1、激光诊断技术在航空发动机测试领域应用研究摘 要：简要介绍了多种激光诊断技术在航空发动机测试领域的发展现状。关键词：激光诊断技术 航空发动机 测试1 引言激光（LASER）是英语“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的字头缩写，意思即是“通过受激辐射实现光放大” ，是 20 世 纪 以 来 ， 人 类的 第 四 大 发 明 ， 被 称 为 “最 快 的 刀 ”、 “最 准 的 尺 ”、 “最 亮 的 光 ”和 “奇 异 的 激 光 ”。它 的 亮 度 为 太 阳 光 的 100 亿 倍 。激 光 的 原 理 早 在 19
2、16 年 已 被 著 名 的 美 国 物 理 学 家 爱 因 斯 坦 发 现 ， 但 直 到 1960 年 ， 美 国 休 斯 顿 实 验 室 的 梅 曼 利 用 掺 钕 的 红 宝 石 晶 体 ， 用 氙 灯 泵 浦 ， 制 造 了 世 界 上 第一 台 激 光 器 ， 激 光 才 应 运 而 生 。 我 国 科 学 家 在 激 光 器 领 域 的 早 期 工 作 并 不 落 后 ， 继 梅曼 一 年 之 后 ， 1961 年 夏 天 ， 中 科 院 长 春 光 机 所 的 科 学 家 就 利 用 球 形 聚 光 器 和 直 管 氙 灯 ，用 自 己 制 造 的 掺 钕 的 红 宝 石 在
3、我 国 第 一 次 实 现 了 激 光 输 出 ， 诞 生 了 中 国 第 一 台 激 光 器 。自 从 激 光 被 首 次 制 造 出 来 ， 就 开 始 了 激 光 技 术 的 高 速 发 展 。 激 光 诊 断 技 术 经 过20 多 年 的 发 展 ， 已 经 发 展 成 为 包 含 不 同 方 面 的 、 综 合 的 技 术 ， 例 如 温度场测量技术、激光扫描压力敏感漆技术、 激 光 燃 气 分 析 技 术 、激 光 测 速 诊 断 技 术 ，并且适用 于 测 量 航空 发 动 机 内 多 种 参 数 ， 如 发 动 机 的 进 口 流 场 温 度 、 燃 烧 室 内 的 雾 化
4、、 射 流 掺 混 、 燃 烧 产物 浓 度 、 气 膜 冷 却 效 果 、 叶 栅 和 扩 压 段 的 气 流 分 离 、 激 波 宽 度 等 。在 航 空 发 动 机 设 计研 制 经 常 会 受 到 许 多 传 统 方 法 无 法 解 决 的 测 试 问 题 ， 激 光 诊 断 技 术 的 发 展 为 航 空 发动 机 的 设 计 和 故 障 诊 断 带 来 了 极 大 的 便 利 ， 很 好 的 解 决 了 这 些 问 题 。2 温 度 场 测 量 技 术测量温度的传统方法大多是点测量，有很多局限性，如被测温：度不能太高，采用接触式测量会：破坏流场，无法获得整个温度场的信息等。使用非接
5、触的激光测量方法，可以避免这些问题。2.1 相干反斯托克斯拉曼散射技术相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent AntiStokes Raman Scattering,CARS)技术也称相干反斯托克斯拉曼光谱技术(Coherent AntiStokes Raman Spectroscopy)。斯科托斯拉曼散射技术测量温度的基本出发点是根据粒子数分布和温度有光的波尔兹曼方程，拉曼谱线的轮廓形状取决于被测样品分子的振动-转动能级的粒子数分布，而它的分布由于体系的温度有光。采用CARS技术可同时获得燃烧室内燃气温度和某燃烧产物的物质的量分数。产生的相干信号可增加信噪比，并可以用空间滤波器来减少高温燃
6、气带来的干扰光信号，因此增强了测量信号的质量，这些优点使得CARS技术在高温燃烧温度测量中具有独特优势。NASA兰利研究中心(LRC：Langley Research Center)的工作突出特点是十分注重CARS的实际应用研究，尤其是在超声速燃烧研究中应用。根据此项技术，他们很精确的测量了超声速燃烧室的温度场分布、高压燃烧室的温度、工作状态下吸气冲压发动机模型的温度，并对2000K以上的温度进行了测量。2.2 激发诱导荧光技术发光可以定义为原子或分子从激发状态到较低能状态经历的辐射发射过程，如果激发态是通过吸收入射辐射产生的，那么源于这种激发态的发射就是兴致发光，荧光现象属于兴致发光，涉用到
7、两种辐射：激发光和发射光。激光诱导荧光光谱(LIFS：Laser Induced Fluorescence Spectroscopy)是以激光作为激发光源的荧光光谱，可以做到共振激发，因此具有较高的灵敏度，对于燃烧流场的测量具有较好的优势。在PLIF被提出之后，因为LIFS与平面激光诱导荧光(PLIF：Planar Laser Induced Fluorescence)原理上基本相同，但后者具有非常优秀的空间和时间分辨能力，所以在航空发动机燃烧诊断中PLIF技术更受重视。由于LIFS测温的原理和方法较为复杂，尤其是在处理不同上能级猝灭速率时存在难题，而且在对非稳态火焰的测量和空间分辨能力方面都
8、存在弱点，所以对LIFS测温的研究普遍不够重视。但是LIFS技术也有自己的优势，如在对时空分辨率要求不高的火焰进行钡4量时，光谱具有量化较为方便，测量光路简单等优点。1990年代早期，RKHanson等对氢氧基和一氧化氮的组分和温度分布测量技术进行了探索，并在激波加热流体和模型超声速燃烧发动机中进行了应用的尝试。虽然处于简单模拟阶段，但是作为原理性演示测量，这种研究有一定的意义。随着PLIF技术在时间分辨能力上的进步，研究开始采用双套PLIF测量系统，具备了对燃烧流场的瞬态结构的测量能力和使用双线激发法测量非稳态燃烧流场温度分布的能力。PLIF测量的流场模拟也趋于复杂，对一些经典的尖劈和圆柱高
9、速绕流流场进行了研究，显示应用水平有所提高。使用时间上有分辨能力的NO和OH基PLIF技术，研究了激波反射、高超声速下的激波后过渡过程、预混可燃气体超声速圆柱绕流、尖劈绕流的流场结构和温度分布。3 激光扫描压力敏感漆技术激光技术与激光扫描压力敏感漆(Laser-scanning Pressure-Sensitive Paint,PSP)技术相结合，可用于测量压气机叶片的表面静压分布。其原理是：激光照射到被测部件的PSP涂层上，产生的冷光信号与部件表面的静压有一定的函数关系。表面静压测量的传统方法是采用在被测物体表面排布压力传感器来进行，虽然能够测得物体表面局部静压，但不能全面给出物体表面的静压
10、分布，而且不可避免地会破坏原有流场。PSP技术可以避免出现这类问题，通过测量压气机叶片的表面静压分布可为叶型设计以及材料选择提供宝贵的试验依据。采用PSP技术可瞬时得到试验体的表面压力分布，无需通过建立复杂的理论模型来计算，节省了研发时间和资金。4 激光燃气分析技术4.1 激光诱导白炽灯技术在喷气发动机研制过程中，燃料的不完全燃烧会产生大量的烟雾粒子，不仅使燃烧效率降低，而且由于碳的堆积极易堵塞燃油喷嘴，破坏物化质量，全面影响燃烧室性能。另外，燃烧产生的炭粒子、一氧化碳、二氧化氮等化学物质是环境和人类健康的重要污染源，在大型飞机发动机研制过程中，这一点越来越受到重视。对于如何减少污染物排放的问
11、题，国际上近年来也做了大量试验研究。激光诱导白炽光(Laser-induced Incandescence，LII)技术利用激光诱导白炽光原理对炭粒子浓度进行分析，是测量航空发动机尾气中烟雾粒子含量的强有力工具。激光诱导白炽光(LII) 的基本原理：一束持续时间宽度小于20纳秒的激光脉冲快速地将烟雾粒子从和环境相同的状态加热到接近于将烟雾粒子气化的温度（4000至4500K）。 烟雾粒子因温度升高而发出的白炽光可以被光探测器接收，记录下的信号可以用于后续数据处理。复杂的数据处理过程涉及到烟雾粒子对激光能量的吸收以及随后发生的冷却过程。通过这种分析过程可以计算出烟雾粒子的体积分数和初级粒子粒径信
12、息。LII 对挥发性颗粒物质具有确定的，同时也是复杂的反应。对于液态微粒，它却是完全不敏感的，因为液态颗粒对光子能量的吸收率和烟雾粒子相比小的几乎可以忽略不计。对于外层覆盖有挥发性物质的碳颗粒，在激光加热周期内，挥发性物质据认为会更早地被气化。通常，可以有理由认为LII测量的是尾气中含碳物质的体积分数。尽管金属灰烬也会以较低的浓度存在， 但由于它们对激光的吸收率和白炽光信号的发射率和碳相比都要小的多，并且在高温的情况下难以存在，因此可以认为它们几乎不影响白炽灯的信号。LII技术能够在发动机运行的瞬态过程中进行实时测量。这一特性，使得它成为优化发动机碳烟粒子排放特性的优良工具。测量频率仅仅受限于
13、高功率脉冲激光器的重复频率(典型值为10-30 Hz, 相当于在1200转-3600转/分钟的情况下，每个发动机周期测量一次)。据此, 可以用多个发动机周期总体平均测量的方法来重构发动机周期分辨瞬态特性。4.2 兼并四波混频技术采用兼并四波混频(Degenerate four-wave mixing，DFWM)技术可以对喷气发动机燃气中某些物质的浓度进行分析。相关的试验设备简单，在试验信号较弱时也能得到较好的试验结果而无需其他技术辅助。3束光(2束泵浦光和1束探测光)照射到被探测物质后，形成1束新的信号光，其光强信号包含了被探测物质的一些浓度信息。该技术下的空间分辨率与光束交叉区的大小有关，因
14、此，该技术具有卓越的空间分辨能力；利用的是超短激光脉冲，因此具有非常好的时间分辨能力(大约30 ns)。4.3 平面激光诱导荧光技术平面激光诱导荧光(Planner Laser-Induced 11uoreseenee，PLIF)技术具有优越的时间和空间分辨能力，并且可以得到流场的二维图像，可以对不同物质分子的不同量子态进行探测，因此，采用该技术可同时测量流场的多个参数，如流场内某物质的浓度、温度、压力和流动速度等；这些特性与其卓越的时间和空间分辨能力有机地结合在一起，使其在超声速和高超声速流场研究中占有独特地位，已成为研究燃烧流动的有效诊断工具。5 激光测速诊断技术5.1 激光多普勒测速技术
15、激光多普勒测速(Laser Doppler volemeter -LDV)技术是在20世纪60年代中期发展起来的。其基本原理是是根据激光多普勒效应，利用运动粒子散射光的频移来测量速度，因为散射光的频移中包含粒子速度的信息。激光多普勒测速的过程包含静止的光源，运动的粒子和静止的光检测器这三者之间的运动关系。LDV技术的空间分辨率高，可测很小体积内的流速。该技术采用点测量方式，适用于稳态流场的测量，具有良好的方向灵敏度，并可进行三维测量。NASA的Lewis研究中心已经采用LDV技术对涡轮部件内的流场进行了三维测量。5.2 激光双焦点测速技术燃烧室内的湍流运动会影响氧与燃油的燃烧反应。燃油粒子和空
16、气流动的相对速度对燃油的蒸发、燃烧效率和燃烧污染物的形成有影响。因此，同时获得粒子运动速度的分布对研究燃烧过程有重要作用。在激光测速技术基础上，WDBachalo和Mike Houser成功地实现了对粒子速度的测量。激光双焦点测速（Laser Two Focus Velocimeter）的基本原理是测量跟随流体运动的粒子在光探测区内的飞行时间，从而获得粒子的运动速度。换言之，就是利用两个高强度的聚焦光束，可呈现两个焦点，即为光探测区，焦点直径约为10微米左右。两焦点的间距不变，被可被精确测量，约为几百微米。测量跟随流体运动的粒子穿越这两个聚焦光斑的飞行时间，从而获得粒子的飞行速度。5.3 激光
17、粒子图像测速技术激光粒子图像测速（Particle Image Velocimetry-PIV）技术能够测速瞬态速度场，基本原理是利用脉冲激光将随流体运动的示踪粒子照亮，用CCD相机拍摄示踪粒子的图像，吐过图像处理得到示踪粒子的速度。PIV技术可对内燃机、燃气轮机进气道附近流场，垂直起飞飞机和直升机水平尾翼表面附近等瞬态流场进行速度测量。6 总结随着激光测量技术的发展，激光诊断技术在国外航空领域的应用愈加广泛。在中国航空工业领域则应用较少。在航空发动机研制过程中，采用具有非接触、自动化程度高、数据处理速度快、测量精度高、效率高、空间分辨率高等突出特点的激光诊断技术，不仅可以缩短研发周期，而且可以大大减少研发投资，具有广阔的应用前景。
