模块化化学物质层析传感器实现燃气轮机尾气动态成像

研究人员针对燃气轮机尾气诊断中传统采样法空间分辨率低、无法实时监测的问题，开发了模块化化学物质层析（CST）传感器系统。通过128个独立激光发射-接收单元和高速数据采集系统，实现了250帧/秒的水蒸气浓度与温度场动态成像，空间分辨率达8.1毫米。该系统在实验室燃烧器和商用辅助动力装置（APU）尾气测试中验证了其捕捉非均匀分布和瞬态特征的能力，为发动机性能评估和故障诊断提供了创新工具。

　　

燃气轮机作为航空、船舶和发电领域的核心动力装置，其尾气排放的精确监测直接关系到能源效率和环境保护。然而，传统提取式采样方法存在空间分辨率低、时间响应慢的缺陷，难以捕捉尾气羽流中温度和水蒸气（H₂O）浓度的非均匀分布和动态变化。这种技术瓶颈严重制约了燃烧优化和排放控制策略的开发。

针对这一挑战，英国爱丁堡大学（The University of Edinburgh）的研究团队创新性地开发了模块化化学物质层析（Chemical Species Tomography, CST）传感器系统。该系统通过128个微型化激光发射-接收单元的阵列式布局，结合高速数据采集技术，首次实现了商用燃气轮机尾气中水蒸气浓度和温度场的动态可视化，相关成果发表在《Sensors and Actuators B: Chemical》期刊。

研究团队采用波长调制光谱（Wavelength Modulation Spectroscopy, WMS）技术提升信噪比，通过7185.6 cm^-1和7444.4 cm^-1双吸收谱线的比值测温法反演温度场。模块化设计的每个激光单元包含C透镜准直器、PIN光电二极管和跨阻放大器电路，通过四组32束平行激光的等角度投影布局实现8.1毫米空间分辨率。定制化的128通道数据采集系统采用时分复用技术，将成像速率提升至250帧/秒。

实验室验证

通过环形和三喷口燃烧器测试，系统成功重建了1127K高温区和0.059水蒸气摩尔分数的非对称分布。功率谱分析显示环形火焰存在9Hz的周期性脉动，而三喷口火焰呈现宽带湍流特征，验证了系统捕捉动态特性的能力。

工业应用

在霍尼韦尔131-9A辅助动力装置（APU）测试中，系统首次重建出尾气中580K高温区和0.0316水蒸气浓度的新月形分布，准确反映了压缩机放气导致的温度不对称性。测量数据表明尾流核心区湍流强度显著低于边界区域，与燃气轮机流场特性相符。

该研究突破了传统CST传感器在机械稳定性和时空分辨率上的限制。模块化设计使得系统可通过调整框架尺寸适配不同型号发动机，而无需重构核心光学组件。250帧/秒的成像速率足以监测贫油熄火等瞬态现象，为燃烧不稳定性和燃料混合问题的诊断提供了全新工具。未来通过扩展至CO₂等更多气体组分的同步监测，该系统有望成为燃气轮机排放控制和性能优化的标准诊断平台。