燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法
【专利摘要】本发明涉及燃气轮机【技术领域】，具体公开了一种燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法，在燃烧室的燃烧试验段上开设可视化窗口，通过高速CCD相机从可视化窗口获取燃烧室内的背景图像和火焰图像，对某一采样间隔内的每一帧火焰图像进行去背景处理，对该采样间隔内每一帧去除背景后的火焰图像进行火焰边界提取，将该采样间隔内每一帧火焰图像的火焰边界内的区域记为火焰面积并计算火焰面积的大小，对该采样间隔内每一帧火焰图像的火焰面积进行FFT变换，以确定燃烧室内火焰在此工况下燃烧振荡的各阶频率。本发明可用于校验燃烧室声学特性的预测工具，以用于在设计阶段对燃烧室气动设计和结构设计的优化。
【专利说明】燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃气轮机【技术领域】，尤其涉及一种燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法。
【背景技术】
[0002]重型燃气轮机正在向更大的单机功率、更高的循环效率以及更低的排放等方向发展。燃烧室作为重型燃气轮机的三大核心部件之一，肩负着重要的功能。一方面它需要将燃料的化学能有效地释放出来转换为高温高压的燃气，为其在透平中膨胀做功提供条件；另一方面，他还负责控制污染物的生成。
[0003]随着全世界对环保问题的重视，各国对重型燃气轮机燃烧室的排放要求越来越严格，尤其是对氮氧化物(NOx)排放的要求。因此，在设计与开发新一代重型燃气轮机时，各主要燃气轮机制造商大都采用贫预混低污染燃烧设计技术，而燃烧不稳定问题一直是低污染燃烧设计中的一个重大挑战。燃烧不稳定会引起燃烧室内的热声振荡，热声振荡主要是受到燃烧的热释放率和压力扰动波的来回传递形成共振而产生。当燃烧室内微小的压力扰动波经过火焰区域时，一部份的热能可以被转换为放大压力扰动的动能，如果这些能量无法经由其它的方式耗散掉，便会累积在压力扰动波内而迅速形成驻波，进而与热释放率产生共振。这种自激发的压力波振荡，不仅干扰正常的燃烧过程，使得氮氧化物的排放达不到最初设计的标准，严重时更会损坏燃烧室的构件，减低燃气轮机的整体寿命。
[0004]目前，在燃气轮机中对热声振荡问题主要是通过燃烧调整技术来避免，通常是在燃烧室上安装动态压力传感器来测定燃气轮机在工作过程中燃烧室内压力脉动的情况，然后根据压力脉动幅值的大小来对燃气轮机进行适当的燃烧调整。而在燃烧室设计阶段还几乎无法通过常用的数值模拟方法或工具对燃烧室内的火焰振荡频率进行较准确的预测，这给燃烧室的气动和结构优化设计带来较大的困难。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]本发明的目的是提供一种燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法，这种方法基于一种可视化燃烧试验技术，通过高速CCD相机拍照来获取火焰图像，然后通过分析火焰图像的特征来确定燃烧室内的火焰振荡频率。
[0007]( 二 )技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法，包括以下步骤:
[0009]S1.在燃烧室的燃烧试验段上开设可视化窗口 ；
[0010]S2.通过高速C⑶相机从所述可视化窗口获取燃烧室内的背景图像和火焰图像；
[0011]S3.对某一采样间隔内的每一帧火焰图像进行去背景处理；
[0012]S4.对该采样间隔内每一帧去除背景后的火焰图像进行火焰边界提取；
[0013]S5.将该采样间隔内每一帧火焰图像的火焰边界内的区域记为火焰面积并计算火焰面积的大小；
[0014]S6.对该采样间隔内每一帧火焰图像的火焰面积进行FFT变换，以确定燃烧室内火焰在此工况下燃烧振荡的各阶频率。
[0015]优选地，通过所述可视化窗口能够覆盖燃烧室内的整个火焰区域。
[0016]优选地，所述可视化窗口的材质为透光性材料。
[0017]优选地，所述透光材料为耐高温的石英玻璃。
[0018]优选地，所述石英玻璃的厚度为10mm?30mm。
[0019]优选地，所述高速(XD相机的采样频率不低于4096Hz，并保证每一测定工况的采样频率相同。
[0020]优选地，对火焰图像进行去背景处理时，将火焰图像与背景图像做差值得到去除背景后的火焰图像。
[0021]优选地，采用图像处理软件Matlab或Photoshop对火焰图像进行火焰边界提取。
[0022]优选地，在火焰边界提取过程中，首先对每一帧去除背景后的火焰图像进行二值化处理，然后通过图像处理软件自带的边界提取算法进行火焰边界的提取，所述边界提取算法为Sobel或Canny。
[0023]优选地，在火焰面积大小计算过程中，将得到的火焰区域内每一像素点的大小记为1，火焰区域外的每一像素点的大小记为0，然后通过累加的方式计算火焰面积的大小。
[0024](三)有益效果
[0025]本发明的燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法基于一种可视化燃烧试验技术，通过高速CCD相机拍照来获取火焰图像，然后通过分析火焰图像的特征来确定燃烧室内的火焰振荡频率，本发明可用于校验燃烧室声学特性的预测工具，以用于在设计阶段对燃烧室气动设计和结构设计的优化。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明实施例的燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法的流程图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0028]如图1所示，本实施例的燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法包括以下步骤:
[0029]S1.在燃烧室的燃烧试验段上开设可视化窗口 ；
[0030]在燃烧试验台的燃烧试验段上安装可视化窗口，通过所述可视化窗口能够覆盖燃烧室内的整个火焰区域，所述可视化窗口的材质为透光性材料，本实施例中，所述透光材料优选为耐高温的石英玻璃，为保证所述可视化窗口的强度，所述石英玻璃的厚度为10mm?30mmo
[0031]S2.通过高速C⑶相机从所述可视化窗口获取燃烧室内的背景图像和火焰图像；
[0032]CCD，英文全称:Charge_coupled Device，中文全称:电荷賴合兀件，可以称为CCD图像传感器，在试验开始前打开所述高速CCD相机并正对所述可视化窗口的中心记录此时的背景图像，然后在试验正式开始后调整燃烧状态到测定工况时记录可视化窗口内的火焰图像，所述高速CCD相机的采样频率不低于4096Hz，并保证每一测定工况的采样频率相同。
[0033]S3.对某一采样间隔内的每一帧火焰图像进行去背景处理；
[0034]选择某一特定采样时间间隔内的火焰图像，然后与背景图像做差值得到去除背景后的火焰图像，该过程用于消除火焰图像的背景噪声。
[0035]S4.对该采样间隔内每一帧去除背景后的火焰图像进行火焰边界提取；
[0036]本实施例中，采用图像处理软件Matlab或Photoshop等对火焰图像进行火焰边界提取，在火焰边界提取过程中，首先对每一帧去除背景后的火焰图像进行二值化处理，然后通过图像处理软件自带的边界提取算法进行火焰边界的提取，所述边界提取算法优选为Sobel 或 Canny 等。
[0037]S5.将该采样间隔内每一帧火焰图像的火焰边界内的区域记为火焰面积并计算火焰面积的大小；
[0038]在火焰面积大小计算过程中，将得到的火焰区域内每一像素点的大小记为1，火焰区域外的每一像素点的大小记为0，然后通过累加的方式计算火焰面积的大小。
[0039]S6.对该采样间隔内每一帧火焰图像的火焰面积进行FFT变换，以确定燃烧室内火焰在此工况下燃烧振荡的各阶频率；
[0040]FFT (Fast Fourier Transformat1n),即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。
[0041]本发明的燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法基于一种可视化燃烧试验技术，通过高速CCD相机拍照来获取火焰图像，然后通过分析火焰图像的特征来确定燃烧室内的火焰振荡频率，本发明可用于校验燃烧室声学特性的预测工具，以用于在设计阶段对燃烧室气动设计和结构设计的优化。
[0042]本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
【权利要求】
1.一种燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法，其特征在于，包括以下步骤: 51.在燃烧室的燃烧试验段上开设可视化窗口； 52.通过高速C⑶相机从所述可视化窗口获取燃烧室内的背景图像和火焰图像； 53.对某一采样间隔内的每一帧火焰图像进行去背景处理； 54.对该采样间隔内每一帧去除背景后的火焰图像进行火焰边界提取； 55.将该采样间隔内每一帧火焰图像的火焰边界内的区域记为火焰面积并计算火焰面积的大小； 56.对该采样间隔内每一帧火焰图像的火焰面积进行FFT变换，以确定燃烧室内火焰在此工况下燃烧振荡的各阶频率。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法，其特征在于，通过所述可视化窗口能够覆盖燃烧室内的整个火焰区域。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法，其特征在于，所述可视化窗口的材质为透光性材料。
4.根据权利要求3所述的燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法，其特征在于，所述透光材料为耐高温的石英玻璃。
5.根据权利要求4所述的燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法，其特征在于，所述石英玻璃的厚度为1mm?30mm。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法，其特征在于，所述高速CCD相机的采样频率不低于4096Hz，并保证每一测定工况的采样频率相同。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法，其特征在于，对火焰图像进行去背景处理时，将火焰图像与背景图像做差值得到去除背景后的火焰图像。
8.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法，其特征在于，采用图像处理软件Matlab或Photoshop对火焰图像进行火焰边界提取。
9.根据权利要求8所述的燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法，其特征在于，在火焰边界提取过程中，首先对每一帧去除背景后的火焰图像进行二值化处理，然后通过图像处理软件自带的边界提取算法进行火焰边界的提取，所述边界提取算法为Sobel或Canny0
10.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧室内火焰振荡频率的确定方法，其特征在于，在火焰面积大小计算过程中，将得到的火焰区域内每一像素点的大小记为1，火焰区域外的每一像素点的大小记为0，然后通过累加的方式计算火焰面积的大小。
【文档编号】G06K9/46GK104374581SQ201410588841
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】谢法, 井文明 申请人:北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司