一种超临界航空煤油粘性测量的装置及方法
技术领域
本发明属于未来高性能航空航天动力系统中超临界燃烧的研究领域,主要涉及一种适用于超临界航空煤油粘性测量的装置及方法。
背景技术
为了获得更为优异的发动机性能,未来的飞行器发动机需要达到更高的压气机压缩比以及涡轮前燃气温度。因此,空气流经压气机后温度将会显著升高,导致涡轮部件的冷却效率急剧降低。针对于这种情况,可以利用发动机燃油对冷却气进行冷却,以提升涡轮部件的冷却效率,降低高速旋转涡轮部件的热负载。
可以看出,随着未来高性能发动机燃烧室内环境温度和压力逐步提高,喷射燃油的温度和压力将超过其临界点的温度和压力,高性能发动机燃烧室的液态燃油都将工作于超临界状态,如图1所示。已有的研究表明,当煤油处于超临界状态,它既不属于液相也不属于气相,相的分界面消失了。在临界点附近,航空煤油的热力学输运性质对压力和温度的变化很敏感,这时的加热、蒸发和燃烧特性完全不同于亚临界状态。超临界燃油的独特性质,使其相当于跨越了亚临界煤油燃烧时的雾化和蒸发过程直接燃烧,恰好可以满足未来高速飞行器动力装置燃烧室在高超声速来流条件下的急速燃烧要求。只有了解超临界航空煤油不同温度和压力下的物性参数,才能充分研究超临界态航空煤油的喷射、雾化和燃烧特性,才能设计出适用于未来高性能航空航天发动机的超临界燃烧室。因此对超临界燃油物性参数的测定将是未来发动机研究中不可或缺的。
现在有关超临界方面的研究大多是化工上针对小分子纯净物的,对于一些单组份的液态碳氢燃料也有较为明确的描述。然而,绝大多数混合物,特别是对典型的液态高碳大分子碳氢燃料来说,它们的超临界物性参数没有任何系统的数据,也没有建立公认的混合规则,尚未建立完整的典型液态碳氢燃料的超临界物性参数数据库。目前的研究中,常采用替代燃料法(用分子式和临界参数相近的纯净物来替代混合物进行物性参数计算)来进行研究,如:可采用物性参数相近的C10H22(正癸烷)作为航空煤油的替代燃料。但超临界航空煤油的物性参数与替代燃料的物性参数仍然存在很大的差别,这将对研究的准确度带来很大的影响。鉴于超临界航空煤油物性参数的重要性,所以很有必要通过实验方法来建立航空煤油的物性参数数据库,为后续研究提供数据储备。
结合国内外研究现状和可用的实验条件,本装置拟对超临界航空煤油不同温度和压力下的动力粘度进行测量。我国目前常用航空煤油的临界点压力为2.2~2.4MPa,临界点温度640~660K。超临界态航空煤油的粘度在加热过程中变化剧烈,图2是2.33MPa压力下常作为航空煤油替代燃料的C10H22的粘度随温度的变化曲线。由上图可以明显发现,随温度地升高,其粘度逐渐减小,在临界点附近,粘度值急剧下降,超临界状态下的粘度值可小于常温状态下的五分之一。
由于常规的液体粘度测量方法如滚球法和沉子法等很难应用于高温高压下的液体粘度测量,故需要尝试新的测量方案。目前,多采用经典毛细管测量流体粘性的方法对超临界航空煤油的粘性进行测量,但是由于受限于层流流动雷诺数的要求以及压降测量的精度,质量流量必须进行限定,而当下的工艺技术水平很难满足高压系统下小流量的测定。鉴于这种情况,要准确测量超临界航空煤油的粘度,必须采用其他的方法,以解决待测流体流量精确测定的难题。
发明内容
本发明的主要创新是解决了上述流量难以精确测量的问题,主要目的是进行超临界航空煤油的粘性测量。针对航空煤油在超临界状态下粘性急剧降低的特点,基于经典毛细管粘性测量的原理并对其进一步扩展,提出了一种环形截面柱形管粘性测量法,解决了层流状态下由于流体质量流量太小而导致的难以进行精确测量的难题,并设计了测量装置,为超临界航空煤油的科学研究以及粘性数据库的扩展提供了有力的帮助。
本发明所描述的粘度测量装置不仅充分考虑了高温高压环境下测量仪器的耐压、耐热强度以及密封问题,而且主要针对测量管内流体的保温性进行了相关设计,以保持测量管中流体的温度恒定。其包括:环形截面测量管、测量腔左端盖、测量腔右端盖、真空泵接口、环形套筒、导压管、石棉垫片、差压变送器、过滤网、压力表、热电偶、密封圈、金属遮热板、四通接头和三通接头。
环形套筒两端分别与测量腔左端盖和测量腔右端盖进行连接,形成封闭容腔,容腔内沿径向均匀分布双层金属遮热板;环形截面测量管水平穿过测量腔端盖的中心孔,其进出口稳定段开有沉孔,用于同差压变送器两端的导压管进行连接;环形截面测量管左端连接有四通接头,右端与一个三通接头进行连接;四通接头入口处放置有过滤网,另外两口分别与热电偶以及压力表进行连接;三通接头另外两口分别为热电偶接口和待测流体出口;环形套筒和环形截面测量管上均设有真空泵接口。
测量时当高温高压燃油流经测量管后,由于流体的粘性将会在测量管两端产生压力降,可以通过测量管两端连接的差压变送器进行测量,从而根据环形截面管流摩擦定律,利用该压差即可反算出粘度数据。差压变送器通过毛细导压管连接到测量管的两端,导压管内填充耐高温导压硅油。为了保证测量管内煤油的粘度测量精度,于测量管入口前设有过滤网,对航空煤油内的杂质进行一定的过滤,既可以降低由于杂质产生的额外压力降,同时又保证了航空煤油的纯洁度。
测量管中流体压力值以及温度值的保持是一定状态下粘度测量的关键。由于管内流体的温度很高,故主要从降低热辐射的方面来减少热量的损失,采取的措施是:一方面,对测量管表面进行高度磨光处理,可以显著降低表面的发射率,从而降低管壁向外的热辐射。另一方面,在测量管外部的封闭容腔内,沿径向嵌入双层金属遮热板,选取具有高反射性的金属1Cr-18Ni-9Ti为遮热板材料,这也是减少测量管内流体通过热辐射向外进行热量散失的一种措施。同时,本发明还通过真空泵在封闭容腔内营造出高度真空的环境,以降低热对流与热传导。以上采取的保温措施,分别从降低热辐射,热对流,热传导三个方面入手,可以很好地保持测量管内流体的温度值。
为了在超临界状态下测量较宽广温度范围(1.0<Tr<2.0,其中Tr表示煤油的温度与煤油临界点温度比值的无量纲参数)内航空煤油的粘度值,要求所选热电偶测量范围为0~1000K,耐压极限不低于6MPa,所以热电偶的测量端要做耐压处理。
为了测量宽广的超临界压力范围(1.0<Pr<2.0,其中Pr表示煤油的压力与煤油临界点压力比值的无量纲参数)内航空煤油的粘度值,要求压力表的量程为0~6MPa,耐温极限不低于1000K,所以适合于该物性测量装置的高温压力表需加装隔热膜和散热系统。
环形套筒内部与测量腔端盖间以及环形截面测量管与端盖中心孔之间的间隙均采用可以耐高温高压的橡胶圈来密封,以保证封闭容腔内部真空环境的营造。
鉴于经典毛细管粘性测量法无法准确测量超临界航空煤油的动力粘度,故提出环形截面柱形管粘性测量法,以实现层流状态下小流量待测流体粘性的精确测量。同时,需根据所述的新型粘性测量法,推导准确的粘性计算公式。如图3所示,环形截面柱形管的内环半径为R1,外环半径为R2,流体在管内沿轴向(x轴为正方向)流动会产生水平切应力τ。
理想绝热等温水平环形截面柱形管的粘性计算公式推导:
环形截面柱形管中定常流动的微分方程:
根据牛顿内摩擦定律:
将(3)代入(1)并积分可得:
结合式(3)和式(4)并积分可得管内流体速度沿径向分布:
由于靠近壁面处速度为0,所以:当r=R1以及r=R2,V=0。
故可得积分常数c1和c2,代入(5)可得:
假设沿管段轴向压力成线性分布,则通过环形截面柱形管流体的质量流量为:
故可得理想条件下(理想绝热等温)水平环形截面柱形管的粘性测量公式:
其中在式(1)~(8)中,γ为流体的运动粘度,μ为流体的动力粘度,ρ为流体密度,τ为切应力,L为环形截面柱形管管长。
一种适用于超临界航空煤油粘性的新型测量方法,包括以下几个步骤:
步骤一:选取环形截面柱形管为粘性测量段,准确测量并记录测量段长度L;
步骤二:准确测量并记录测量管内苍外径D1以及外环内径D2,对超临界航空煤油的粘性进行预估,根据确定固定的质量流量以保证测量管内流体的流动状态为层流;
步骤三:对测量管以及差压变送器进行排气处理,以提高测量的精度;
步骤四:检查差压变送器、压力表以及热电偶是否工作正常;
步骤五:对超临界航空煤油的粘性进行测量:
首先固定待测流体压力,控制待测流体的质量流量为满足层流流动要求的合适值,将待测流体加热至测定温度,进行粘性测量。待压力、流量、温度均稳定后,对其进行记录,可得测量段的总流量,测量段进出口压差Δp,根据环形截面柱形管粘性测量公式:
可以得到该温度工况下待测流体的动力粘度;
步骤六:改变测量段进口温度,重复步骤五,进行下一温度工况粘性的测量,直至待测流体温度达到所需测量的上限;
步骤七:调节压力,重复步骤五、六,进行下一个压力工况的粘性测量,直至待测流体压力达到所需测量的上限,由此得到不同压力下流体粘性随温度的变化关系。
本发明的优点与积极效果在于:
(1)基于经典毛细管粘性测量的原理并对其进一步扩展,提出了环形截面柱形管粘性测量法,解决了经典毛细管粘性测量法下为保证管内流动状态为层流而导致的质量流量过小,无法进行精确测量的难题。
(2)本发明所述粘性测量方法适用于各种压力及温度下超临界航空煤油粘性的测量,克服了现有粘度计在高温高压下无法准确测量超临界航空煤油粘性的固有缺陷。
(3)设计了基于环形截面柱形管粘性测量法的超临界航空煤油粘性测量装置,操作简单方便,可以测定高温(≤1000K)高压(≤6MPa)下航空煤油的粘性,测定范围相对现有测量设备有大幅度提升。
附图说明
图1为流体的相平衡图
图2为C10H22在2.33MPa压力下粘性随温度的变化曲线;
图3为环形截面柱形管的结构简图;
图4为超临界航空煤油的粘性测量装置示意图;
图5为超临界航空煤油粘性测量流程图;
图中:
1、环形截面测量管; 2、测量腔左端盖; 3、测量腔右端盖;
4、真空泵接口; 5、环形套筒; 6、导压管;
7、石棉垫片; 8、差压变送器; 9、过滤网;
10、压力表; 11、热电偶; 12、密封圈;
13、金属遮热板; 14、四通接头; 15、三通接头;
16、储油罐; 17、截止阀; 18、过滤器;
19、活塞泵; 20、减压阀; 21、流量控制阀;
22、质量流量计; 23、燃油加热器; 24、热交换器
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种适用于超临界航空煤油粘性测量的装置,如图4所示。其包括:环形截面测量管1、测量腔左端盖2、测量腔右端盖3、真空泵接口4、环形套筒5、导压管6、石棉垫片7、差压变送器8、过滤网9、压力表10、热电偶11、密封圈12和金属遮热板13、四通接头14和三通接头15。
该粘性测量装置是基于环形截面柱形管粘性测量法所设计的,故选取粘性测量管段为环形截面柱形管。为了在测量过程中不会产生过大的压降,必须保证环形截面测量管1的长度在一定范围内,故本发明限定环形截面测量管1的长度介于300~500mm之间。同时由于环形截面柱形管粘性测量法需限定管内流动为充分发展的层流流动,即保证管内流动雷诺数小于2300,故在一定质量流量下,需对环形截面测量管1外环的内径以及内芯的外径进行限定,以同时满足流动状态以及差压变送器8测量精度的要求,因此本装置限定环形截面测量管1的外环内径介于12~16mm,内芯外径介于8~12mm之间。此外,为了进一步保证管内流动充分发展,在环形截面测量管1入口与差压变送器8的接口间还预留有一段长度为100mm的管段。
测量前首先分别将环形套筒5与测量腔左端盖2和测量腔右端盖3分离,将双层金属遮热板13插入测量腔右端盖3上的凹槽中进行定位,然后将测量腔右端盖3与环形套筒5进行对接并用螺栓拧紧,要求测量腔右端盖3与环形套筒5必须同心,以保证可以形成封闭容腔。其后将环形套筒5的另一侧与测量腔左端盖2进行对接,同时需保证金属遮热板13插入测量腔左端盖2上的凹槽,故测量腔左端盖2,测量腔右端盖3与环形套筒5连接形成封闭容腔。将管内芯外径以及外环内径分别为D1和D2的环形截面测量管1水平插入测量腔端盖上的中心孔并穿过封闭容腔,其目的是为了保持测量管内流体的温度恒定,以满足流体在某一温度下粘度测量的要求,同时还可以消除重力效应对于超临界航空煤油粘度测量的影响。分别在环形截面测量管1的两端开有直径为0.8mm的取压孔,由于取压孔面积占当地流道面积的比例很小,因此可以认为对压力测量无影响,在取压孔的基础上开有直径为3mm的沉孔,用于连接环形截面测量管1与导压管6。差压变送器8通过导压管6连接到环形截面测量管1的两端,导压管6内填充有耐高温导压硅油。为了降低流体流经环形截面测量管1所产生的局部阻力压降,对测量管内芯入口端作圆锥化处理。在环形截面测量管1的出口段,对内芯出口端与外环之间采用氩弧焊进行焊接,以保证内芯的固定。环形套筒5与测量腔左端盖2,测量腔右端盖3之间以及环形截面测量管1与测量腔端盖中心孔之间的间隙均采用可以耐高温高压的硅橡胶密封圈12来进行密封。为了降低测量过程中热量的散失,进行测量前,需通过真空泵接口4分别对环形截面测量管1内部以及环形套筒5与测量腔左端盖2,测量腔右端盖3对接形成的封闭腔体进行抽真空处理。此外,在环形套筒5外部缠绕有保温材料。本发明从降低热辐射、热对流、热传导三个方面综合考虑,设计了合理的保温结构,可以有效地降低高温燃油向外产生的热量散失,维持测量管内流体的温度。
测量步骤如图5所示,测量开始后开启截止阀17,储油罐16中的燃油首先通过过滤器18滤除杂质,然后经活塞泵19加压后,通过流量控制阀21和质量流量计22限定固定质量流量的燃油进入测量段,使用燃油加热器23将其加热至实验温度。开启下一截止阀17后,高温燃油流经环形截面测量管1,通过测量管1两侧连接的差压变送器8对高温燃油由于粘性所产生的压降Δp进行测量。同时,在测量管两侧分别连接有K型热电偶11,可以对测量管入口及出口处高温燃油的温度值Tin和Tout进行测定。由于实验中总会存在测量管内流体的热量散失,为了保证测量的精确性,故将超临界燃油的温度定义为:
T=0.5(Tin+Tout)
通过观察环形截面测量管1进口前热电偶11的测量温度,调节加热器加热功率,当测量温度超过航空煤油临界点温度时,煤油将进入超临界状态,则可以对其超临界状态下的粘性进行测量。测量结束后,高温高压燃油首先流经热交换器24进行降温,然后经减压阀20降压至大气压后进入储油罐16以回收再利用。
本发明所述热电偶采用工业一级K型铠装热电偶或铑-铂热电偶,所述差压变送器8精度为0.05%,量程为40kPa。
本发明所述层流条件通过雷诺数进行判定(本发明所述粘性测量方法只能在层流条件下使用),控制雷诺数
由于粘性测量的实验是在层流条件下进行的,经典毛细管粘性测量方法中要求雷诺数但是由于圆管内径D受限于测量管两端压降Δp的测量精度要求(单根水平管进出口摩擦压降),因而不能过大,故只可通过限定流体质量流量来满足雷诺数要求。对于不同工况下的质量流量,随着温度的升高,流体的粘性变化很大,在管径以及雷诺数不变的情况下,流体的流量几乎小到无法测量。以水为例,表1给出了当Re=1000,D=1mm,Pa=2MPa时圆管内水流量的相关数据。
表1:水粘性测量时流量与温度的关系(Re=1000,D=1mm,Pa=2MPa)
从表1可以看出,当测量压力Pa=2MPa时,从室温变化到800K,水的质量流量从0.895g/s变化到0.023g/s,对于高压系统,即使能测出如此微小的流量,其相对误差也会很大。而且由于超临界航空煤油的粘性相比于同状态下水的粘性要小得多,其质量流量会更小,故根本无法进行测量。
基于流体质量流量测量的难题,故在此基础上发展新的基于环形截面柱形管的粘性测量方法。该测量方法下需满足雷诺数通过选取合适的测量管内芯外径D1以及外环内径D2,不仅可以保证较高的压差测量精度,而且可以间接大幅增大满足层流要求的最大质量流量限,从而达到流体质量流量精确测量的目的。以水为例,表2给出了当Re=1000,D1=10mm,D2=12mm,Pa=2MPa时环形截面柱形管内水流量的相关数据。
表2:水粘性测量时流量与温度的关系(Re=1000,D1=10mm,D2=12mm,Pa=2MPa)
从表2可以看出,当测量压力Pa=2MPa时,从室温变化到800K,水的质量流量从19.692g/s变化到0.506g/s。相较于相同条件下采用经典毛细管粘性测量法所得的表1,由于雷诺数计算公式中的当量直径由D增大至(D1+D2),环形截面柱形管粘性测量法下水的质量流量增大了20倍有余,可以使用质量流量计进行精确测量。
本发明的一种适用于超临界航空煤油粘性的测定方法,包括以下几个步骤:
步骤一:选取环形截面柱形管1为粘性测量段,准确测量并记录测量段长度L;
步骤二:准确测量并记录测量管内芯外径D1以及外环内径D2,对超临界航空煤油的粘性进行预估,根据确定固定的质量流量以保证测量管内流体的流动状态为层流;
步骤三:对环形截面测量管1以及差压变送器8进行排气处理,以提高测量的精度;
步骤四:检查差压变送器8、压力表10以及热电偶11是否工作正常;
步骤五:对超临界航空煤油的粘性进行测量:
首先固定待测流体压力,控制待测流体的质量流量为满足层流流动要求的合适值,将待测流体加热至测定温度,进行粘性测量。待压力、流量、温度均稳定后,对其进行记录,可得测量管的总流量,测量管进出口压差Δp,根据环形截面柱形管粘性测量公式:
可以得到该温度工况下待测流体的动力粘度;
步骤六:通过上述方法,在压力大小分别为p1、p2、p3、...、pM,温度分别为T1、T2、T3、...、TN时测量超临界航空煤油的粘度,由测量管两端所连接的差压变送器8所测得的管内流体由于粘性所产生的压力降ΔpMN的大小可以计算出压力为pM,温度为TN时超临界航空煤油的粘度值为:
根据所获得M×N组粘度数据可以分析超临界航空煤油的粘度随温度和压力的变化规律,形成超临界态航空煤油粘度的数据库。
由于实验测量中存在误差,故可对航空煤油替代燃料正癸烷粘性进行测定,并对比NIST物性数据库,得出修正因子K,对实验中存在的误差进行修正。故由此可以提出超临界航空煤油粘性关于温度及压力变化的经验公式,为后续的数值和实验研究打下基础。