CN103968907B - 一种超临界态和气态碳氢燃料密流测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种超临界态和气态碳氢燃料密流测量装置，包括两个以上的串联音速喷嘴，所述音速喷嘴包括等直段、收缩段、节流喉部和扩张段；第1个音速喷嘴的等直段与碳氢燃料加热装置出口连接；每个音速喷嘴均在喉部达到声速。测量方法包括以下步骤：一、将待测燃料加热到温度约为T_o并通入本装置；二、在音速喷嘴m的等直段上测量其进口压强P′_m和温度T′_m；三、计算待测燃料在音速喷嘴m进口压强P′_m和进口温度T′_m状态下的密流值：A_m为音速喷嘴m喉部面积。利用该装置和方法能够精确的、成本低的测量不同状态点下超临界态和气态碳氢燃料达到“壅塞”状态下的密流。

Description

一种超临界态和气态碳氢燃料密流测量装置及方法

技术领域

本发明属于航空航天测量领域，具体涉及燃料系统质量流量测量装置及方法。

背景技术

为保证飞行器长工作时的结构可靠性，超燃冲压发动机和航空发动机需要对飞行器进行冷却。再生冷却方式首先将燃料作为冷却剂，然后再将吸收热量后的燃料喷注进燃烧参与燃烧。Ma＜8条件下，吸热型碳氢燃料是一种综合性能优异的高超声速飞行器燃料。吸热型碳氢燃料的吸热量随飞行工况不同而改变，该过程中其状态也不断发生改变。当燃料温度和压强分别高于其热力学临界温度和临界压强时，燃料进入超临界态；某压强条件下，当燃料温度高于该压强下饱和温度时，燃料进入气态。超临界态和气态碳氢燃料具有类似于理想气体扩散特性，但某些状态点其物性随温度和压强变化十分剧烈。

超燃冲压发动机和航空发动机燃烧室压强一般较低(＜6atm)。气态燃料可以采用声速喷注方式。以比热比为1.4的理想气体为例，当喷注压强与燃烧室压强满足一定条件时(如喷注压强大于燃烧室压强的2倍)时，气体喷注过程中在喷嘴中最小面积处会达到声速，一般称之为达到“壅塞”状态。当理想气体达到声速时，其流量只与上游喷注压强和喷注温度有关，而与下游背压无关，从而隔离了下游背压对其流量的影响。超临界和气态碳氢燃料具有与理想气体类似的特性。对于任一燃烧室压强，当燃料喷注压强和温度足够高时，超临界和气态碳氢燃料在喷嘴中最小面积处达到声速，即达到“壅塞”状态。此时，燃料质量流量只与上游喷注压强和喷注温度有关，而与下游背压无关。因此，可以通过使超临界和气态碳氢燃料达到“壅塞”状态来测量其质量流量。燃料声速喷注时的流量特性可为燃料喷注方案设计提供依据，同时可以用于发动机燃料供应系统工作状态的健康诊断。

针对超临界和气态RP-3(中国3号航空煤油)的质量流量测量，范学军(Xuejun Fan，Gong Yu，Jianguo Li and Xinyu Zhang.Investigation of Vaporized Kerosene Injection andCombustion in a Supersonic Model Combustor.Journal of Propulsion and Power.Vol.22，No.1.2006)采用NIST的supertrapp软件包结合RP-3的三组分替代模型(摩尔分数分别为49％，44％和7％的正十烷，1，3，5三甲基环己烷和丙基苯)，基于一维等熵流动假设和广义对应状态法则，计算燃料加速流动达到声速时的密度、温度和流速等参数，得到声速截面的密流(单位面积对应的质量流量，单位为kg/(m2·s))。

为验证上面流量计算方法的可靠性，范学军(Xuejun Fan，Gong Yu，Jianguo Li andXinyu Zhang.Investigation of Vaporized Kerosene Injection and Combustion in a SupersonicModel Combustor.Journal of Propulsion and Power.Vol.22，No.1.2006)采用在音速喷嘴下游收集燃料方法进行了超临界和气体RP-3达到“壅塞”状态时的质量流量。在一定时间段内保持入口燃料温度和压强基本恒定不变，通过音速喷嘴使得超临界和气体RP-3在喉部(音速喷嘴最小流动面积处)达到“壅塞”状态，通过下游收集装置得到该时间段内流过音速喷嘴的燃料质量，收集得到燃料质量对时间进行平均得到燃料质量流量，燃料质量流量除以音速喷嘴喉部面积得到燃料密流。

由上述可以看出，目前主要采用替代模型理论计算和音速喷嘴喉部壅塞后下游收集进行时间平均这两种方法测量燃料密流。

理论计算碳氢燃料密流时的精确性取决于物性计算的精确性。发动机所用燃料一般为具有上千种成分的混合物，目前技术条件下无法对燃料物性进行直接计算。一般通过采用少数具有代表性的碳氢化合物组成替代模型，将替代模型的物性参数作为被替代燃料的物性，由于燃料物性随温度和压强变化剧烈，很难采用替代模型在所有温度和压强条件下精确得到被替代模型的物性参数。一般在物性随温度和压强变化相当平缓的区域，替代模型计算的精确性较高，而在物性随温度压强变化剧烈的地方，替代模型计算的精确性较差。因此，在替代模型物性计算精确性高的区域采用理论计算方法得到的燃料流量具有较高的精度，在替代模型物性计算精确性差的区域采用理论计算方法得到的燃料流量误差大。

实验测量热煤油流量特性时由于采用时间平均法，其精度与燃料收集时间长度，考虑到收集时需要进行阀门切换，阀门切换过程中流量达到稳态也需要一个稳定时间，通常该方法需要十几秒钟甚至几十秒的时间才能得到较为准确的结果。收集燃料的过程中需要保持音速喷嘴进口的温度和压强恒定，使燃料达到并在一段时间内保持在恒定温度对燃料上游加热系统要求很高，尤其在物性变化剧烈的区域。同时使用该方法，每次只能得到一个状态点(指温度和压强)下的密流，效率低，测定成本高。可见，该方法效率低，成本高。

发明内容

本发明解决现有技术存在的技术问题，提供一种超临界态和气态碳氢燃料密流测量装置及方法，利用该装置和方法能够精确的、成本低的测量不同状态点下超临界态和气态碳氢燃料达到“壅塞”状态下的密流。

本发明一种超临界态和气态碳氢燃料密流测量装置，包括两个以上的串联音速喷嘴，所述音速喷嘴包括等直段、收缩段、节流喉部和扩张段；第1个音速喷嘴的等直段与碳氢燃料加热装置出口连接；每个音速喷嘴均在喉部达到声速；

计算待测燃料在音速喷嘴m进口压强P′_m和进口温度T′_m状态下的密流值：A_m为音速喷嘴m喉部面积；

待测燃料质量流量 $\stackrel{\·}{m}=\stackrel{\·}{M}*\frac{P_N^{\text{'}}}{P}*\sqrt{\frac{T}{T_N^{\text{'}}}}*A_N$

A_N为音速喷嘴N喉部面积；待测碳氢燃料壅塞状态下在压强P和温度为T时的密流值，音速喷嘴N的实测压强P′_N和温度T′_N。

优选的，所述0.8P＜P′_N＜1.2P，0.95T＜T′_N＜1.05T。

优选的，所述密流值的获取方法为理论计算方法或壅塞状态音速喷嘴下游收集燃料方法。

优选的，所述音速喷嘴的喉部面积：

1)所述第N个音速喷嘴喉部面积A_N。其中，为待测燃料质量流量；为第N个音速喷嘴喉部密流

${\stackrel{\·}{M}}_N=\stackrel{\·}{M}*\frac{P_N}{P}*\sqrt{\frac{T_o}{T}},$

第N个音速喷嘴进口压强为P_N，P_N在0.5-2.0Mpa之间选择、待测燃料温度为T_o；温度为T满足0.95T＜T_o＜1.05T，压力P满足0.8P＜P_N＜1.2P；待测碳氢燃料壅塞状态下在压强P和温度为T时的密流值；

2)确定上游音速喷嘴喉部面积A_M：

A_M＝A_N*P_N/P_M

M(M＝1，2···和N-1)个音速喷嘴；A_N为第N个音速喷嘴喉部面积，P_M和P_N分别为第M个和第N个音速喷嘴进口压强。

优选的，各音速喷嘴等直段的流动面积分别大于其节流喉部流动面积的6倍。

利用上述的装置进行超界态和气态碳氢燃料密流测量的方法，包括以下步骤：

步骤一、将待测燃料加热到温度约为T_o并通入本装置；

步骤二、在音速喷嘴m的等直段上测量其进口压强P′_m和温度T′_m；

步骤三、计算待测燃料在音速喷嘴m进口压强P′_m和进口温度T′_m状态下的密流值：A_m为音速喷嘴m喉部面积；

待测燃料质量流量 $\stackrel{\·}{m}=\stackrel{\·}{M}*\frac{P_N^{\text{'}}}{P}*\sqrt{\frac{T}{T_N^{\text{'}}}}*A_N$

A_N为音速喷嘴N喉部面积；待测碳氢燃料壅塞状态下在压强P和温度为T时的密流值音速喷嘴N的实测压强P′_N和温度T′_N。

采用多个节流喉部串联测量超临界态和气态碳氢燃料的装置和方法。测量效率高，可同时得到多个状态点的燃料密流。燃料只需要在更短的时间保持稳态即可，降低了对燃料加热装置的要求，降低了实验难度。

附图说明

图1双节流喉部音速喷嘴示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

本发明通过设计好各个音速喷嘴节流喉部面积，使燃料在各个节流喉部处均达到声速，即达到“壅塞”状态，来测量超临界态和气态碳氢燃料在不同状态下的密流。

待测燃料在本发明装置中流动达到稳定时，通过各个节流喉部的燃料质量流量相同。由已知的待测燃料在低压(P在0.5-2.0Mpa之间)状态下的密流，计算待测燃料在第2喉部的密流，然后通过根据公式计算第1喉部的密流，即待测燃料在第1音速喷嘴进口状态下的密流。其中分别为通过音速喷嘴1和音速喷嘴2的密流，A₁、A₂分别为通音速喷嘴1和音速喷嘴2的喉部面积，为通过音速喷嘴的燃料质量流量。通过这种方法可以建立待测燃料的状态与密流之间一一对应的关系，所得到燃料密流特性可以用于发动机喷注系统的设计。

下面以串联有两个节流喉部的音速喷嘴为例，结合图1说明本发明设计过程。

步骤1：本发明由两个分别包括等直段、收缩段、节流喉部和扩张段的音速喷嘴构成。沿流动方向，上游音速喷嘴1由等直段11、收缩段12、节流喉部13和扩张段14组成，下游音速喷嘴2由等直段21、收缩段22、节流喉部23和扩张段24组成。等直段11上设计有接口用于与碳氢燃料加热装置出口连接。采用现有的碳氢燃料加热装置为本发明装置提供不同温度的碳氢燃料。目前成熟的碳氢燃料加热装置可以实现被加热的碳氢燃料质量流量和出口温度大范围可调。

步骤2：选择需要测量的待测燃料状态范围，包括温度范围和压强范围，将温度和压强范围的中值分别标记为T_o和P_o。

步骤3：获得待测碳氢燃料壅塞状态下在压强P(P在0.5-2.0Mpa之间)和温度为T时的精确密流值。对于RP-3，可以通过前述三组分替代模型采用supertrapp软件计算其密流值，该方法在压强较低时已得到实验验证。对于其它暂时无法通过该种方法计算得到可靠密流值的碳氢燃料，利用背景技术介绍的通过在壅塞状态音速喷嘴下游收集燃料的方式，获得其在目标状态下的精确密流值。

步骤4：选择音速喷嘴2喉部面积A₂。通过公式确定下游音速喷嘴喉部面积。其中，为碳氢燃料加热装置提供的待测燃料质量流量。通过公式计算压强为P₂、温度为T_o状态时的密流这样在已知P，T和T_o的条件下，通过选择P₂即可计算得到A₂。优选地，P₂在0.5-2.0Mpa之间选择。

步骤5；选择音速喷嘴1喉部面积A₁。通过公式A₁＝A₂*P₂/P_o计算上游音速喷嘴喉部面积。为保证燃料在两个音速喷嘴喉部均达到声速，优选地，步骤4中选择的A₂和P₂应保证A₂＞1.3A₁。

步骤6：选择选择等直段11与和等直段21的流动面积。优选地，等直段11与和等直段21的流动面积分别大于节流喉部13和23流动面积的6倍，使待测燃料在等直段11和21的马赫数(流速与声速的比值)小于0.15，此时在等直段11和21上测得压强和温度可以直接作为燃料在音速喷嘴1和2的进口总压和总温。优选地，收缩段12和22的收缩角分别在20°至60°之间选择，扩张段14和扩张段24的扩张角分别在6°至30°之间选择。上述参数为本领域通用的选择范围。

步骤7：选择扩张段14、等直段21和收缩段22的体积。在实际的碳氢燃料加热装置工作过程中很难控制使其出口的燃料温度和压强恒定不变。假设在t和t+Δt时刻之内通过音速喷嘴1和音速喷嘴2的待测燃料平均质量流量分别为在Δt时间长度内，由于碳氢燃料加热装置的原因，导致待测燃料在本发明内流动过程中其状态随时间有小幅变化。扩张段14和等直段21和收缩段22的体积记为V，其在t和t+Δt时刻的平均密度记为根据质量守恒定理，在Δt时间长度内，通过音速喷嘴1和2的待测燃料质量差满足可通过公式计算得到。本发明所用测量方法的精度可以通过公式 $({\stackrel{\‾}{\stackrel{\·}{m}}}_1-{\stackrel{\‾}{\stackrel{\·}{m}}}_2)/{\stackrel{\‾}{\stackrel{\·}{m}}}_2=(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}(t+\mathrm{\Δt})-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\left(t\right))*V/({\stackrel{\‾}{\stackrel{\·}{m}}}_2*\mathrm{\Δt})$ 计算得到，可以看出，在所测量的时间范围内，扩张段14和等直段21和收缩段22内燃料状态随时间变化幅度越小(即/Δt越小)，扩张段14和等直段21和收缩段22的体积越小，碳氢燃料加热装置提供的燃料质量流量越大，本发明测量精度越高。假设燃料质量流量为0.1kg/s，测量时间为Δt＝1s，平均密度变化为10kg/m3(700K、1Mpa时的RP-3密度约为25kg/m3，燃料状态略微变化时密度变化不会超过10kg/m3)，V＝5*10^-5m3时(相当于约160mm长的内径20mm的圆管容积)，测量误差约为0.5％。可见，只要在短时间(1s时间尺度)内保证流经本发明装置的燃料状态较稳定，本发明具有很高的测量精度。在实际使用中，通过待测燃料随时间的密度变化率以及燃料流量，选择扩张段14和等直段21和收缩段22的体积使得测量误差小于1％。

测量方法：

步骤一：通过碳氢燃料加热装置将待测燃料加热到温度约为T_o并通入本发明装置。

步骤二：当音速喷嘴1和2进口温度和压强均达到稳定状态时，在等直段11和21上分别测量音速喷嘴1和2的进口压强P′₁、P′₂和温度T′₁、T′₂。

步骤三：通过公式计算通过音速喷嘴2的待测燃料质量流量。

其中，P′₂和T′₂为实验测得的音速喷嘴2进口压强和温度，为步骤3中得到在压强为P、温度为T时的待测燃料密流，A₂为音速喷嘴2喉部面积。为保证实验测量精度，优选地，参数选择过程中0.8P＜P′₂＜1.2P，0.95T＜T′₂＜1.05T。通过公式计算待测燃料在P′₁和T′₁状态下的密流值。当T′₁不在目标状态温度范围时，通过调节碳氢燃料加热装置来调节待测燃料温度使其落在目标状态温度范围内。当P₁不在目标状态压强范围时，通过调节碳氢燃料加热装置提供的待测燃料质量流量使得P′₂落入目标状态压强范围内。

优选地，为提高使用过程不同音速喷嘴间组合的灵活性，每个音速喷嘴入口和出口均设计有接口用于与其它音速喷嘴或碳氢燃料加热装置等连接。

在本发明装置中，待测碳氢燃料经历如下流动过程：以低于0.15的马赫数进入等直段11；在收缩段12中不断加速并在节流喉部13处达到声速，实现壅塞；在扩张段14中出现激波，在激波前燃料由声速继续加速，经过激波后燃料流速由超声速降低到亚声速、静压升高，在扩张段14中激波后燃料沿流动方法流速持续降低、静压持续升高；在等直段21中燃料马赫数低于0.15；在收缩段22中不断加速并在节流喉部23处达到声速，在扩张段24中持续加速达到超声速。

此外，本发明还可以通过采用多个节流喉部音速喷嘴，在一次实验中获得待测燃料在目标温度附近不同压强下的密流值。如采用具有N个节流喉部的音速喷嘴时，可以设定N-1个喷嘴进口状态，所设定的N-1个喷嘴进口状态的温度范围应相同，通过喉部面积的设定，使N-1个喷嘴进口压强，将这些目标压强由高到低依次命名为目标压强1、2···和N-1。为使得流动在所有节流喉部均达到声速，这些压强应具有一定间隔，每两个相近的压强值最小相差30％。可选择的最高压强应低于碳氢燃料加热装置最高许用压强，以保证碳氢燃料加热装置正常工作。每个音速喷嘴也分别由等直段、收缩段、节流喉部和扩张段，其扩张段和收缩段角度取法与步骤1所述相同。沿流动方向，将每个节流喉部所在的音速喷嘴分别命名为音速喷嘴1、2···和N。第N个音速喷嘴的喉部面积计算方法与步骤4相同。第M(M＝1，2···和N-1)个音速喷嘴的喉部面积A_M计算方法与步骤5类似，通过公式A_M＝A_N*P_N/P_M确定上游音速喷嘴喉部面积。其中，A_N为第N个音速喷嘴喉部面积，P_M和P_N分别为目标压强M和所选择的第N个音速喷嘴进口压强。

本发明已经在国防科技大学实验外场用于超临界态与气态RP-3和正十烷的密流测量，取得了良好的效果。

Claims (4)

1.一种超临界态和气态碳氢燃料密流测量装置，包括两个以上的串联音速喷嘴，所述音速喷嘴包括等直段(11、21)、收缩段(12、22)、节流喉部(13、23)和扩张段(14、24)；第1个音速喷嘴的等直段(11)与燃料加热装置出口连接；每个音速喷嘴均在喉部达到声速；

待测燃料在音速喷嘴m进口压强P′_m和进口温度T′_m状态下的密流值为： A_m为音速喷嘴m喉部面积；

待测燃料质量流量

m＝1至N，N为喷嘴数；

A_N为音速喷嘴N喉部面积；待测碳氢燃料壅塞状态下在压强P和温度为T时的密流值音速喷嘴N的实测压强P′_N和温度T′_N；

所述音速喷嘴的喉部面积：

1)所述第N个音速喷嘴喉部面积A_N，其中，为待测燃料质量流量；为第N个音速喷嘴喉部密流

第N个音速喷嘴进口压强为P_N，P_N在0.5-2.0Mpa之间选择、待测燃料温度为T_o；温度为T满足0.95T＜T_o＜1.05T，压力P满足0.8P＜P_N＜1.2P；待测碳氢燃料壅塞状态下在压强P和温度为T时的密流值

2)确定上游音速喷嘴喉部面积A_M：

A_M＝A_N*P_N/P_M

M个音速喷嘴，M＝1，2···和N-1；A_N为第N个音速喷嘴喉部面积，P_M和P_N分别为第M个和第N个音速喷嘴进口压强。

2.如权利要求1所述的一种超临界态和气态碳氢燃料密流测量装置，其特征在于所述0.8P＜P′_N＜1.2P，0.95T＜T′_N＜1.05T。

3.如权利要求1所述的一种超临界态和气态碳氢燃料密流测量装置，其特征在于所述各音速喷嘴等直段(11、21)的流动面积分别大于其节流喉部(13、23)流动面积的6倍。

4.利用权利要求1所述的装置进行超界态和气态碳氢燃料密流测量的方法，包括以下步骤：

步骤一、将待测燃料加热到温度约为T_o并通入本装置；

步骤二、在音速喷嘴m(m＝1至N)的等直段(11、21)上测量其进口压强P′_m和温度T′_m；

步骤三、计算待测燃料在音速喷嘴m进口压强P′_m和进口温度T′_m状态下的密流值： A_m为音速喷嘴m喉部面积；

待测燃料质量流量

A_N为音速喷嘴N喉部面积；待测碳氢燃料壅塞状态下在压强P和温度为T时的密流值音速喷嘴N的实测压强P′_N和温度T′_N。