一种超临界态和气态碳氢燃料密流测量装置及方法

摘要

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

说明书

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 and Combustion 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 and Xinyu Zhang.Investigation of Vaporized Kerosene Injection and Combustion in a Supersonic Model 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$({\overline{\stackrel{·}{m}}}_1-{\overline{\stackrel{·}{m}}}_2)/{\overline{\stackrel{·}{m}}}_2=(\bar{\rho }(t+\mathrm{\Delta t})-\bar{\rho }\left(t\right))*V/({\overline{\stackrel{·}{m}}}_2*\mathrm{\Delta t})$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。