[发明专利]基于正电子湮灭技术的航空发动机燃烧室温度场检测装置和方法

说明书

本发明公开了基于正电子湮灭技术的航空发动机燃烧室温度场检测装置和方法，检测装置包括气溶胶发生装置、可调节发动机固定装置和γ光子探测装置；气溶胶发生装置用于将核素混合物制备为气溶胶颗粒；可调节发动机固定装置用于固定待测发动机，并调节发动机于γ光子探测装置的有效视野之内；γ光子探测装置用于检测正电子衰变时产生的γ光子信号并进行图像重建，获取发动机燃烧室温度场。本发明能够在不破坏发动机结构的情况下实现实时、在线地检测发动机燃烧室温度场的目的。

技术领域

本发明属于航空发动机领域，特别涉及了航空发动机燃烧室温度场检测技术。

背景技术

航空发动机是先进飞行器的核心部件，其燃烧室内复杂流场流动机理一直是各国研究的重要内容，精确诊断发动机燃烧室的温度场对评估发动机燃烧效率，研究发动机燃烧机理、热声振荡、形态转变等具有重要意义，同时也能为先进航空发动机设计以及计算流体动力学仿真提供参考。发动机燃烧室中燃料与空气掺混燃烧，将燃料的化学能转换为热能加给气体，为发动机提供动力。发动机燃烧室大多包括主燃区，中间区，掺混区，由于燃烧室内大多配置了不同参数的旋流器、主燃孔、掺混孔等关键部件，从而使得燃烧室内部存在旋流、回流的流场结构，在燃烧状态下火焰呈现高温湍流燃烧，且具有温度变化快等特点。在高温温度场的测量中，目前的接触式测温手段例如热电偶、总温探针、热流传感器等实验设备难以满足耐热性的要求，同时接触式测温需要布置大量的传感器元件，过程复杂，因此需要发展可靠有效的非接触式测温技术。

目前主要的非接触式测温方法有声学法、超声层析成像、电学层析成像、平面激光诱导荧光等。声学法是利用声波传播速度与温度成单值函数关系的原理，利用各个声波传感器之间的相互传输进行温度场的重建，但该方法测量时易受环境影响，不可实现多组的声波发射，测量信号实时性差；超声层析成像和电学层析成像主要应用于不可压缩的固体或液体温度场测试，超声层析成像通过测量超声波的传播速度，根据其与温度的相互关系结合层析成像计算温度分布，电学层析成像通过测量目标区域的介电常数分布，通过预先标定介电常数与温度系数，从而得到测量目标区域的温度值，但由于发动机燃烧室存在剧烈的化学反应，温度场结构持续变化，上述两种方法并不适用；平面激光诱导荧光法利用特定分子受激发出的荧光探测温度场，主要用于稳态火焰的测量，对于温度剧烈变化的发动机燃烧室而言，该方法较难获取精确的定量结果。

正电子湮灭技术是通过放射性核素发生衰变释放正电子，正电子进入物质内在短时间经历热化、扩散、被捕获以及湮灭成对产生一对运动方向相反，能量为511keV的γ光子对。利用探测器探测成对出现的γ光子对，并将其能量转换成荧光，经过光电倍增管转换成电信号进行放大输出。一对探测器所在的直线为符合响应线，对探测器获取到的符合响应线数据进行重组及图像重建，进而得到可识别的断层切片图像。由于γ光子具有很强的穿透性，可以轻松穿透金属外壳，并且不受高温高压等恶劣环境的影响，所以为这种技术应用于发动机燃烧室温度场的检测提供了可能。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了基于正电子湮灭技术的航空发动机燃烧室温度场检测装置和方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

基于正电子湮灭技术的航空发动机燃烧室温度场检测装置，包括气溶胶发生装置、可调节发动机固定装置和γ光子探测装置；所述气溶胶发生装置用于将核素混合物制备为气溶胶颗粒；所述可调节发动机固定装置用于固定待测发动机，并调节发动机于γ光子探测装置的有效视野之内；所述γ光子探测装置用于检测正电子衰变时产生的γ光子信号并进行图像重建，获取发动机燃烧室温度场。

进一步地，所述气溶胶发生装置包括容器、进气接头、进气喷嘴、出气喷嘴、加料口、空气压缩机、加料装置和控制器；所述加料装置通过加料口向容器通入核素混合物，所述进气喷嘴位于容器内部，该进气喷嘴通过进气接头与空气压缩机相连，从而向容器内通入压缩气体，所述出气喷嘴用于排除容器内生成的气溶胶颗粒，所述加料装置和空气压缩机的运行由控制器控制。