一种超临界态和气态碳氢燃料密流测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术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To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：Am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。

【技术实现步骤摘要】
一种超临界态和气态碳氢燃料密流测量装置及方法
本专利技术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。
技术介绍
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(XuejunFan，GongYu，JianguoLiandXinyuZhang.InvestigationofVaporizedKeroseneInjectionandCombustioninaSupersonicModelCombustor.JournalofPropulsionandPower.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(XuejunFan，GongYu，JianguoLiandXinyuZhang.InvestigationofVaporizedKeroseneInjectionandCombustioninaSupersonicModelCombustor.JournalofPropulsionandPower.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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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：Am为音速喷嘴m喉部面积；待测燃料质量流量AN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AN。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PN，PN在0.5-2.0Mpa之间选择、待测燃料温度为To；温度为T满足0.95T＜To＜1.05T，压力P满足0.8P＜PN＜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AM：AM＝AN*PN/PMM(M＝1，2···和N-1)个音速喷嘴；AN为第N个音速喷嘴喉部面积，PM和PN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To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：Am为音速喷嘴m喉部面积；待测燃料质量流量...

【技术保护点】
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(m＝1至N，N为喷嘴数)进口压强P′m和进口温度T′m状态下的密流值为：Am为音速喷嘴m喉部面积；待测燃料质量流量m·=M·*PN'P*TTN'*AN]]>AN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。

【技术特征摘要】
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：Am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；AN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AN，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PN，PN在0.5-2.0Mpa之间选择、待测燃料温度为To；温度为T满足0.95T＜To＜1.05T，压力P满足0.8P＜PN＜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AM：AM＝AN*P...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟战，王振国，孙明波，雷静，梁剑寒，李清廉，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43