波长调制吸收光谱技术的燃气轮机燃烧室温度组分二维分布测量方法

摘要

可调半导体激光光谱技术(TDLAS)可实现温度、组分浓度等多参数同时测量,具有体积小、响应速度快、环境适应性高等优点,逐渐成为燃烧流场诊断的主要手段之一.TDLAS光谱测量常采用直接吸收技术和波长调制技术,其中强度归一化的波长调制技术,适合存在振动、湍流等致光束偏转效应和强辐射本底等恶劣应用环境条件的燃气轮机流场参数测量.基于TDLAS技术,开展了1 f归一化波长调制技术燃气轮机燃烧室温度、组分浓度参数测量方法研究和实验室验证工作,并在某燃气轮机单喷嘴台架进行了冷态、热态试验验证,实现了燃气轮机燃烧室沿气流方向温度及H2 O、C H4浓度二维分布测量.采用1 f归一化波长调制技术抑制台架振动、热辐射背景噪声,采用1392,1469和1343 nm蝶形封装的DFB激光器,三支激光器的出光方式为时分复用,选取H2 O的7185.6,6807.83和7444.3 cm-1处的吸收线,两两组合使用,测量热态下一定范围内的温度和H2 O浓度;采用1654 nm蝶形封装的DFB激光器,选取CH4的6046.96 cm-1处的吸收线进行冷态CH4浓度测量.实验室对测量系统可靠性进行验证,配置4％ ～6％ 范围内的C H4气体进行测量并与实际值对比,浓度测量最大相对偏差为3.72％;在高温炉中设定900～1500 K范围内的温度台阶,充入纯水汽,计算不同设定温度和压力下的温度和浓度测量值,温度测量最大相对偏差3.07％,浓度测量最大相对偏差为-2.00％,验证了该测量系统的可靠性.台架燃气轮机实验中,集成了一套小型化测量仪器,设计多束激光收发一体的测量结构.实验采用两个电动位移台,搭载测量结构,每间隔5 mm逐点移动采样,对燃气轮机燃烧室300 mm×60 mm的燃烧区域进行测量,获取了若干工况下冷热态结果.通过双三次插值的方法绘制分辨率为0.5 mm的二维流场分布图,结果分别反映了测量区域范围内C H4和火焰分布的真实状态.为燃气轮机喷嘴燃料、空气掺混情况和燃烧特性研究提供了新的研究方法和技术手段.