【航空技术】双偏振拉曼光谱测量航空发动机燃烧场浓度和温度

开发了一种基于体相位全息(VPH)透射光栅的双偏振自发拉曼光谱测量系统，实现在燃烧场中单脉冲激光下同步定量测量主要气态物种组分（二氧化碳（CO₂，氧、O₂、氮、N₂、水H₂O、料及中间体C_zH_y)浓度和温度，同步测量的温度可修正其对物种拉曼散射截面的影响。系统中的两套光栅和ICCD相机可同步采集两个互相垂直方向的拉曼散射偏振信号，有效剔除荧光干扰。在可控压力及温度的气样池和McKenna标准火焰燃烧器进行了浓度和温度的标定，温度测量精度小于1.06%，组分浓度测量精度小于1.10%。在某航空发动机模型燃烧室燃烧场中，完成了单工况三维多测点组分浓度和温度的同步单脉冲(20ns)定量测量。

关键词：航空发动机；燃烧场；双偏振拉曼光谱；浓度；温度

燃料燃烧是人类社会赖以生存和发展的重要技术和有力工具。航空航天发动机、燃气轮机、内燃机和工业锅炉等动力装置均离不开燃料燃烧所带来的动力源泉。非接触式光学探测技术可获取瞬态燃烧过程中浓度场、温度场和速度场等信息，对燃烧动力装置的优化设计、节能减排、新型燃料燃烧机理研究和燃烧数学模型建立起到至关重要的作用。自发拉曼散射(SRS)技术可实现燃烧场中主要物种组分浓度/摩尔分数/质量分数和区域温度的同步测量，具有纳米级和毫米级的时空分辨率。现有的SRS燃烧诊断系统中，大部分是使用传统的C-T结构反射式光栅光谱仪和一台ICCD相机组成拉曼散射信号采集系统，这类系统普遍具有功能单一、收集效率低、光谱范围与光谱分辨率矛盾等不足。近期的文献表明各种改进型的SRS技术均是应用于无强烈干扰的“友好”火焰中，代表性的包括美国Sandia国家试验室的Barlow和沙特KAUST大学CCRC实验室的Magnotti等在消除荧光干扰、提高拉曼散射光收集效率和光谱数据处理等大量研究，而这些工作主要是在光学实验室环境中进行，而在高温高压高湍流等极端燃烧环境中对热力学动态参数进行现场定量测试的拉曼散射技术仍需要进一步研究。

SRS技术可应用于航空发动机瞬态燃烧过程的探究，而国内外在该领域的研究鲜有报道。1994年，美国通用电气公司研发中心在航空发动机燃烧室出口完成了单测点SRS组分浓度测量。该实验使用一台反射式光谱仪和各单物种对应的多个光电倍增管，存在严重的荧光干扰。2016年和2018年，西北核技术研究所和西北工业大学分别在航空发动机上使用一套反射式光栅光谱仪和ICCD相机系统，进行了燃烧场组分浓度的自发拉曼光谱测量，实现了单工况单测点的测量，而上述文献都没有在航空发动机燃烧场中实现组分浓度和温度的同步测量。在复杂燃烧场中应用SRS技术需要解决的主要问题：组分浓度和温度的同步测量、激光诱导荧光干扰的衰减或消除、拉曼散射光收集效率的提高和燃烧场的单车次下三维移位测量。

根据SRS理论，温度对物种拉曼散射截面产生影响，并对不同物种的影响程度存在差异。需要在测量组分浓度的同时同步获取该激发区域的温度，进而基于实验标定的温度响应函数对各物种拉曼散射截面进行修正。本系统中通过选取刻线数合适的VPH透视光栅和采用ICCD相机可移动的安装方式，在532nm波长单脉冲激光激发下，ICCD相机可同步采集包含N₂反斯托克斯(473.3nm)和斯托克斯(607.3nm)的拉曼光谱信号，以此计算出该激发区域的温度,同时同步采集到了可定量浓度的其他物种组分的拉曼光谱，如CO₂(571nm,574.4nm)、O₂(580nm)、H₂O(660.3nm)、H₂(683.2nm)和C_xH_y等。系统中安装了两套VPH透射光栅和ICCD相机，可实现两台相机同步测量两个互相垂直偏振方向上的拉曼信号，其差谱可有效消除叠加在拉曼信号中的C₂或PAH等产生无偏振特性的荧光干扰信号。气态组分的SRS信号非常弱，基于传统的反射式光栅光谱仪的衍射效率仅有30%~40%。本研究开发的系统采用了VPH透射光栅，在测量光谱波长范围内(400~700nm)衍射效率可达70%~90%,可实现燃烧场1%浓度组分的定量测量，与国外类似系统的检测能力持平。在设计的可三维移位的光学平台上，放置包括激光器和双偏振光谱以系统等全部SRS仪器设备及部件，实现了在某航空发动机模型燃烧室燃烧场不同工况、单车次的多点组分浓度及温度的同步测量。

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SRS测量组分浓度与温度的基本原理

自发拉曼散射是光与分子间的非弹性散射，散射光子与入射光相比，其频率、波长和波数都发生了改变，不同分子这些物理量变化具有指纹特征。在混合气体体系中，某物种i的拉曼散射能量E_i；与其数密度n_i；的关系如式(1)所示

式(2)中:ε为常数;v₀为入射激光波数(cm^—1);Δv为拉曼频移的波数(cm^—1);h为普朗克常数(6.6256×10^—34J·S);k为波尔兹曼常数(1.38×10^—23J·K^—1);T为绝对温度(K);v_e为特征振动波长(cm^—1)。因此需要得到该时刻的温度后,才能更精确地得到各组分的浓度值。

为了计算区域温度，需要得到氮气的斯托克斯和反斯托克斯信号强度，然后采用式(3)进行计算

式(3)中,I_S和I_AS分别为N₂物种的斯托克斯和反斯托克斯强度,v是N₂物种在激发波长v₀下的波数(cm^—1),c为光速。C(_vS,vAS)由温度标定实验获得。

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SRS测量系统建立

SRS测量系统主要由激发、光谱采集系统和三维移动光学平台等组成，如图1和图3所示。激发系统由激光器(Continuum PL8010,10Hz、8ns脉宽、8mm光斑、550mJ@532nm激光)、1/2λ半波片(Thorlabs WPH10M-532)、扩束器（1:3倍可调）、双柱面聚焦透镜组(焦距分别为300和250mm)、能量计(OPHIR NOVA Ⅱ)、激光提升转向反射镜及特制镜架、铝型材框架组件和遮光筒等构成。通过旋转调整1/2λ半波片的位置，可改变激光的偏振方向，使其在某一偏振方向上的拉曼信号最大化。扩束器和聚焦透镜组（两个柱面镜相互垂直放置，相对距离可调）的组合调整可在燃烧场测试段出入射石英窗口上形成大尺寸光斑(直径约15mm)和在激发区形成长方形“软焦点”(长6mm，宽/高约0.2mm)，到达激发区的激光能量约为400mJ。这种聚焦方法可有效避免高能激光损伤石英窗口、聚焦区域气体击穿，而无需搭建复杂的激光脉冲展宽外光路，并且焦点尺寸与光谱仪入口狭缝匹配，进光量最多，杂散光最少，提高了光谱的信噪比。能量计同步监测记录激光能量变化，作为单脉冲能量波动的光谱强度修正值。

图1 SRS光学系统建立

光谱采集系统主要包括双透镜(前工作距175mm，直径76mm)散射光收集器、狭缝(宽0.3mm)、三个商用镜头(一个135mm/F2.8和两个85mm/F1.5)、Notch滤光片(Edmund Optics,OD≥6,直径50mm,532nm)、偏振分束立方体(消光比1000:1,50mm×50mm)、两个VPH透射光栅(Wasatch Photonics,WP-1000/600-50.8,出入射角22.5°)、两台ICCD相机(Andor iStar和PI MAX4,均为256×1024pixels/26μm)、机壳和三维平台(长150mm×宽150mm×高200mm)等组成。光谱采集系统中的所有部件均可调整安装位置，便于现场组装和信号调试。三维平台用于激光焦点与光谱仪系统之间的光学准直。两台相机门宽均设置为20ns，采用Kinetic功能实现单脉冲采集。两套成像系统的放大倍数均为0.6，在ICCD成像的纵向空间方向（激光传输方向）共分9个通道，每个通道对应激发区长0.4mm，实现聚焦区域线成像的同步多点采集。偏振分束立方体将拉曼信号分解成两个互相垂直方向的s偏振和p偏振信号，由其后的两台ICCD相机同步采集。

数字延迟发生器DG645实现激发系统、光谱采集系统和航空发动机试验台之间的时序同步。SRS系统通过50m长的网线和控制线，在远离发动机实验现场的试验台操作间内完成实验。

将激发系统和光谱采集系统放置于三维光学平台(长2000mm×宽1500mm×高800mm)。三维光学平台主要由三个电控伺服电缸、光学面包板和铝型材组件等组成。三维移动精度±0.01mm, 速度0.02～50mm·s^—1连续可调。

如果将偏振分束立方体更换为45°放置的550nm低通滤光片，在通过的散射光方向上放置Notch滤光片和透射光栅，其后拉曼ICCD相机可完成拉曼信号的采集，在低通滤光片的45°反射方向上拆除透射光栅，另一台瑞利ICCD相机可以同步实现瑞利信号的采集。

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SRS测量系统的标定及数据处理

对构建的SRS测量系统进行详细的标定是实现燃烧场主要物种组分浓度与温度同步定量测量的前提。需经过以下的标定过程：

(1)使用汞氖光谱标定灯对光谱采集系统进行波长标定，通过移动ICCD安装位置，保证采集到的波长范围在460~690nm(@532nm激发)内(包含473.3nm的N₂的反斯托克斯和683.2nm的H₂);

(2)使用特制的0.2mm等间距、直径0.05 mm排孔靶和汞氖光谱标定灯，准直两台相机同步成像到同一探测空间；

(3)使用强度计标定光谱仪的相对光子强度；

(4)实验前后采集空气拉曼光谱，作为系统的现场标定数据，评价系统测量精度的不确定性；

(5)实时监测的单脉冲激光能量波动值，作为浓度和温度计算中的误差来源；

(6)在气体样池中进行已知标准气体浓度、温度和压力的SRS实验。这些标准气体包括CO₂、O₂、N₂、H₂O、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆和C₃H₈,水蒸汽通过在气样池中滴定已知质量的液态水并加热至100℃实现。获得常温、压力0.1～3MPa下1～10%浓度的标定曲线,如图2所示。各物种组分拉曼光谱强度与压力之间存在线性相关关系,9种组分浓度与参考值之间的误差均小于1%。

图2 九种组分SRS光谱的压力标定

(7)在CH₄/空气预混 McKenna标准平面火焰燃烧器上的SRS温度标定实验。在距离燃烧器上表面15mm轴高处测量主要物种组分CO₂、O₂、N₂和H₂O的拉曼光谱。按照参考文献提供的22个标准工况,对应选取其中11个典型工况,完成了高温(1700～2300K)、常压(0.1MPa)SRS系统温度和摩尔分数的标定。根据式(3),温度测量结果见表1,可以看出SRS系统的温度测量结果(TSRS)与参考文献的温度(TCARS)值基本吻合,最大误差为1.06%。基于同步测量的其他各物种组分的拉曼光谱,可以确定温度与组分浓度之间函数关系,考虑温度修正函数的摩尔分数对比结果如表2所示,两者最大误差为1.10%。

表1 CH₄/AirMckenna燃烧器SRS温度测量值

与参考值的对比和误差分析

表2 CH₄/AirMcKenna燃烧器组分浓度测量值及与

参考值的误差分析

实际测量和计算组分浓度/摩尔分数/质量分数和温度前，还需要进行原始光谱数据的预处理，包括减背景、平滑、剔除击穿光谱、光束偏折修正、透射光栅“弓形效应”修正和划分组分像素通道等。当物种光谱间存在互扰（如CO₂、CH燃料和O₂之间）而难于计算各峰值面积时，使用 Voigt函数进行谱间解耦。通过矩阵求逆法和温度与浓度迭代计算相结合求解组分浓度。使用开源的Python语言编制了拉曼光谱数据处理计算程序。

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结果与讨论

4.1 主要物种组分浓度的定量测量

在一台航空发动机单头部模型燃烧室进行了燃烧场主要物种组分浓度和温度的 SRS测量实验，现场实验布置如图3所示，图4(a,b)为两张单脉冲激光下的实验拉曼光谱。

图3 航空发动机燃烧场SRS系统实验现场

在航空发动机某试验工况下，20ns单脉冲、15s（150个单脉冲）时均与2s（20个单脉冲）时均物种组分浓度和温度测量结果进行对比分析，如图5(a-e)所示。可以看出航空发动机燃烧场CO₂、O₂、N₂和H₂O的20ns单脉冲浓度测量结果与2s时均测量结果最大偏差分别为2.11%、0.88%、0.21%、1.11%,20ns单脉冲浓度测量结果与15s时均测量结果最大偏差分别为1.13%、2.76%、0.54%、0.90%，单脉冲物种组分浓度测量偏差与15s时均测量结果不超过2.76%。由图5(e)的20ns单脉冲、15s（150个单脉冲）时均与2s（20个单脉冲）时均温度测量结果进行对比分析可以看出20ns单脉冲与2s/15s时均温度测量的最大偏差分别为0.17%、0.36%，证明所搭建的SRS系统具有单脉冲物种组分浓度和温度精确定量测量能力。

图4某航空发动机燃烧场某工况单脉冲激发下双偏振拉曼光谱(a)及N₂斯托克斯与反斯托克斯测温光谱(b)

图5 2s/15s航空发动机燃烧场温度及物种组分

浓度测量结果与误差

4.2 燃料中间体的定性测量

航空发动机燃烧场燃烧产物测量的空间测试方案见图6，在单脉冲测量中可同步采集到燃料中间体C_xH_y的拉曼光谱信息，如图7所示。对航空发动机燃烧室88.0mm平面高温中压工况燃料中间体及温度进行计算分析得到如图8所示的CH、C₂H₂和C₂H₆的空间分布特征。燃料中间体C₂H₂的生成量大于CH和C₂H₆,而C₂H₂其特殊的C≡C是形成碳烟前驱物的重要组分,说明此工况随后的碳烟生成量存在增加的趋势,C₂H₂主要生成在燃烧室左侧(面向来流方向,下同),C₂H₆主要生成在燃烧室中心,而CH主要生成在燃烧室右侧。由于目前没有开展对航空煤油燃料中间体高温影响下SRS组分浓度定量标定方面的试验研究,因此只能对燃料中间体进行定性分析。

图6 航空发动机燃烧场燃烧产物测量的空间测试方案(X=0为88mm平面内轴线中心位置,负标尺为来流的左侧,正标尺为右侧)

图7 航空发动机燃烧室88·0mm平面内高温中压工况燃料中间体5个测点单脉冲激光SRS光谱

图8 航空发动机燃烧室88·0mm平面内高温中压工况温度及燃料中间体空间分布情况

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结论

开发了一套基于VPH透射光栅的双偏振多功能SRS测量系统，工程化的方案设计适合于快速的现场安装和调试。可以实现单脉冲激光双偏振拉曼光谱的燃烧场主要物种组分浓度和同步的区域温度的定量测量。在某航空发动机燃烧室实现了同工况下，单脉冲20ns内单截面上多点同步移动测量，组分浓度测量最大不确定度为2.76%，温度测量最大不确定度为0.35%。开发了适用于燃烧场浓度和温度测量的拉曼光谱数据处理计算程序。实验证明，所开发的SRS软硬件系统适合于复杂燃烧场环境的主要组分浓度和温度定量测量的技术需求。可实现航空发动机燃烧室燃料中间体的定性测量，对航空煤油燃料中间体的精确定量测量可进一步通过标准火焰燃烧器结合化学反应动力学进一步研究。该SRS系统进一步开发，在更高刻线数的VPH透射光栅下可以实现高光谱分辨率下的多组分拉曼光谱精细结构研究，也可实现转动拉曼光谱测温、N₂斯托克斯振转光谱测温和联合瑞利法测温与拉曼法测浓度等燃烧场光谱测试技术开发。

论文来源：光谱学与光谱分析

作者：于长友,程鹏,李杰,宋文艳,王朝宗,齐新华,车庆丰,陈爽,许振宇

（光谱学与光谱分析）

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