр хемилюминесценции радикалов
Figure 00000111
из спектра теплового излучения потока газов, полученного после вычитания спектра теплового излучения частиц сажи, рассчитанного по формуле Планка, рассчитывают интегральные интенсивности серий электронно-колебательных переходов
Figure 00000112
Figure 00000113
где Δv - разность номеров колебательных уровней верхнего и нижнего электронных состояний, определяют два отношения интегральных интенсивностей серий электронно-колебательных переходов
Figure 00000114
по полученным отношениям, и, используя полученные расчетным путем с помощью выражений1. A method for determining the temperature of the flow of gases in the combustion chamber of a gas turbine engine with hydrocarbon fuel, including recording the spectrum of thermal radiation of the gas flow in the wavelength range from 400 to 800 nm in the combustion chamber of the combustion chamber, based on the obtained spectrum by approximating the Planck law of radiation in coordinates Wines calculate the temperature of the soot particles T, which is used to judge the temperature of the gas flow, characterized in that to calculate the temperature of the soot particles, the region of thermal radiation of the gas flow in the wavelength range from 600 to 800 nm is isolated from the recorded spectrum, according to the calculated temperature of the soot particles by the formula Planck calculates the spectrum of thermal radiation of soot particles, subtracts the calculated spectrum of thermal radiation of soot particles from the initial spectrum of thermal radiation of the gas flow, calculates the spectrum of chemiluminescence of radicals
Figure 00000110
subtract the spectrum of chemiluminescence of radicals
Figure 00000111
the integral intensities of a series of electronic-vibrational transitions are calculated from the thermal radiation spectrum of the gas flow obtained after subtracting the thermal radiation spectrum of soot particles calculated by the Planck formula
Figure 00000112
Figure 00000113
where Δv is the difference between the numbers of the vibrational levels of the upper and lower electronic states, determine two ratios of the integral intensities of a series of electronic-vibrational transitions
Figure 00000114
according to the obtained ratios, and using those obtained by calculation using the expressions
Figure 00000115
Figure 00000115
 зависимости G(1,0) и G(-1,0) отношений интегральных интенсивностей полос излучения радикалов
Figure 00000116
от колебательной температуры радикалов
Figure 00000117
где G(1,0) - отношение интенсивности
Figure 00000118
серии электронно-колебательных переходов с Δv=1 к интенсивности
Figure 00000119
серии электронно-колебательных переходов с Δv=0, G(-1,0) - отношение интенсивности
Figure 00000120
серии электронно-колебательных переходов с Δv=-1 к интенсивности
Figure 00000121
серии электронно-колебательных переходов с Δv=0, где
Figure 00000122
- энергия колебательного уровня v' возбужденного электронного состояния, k - постоянная Больцмана,
Figure 00000123
- фактор Франка - Кондона, определяют два значения колебательной температуры радикалов
Figure 00000124
сравнивают полученные значения и получают текущее значение ошибки вычисления колебательной температуры
Figure 00000125
, которое используют для корректировки вычисленной температуры частиц сажи Т, определяют два новых значения колебательной температуры радикалов
Figure 00000126
, используя скорректированное значение температуры частиц сажи, повторяют вышеперечисленные действия до тех пор, пока разница значений колебательных температур радикалов
Figure 00000127
не станет меньше заданного значения погрешности, а значение температуры частиц сажи, при котором выполняется это условие, принимается за достоверное значение искомой температуры потока газов.dependences G (1.0) and G (-1.0) of the ratios of the integral intensities of the radiation bands of radicals
Figure 00000116
from the vibrational temperature of radicals
Figure 00000117
where G (1,0) is the intensity ratio
Figure 00000118
series of electronic-vibrational transitions with Δv = 1 to the intensity
Figure 00000119
series of electronic-vibrational transitions with Δv = 0, G (-1.0) - intensity ratio
Figure 00000120
series of electronic-vibrational transitions with Δv = -1 to intensity
Figure 00000121
series of electronic-vibrational transitions with Δv = 0, where
Figure 00000122
is the energy of the vibrational level v 'of the excited electronic state, k is the Boltzmann constant,
Figure 00000123
- Frank - Condon factor, determine two values of the vibrational temperature of radicals
Figure 00000124
compare the obtained values and obtain the current value of the error in calculating the vibrational temperature
Figure 00000125
, which is used to correct the calculated temperature of the soot particles T, two new values of the vibrational temperature of the radicals are determined
Figure 00000126
, using the corrected value of the temperature of the soot particles, repeat the above steps until the difference in the values of the vibrational temperatures of the radicals
Figure 00000127
will not become less than the specified error value, and the value of the temperature of the soot particles, at which this condition is met, is taken as a reliable value of the desired gas flow temperature. 2. Способ определения температуры потока газов в камере сгорания газотурбинного двигателя с углеводородным топливом по п. 1, отличающийся тем, что ошибку вычисления колебательной температуры
Figure 00000128
получают в соответствии с выражением:2. The method for determining the temperature of the flow of gases in the combustion chamber of a gas turbine engine with hydrocarbon fuel according to claim 1, characterized in that the error in calculating the vibrational temperature
Figure 00000128
get in accordance with the expression:
Figure 00000129
Figure 00000129
 где
Figure 00000130
- ошибка вычисления колебательной температуры
Figure 00000131
Figure 00000132
- колебательная температура радикалов
Figure 00000133
найденная по отношению полосы с Δv=-1 к полосе с Δv=0,
Figure 00000132
- колебательная температура радикалов
Figure 00000131
найденная по отношению полосы Δv=-1 к полосе Δv=0, i - номер шага при корректировке значения температуры частиц сажи, вычисляют величину, на которую необходимо скорректировать температуру частиц сажи, при помощи функции оптимизации, которую рассчитывают на основании выражения:Where
Figure 00000130
- error in calculating the vibrational temperature
Figure 00000131
Figure 00000132
- vibrational temperature of radicals
Figure 00000133
found from the ratio of the band with Δv = -1 to the band with Δv = 0,
Figure 00000132
- vibrational temperature of radicals
Figure 00000131
found from the ratio of the band Δv = -1 to the band Δv = 0, i is the step number when correcting the temperature of the soot particles, the value by which the temperature of the soot particles must be corrected is calculated using the optimization function, which is calculated based on the expression:
Figure 00000134
Figure 00000134
 где θ1 и θ2 - параметры функции оптимизации, корректируют величину температуры частиц сажи в соответствии с выражением:where θ 1 and θ 2 are the parameters of the optimization function; they correct the temperature of the soot particles in accordance with the expression:
Figure 00000135
Figure 00000135
 вышеперечисленные действия, используя скорректированное значение температуры частиц сажи, повторяют до тех пор, пока значение функции оптимизации не станет удовлетворять выражению:The above steps are repeated using the corrected soot particle temperature until the optimization function value satisfies the expression:
Figure 00000136
Figure 00000136
 где K - единица измерения «Кельвин», а значение температуры частиц сажи, при котором колебательные температуры
Figure 00000137
обеспечивают указанное выражение, where K is the Kelvin unit, and the temperature of the soot particles at which the vibrational temperatures
Figure 00000137
provide the specified expression, принимается за достоверное значение искомой температуры потока газов.is taken as a reliable value of the sought gas flow temperature.
RU2020109147A 2020-02-28 2020-02-28 Method of determining gas flow temperature in combustion chamber of gas turbine engine with hydrocarbon fuel RU2738999C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020109147A RU2738999C1 (en) 2020-02-28 2020-02-28 Method of determining gas flow temperature in combustion chamber of gas turbine engine with hydrocarbon fuel

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020109147A RU2738999C1 (en) 2020-02-28 2020-02-28 Method of determining gas flow temperature in combustion chamber of gas turbine engine with hydrocarbon fuel

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2738999C1 true RU2738999C1 (en) 2020-12-21

Family

ID=74063022

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020109147A RU2738999C1 (en) 2020-02-28 2020-02-28 Method of determining gas flow temperature in combustion chamber of gas turbine engine with hydrocarbon fuel

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2738999C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000041512A2 (en) * 1999-01-15 2000-07-20 Ametek Aerospace Products, Inc. System and method for determining combustion temperature using infrared emissions
US6422745B1 (en) * 1999-01-15 2002-07-23 Ametek, Inc. System and method for determining combustion temperature using infrared emissions
RU2583853C1 (en) * 2014-12-09 2016-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" Method for spectrometric measurement of temperature of gas flow with absorber
WO2018167095A1 (en) * 2017-03-16 2018-09-20 Siemens Aktiengesellschaft Method and assembly for measuring a gas temperature distribution in a combustion chamber
RU2686385C1 (en) * 2018-05-23 2019-04-25 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Method of spectrometric determination of gas flow temperature

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000041512A2 (en) * 1999-01-15 2000-07-20 Ametek Aerospace Products, Inc. System and method for determining combustion temperature using infrared emissions
US6422745B1 (en) * 1999-01-15 2002-07-23 Ametek, Inc. System and method for determining combustion temperature using infrared emissions
RU2583853C1 (en) * 2014-12-09 2016-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" Method for spectrometric measurement of temperature of gas flow with absorber
WO2018167095A1 (en) * 2017-03-16 2018-09-20 Siemens Aktiengesellschaft Method and assembly for measuring a gas temperature distribution in a combustion chamber
RU2686385C1 (en) * 2018-05-23 2019-04-25 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Method of spectrometric determination of gas flow temperature

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M.V. Mekhrengin, I.K. Meshkovskii, V.A. Tashkinov, V.I. Guryev, A.V. Sukhinets, D.S. Smirnov, "Multispectral pyrometer for high temperature measurements inside combustion chamber of gas turbine engines", Measurement, V. 139, 2019, pp. 355-360. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mekhrengin et al. Multispectral pyrometer for high temperature measurements inside combustion chamber of gas turbine engines
CN110095248B (en) High-frequency induction wind tunnel flow field imbalance diagnosis system and method
JPS6118965B2 (en)
Sane et al. Simultaneous CO concentration and temperature measurements using tunable diode laser absorption spectroscopy near 2.3 μm
US20150049786A1 (en) Method and system for gas temperature measurement
MacDonald et al. Temperature and CO number density measurements in shocked CO and CO2 via tunable diode laser absorption spectroscopy
Turner et al. Application of high-speed, species-specific chemiluminescence imaging for laminar flame speed and Markstein length measurements in spherically expanding flames
Wang et al. Baseline reduction algorithm for direct absorption spectroscopy with interference features
Wang et al. Diffuse-reflection-based single-ended laser absorption sensor for H2O temperature and concentration in kerosene-fuelled combustor
RU2738999C1 (en) Method of determining gas flow temperature in combustion chamber of gas turbine engine with hydrocarbon fuel
CN104280136B (en) Temperature drift and spectral response compensation method for pyroelectric detector
Li et al. Dynamic temperature measurement with a dual-thermocouple sensor based on a dual-head one-dimensional convolutional neural network
Keyvan et al. Blackbody-based calibration for temperature calculations in the visible and near-IR spectral ranges using a spectrometer
Zhong et al. Flame temperature and heat release rate sensor for active combustion control
Gao et al. Multi-spectral temperature measurement method for gas turbine blade
Mekhrengin et al. Development of sensor for spectral monitoring of combustion processes in gas-turbine engines
Estevadeordal et al. Multi-color pyrometry techniques for characterization of spall in heavy duty gas turbine engines
CN114764035A (en) Thermal measurement system
RU2686385C1 (en) Method of spectrometric determination of gas flow temperature
Cakmakci et al. Spatiotemporal distribution of soot temperature for flames using optical pyrometry under unsteady inlet airflow conditions
CN112556859A (en) Method for measuring flame temperature of carbon smoke
Jellison et al. Theory, modeling, and measurements of gas plumes
CN104713645A (en) Method for simultaneously measuring HF rotation temperature and vibration-level particle number distribution
Qiu et al. A linear temperature extraction method from Voigt lineshape profile in laser absorption spectroscopy
Yu et al. A tunable diode-laser absorption spectroscopy (TDLAS) thermometry for combustion diagnostics