一種超臨界態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂厦芰鳒y(cè)量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明一種超臨界態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂厦芰鳒y(cè)量裝置，包括兩個(gè)以上的串聯(lián)音速噴嘴，所述音速噴嘴包括等直段、收縮段、節(jié)流喉部和擴(kuò)張段；第1個(gè)音速噴嘴的等直段與碳?xì)淙剂霞訜嵫b置出口連接；每個(gè)音速噴嘴均在喉部達(dá)到聲速。測(cè)量方法包括以下步驟：一、將待測(cè)燃料加熱到溫度約為To并通入本裝置；二、在音速噴嘴m的等直段上測(cè)量其進(jìn)口壓強(qiáng)P′m和溫度T′m；三、計(jì)算待測(cè)燃料在音速噴嘴m進(jìn)口壓強(qiáng)P′m和進(jìn)口溫度T′m狀態(tài)下的密流值：Am為音速噴嘴m喉部面積。利用該裝置和方法能夠精確的、成本低的測(cè)量不同狀態(tài)點(diǎn)下超臨界態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂线_(dá)到“壅塞”狀態(tài)下的密流。
【專利說明】一種超臨界態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂厦芰鳒y(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航空航天測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及燃料系統(tǒng)質(zhì)量流量測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為保證飛行器長(zhǎng)工作時(shí)的結(jié)構(gòu)可靠性，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要對(duì)飛行器進(jìn)行冷卻。再生冷卻方式首先將燃料作為冷卻劑，然后再將吸收熱量后的燃料噴注進(jìn)燃燒參與燃燒。Ma < 8條件下，吸熱型碳?xì)淙剂鲜且环N綜合性能優(yōu)異的高超聲速飛行器燃料。吸熱型碳?xì)淙剂系奈鼰崃侩S飛行工況不同而改變，該過程中其狀態(tài)也不斷發(fā)生改變。當(dāng)燃料溫度和壓強(qiáng)分別高于其熱力學(xué)臨界溫度和臨界壓強(qiáng)時(shí)，燃料進(jìn)入超臨界態(tài)；某壓強(qiáng)條件下，當(dāng)燃料溫度高于該壓強(qiáng)下飽和溫度時(shí)，燃料進(jìn)入氣態(tài)。超臨界態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂暇哂蓄愃朴诶硐霘怏w擴(kuò)散特性，但某些狀態(tài)點(diǎn)其物性隨溫度和壓強(qiáng)變化十分劇烈。
[0003]超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓強(qiáng)一般較低(< 6atm)。氣態(tài)燃料可以采用聲速噴注方式。以比熱比為1.4的理想氣體為例，當(dāng)噴注壓強(qiáng)與燃燒室壓強(qiáng)滿足一定條件時(shí)(如噴注壓強(qiáng)大于燃燒室壓強(qiáng)的2倍)時(shí)，氣體噴注過程中在噴嘴中最小面積處會(huì)達(dá)到聲速，一般稱之為達(dá)到“壅塞”狀態(tài)。當(dāng)理想氣體達(dá)到聲速時(shí)，其流量只與上游噴注壓強(qiáng)和噴注溫度有關(guān)，而與下游背壓無關(guān)，從而隔離了下游背壓對(duì)其流量的影響。超臨界和氣態(tài)碳?xì)淙剂暇哂信c理想氣體類似的特性。對(duì)于任一燃燒室壓強(qiáng)，當(dāng)燃料噴注壓強(qiáng)和溫度足夠高時(shí)，超臨界和氣態(tài)碳?xì)淙剂显趪娮熘凶钚∶娣e處達(dá)到聲速，即達(dá)到“壅塞”狀態(tài)。此時(shí)，燃料質(zhì)量流量只與上游噴注壓強(qiáng)和噴注溫度有關(guān)，而與下游背壓無關(guān)。因此，可以通過使超臨界和氣態(tài)碳?xì)淙剂线_(dá)到“壅塞”狀態(tài)來測(cè)量其質(zhì)量流量。燃料聲速噴注時(shí)的流量特性可為燃料噴注方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供應(yīng)系統(tǒng)工作狀態(tài)的健康診斷。
[0004]針對(duì)超臨界和氣態(tài)RP-3 (中國(guó)3號(hào)航空煤油)的質(zhì)量流量測(cè)量，范學(xué)軍(XuejunFan, Gong Yu, Jianguo Li and Xinyu Zhang.1nvestigation of Vaporized KeroseneInjection and Combustion in a Supersonic Model Combustor.Journal of Propulsionand Power.Vol.22, N0.1.2006)米用 NIST 的 supertrapp 軟件包結(jié)合 RP-3 的三組分替代模型(摩爾分?jǐn)?shù)分別為49%，44%和7%的正十烷，1，3，5三甲基環(huán)己烷和丙基苯)，基于一維等熵流動(dòng)假設(shè)和廣義對(duì)應(yīng)狀態(tài)法則，計(jì)算燃料加速流動(dòng)達(dá)到聲速時(shí)的密度、溫度和流速等參數(shù)，得到聲速截面的密流(單位面積對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量，單位為kg/(m2.s))。
[0005]為驗(yàn)證上面流量計(jì)算方法的可靠性，范學(xué)軍(Xuejun Fan, Gong Yu, Jianguo Liand Xinyu Zhang.1nvestigation of Vaporized Kerosene Injection and Combustion ina Supersonic Model Combustor.Journal of Propulsion and Power.Vol.22,N0.1.2006)采用在音速噴嘴下游收集燃料方法進(jìn)行了超臨界和氣體RP-3達(dá)到“壅塞”狀態(tài)時(shí)的質(zhì)量流量。在一定時(shí)間段內(nèi)保持入口燃料溫度和壓強(qiáng)基本恒定不變，通過音速噴嘴使得超臨界和氣體RP-3在喉部(音速噴嘴最小流動(dòng)面積處)達(dá)到“壅塞”狀態(tài)，通過下游收集裝置得到該時(shí)間段內(nèi)流過音速噴嘴的燃料質(zhì)量，收集得到燃料質(zhì)量對(duì)時(shí)間進(jìn)行平均得到燃料質(zhì)量流量，燃料質(zhì)量流量除以音速噴嘴喉部面積得到燃料密流。[0006]由上述可以看出，目前主要采用替代模型理論計(jì)算和音速噴嘴喉部壅塞后下游收集進(jìn)行時(shí)間平均這兩種方法測(cè)量燃料密流。
[0007]理論計(jì)算碳?xì)淙剂厦芰鲿r(shí)的精確性取決于物性計(jì)算的精確性。發(fā)動(dòng)機(jī)所用燃料一般為具有上千種成分的混合物，目前技術(shù)條件下無法對(duì)燃料物性進(jìn)行直接計(jì)算。一般通過采用少數(shù)具有代表性的碳?xì)浠衔锝M成替代模型，將替代模型的物性參數(shù)作為被替代燃料的物性，由于燃料物性隨溫度和壓強(qiáng)變化劇烈，很難采用替代模型在所有溫度和壓強(qiáng)條件下精確得到被替代模型的物性參數(shù)。一般在物性隨溫度和壓強(qiáng)變化相當(dāng)平緩的區(qū)域，替代模型計(jì)算的精確性較高，而在物性隨溫度壓強(qiáng)變化劇烈的地方，替代模型計(jì)算的精確性較差。因此，在替代模型物性計(jì)算精確性高的區(qū)域采用理論計(jì)算方法得到的燃料流量具有較高的精度，在替代模型物性計(jì)算精確性差的區(qū)域采用理論計(jì)算方法得到的燃料流量誤差大。
[0008]實(shí)驗(yàn)測(cè)量熱煤油流量特性時(shí)由于采用時(shí)間平均法，其精度與燃料收集時(shí)間長(zhǎng)度，考慮到收集時(shí)需要進(jìn)行閥門切換，閥門切換過程中流量達(dá)到穩(wěn)態(tài)也需要一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間，通常該方法需要十幾秒鐘甚至幾十秒的時(shí)間才能得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。收集燃料的過程中需要保持音速噴嘴進(jìn)口的溫度和壓強(qiáng)恒定，使燃料達(dá)到并在一段時(shí)間內(nèi)保持在恒定溫度對(duì)燃料上游加熱系統(tǒng)要求很高，尤其在物性變化劇烈的區(qū)域。同時(shí)使用該方法，每次只能得到一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)(指溫度和壓強(qiáng))下的密流，效率低，測(cè)定成本高?？梢?，該方法效率低，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，提供一種超臨界態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂厦芰鳒y(cè)量裝置及方法，利用該裝置和方法能夠精確的、成本低的測(cè)量不同狀態(tài)點(diǎn)下超臨界態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂线_(dá)到“壅塞”狀態(tài)下的密流。
[0010]本發(fā)明一種超臨界態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂厦芰鳒y(cè)量裝置，包括兩個(gè)以上的串聯(lián)音速噴嘴，所述音速噴嘴包括等直段、收縮段、節(jié)流喉部和擴(kuò)張段;第I個(gè)音速噴嘴的等直段與碳?xì)淙剂霞訜嵫b置出口連接；每個(gè)音速噴嘴均在喉部達(dá)到聲速；
[0011]計(jì)算待測(cè)燃料在音速噴嘴m進(jìn)口壓強(qiáng)P' m和進(jìn)口溫度T' 態(tài)下的密流值: =--/Αη, , Am為音速噴嘴Π1喉部面積；
[0012]待測(cè)燃料質(zhì)量流量
【權(quán)利要求】
1.一種超臨界態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂厦芰鳒y(cè)量裝置，包括兩個(gè)以上的串聯(lián)音速噴嘴，所述音速噴嘴包括等直段(11、21)、收縮段(12、22)、節(jié)流喉部(13、23)和擴(kuò)張段(14、24);第I個(gè)音速噴嘴的等直段(11)與燃料加熱裝置出口連接；每個(gè)音速噴嘴均在喉部達(dá)到聲速； 待測(cè)燃料在音速噴嘴m(m= I至N，N為噴嘴數(shù))進(jìn)口壓強(qiáng)P' m和進(jìn)口溫度T' m狀態(tài)下的密流值為'K = ，Affl為音速噴嘴m喉部面積； 待測(cè)燃料質(zhì)量流量
2.如權(quán)利要求1所述的一種超臨界態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂厦芰鳒y(cè)量裝置，其特征在于所述0.8P<P' N < 1.2P,0.95T < Ν < 1.05Τ。
3.如權(quán)利要求1所述的一種超臨界態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂厦芰鳒y(cè)量裝置，其特征在于所述密流值的獲取方法為理論計(jì)算方法或壅塞狀態(tài)音速噴嘴下游收集燃料方法。
4.如權(quán)利要求1所述的一種超臨界態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂厦芰鳒y(cè)量裝置，其特征在于所述音速噴嘴的喉部面積: 1)所述第N個(gè)音速噴嘴喉部面積ΑΝ，4ν其中，A為待測(cè)燃料質(zhì)量流量為第N個(gè)音速噴嘴喉部密流
5.如權(quán)利要求1所述的一種超臨界態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂厦芰鳒y(cè)量裝置，其特征在于所述各音速噴嘴等直段(11、21)的流動(dòng)面積分別大于其節(jié)流喉部(13、23)流動(dòng)面積的6倍。
6.利用權(quán)利I所述的裝置進(jìn)行超界態(tài)和氣態(tài)碳?xì)淙剂厦芰鳒y(cè)量的方法，包括以下步驟: 步驟一、將待測(cè)燃料加熱到溫度約為T。并通入本裝置； 步驟二、在音速噴嘴m(m= I至N)的等直段(11、21)上測(cè)量其進(jìn)口壓強(qiáng)P' m和溫度 步驟三、計(jì)算待測(cè)燃料在音速噴嘴m進(jìn)口壓強(qiáng)P' m和進(jìn)口溫度T' ?>狀態(tài)下的密流值:K, Am為音速噴嘴m喉部面積； 待測(cè)燃料質(zhì)量流量& ^ = An為音速噴嘴N喉部面積；待測(cè)碳?xì)淙剂羡杖麪顟B(tài)下在壓強(qiáng)P和溫度為T時(shí)的密流值 音速噴嘴N的實(shí)測(cè)壓強(qiáng)P' Ν和溫度T' Ν。
【文檔編號(hào)】G01F1/86GK103968907SQ201310382524
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】鐘戰(zhàn), 王振國(guó), 孫明波, 雷靜, 梁劍寒, 李清廉 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)